时间:2024-07-28
刘栋臣
(中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津 300222)
地震波速对于隧洞超前地质预报的影响分析
刘栋臣
(中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津 300222)
从理论和实际应用的角度,结合国外工程实例,以TST这一具有代表性的超前地质预报方法为例,对比隧洞开挖后的围岩地质条件,分析隧洞预测段整体平均波速的变化和分段波速的变化对TST超前地质预报的影响,表明准确的地震波速是进行超前地质预报的前提。
超前地质预报;地震波波速;TST;巴基斯坦NJ项目
在隧洞施工中,围岩大变形、塌方、岩爆、突水突泥、膨胀岩等重大地质问题时有发生,因而分析推断掌子面前方的地质条件,及时发现异常情况,预报掌子面前方不良地质体的位置、产状及其规模,进行超前地质预报,对于保障工程的安全、质量、进度具有重大意义。
理论研究和实际资料证实,地震波在岩层中的传播速度与岩层的性质、岩石的成分、密度、埋深、地质时代、孔隙度、含水率等因素有关,因而地震波速度的大小综合反映了岩体的物理力学性质(岩体密度、弹性模量、泊松比、岩体强度等),是综合评定岩体质量的重要参数[1]。
对于隧洞超前地质预报而言,掌子面前方围岩的地震波速不但关系到对围岩工程类别的判定,更重要的是直接影响到地质异常体(如断层、破碎带、岩性界线等)的准确定位,因而掌子面前方围岩波速的确定是超前地质预报的核心难点问题之一,和直接制约着超前预报结果的可靠性,因而有必要从理论和实际应用中分析和研究地震波速对隧洞超前地质预报的影响。本文以TST这一具有代表性的超前地质预报方法为例,详细分析论证地震波速对超前地质预报的影响。
TST(Tunnel Seismic Tomography)是隧道散射地震成像技术的简称,本质上是一种地震波反射法(散反结合),即利用电火花或炸药震源产生地震波,当地震波在传播过程中遇到波阻抗界面(波阻抗与岩体的密度、波速成正比,围岩地质条件的变化就意味着波阻抗的变化,从而形成波阻抗界面,如断层、岩性界线、破碎带等)时,部分地震波能量被散射回来,由检波器接收,并被地震仪记录。散射信号的传播时间与散射界面的距离成正比,因此在准确获得围岩波速的情况下,可以用来预报掌子面前方100 m范围内的地质情况,探明隧道掌子面前方断层及影响带、节理裂隙发育带等情况,判定不良地质体的位置、形态、规模[2-3]。
TST数据处理采用TSTWin软件系统,在空间方向滤波、围岩波速扫描的基础上,经偏移成像,生成掌子面前方围岩的波速分布曲线和地质构造偏移图像,两者综合分析进行超前地质预报。
从TST系统地震仪记录到的信号可以读取地震波走时,如果能够准确获得围岩的波速值,就能准确预测出异常地质体的位置。
如图1所示,假设隧洞前方有一异常地质体为断层构造,当预测使用的波速值高于真实波速时,预测出的断层将比实际位置偏远、断层宽度偏大;反之,当使用的波速值低于真实波速时,预测出的断层将比实际位置偏近、断层宽度偏小。围岩波速的误差越大,预测结果的可靠性就越差,且这种不可靠性会随着预报距离的增大而不断累积,最终得到的预测结果与实际情况将毫无可比性。因而,地震波速的准确性对预报效果的好坏具有至关重要的影响,符合实际的波速是准确预报的前提。
图1 波速存在误差时将会得到不同的预测结果Fig.1 Prediction results of errors in wave velocity
2.1 平均波速对TST预测结果影响分析
在TST数据处理过程中,需要进行速度扫描,即根据围岩地质条件和工程经验给定波速的可能变化范围,基于偏移叠加能量最大化原理,选取叠加能量取极值时的速度为最优速度。
速度扫描分整体扫描和分段扫描两个步骤,整体扫描是对整个预测段进行速度扫描,确定整个预测段的平均波速值,为分段扫描提供依据;分段扫描是依据整体扫描得到的偏移图像对整个预测段进行围岩质量分段,扫描出每个分段的波速值。
以巴基斯坦NJ项目引水隧洞工程的某次TST数据为例,在波速整体扫描时,将波速可能的变化范围取为2 600~5 000 m/s,扫描步长300 m/s,得到了一系列不同波速下的偏移图像(图2),其中横坐标表示里程,纵坐标表示偏移成像的宽度,不同颜色表示散射强度的大小正负:红色代表正散射,表示岩体波阻抗提高、岩体变得坚硬的界面;蓝色为负散射,表示波阻抗降低、岩体变软的界面;先蓝后红条纹的组合表示存在断裂带或岩层相对破碎区域,线条密集表明构造发育岩体破碎,线条稀疏表示岩体完整。
从这些偏移图像的对比中不难看出,预测段的平均波速取值不同时,对应的偏移图像中红蓝条纹的形态、分布、位置均有较大差异;相应地,预测出来的异常地质体性质、位置、规模均会有所不同:当平均波速介于3 200~4 400 m/s之间时,偏移图像中可见一组红蓝相间的条纹组合,反映出了较多的波阻抗界面和遭遇较大不良地质体的可能性,表明该段围岩构造发育,岩体破碎,可能存在一构造破碎带;然而随着波速的逐步增加,这一异常体的位置不断后移(图1浅灰色框);当波速<3 200 m/s或>4 400 m/s时,对应的偏移图像中条纹密集、稀疏的位置、形态均发生了变化,且看不到密集条纹组合,预测结论中则不会得出上述“可能存在一构造破碎带”这一结论。
上述的示例反映了波速对超前地质预报的重要性,不同的波速会得出截然不同的预测结果和结论,而掌子面前方实际的围岩地质条件是唯一存在的,唯有准确的波速才能给出符合实际的偏移图像,达到理想的预测效果。因此,预测波速越接近真实波速,预测效果越好;反之预测波速的误差越大,预测的准确性越低,可参考性就越差。
需要强调的是,图2给出的示例中整个100 m的洞段只是采用了单一的平均波速用以举例分析,而实际情况中,围岩波速是分段甚至连续变化的,因而真实情况下的偏移图像远远比图2中的偏移图像复杂得多,在速度扫描的过程中需要对波速进行分段,如果每个分段的波速均存在较大误差,则最终得到的偏移图像将会杂乱无章,与实际情况差之千里。
2.2 分段波速变化对TST预测结果的影响分析
如上所述,整个预测段平均波速的变化会影响到TST的预测结果,事实上这种影响是较为温和的,分段波速的变化对TST预测结果的影响则更为剧烈。
同样以巴基斯坦NJ项目引水隧洞工程的某次TST数据为例,采用TSTWin的波速自动扫描和分段功能得到的波速曲线和偏移图像如图3和图4所示。为了研究分段波速的变化对TST超前地质预报的影响,人为地将预测段前7 m的波速由4.2 km/s调整为3.2 km/s(图5),得到的偏移图像如图6。
对比图4和图6发现,虽然波速的变化只是7 m的范围,但是构造偏移图像却截然不同,得出的预测结论也大相径庭。
115~20 m段,波速调整前的偏移图像中红蓝条纹较为密集,表明该段围岩较破碎,围岩质量较差;而波速调整后的偏移图像则几乎没有条纹,表明该段围岩完整性好。
225~50 m段,波速调整前的偏移图像中条纹很少,表明该段围岩完整性好,围岩质量好;而波速调整后的偏移图像则条纹较多,表明该段围岩质量较差。
394~98 m段,波速调整后的偏移图像中存在红蓝条纹相间的组合,表明该段围岩极不稳定,存在构造破碎带或裂隙密集带的可能性较大;而波速调整前的偏移图像则没有反映出这一信息。
由此可见,分段波速的微小变化,会引起整个预测段偏移图像的巨大变化,得出完全不同甚至截然相反的结论。
图2 不同波速下的偏移图像Fig.2 Migration image at different wave velocity
分段波速的变化对TST超前地质预报的影响更加直接和剧烈,因而准确的波速预测是进行超前地质预报的前提。
掌子面前方围岩波速的预测是隧洞超前地质预报的核心问题之一,波速的准确与否直接影响着围岩工程类别的判别和地质异常体的定位。
图3 地震波速曲线Fig.3 Curve of seismic velocity
图4 构造偏移图像Fig.4 Migration image of structure
图5 波速调整后的波速曲线Fig.5 Wave velocity curve after wave velocity adjustment
图6 波速调整后的偏移图像Fig.6 Migration image after wave velocity adjustment
本文从理论上阐明了波速对于TST超前地质预报的重要性,并结合国外工程实例分别对比分析了预测段整体平均波速的变化和分段波速的变化对TST超前地质预报的影响,因而在进行隧洞超前地质预报工作时,应对围岩的波速问题予以高度重视,只有准确的波速才能得到可靠的超前地质预报结果。
[1] 刘康和,练余勇.深埋长隧洞地球物理勘察及施工超前预报[M].天津:天津科技大学出版社,2010.
[2] 赵永贵.国内外隧道超前预报技术评析与推介[J].地球物理学进展,2007,22(4):1344-1352.
[3] 蒋辉,贾超,赵永贵.TST隧道超前预报技术及应用[J].公路隧道,2013(3):59-62.
(责任编辑:陈文宝)
Effect Analysis of Seismic Wave Velocity on AdvancedGeological Forecast of Tunnel
LIU Dongcheng
(ChinaWaterResourcesBeifangInvestigationDesign&ResearchCo.Ltd.,Tianjin300222)
From theoretical and practical point of view,combined with the overseas project examples,taking the example of representative advanced geological forecast,this paper analyses variation of overall average velocity and the influence of the change of the velocity of the segment on the TST advanced geological forecast,shows that the accurate seismic velocity is the premise of advanced geological forecast.
advanced geological forecast; seismic wave velocity;TST; NJ project in Pakistan
2016-05-16;改回日期:2016-06-03
刘栋臣(1981-),男,工程师,地球物理专业,从事工程物探工作。E-mail:583431528@qq.com
P631.4
A
1671-1211(2016)03-0296-04
10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.011
数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160530.0937.006.html 数字出版日期:2016-05-30 09:37
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