TSP断层模型数值模拟

林 义，刘争平，王朝令，肖 缔

1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 610031 2.中铁西北院科学研究院有限公司，兰州 730000 3.四川农业大学土木工程学院，成都 611830



TSP断层模型数值模拟

林 义1,2，刘争平1，王朝令3，肖 缔3

1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 610031 2.中铁西北院科学研究院有限公司，兰州 730000 3.四川农业大学土木工程学院，成都 611830

隧道在施工开挖中会遇到各种地质问题，其中以断层和软弱带居多，目前隧道地质预报主要采用TSP(tunnel seismic prediction)系统进行。虽然TSP技术应用广泛，但目前对它的研究工作主要集中于工程应用实例，采用正演模拟方法进行的研究较少。笔者采用有限元方法模拟隧道地震波场，采用波场快照与时间记录相结合的方法研究断层对隧道地震波场传播的影响，并对含断层模型的时间记录进行了反演处理，得到了数值模型的速度云图和反射层位图。数据处理结果表明：采用TSP Win软件默认值处理得到的速度云图与模型设定的断层位置一致；根据反射层位图，对异常速度带的层状模型来说，P波预报的准确性更高。研究表明，TSP系统具有良好的抗噪性能。通过对工程实例的处理，验证了数值模拟所得结论。

TSP；TSPwin；波场快照；隧道地震预报；断层

0 引言

TSP(tunnel seismic prediction)系统是瑞士Amberg公司开发的、进行隧道地质超前预报的地球物理勘探设备。研究原理是在隧道内[1]采用小药量的炸药爆破作为震源，按照地震勘探中震源与检波器的互换原理，在隧道的边壁进行一系列激发，只有两个检波器接收，这样可以实现单炮激发、多道接收的效果。由震源激发产生的地震波遇到地层界面、节理面，特别是断层破碎带、溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等不良地质界面时，将产生反射波。基于地震勘探原理，检波器所接收到的反射波传播速度、延迟时间、波形、强度和方向等均与界面的性质和产状密切相关[2]，并通过不同振幅、同相轴等波形特征表现出来。TSP主要用于超前预报隧道掌子面前方、上方和下方不良地质体的性质、位置和规模，最大预报距离300～500 m，最高可以分辨直径为1 m的地质体[3]。

作为工程建设中的一种实用技术，TSP具有追求短平快的特点，前人已从工程应用的角度对TSP进行了研究和分析。刘志刚等[1]对TSP基本原理、技术状况及其在隧道隧洞超前预报中能够解决的技术问题、应用效果、能达到的技术指标以及发展进行研究，论述了其存在的问题和解决的途径。何刚[4]分析了分辨率、频带宽度及激发炸药药量之间的相互关系，提出了对TSP接收系统的改进意见，并深入剖析系统测量的误差因素。李坚[5]应用TSP对地层分界面、破碎带、岩溶等进行预报，预报结果得到了后续施工开挖的验证。此外:Ashida[6]以隧道爆破和TBM(tunnel boring machine)震动作为震源，对隧道掌子面前方的地质情况做了成像研究，成像结果与前方实际地质情况一致；Bohlen等[7]研究了隧道掌子面上RSSR现象，即隧道地震波场中的Rayleigh面波在掌子面上转换为S波,遇到反射界面后反射到掌子面上再转换为Rayleigh面波;王朝令等[8]基于有限元法对隧道地震波场进行了模拟，在其中讨论了频散、边界条件等环节。

笔者应用数值模拟方法模拟存在断层的TSP地震波场，提取其时间记录和波场快照，分析存在断层的情况下的地震波场特征;再应用TSP后处理软件TSPwin对得到的时间记录进行处理，对比模型图与提取到反射界面的差异，并研究TSP系统的抗噪性能;最后通过工程实例验证了研究结果,以期为TSP隧道地震预报提供研究依据。

1 TSP系统

TSPwin是TSP系统的数据处理软件。处理的结果是形成反映相关界面或地质体反射能量的影像点图和隧道平面、剖面图，以供工程技术人员解译。数据处理流程如图1所示，主要处理步骤包括带通滤波、初至拾取、Radon变换、Q值滤波、速度分析、深度偏移和反射界面提取。

图1 TSP数据处理流程图Fig.1 Flow chart of TSP data processing

①带通滤波：通过Fourier变换得到地震数据的频谱，然后根据有效波的频率范围设置滤波窗口，将频率在窗口之外的干扰波滤除。

②初至拾取：提取直达波到达检波器的起跳时刻点。

③Radon变换：Radon变换是将t-x域地震记录转变为τ-p/q域数据的一种数学变换[9]。τ-p/q变换后各种波的运动学特征和动力学特征会发生变化，使得某些问题在τ-p/q域中解决更为方便[10]。

④Q值滤波[11]：Q为衡量地震波在传播过程中能量衰减的品质因子，基于它可以分析传播介质的非弹性情况。

⑤速度分析：速度是地震勘探的关键参数，速度分析的主要目的是为水平叠加、偏移等处理步骤提供处理参数。

⑥深度偏移[12]：深度偏移是将检波器接收到的时间剖面转换成以空间坐标表示的地质构造剖面。

⑦反射界面提取：提取到反射界面的椭圆形曲线代表界面的反射振幅。其明显程度表示物理反射界面的波阻抗强度对比，反射振幅越明显，则反射系数越大，岩石介质的弹性波阻抗分界面属性差异也就越大。

2 TSP地震波场数值模拟

为了模拟松动圈存在时的TSP地震波场，建立如图2所示的模型图。震源采用300 Hz的Ricker子波，这个频率与TSP实际工程数据采集的震源主频相近。通常地震子波是由2至3个或多个相位组成的地震脉冲，最常用的Ricker子波由1个波峰和2个波谷组成[10]。在本文的数值模拟研究中，采用0相位的Ricker子波，其表示公式如下：

(1)

式中：u表示位移；f0表示主频；t代表时刻；t0代表中心时刻。

TSP数据采集时，采用单个三分量接收，24炮激发；根据炮检互换原理，相当于单炮激发，24道三分量检波器接收。为了方便计算，在设置模型时，即采用单炮激发多道接收，使得计算模型的观测系统与TSP实际采集时相同。需要说明的是，在模型数据处理过程中，速度云图和反射层图都是从震源位置起算。

模型(图2)周边加载了黏弹性边界，它可以吸收边界反射波[13]。模型的长度为135 m，高度为75 m，隧道高度6 m，有限元网格划分为0.5 m×0.5 m，偏移距15 m，道间距1 m，采样间隔62.5 μs，采样点数7 218，采样时窗451.125 ms。由于隧道开挖过程中存在松动圈[14]，因此模拟时在隧道边壁中设置了断层带，其厚度为1 m。工作面前面断层带总共设置3层，层厚3 m，层间距15 m，从震源到第一、二、三层异常带的水平距离分别为65、80、95 m，每个区域内的纵波速度(vP)、横波速度(vS)以及密度(ρ)如图2所示。

图2 模型图Fig.2 Model diagram

作为地震勘探方法在隧道预报中的一种应用，TSP的分辨率遵循地震勘探分辨率的Knapp准则，TSP能区分的厚度是波长的1/2。本文模型中纵波的波长为4 000/300≈13.3，故TSP能区分6.65 m的厚度。模型中虽然断层的厚度为3 m，但断层间距为15 m，故可以分辨。模型中断层只是作为一个反射层进行勘探，这是因为TSP探测的目的主要是勘探断层的位置和数量，对断层厚度可以不予区分。

a.x分量;b.y分量。图3 数值模拟的时间记录Fig.3 Time recording of numerical simulation

由于模拟是在二维中进行的，故只能取到x、y两个分量。原始时间剖面如图3所示。图3a中的同相轴依次为直达纵波、直达横波、左边界角点绕射横波和反射横波。由于反射纵波能量较小,在图中没有显示。时间剖面x分量(图3a)各同相轴起跳点明显，y分量(图3b)各同相轴一致性好且较清晰，信噪比和分辨率都比较高。需要指出的是RSSR现象，即隧道内沿边壁传播的Rayleigh面波在工作面角点位置转换为S波，以体波的形式向前传播，遇到界面反射回到角点后转换为Rayleigh面波的现象[7]。图3a中前方界面的反射横波经RSSR转换在隧道内产生Rayleigh面波，由于其与横波速度相差很小，使得60～80 ms时间段内x分量剖面的反射波同相轴混乱，这影响了反射横波的分辨率，也降低了地震解释的可靠性。为了降低这种干扰，提高资料解释的可靠性，观测系统应尽量采用大偏移距，使得RSSR现象在隧道内产生Rayleigh面波与前方界面的反射横波分离开来。

图4是模型激发y分量的波场快照。t=1 ms时，震源开始激发；t=5 ms时观察到S波传播；t=8、10 ms时波传播到左边界；t=12 ms时可以看到波被左边界吸收；t=15、18 ms时继续在接收排列上传播；t=20、22 ms时，波传播到底边界，底边界将其吸收；t=25、28、30 ms时，波传播到工作面角点位置；t=32、35 ms时，RSSR转换出的S波向前方传播，以角点为震源产生新的波阵面。此过程是波到达断层之前的。

图4 模拟y分量的波场快照Fige.4 The y-component snapshot of simulation

t=38 ms时波到达第一个反射层位置；t=40 ms时S波开始反射回工作面；t=42 ms时波通过第一个反射层，到达第一个反射层与第二个反射层之间的空间位置；t=45 ms时，波传播到达第二个反射层；t=48、50 ms时，波穿过第二个反射层，此时从第一个反射层返回的波又传播到排列上；t=52、55 ms时，波传播到第三个反射层；t=58、60 ms时，穿过第三个反射层，传播到右边界上；t=62、65 ms时，从第一个反射层返回的波已经通过接收排列；t=68、70 ms，不断有从第二、三反射层上的波向排列上传播；t=72～80 ms，反射波完全穿过排列，此时仍有大量的杂波在快照上存在。

3 模拟数据处理

按照如图1所示的处理流程应用TSPwin对得到的时间记录进行处理，各处理步骤均采用TSPwin默认值进行，可以得到如图5所示速度云图：横坐标表示预报距离，计算以震源位置起算；纵坐标表示以隧道向两边展布半径。图5a中P波速度云图的低速带存在位置为75～110 m，模型(图2)设定的断层带位置为65～100 m，两者非常接近。图5b中S波速度云图低速带在80～120 m，与模型(图2)设置的断层带也比较接近；但所呈现的形态一致性不高，分析是受到RSSR转换的干扰，使得速度分布云图出现偏差。综合两张图可知，P波异常带的速度分布无论是位置还是形态都非常接近模型设定的断层带区域，表明采用TSPwin默认值处理所得到的P波速度分布云图与模型设定非常接近。

图5 速度云图Fig.5 Velocity Contours

图6是提取得到的反射层图。P波反射界面所处位置与模型设置非常接近，且形态也一致，预报的反射界面正好处于隧道轴线上(图6a)，这正是隧道超前预报所需要解决的。S波提取反射界面(图6b)与模型设定位置比较接近，但形态接近程度相对P波较差。对隧道地震超前预报来说，用P波进行预报的准确性比较高，而S波提取到的反射界面准确性相对稍差。

对于如本模型这样的多层异常带模型来说，S波没有P波准确，P波的速度分布和反射界面都与模型设定的位置非常吻合；对隧道地震超前预报来说，P波预报的准确性更高。

图6 提取反射层Fig.6 Layers of extracting reflection

4 TSP抗噪性分析

为研究TSP的抗干扰能力，对数值模拟所提取的时间记录加入随机噪声，得到如图7所示的低信噪比信号。从图7中可以看到：信号湮没在随机噪声中，整个剖面不容易辨识，x分量中除了直达波比较明显外，反射波几乎被噪声所掩盖；相比于x分量，y分量信噪比稍高。

对加噪声信号采用TSPwin进行处理，经过带通滤波、初至拾取、反射波提取、P-S波分离、深度偏移和反射层提取，得到图8所示的速度云图和图9的反射层提取图。

图8所示为加噪声的速度云图，对比模型(图2)可以发现，在65 ～100 m区间内，P波的速度云图存在低速区，这与模型设定相近；相比之下，S波的速度云图在60～80 m范围内也存在低速区，但与模型的对应程度较差。

图9为加噪声数据所提取的反射层，对比模型(图2)可以看到：在70～100 m区间内， P波反射界面所处位置与模型设置相近，且形态也较一致，但是相比于图8未加噪声的P波提取反射层，对应性有所降低，且反射层强度也有所下降；S波在80～100 m存在反射层，这接近模型的设定位置，与图8未加噪声的S波提取反射层相比，一致性和对应性相近。

加噪声的数据处理表明TSP具有良好的抗噪性能。这是因为TSP在数据采集时会在隧道边壁打孔，并采用环氧树脂将套管固定在接收孔中，然后将传感器与套管紧密耦合，以此接收地震信号，使得原始时间记录具有很高的信噪比，因此TSP系统所具有的抗噪性能可以满足实际工程需要。

a.x分量;b.y分量。图7 加噪声的时间记录Fig.7 Time recording with additive noise

图8 加噪声的速度云图Fig.8 Velocity contours with additive noise

图9 加噪声的提取反射层Fig.9 Layers of extracting reflection with additive noise

5 实例

考虑到隧道超前预报方法的施工特点，若要验证预报结果的准确性，只能选取已经开挖完的隧道，比较开挖之前的预报结果和开挖后揭示的地质情况，对比两者的差异。依据常规TSP观测排列的布置方法，在隧道边墙布置地震波信息接收孔，孔深2 m；按约1.5 m的间距布置24个激发孔，孔深1.5 m左右，向下倾斜约10°；每个激发孔装填药量为100 g，激发孔和接收孔基本保持在同一个高度。

图10 实例P波速度云图(a)和反射层图(b)Fig.10 Real case of P-wave velocity contours(a) and layers(b) of extracting reflection

图10是实例P波的速度云图和反射层图。图10a中，110～140 m存在异常低速区域。由于是实例预报，地震波场比较复杂，因此提取的反射层比较多，分布位置比较分散。其中，在110～140 m，存在比较多的反射层，形态以竖向反射层为主(图10b)。它表示本段围岩节理裂隙发育，围岩破碎，推测该段局部存在节理密集带或破碎带。开挖后，120～135 m段中间偏右存在黄黏土夹层，在拱腰至拱顶向内延伸约1.5～3.0 m，是一处破碎带构造，与预报结果相吻合。

6 结论与建议

笔者建立断层模型进行数值模拟，通过波场快照研究隧道地震波场的传播特征，对得到的时间剖面按照TSP的常规流程进行处理。得到如下结论：

1)在速度分布云图中，断层的速度呈现比周围速度低的特征，在提取的反射层图中断层呈现竖向条状的特征。

2)对数值模拟所得的时间记录添加噪声，结果表明TSP具有良好的抗噪性能。

3)工程实例表明P波预报是比较准确的，为工程中应用TSP进行隧道地震预报的数据处理和资料解释提供理论依据。

由于隧道施工对TSP时效性的要求较高，采集环境复杂，且地质体多样，文中的结论是基于垂直多断层的情况，因此需要研究不同情况下的TSP预报效果，并开展三维隧道地震波场数值模拟下的TSP预报效果研究，这是需要进一步研究的工作。

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Numerical Simulation of TSP Fault Model

Lin Yi1,2, Liu Zhengping1, Wang Zhaoling3，Xiao Di3

1.FacultyofGeosciencesandEnvironmentalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China2.NorthwestResearchInstituteCo,.LtdofC.R.E.C,Lanzhou730000,China3.CollegeofCivilEngineering,SichuanAgriculturalUniversity,Chengdu611830,China

During tunnel excavation, a variety of geological disasters might be encountered, such as faults, caves, et.al. Tunnel seismic prediction (TSP) is adopted to mitigate the possible damages. Although TSP technology is used widely, the research about TSP is currently focused on its engineering application cases. We use the finite element method to simulate the tunnel seismic wave field, employ wave field snapshots and time recording method on the impact of faults on the characteristics of the propagation of tunnel seismic wave field, and inversely process the time record of model containing the fault. The digital model of the velocity scattered image and the reflection interface position are obtained, and the fault position from velocity scattered image processed with the default values set by using TSPwin is agreed to the one from the model. In respect to the layered model for an abnormal velocity zone, P-wave is more precise. The system of TSP is strong for its feature of anti-noise. The numerical simulation is verified finally through the process and analysis of the engineering cases.

TSP；TSPwin；snapshot；tunnel seismic prediction；fault

10.13278/j.cnki.jjuese.201506305.

2015-02-28

国家自然科学基金项目(40874051，51508358)

林义(1980--)，男，博士研究生，高级工程师，主要从事隧道地震超前预报研究，E-mail:766708597@qq.com

王朝令(1980--)，男，副教授，博士，主要从事隧道地震波场模拟研究，E-mail:wong8010@gmail.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201506305

P631.4

A

林义，刘争平，王朝令,等. TSP断层模型数值模拟.吉林大学学报:地球科学版,2015,45(6):1870-1878.

Lin Yi, Liu Zhengping, Wang Zhaoling, et al. Numerical Simulation of TSP Fault Model.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(6):1870-1878.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201506305.