TSP隧道地震预报空洞模型的数值模拟研究

王朝令 杨 茜 陈 章 杨 文

1 四川农业大学土木工程学院，都江堰市建设路288号，611830



TSP隧道地震预报空洞模型的数值模拟研究

王朝令1杨 茜1陈 章1杨 文1

1 四川农业大学土木工程学院，都江堰市建设路288号，611830

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，研究空洞对隧道地震波场传播的影响，并对含空洞模型的时间记录进行处理，得到数值模型的速度云图和反射层位图。经数据处理表明，采用TSPwin设定默认值处理得到的速度云图与模型设定的空洞位置比较一致，在提取反射层位图上，空洞反射层呈现条带状特征，需要结合速度云图来确定空洞位置，且P波预报的准确性相对较高。对TSP系统的抗噪性进行研究，表明其具有良好的抗噪性能。最后通过对工程实例的处理，验证了数值模拟所得的结论。

TSP；TSPwin；空洞；波场快照；隧道地震预报

溶洞内填充物与周围岩体具有明显的波阻抗差异，当地震波场传播到波阻抗界面时，会产生明显的反射，因此其具有良好的地球物理特征。钟世航[1]指出，TSP预报失误的主要原因在于对探测对象的地质特征及地球物理特征认识不清。李术才等[2]对岩溶裂隙水和不良地质情况在超前预报中存在的主要问题进行了总结。孙克国等[3]采用TSP预报方法对多个岩溶隧道进行预报，总结出洞穴和暗河的判别规律。许振浩等[4]研究岩溶隧道内断层破碎带、地下水充填和无充填型溶洞的地震波反射特性。王朝令[5]基于有限元方法，应用数值模拟研究隧道地震波场的数值模拟、分离和反演。林义等[6]应用数值模拟方法研究了围岩松动圈对隧道地震预报系统的影响。

本文基于有限元方法模拟空洞存在情形下隧道地震波场的传播过程，并用TSPwin软件对模拟结果进行处理分析，得到速度分布云图和反射层提取图，将两者与模型图进行比较，分析TSP预报的准确性。然后在数据中加入噪声进行分析，研究TSPwin的抗噪性能。最后以实例验证结果的准确性。

1 空洞模型的数值模拟

为模拟空洞模型的隧道地震波场传播情形，建立模型时需要结合计算能力，并能满足分析需要。若模型太大，计算时间长，不利于进行修改模拟。为此，建立如图1所示的模型，模型长135 m，高75 m，在隧道模型的前方设置一个圆形空洞，其圆心坐标为(87,5)，半径为20 m，内部填充P波为0，S波为0。检波器设置与上述两个模型相同，都位于隧道的边壁上，震源激发采用主频为300 Hz的零相位Ricker子波。当主频为300 Hz时，网格划分长度为0.5 m，可以最大程度地减小频散效应[1]。采样间隔为62.5 μs，点数为7 128，与TSP的设置相同。

图1 模型图Fig.1 Model diagram

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。为方便计算，在数值模拟时，采用单炮激发多道接收，使得计算模型的观测系统与TSP实际采集时的相同。需要说明的是，在模型数据处理过程中，速度云图和提取反射层图都是从震源位置起算。此模型中，空洞左边缘距离震源67 m，右边缘距离震源107 m。

由于模拟是在二维中进行的，只能取到x、y两个分量。图2是提取的时间记录，图中的直达纵波、直达横波都比较清晰，第一个同相轴的反射横波是RSSR现象引起的，第二个反射同相轴是前方界面的反射横波。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，此即为RSSR现象[2]。当地震波遇到空洞时，x分量相对于y分量来说要复杂一些。由于半径为20m的空洞，其直径大于第一Fresnel带，因此整个时间剖面存在反射纵横波，其中直达横波和反射横波能量强，所以比较明显。

图2 数值模拟的时间剖面Fig.2 Time recording of numerical simulation

图3为空洞模型提取的波场快照，T=7 ms显示震源所激发的P波、S波开始分离；T=10 ms、15 ms时，波场传播到接收排列上；T=20 ms、25 ms、30 ms过程中，波场传播过接收排列，并到达工作面位置，在角点上产生RSSR现象；T=33 ms、35 ms，经RSSR转换出来的横波与原来的波场产生叠加一起向外传播，产生新的波场；T=37 ms、40 ms过程中，横波传播到空洞位置，此时P波已经到达下边界；T=42 ms、45 ms，由于空洞的存在，产生绕射现象；T=49 ms、52 ms、55 ms、59 ms时反射波由空洞反射到工作面，可以观察到明显的绕射现象；T=63 ms、68 ms，经过RSSR转化的Rayleigh面波继续沿排列方向传播；T=72 ms、78 ms时，可以观察到左边界有波反射回来，这是由绕射现象产生的波场，同时反射波继续沿排列传播，此现象可以与图2的时间剖面进行对比，形成对应关系，此时波场已经变得非常复杂。

图3 模拟y分量的波场快照Fig.3 Y-component snapshot of simulation

2 模型数据处理

按照TSP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，得到如图4所示的速度云图。图4中，横坐标表示预报距离(以震源位置起算)，纵坐标表示以隧道向两边展布半径，两者的单位均为m。在计算地震波传播过程中，如果所建立的速率模型与岩层中的传播速度一样，那么任何反射界面的位置都与其传播距离无关。与模型进行对比可知，低速异常区的P波速在2 000 m/s左右，S波在1 000 m/s左右，且所在位置与模型设定的位置非常接近，表明对空洞模型而言，速度分析云图可以提供比较准确的定位。

图4 空洞模型的速度图Fig.4 Velocity contours of cave model

图5是20 m半径空洞模型经过偏移后处理得到的反射层位分布。可以发现，图中反射层位分布比较明显，模型中的分布位置相符，说明TSP在探测空洞时，反射层所呈现的形态是以前后界面来表示的，这增加了空洞在提取反射层图上的设定难度。此时，结合速度分布云图，可以提高准确性。相比于P波，S波的反射层能量较弱，在提取反射层图上不太明显，因此P波的预报效果更好。

图5 提取反射层Fig.5 Layers of extracting reflection

3 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，得到图6所示的低信噪比信号。从图6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，y分量信噪比稍高。

图6 加噪声的时间记录Fig.6 Time recording with additive noise

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7所示的速度云图和图8的反射层提取图。比较图7的加噪声速度云图与未加噪声的速度云图，P波的速度为2 000 m/s，S波的速度为1 000 m/s左右；P波的速度云图与设定的位置非常相近，而S波速度云图相差较大，故P波的抗干扰能力更强，精度更高。

图7 加噪声的速度云图Fig.7 Velocity contours with additive noise

图8 加噪声的反射层提取Fig.8 Layers of extracting reflection with additive noise

图8为加噪声数据所提取的反射层。对比模型图1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波反射层提取，对应性有所降低，且反射层强度也有所下降。图8(b)为提取的S波反射层，可以看到，在70～100 m之间存在反射层，接近模型的设定位置，与图7未加噪声的S波提取反射层相比，相差较大。因此，就预报精度而言，P波更好。

通过对加噪声的数据处理表明，TSP具有良好的抗噪性能。TSP在数据采集时会采用在隧道边壁打孔，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。

4 工程实例

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，则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。采用上文所述处理流程中设定的参数对此数据进行处理，得到图9所示的速度云图和反射层提取图。

图9 P波速度云图和反射层图Fig.9 Velocity contours and extracted reflection of P wave

图9(b)反射层图显示，在110～140 m段反射层密集，且正负反射交错出现，推测发育有溶洞或是破碎带。根据图9(a)速度云图，由于低速区呈区块状分布，推测为空洞；隧道开挖结果显示，在110 m处溶洞覆盖掌子面左侧拱腰处有溶洞，溶洞规模长33.7 m、宽32.4 m、高24 m，溶洞深度超过隧底高程，整个溶洞靠线路右侧，并超过右边墙8 m以上。这说明预报结果与开挖结果非常一致，采用文中的参数对数据进行处理，可以比较准确地预报前方的地质灾害。隧道地震超前预报作为一种地球物理勘探方法，其结果存在多解性，在参照速度云图和反射层图时，需要结合两者作出判断，并在施工时进行多种准备，应对可能发生的施工事故。

5 结 语

TSP在工程中应用非常广泛，但目前国内外都将其作为一种工程方法进行实例预报研究，采用正演模拟并进行处理分析的研究相对较少。本文建立溶洞模型进行数值模拟，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，分析空洞模型速度云图和提取反射层图的特征。在速度分布云图中，空洞的速度呈现比周围速度低的特征，在提取的反射层图中空洞呈现竖向条状包围的特征，因此需要结合速度分析空洞的位置和形态。分析表明，P波的准确度较高。对数值模拟所得的时间记录添加噪声，研究表明，TSP具有良好的抗噪性能。最后通过工程实例表明，P波预报是比较准确的。

本文以空洞模型为例，采用有限元数值计算模拟了隧道的地震波场，经过对时间剖面的反演处理，分析空洞在速度分布云图和反射层图中呈现的特征，并研究了TSP系统的抗噪性能，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。

[1] 钟世航.TSP作隧道掌子面前方地质预报几例失误原因分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2003，22(增1): 2 443-2 446(Zhong Shihang.Analysis of the Failure Reasons in Survey Forward from Working Face of Tunnels by Means of TSP[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(S1):2 443-2 446)

[2] 李术才, 李树忱, 张庆松,等. 岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2007, 26(2):217-225(Li Shucai, Li Shuchen, Zhang Qingsong, et al.Forecast of Karst-Fractured Groundwater and Defective Geological Conditions[J]. Chinese Journal of Rock Mechenics and Engineering, 2007,26(2):217-225)

[3] 孙克国, 李术才, 张庆松,等.TSP在岩溶区山岭隧道预报中的应用研究[J]. 山东大学学报:工学版,2008,38(1): 74-79(Sun Keguo, Li Shucai, Zhang Qingsong, et al. Application of the TSP Geological Forecast Method of a Mountain Tunnel in a Karst Zone[J]. Journal of Shandong University:Engineering Science,2008,38(1):74-79)

[4] 许振浩, 李术才, 张庆松,等.TSP超前地质预报地震波反射特性研究[J]. 地下空间与工程学报,2008,4(4): 640-644(Xu Zhenhao, Li Shucai, Zhang Qingsong, et al. Reflection Characteristic of Seismic Wave in TSP Advance Geological Predicion[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2008,4(4): 640-644)

[5] 王朝令.隧道地震超前预报中波场分离与反演方法的数值模拟研究[D]. 成都: 西南交通大学，2012(Wang Zhaoling. The Numerical Simulation Research on Separation of Wave Field and Inversion Method in Tunnel Seismic Prediction[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University，2012)

[6] 林义，刘争平，王朝令.围岩松动圈对TSP预报的影响研究[J]. 地球物理学进展，2015，30(2): 912-919(Lin Yi, Liu Zhengping, Wang Zhaoling, et.al Effects of Loosing Circle in Surrounding Rock of TSP[J].Progress in Geophysics, 2015, 30(2):912-919)

About the first author:WANG Zhaoling, PhD, associate professor, majors in tunnel seismic prediction, E-mail：wong8010@gmail.com.

Numerical Simulation of TSP Tunnel Cave Model of Seismic Prediction

WANGZhaoling1YANGQian1CHENZhang1YANGWen1

1 College of Civil Engineering, Sichuan Agriculture University, 288 Jianshe Road, Dujiangyan 611830, China

Tunnel excavation encounters a variety of geological challenges, such as faults, caves, etc. Currently tunnel seismic prediction adopts TSP, which is used widely, but research about TSP is currently focused on its engineering application examples. In this paper, we use the finite element method to simulate the tunnel seismic wave field, employing wave field snapshots and combined time recording methods to study the impact of caves on the characteristics of the propagation of seismic wave field tunnel. We also employ inversion processing of the time record of the model containing the cave. We compare our method with the velocity scattered image and reflection interface position, velocity processing with the default values set by using TSPwin. The results are good for tunnel seismic velocity cave layered model with single prediction, and have a higher prediction accuracy of the P-wave. Finally, we process and analyze engineering examples to verify the numerical simulation the conclusions.

TSP；TSPwin; cave；snapshot；tunnel seismic prediction

National Natural Science Foundation of China, No.5150835.

2015-12-14

项目来源：国家自然科学基金(51508358)。

王朝令，博士，副教授，主要研究方向为隧道地震超前预报，E-mail：wong8010@gmail.com。

10.14075/j.jgg.2016.11.012

1671-5942(2016)011-0998-05

P315

A