山岭隧道定向超前地质预报人工地震波传播规律研究

2020-02-22满令聪娄国充孙志涛

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2020年4期

满令聪，娄国充,2，孙志涛

(1.石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄 050043; 2.石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室，河北石家庄 050043)

为了适应国民经济的发展，提高基础设施建设，近年来铁路交通工程蓬勃发展，而隧道工程又是铁路工程的核心，目前我国已经成为世界上隧道建设规模最大的国家[1-2]。隧道建设过程中常常伴随着断层破碎带、突水、突泥等多种不良地质条件，对施工安全造成严重威胁。定向超前预报技术[3]是利用地震波法勘探原理在隧道施工掌子面上施作的最新超前地质预报技术，能够准确、直观地预报掌子面前方复杂地质灾害情况。为了提高超前地质预报长度和质量，研究水平激振地震波在不同岩质体中的传播规律尤为重要。李子顺[4]应用双井微地震测井资料研究表明近震源区地震波高频成分衰减快；陈树民等[5]在研究松辽盆地地层吸收特性时发现导致地震波快速衰减的主要原因是低速带的存在；张继春等[6]通过岩体爆破现场试验得出爆破地震波在爆源近区的衰减比中、远区要大得多；高富强等[7]在露天煤炭爆破研究中发现地震波在传播过程中低频带能量占总能量的比率随传播距离的增加而增加。上述研究重点均集中在岩石爆破或地质勘探中地震波的衰减规律，对于人工水平激振地震波频率及其在不同岩质体中的传播规律研究相对较少。

本文利用ANSYS/LS-DYNA软件建立了多种岩性条件下的隧道有限元模型并进行波场模拟，研究了不同频率地震波在隧道掌子面前方岩体中的衰减规律，该研究对于提高隧道超前地质预报技术具有重要意义。

1 计算模型建立

1.1 模型尺寸的确定

图1 模型示意图(单位:m)

有限元模型为350 m×150 m×1 m准二维数值模型。其中隧道空腔宽14 m，长150 m，全局网格尺寸划分为1 m，选用8节点六面体的SOLID164单元[8]，单元材料定义为线弹性。人工地震波以节点力的形式加在隧道掌子面节点上。为了分析地震波的传播规律，从隧道掌子面前方10 m处开始，每隔20 m设置1个检波器，共计10个，如图1所示。

1.2 岩体参数选取

隧道掌子面前方地质情况非常复杂，为了反映真实地质情况，更好地探究地震波在隧道掌子面前方衰减规律，共选取了4种有代表性的岩体材料，分别为：炭质页岩、砂质板岩、含砾砂岩、灰岩，隧道空腔材料采用LS-DYNA中的Null材料，并定义*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL状态方程，各岩体材料的具体参数见表1。

表1 岩体参数

1.3 人工震源模拟

在进行隧道超前地质预报时，无论采用炸药作为震源还是人工锤击作为震源，地震波的生成都是在瞬间完成的，其能量也非常集中。因此利用雷克子波来模拟人工地震波，如图2所示。其表达式如下

f(t)=[1-2(πft)2]exp[-(πft)]2

(1)

式中,t为时间；f为峰值频率。用到的雷克子波主频频率分别为25 Hz、50 Hz、100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz。

1.4 边界条件的设置

为了避免边界处反射波传回计算域内对既有的应力分布产生影响，除隧道进口侧设置自由边界条件外，其他3个方向均设置无反射边界条件。LS-DYNA中无反射边界条件实质上为黏弹性边界条件，其原理通过阻尼来代替远场条件。以二维问题为例，不考虑入射角的影响，可得黏弹边界条件为

(2)

用应力表示为

(3)

LS-DYNA中无反射边界条件是以集中力方式在模型边界等效节点上施加2个方向的黏性阻尼力[9-12]。2个方向的阻尼力分别为

σn=-ρcpvn

(4)

τs=-ρcsvs

(5)

式中,σn为法向应力；τs为切向应力；ρ为岩体密度；cp为纵波波速；cs为横波波速；vn为质点法向速度；vs为质点切向速度。

2 地震波传播规律研究

2.1 均质地层条件地震波的传播规律

图1为单一岩体介质模型，共分为4种地质条件，每种地质条件隧道掌子面前方岩体分别为：炭质页岩、砂质板岩、含砾砂岩以及灰岩，各岩层的信息表1中已详细列出。震源主频分别采用25 Hz、50 Hz、100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz的雷克子波，共计16个有限元模型，采样间隔为0.1 ms，网格尺寸为1 m，检波器布置情况如图1所示。

图3 t=25 ms时x分量波场快照(单位：m)

为了更直观地看到地震波在岩体中的传播形式，现提取砂质板岩加载100 Hz雷克子波25 ms时x分量的波场图谱如图3所示。从图中可以看出地震波是以球面波的形式向四周传播，波前面能量随着传播距离的增加而减小，P波要比S波的传播速度快，同时面波和S波的速度相差很小，在波场快照上很难区分开来，随着波的传播在隧道边墙处产生了转换波。

将速度检波器在不同位置处获得的x向最大速度值与震源前方1 m处x向最大速度相比，得到不同位置处的检波器速度占比，把每个工况不同主频震源下各检波器速度占比绘成一张不同岩性条件下不同频率的地震波衰减图，如图4～图7。

图4 炭质页岩条件下地震波衰减图

图5 砂质板岩条件下地震波衰减图

图6 含砾砂岩条件下地震波衰减图

图7 灰岩条件下地震波衰减图

从图4～图7中可以看出：(1)随着传播距离的增加，检波器获取的岩体节点振动速度都呈减小趋势，这符合地震波在岩体中的衰减规律；(2)在不同地质条件下，人工地震波在传播初期衰减较快，高频地震波比低频波更明显，距离激发点10 m处的高频地震波衰减至初期的18%以下，在100 m范围以外，地震波衰减趋于平缓；(3)在软岩地层(炭质页岩、砂质板岩)中，高频(400 Hz)地震波要比低频(25 Hz)地震波衰减更快，激振震源频率小于100 Hz时，地震波衰减差值不再明显，由此说明，软弱岩体对人工地震波频率具有敏感性，低频地震波更适宜软弱岩体探测；(4)在硬岩地层(含砾砂岩、灰岩)中，不同震源频率对地震波衰减比影响不明显；高频(400 Hz)震源与低频震源(25 Hz)的地震波衰减幅值基本一致。由此可以看出，硬质岩体对人工震源频率不甚敏感。

图8 2种岩性地层透射计算模型(单位:m)

2.2 含1个分界面的不同均质围岩传播规律

如图8所示在隧道掌子面前方50 m处存在岩性分界面，岩性分界面左侧为砂质板岩，右侧为炭质页岩或含砾砂岩或灰岩，建立3种地质条件下的有限元模型，震源采用主频分别为50 Hz、100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz的雷克子波，其他条件与表1中参数相同。

图9 t=30 ms时x分量波场快照(单位：m)

提取岩性分界面左侧灰岩工况下30 ms时x分量的波场图谱如图9所示。对比单一岩体介质模型波场图谱可以发现，2种岩体介质条件下的波场图谱更复杂。震源激发后地震波以球面波的形式向四周传播，直达P波相比于直达S波能量要小，但P波速度要比S波速度快，同时能够明显地看到散射波，直达P波与直达S波经过岩性分界面后分别产生透射P波、透射S波，同时生成反射P波、反射S波；在隧道边墙S波和面波速度相差很小，在图上难以区分；受隧道空腔的影响，P波在隧道边墙上产生转换波。

不同围岩条件选用不同主频震源进行探测地震波衰减规律如图10～图12所示。采用100 Hz激振震源针对不同地质条件探测，地震波衰减规律如图13所示。

图10 掌子面右侧为炭质页岩条件下地震波衰减图

图12 掌子面右侧为灰岩条件下地震波衰减图

图13 不同岩层条件下地震波衰减图

(1)比较图10～图12与图4～图7可以看出：从一种岩性透入另一种岩体时，地震波波速会产生明显的衰减，高频地震波波速衰减率比低频地震波波速衰减率更大；(2)从硬质岩体透射入软质岩体时(如图10所示)，高频地震波(300 Hz、400 Hz)衰减比明显高于低频地震波(50 Hz、100 Hz)衰减比，低频地震波更适宜探测隧道掌子面前方的软弱夹层；(3)当透入地层为硬质岩层(含砾砂岩、灰岩)时(如图11、图12所示)，不同频率震源产生的地震波虽然均有明显衰减，但衰减比相差较小，激振震源频率小于300 Hz时，地震波波速衰减比不再明显。

从图13中可以看出，相同频率的地震波从一种地层透入另一种地层时，由于被透入地层岩性不同，地震波波速衰减比会产生较大变化：被透入的岩体强度越高(灰岩)，地震波波速衰减幅值越大；岩体强度越低(炭质页岩)，地震波波速衰减幅值相对较小。因此可见，对于较复杂的地质条件，选用低频人工震源进行超前探测效果更佳。