数值模拟在高黎贡山隧道TBM施工段断层破碎带TSP探测中的应用

2021-01-08汪文强张新平宋振东

工程地球物理学报 2020年6期

汪文强，张新平，宋振东

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

1 引言

大瑞铁路高黎贡山隧道是亚洲在建铁路第一长隧道，工程地质条件复杂，施工难度大，风险高[1]。其出口段采用TBM施工，施工过程中在断层破碎带附近遭遇多次卡机，严重影响施工进度[2]。因此，在TBM隧道施工过程中开展超前地质预报是必要的，可以为潜在的卡机段提供依据进行预处理，从而降低卡机风险。目前国内外在TBM隧道施工时采用的超前地质预报物探方法主要有地震负视速度法及TSP法(瑞士)、TGP法(国产)、TRT法[3](美国)、TST法(国产)、HSP法[4](国产)等[5]。高黎贡山隧道采用TSP法、李术才等[6]提出的三维激发极化法主动源、被动源三维地震进行综合物探法预报。为了研究卡机段围岩的TSP法地震波场传播规律及对卡机段的影响，本文基于Tesseral 2D对断层破碎带附近卡机段TSP法进行数值模拟[7]，并与实际卡机段TSP法预报结果相对比，旨在观察地震波场在断层破碎带内的传播特征，分析TSP物性参数[8]，提高预报准确率，为TBM施工预报卡机可能段落提供依据。

Tesseral 2D是一个商业化的全波场模拟软件包，可以构建复杂地质模型。Tesseral 2D基于FDTD有限差分法[9]，这样可以很快地模拟非常复杂的地质介质，包括固体和液体联合的介质和各向异性介质。本文采用Tesseral 2D建立在高黎贡山隧道TBM段采用的地震波反射法TSP模型，模拟TSP法地震波在造成TBM卡机的断层破碎带中的波场传播特征。

2 卡机段TSP正演模拟

2.1 TBM卡机机理

TBM卡机包括刀盘被卡和护盾被卡。通常情况下刀盘被卡主要发生在断层破碎带内，采用刀盘瞬时脱困扭矩进行脱困处理。护盾被卡的原因一般是由于围岩大变形，导致TBM护盾被卡，且作用护盾上的围岩应力引起的阻力超过了TBM脱困推力[2]。高黎贡山隧道TBM掘进过程中遭遇了多次刀盘和护盾卡机。截至2019年底，累计发生17次不同规模的卡机事件，卡机造成的停工时间短至8天，长达数月，同时卡机段落也从10～43 m不等，给施工造成了严重的损失。因此，研究TBM卡机段TSP法地震波的传播特征，提高预报准确率，是非常必要的。

2.2 模型建立及参数设置

TSP法观测系统布置为24个激发孔和2个接受孔，为“多发一收”模式，本次模拟为减少运算时长，根据“炮检互换”理论，采用“一发多收”模式，建立24个接收器和2个激发孔。

为了模拟TBM施工过程中遭遇断层破碎带卡机的TSP地震波场传播特征，本次正演模拟建立长1 000 m×宽1 000 m的均匀全空间模型模拟隧道开挖所在的围岩介质，岩性为花岗岩。隧道开挖从模型高度500 m处开始，掌子面位于模型566 m 处，隧道高度10 m。造成卡机的断层破碎带位于隧道掌子面前方20 m处，模拟高度100 m，宽度20 m，垂直于隧道走向。模型详细物性参数见表1，软件建立的模型见图1。

表1 模型物性参数

图1 模型示意图(横、纵坐标单位：m)Fig.1 Model diagram

图2 不同时刻波场快照Fig.2 Snapshot of wave field at different moments

2.3 卡机段断层地震波响应

本次正演采用声波方程模拟[10]。图2为不同时刻截取的地震波场快照[10]，图3为24个检波器的道集记录。

选取第24个检波器进行波场分析。读取波场快照和道集记录，结合模型参数：山体围岩纵波波速VP=4 000 m/s，断层破碎带纵波波速VP=1 500 m/s。

图2(a)为地震波第一次到达24#检波器，从软件波场快照和道集记录上直接读取时间值，T1=0.017 s，于是计算可得到接收器与激发孔距离为68 m，实际模拟距离为66 m，误差为2 m。

图2(b)为地震波第一次到达断层前界面，从软件波场快照和道集记录上直接读取时间值，T1=0.027 5 s，于是计算可得到接收器与断层前界面距离为110 m，实际模拟距离为106 m，误差为4 m。

图2(c)为地震波传播到断层前界面后发生反射，再次传播到24#接收器的波场快照，从软件波场快照和道集记录上直接读取时间值，T1=0.037 s，于是计算可得到地震波的传播总距离为148 m，实际模拟地震波的传播总距离为146 m，误差为2 m。

图2(d)为为地震波传播到断层后界面的波场快照，从软件波场快照和道集记录上直接读取时间值，T1=0.058 5 s，亦可得知地震波在断层破碎带内传播时间T2=0.031 s，于是计算可得到地震波的传播总距离为156.5 m，实际模拟地震波的传播总距离为146 m，误差为10.5 m，计算得到断层破碎带宽度为46.5 m，实际模拟断层破碎带宽度为40 m，误差为6.5 m。

图2(e)为断层后界面地震波反射传播至24#接收器的波场快照，从软件波场快照和道集记录上直接读取时间值，T1=0.092 s，于是计算可得到地震波的传播总距离为213 m，实际模拟地震波的传播总距离为226 m，误差为13 m。

图3 道集记录Fig.3 gather records

2.4 正演结果误差分析

根据本文第2.2节数值模拟结果，得出模拟计算误差与传播时间(亦可为传播距离)的关系，见图4。从图4中可看出，随着地震波场传播时间(传播距离)增大，数值模拟的计算值与实际建模值误差有增大趋势。分析误差原因，主要有以下三点：

1)在建模计算波场快照的时间步长值(Δt)偏大，导致时间读取不精确。

2)断层破碎带模型建立较为简单，山体围岩与断层过渡不够线性，以致于产生局部边界问题，导致地震波场传播局部出现畸变。同时断层破碎带内不同边界反射波叠加，导致需要观察的反射波相位读取变困难。

图4 误差分析Fig.4 Error analysis

3)数值模拟中，山体围岩和断层破碎带内纵波速度分别为4 000 m/s、1 500 m/s，速度相差较大，导致断层计算宽度与实际模型误差较大。

2.5 Tesseral 2D数值模拟结果分析

图5 TSP道集记录Fig.5 TSP gather records

根据数值模拟正演模拟结果可知，波长快照可以清楚的反应地震波场在断层破碎带内的传播规律，24个接收器采集的地震道集记录可以轻易读取各模型界面的反射信号，从而计算得知断层破碎带的位置及宽度。因此，利用Tesseral 2D软件对TSP法在断层破碎带内的数值模拟是可行的，其结果可以为实际TSP数据处理中反射层提取和计算提供理论参考。

数值模拟计算断层宽度即传播距离时，与实际建模存在误差，从本文第2.3节分析可知，需要调整波长快照拍摄时间步长，优化各模型之间的边界条件等，从而得出更精确的模拟结果。不过，有限差分及时间步长减小，随之而来的是几何上升的数据计算量。

在TBM隧道实际进行TSP超前预报的情况极为复杂，数值模拟参数设置始终无法做到与现场情况完全吻合，这就需要在做数值模拟时，尽可能选取与实际相接近的模型参数，从而得到更准确的数值模拟结果，为实际TSP数据分析提供参考。

3 实例

3.1 卡机段TSP实施概况

本次TBM卡机段为燕山期花岗岩地层，岩性为花岗岩，整体呈块石状构造，弱风化。TSP实施掌子面里程为PDK221+958,TBM卡机发生里程为PDK221+918，卡机影响带宽度为20 m。该段后期推测为断层影响带，围岩破碎软弱。

3.2 TSP预报结果分析

TSP一般采用24个激发孔激发，2个接收器接收。为了更直观地对比实际采集的TSP道集记录与数值模拟道集记录的差别，对TSP采集的道集进行偏移距计算、数据旋转、时域滤波、带通滤波、初至拾取处理、炮能量均衡，得到图5处理后的道集记录。从道集记录中，可以读取清晰的直达波相位，通过增益控制，亦能读取出反射波相位(图5)。实际采集的TSP数据由于现场条件复杂，施工机械震动、激发孔声波干扰等，导致信噪比较低，直接从道集记录上读取反射波组较为困难。因此，运用TSPwin软件对数据进行处理，从2D物性参数图和3D云图分析数据，更具有指导意义。

图6和图7为TSP数据处理后的速度3D云图和2D物性参数图，从图中可以明显看到，在PDZK221+926～+900段纵波速度、密度和杨氏模量均下降，推断该段围岩破碎，为断层破碎带，易造成TBM卡机。TSP预报结果与实际揭示及TBM运行状况一致。