地震反射波法在隧道超前预报中的应用

潘纪顺 张允涛 朱叶 张嘉乐 张鑫 朱瑞

第一作者简介：潘纪顺（1968-），男，博士，教授。研究方向为地球物理反演。

*通信作者：张允涛（1998-），男，硕士研究生。研究方向为地球物理勘探。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.038

摘  要：该研究旨在探讨隧道开挖过程中使用地震反射波法技术的可行性，以预防不良地质条件引发的地质灾害。采用地震反射波法，通过观察地震波在隧道掌子面前方岩体内的传播情况，通过初至波拾取、速度分析、反射层提取等数据处理技术探测和描述岩体内的不良地质特征。研究结果表明，地震反射波法可有效探测掌子面前方不良地质体的位置，同时通过纵横波波速比得到探测区内的物性参数。因此，地震反射波法可作为一种有效的地质勘测工具，用于隧道施工前的地质预测。该研究针对锤击式震源进行探讨，其能够准确预测出隧道前方岩体完整性较差的区域分布情况，相较于其他震源，可提高勘探效率并降低探测成本。

关键词：隧道；地震波；锤击震源；地球物理；超前预报

中图分类号：U45      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）15-0167-04

Abstract： This study aims to explore the feasibility of using seismic reflection wave technology during tunnel excavation to prevent geological disasters caused by adverse geological conditions. By employing seismic reflection wave methods， this study examines the propagation of seismic waves within the rock mass in front of the tunnel face. Through data processing techniques such as first arrival wave picking， velocity analysis， and reflection layer extraction， the study detects and characterizes adverse geological features within the rock mass. The research findings indicate that seismic reflection wave technology can effectively detect the location of adverse geological formations in front of the tunnel face and obtain physical parameters within the survey area through the longitudinal and transverse wave velocity ratio. Therefore， seismic reflection wave technology can serve as an effective geological survey tool for geological prediction before tunnel construction. The study explores the use of a hammering seismic source， which accurately predicts the distribution of areas with poor rock integrity in front of the tunnel compared to other sources， leading to improved survey efficiency and reduced detection costs.

Keywords： tunnel; seismic wave; hammering seismic source; geophysics; advance prediction

隨着城市化进程的不断加速和交通需求的不断增长，隧道工程的重要性在当今社会中变得越发突出。在这个背景下，隧道超前预报成为了一个备受关注的研究领域和实际应用领域。隧道超前预报是一种利用先进技术和数据分析手段，以提前识别和应对可能影响隧道工程的风险和挑战的方法。隧道超前预报方法有探底雷达、地震波法、高密度电法等诸多物探方法，从以往的地表探测应用到工程实际中[1-3]，这一领域的发展为隧道工程的设计、施工、运营提供了新的可能性，有望减少事故风险，提高运行效率并降低维护成本。

但由于实际中隧道工程有限，为了探究地震波传播，应该依靠计算机数值模拟，通常使用微积分求解波动方程来得到，得到最逼近、最优解的值。对于得到数据之后进行成像，通常正演采用有限差分法和射线追踪法，反演采用全波形反演、正则化反演、拟合函数法等，这些方法在计算方面都有各自的优劣，比如有限差分法计算准确，但是计算消耗较大，射线追踪计算较快[4-5]，但无法获得能量强度等弹性波信息，所以在采用时应该更多地依据实际情况来选择。

1  方法原理

地震波法是一种基于地震波在不均匀地质层之间传播时发生反射、折射、衍射的物理现象，从而得到隧道中不稳定岩体位置的物探方法。地震波在传播过程中，由于地下介质的不均匀性导致波速变化，在遇到不同地层交界面时，由于存在波阻抗，会产生回弹的子波，此时波前继续扩张，接收器将接收到回波信号。

地震反射波法主要通过激发点与接收器的布置，波传播与介质特性、数据处理与分析的结果对地下结构解释、模型的构建与数值模拟，以及对隧道进行预测与评估。地震波法数据处理程序主要有12个步骤：设置观测系统、带通滤波、初至拾取、拾取处理、能量均衡、Q值估计、反射波提取、Q滤波、P波和S波分离、速度分析、深度偏移及反射层提取。

首先在隧道壁上布置激发点和接收器，采用锤击的方式触发震源，接受到地震信号之后，通过去噪、时移矫正等方法获得高质量的地震剖面，然后对地震数据进行P、S波分离（公式（1）～（6）），最后进行偏移得到波速图像，根据图像上的波速变化去判断和预测掌子面前方对地质条件。

通过速度分析，可以将反射信号的传播时间转换为距离（深度），可以用与隧洞轴的交角及隧洞工作面的距离来确定反射层所对应的地质界面的空间位置，并根据反射波的组合特征及其动力学特征解释地质体特征。最终得到深度偏移剖面、P波与S波速度剖面、反射层位提取图和物理力学参数曲线（泊松比、拉梅系数、杨氏模量、体变模量和剪切模量）。

u=up+us， （1）

？棕=？棕p+？棕s， （2）

■=V■■■+■ ， （3）

■=V■■■+■ ， （4）

■=V■■■-■， （5）

■=V■■■-■， （6）

式中：Vp、Vs分别为P波速度、S波速度；u、w分别为总纵波速度和总横波速度；up、us、ws、wp分别为地震波中的P波、S波产生的纵波速度和P波、S波产生的横波速度；■、■为纵波中P波、S波速度关于时间的加速度，关于时间t的纵波P、S波波速的二阶导数；■、■为横波中P波、S波速度关于时间的加速度，关于时间t的横波P、S波波速的二阶导数。

2  工程应用

2.1  工程概况

某隧道起点里程桩号8+494终点里程桩号8+798，掌子面桩号8+659隧道区洞、井壁形态为无压城门洞。其地层属于泥盆系上统铁列克提组的第六段（D3tl6），呈厚层至巨厚层的凝灰质含砾粗砂岩，夹带少量凝灰质细砂岩和凝灰质含砾细砂岩。该地层的产状表现为50°NW∠45°，岩体相对新鲜。洞室内部节理中等发育，主要包括2组贯穿性节理：①产状为80°NW倾角，结构面平直光滑，呈闭合状态；②产状为310～345°NE倾角，结构面平直光滑，也是呈闭合状态。岩体内部的节理和裂隙呈中等发育状态。岩体整体潮湿，但未观察到明显的裂隙水。围岩岩体呈整体块状结构，属于Ⅲ类围岩。洞室内岩体节理中等发育，但整体上岩体完整性较高，无明显缺陷。

2.2  现场实施

在隧洞8+702的左边墙布置一个地震波信息接收孔，采用孔径为60 mm，孔深1.2 m，孔向上倾约0°的方式进行布置。在8+687～8+664段的左侧墙壁，按约1.0 m的间距布置24个激发孔，激发孔孔深约1.0 m，孔径约40 mm，孔向下倾斜约0°，采用锤击震源激发，每个炮点不少于2次叠加以提高信噪比。接收孔和激發孔工作布置示意图、现场情况分别如图1、图2所示。

图1  工作布置图

（a）  锤击震源              （b）  激发点布置

图2  隧道现场图

2.3  预报结果及地质分析

反射层提取后，反射层中主要反映探测范围内几何空间上的构造物理信息（包括反射强度和反射极性），地震波法处理成果的解释应遵循下述准则。

1）反射振幅越强，说明反射系数越大，则弹性阻抗差越大。弹性阻抗是岩石密度与波速的乘积；正的反射振幅表明正的反射系数，也就是软弱岩石；负的反射振幅则表明是坚硬岩石。

2）对于同一个构造，进行纵波和横波反射振幅的比较是非常必要的，如果横波（S）反射比纵波（P）反射强，则表明反射岩石中含水率升高。

3）Vp/Vs 增加或泊松比突然增大，常常是由流体的存在而引起。

4）若纵波波速（Vp）下降，则表明裂隙度或孔隙度增加。岩体的动态特性不等同于静态条件下测得的特性，一般来说岩体的静态特性小于岩体的动态特性，并且遵从下面的规律：岩体中包含的裂隙越多、岩石越软，则静态参数相对于动态参数就越低。

5）根据地震波法预报结果，结合前期地震波法预报成果及工程地质资料进行综合分析，判断掌子面前方的地质状况，推测不良地质体性状及位置，分析地下水赋存情况和围岩完整程度，预测掌子面前方围岩类别。

综合以上解释得出以下结果（表1），通过偏移成像，X、Y、Z分量的P波速度剖面如图3—5所示；综合的纵波速度成像如图6所示。根据纵横波速比与物性参数公式得出物性参数曲线如图7所示。

图3  X分量P波深度偏移剖面

图4  Y分量P波深度偏移剖面

图5  Z分量P波深度偏移剖面

根据结果显示，利用Vp/Vs波速比可以得到相关的物性参数，推测掌子面前方岩层条件裂隙发育程度，破碎情况和基岩裂隙水发育情况。地震反射波法不仅探测不良地质体方面表现出色，而且高分辨率的特点使相关人员能够准确地识别岩体内的问题区域。这有助于工程师和决策者更好地了解施工前方的地下情况，采取相应的预防措施，以确保隧道工程的安全性和稳定性。

图6  纵波速度剖面

通过本研究中对某隧洞工程的案例分析，了解了地震波在地下岩体中的传播规律，尤其是在面对软弱夹层、岩溶发育和富水等复杂地质情况时。此外，锤击式隧道预报系统的应用为工程建设提供了一种高效、经济的选项，尤其是在时间和成本方面的节约是显著的。对于隧道工程来说，这意味着更高效的施工和更可控的风险管理。

3  结束语

本文研究了使用锤击系统，能够较准确地预测出隧道前方岩体完整性较差的区域分布情况。为了获得清晰的初至波和更准确的波速度测量，采用每个炮点不少于2次叠加以提高信噪比。相比于传统的炸药爆破方式，锤击系统通过敲击隧道壁，避免了需要预先钻孔引爆炸药的过程。这不仅提高了勘探效率，还降低了隧道超前预报的成本。

随着科技发展，未来将研究出更准确的理论公式、可控震源和更完善的观测系统，以获得更加准确的数据和预测结果，为后续工程提供可靠的地质资料。

参考文献：

[1] 李雷，邵质中，蒋辉，等.TST和CFC技术在管片拼装隧道超前地质预报中的改进和应用[J].隧道建设（中英文），2023，43（S2）：321-329.

[2] 黄涵.综合超前地质预报技术在复杂地质隧道的应用分析[J].西部交通科技，2023（1）：139-142.

[3] 辛静.综合物探在铁路深埋隧道建设中的应用研究[J].江西建材，2023（2）：125-126.

[4] 刘翔，尹燕征，郭鹏，等.地质雷达三维探测和TSP在隧道超前地质预报中的应用[J].北方建筑，2022，7（5）：3-8.

[5] 王毅.综合物探法在高速公路隧道超前预报中的应用[J].建筑技术开发，2022，49（18）：130-132.