影响隧道超前预报探测距离的因素探讨

宁 刚

(铁一院 甘肃勘察院物探新技术研究所， 兰州 730000)

0 引言

基于地震波反射原理的隧道超前地震预报技术，国内称“地震负视速度法”[1]，国外称TSP[3-5],即Tunnel Seismic Prediction ahead，也称“隧道VSP”[7]。其原理是根据地震波在地层中产生的反射波特征，来预报隧道施工掘进面前方及周围临近区域的地质情况，包括地层岩性界面、地质结构面、地质构造破碎带、富水带、岩溶发育带等不良地质体的位置、规模及大致产状，推测其性质。该方法的主要优点，①预报距离相对较长；②成本低，资料提交快；③数据采集时间短，对施工影响小。因而也成为地质超前预报的主要方法[1-8，17,19-20]。但TSP有效预报距离到底有多长？大部分的文献报道为掌子面前方100 m～200 m[18]，也有文献[13]说为掌子面前方300 m～500 m, 且围岩越硬越完整预报长度就越长；石家庄铁道学院的李忠等[8-16]从地质构造学理论、爆破地震学理论出发，就如何增加TSP超前预报系统的探测距离进行了初步的探讨，他们认为若能根据现场具体地质情况来确定传感器最佳安装位置、选择合适的采样参数以及探测炸药种类和用量，则探测距离可有效提高。他们还对如何利用TSP超前探测系统搜索角问题进行了探讨，指出当以一个比较符合实际地质情况的搜索角去处理地震记录，不但会大大增加信息量，而且对构造体的预测精度也会大大提高。他们应用概率论数学方法，在新课纳隧道地质超前预报中也取得了一定效果。合理选择参数能提高探测长度和精度，齐传生和张景生[18-21]也认同。上述都是在采集原始信号前对探测距离的探讨，刘云祯老师[2,6]对采集到的数据中影响探测距离的“管道波”进行了较为详细地描述[2-6]，这也是影响探测距离的一个重要因素。

那么究竟能预报多长距离，实际中又有什么因素来影响探测距离。作者以最近两在兰渝铁路、包西铁路、天平铁路、兰新第二双线、兰青线、隆百高速等工程所做的280多次TSP现场数据为基础，进行总结分析超前预报的有效信号长度，并根据TSP的偏移叠加原理来得出TSP的有效预报距离，并分析了影响有效信号的因素和提高预报距离应采取的措施。原始信号以及有效信号长度的评价原则为正确判断超前预报有效距离以及预报结果的准确性提供依据，通过避免影响地震信号的因素来提高隧道地质超前预报的长度。

1 TSP现场测试及影响预报距离的因素分析

作者仅对影响预报距离的主要因素和人为可控制的因素加以分析，对影响探测距离但又是常识性的因素做列举，不做实例举证。

1.1 TSP现场测试观测系统及影响

超前预报现场测试的观测系统是图1[4-5，7，22]。在观测系统中，需在隧道侧壁设计钻孔，包括左、右边墙两个接收孔和单边墙的24个炮孔。具体的设计要求如下。

(1)接收孔的设计要求。两个分别位于洞身两侧，φ50 mm(钻头钻孔)，深度为1.9 m垂直隧道轴向，上倾5°～10°,离地面(隧底)高1 m ,距离掌子面约55 m。

(2)炮孔的设计要求。24个位于洞身同一侧,φ42 mm(钻头钻孔)，深度1.5 m垂直隧道轴向，下倾10°～20°，离地面(隧底)高1 m，第1个炮孔离同侧接收器孔20 m，炮孔距1.5 m，原则上要求炮孔和接收孔在平行与隧道轴线的一条直线上。

在实践中，当工程局准备好炮孔和接收孔后，技术人员到现场还要进行孔位测量，包括孔深和倾角，炮孔间距，测量的原因主要是在现场钻孔过程中，由于多种原因设计的孔间距、孔深和孔倾角受人为因素影响，因而孔位参数的正确测量与否会影响偏移的处理结果，也影响判断预报结果准确性。

另外炮孔和接收孔是否符合要求，将对原始信号的质量产生影响。比如较浅的炮孔震源激发的位置刚好在初衬后，而初衬后又有空洞，这将造成能量的损失；较浅的炮孔根据经验对声波的压制也不好，也就是说震源产生的能量很大一部分转换成了声波，而转换为弹性波的能量较低。另外如果接收孔较浅，露出墙外的套管较长则可能造成接收器和套管在接收孔内谐振，采集到的信号将包含虚假的信号，从而影响原始资料质量。

1.2 影响探测距离的因素

1.2.1 震源对预报距离的影响

在石油勘探等深层地震方法勘探中，震源类型的可选择性较大，另外震源能量的大小可以通过多种方法控制，现场激发环境对震源的形式和炸药用量的限制较小。在隧道超前预报中，除了TRT(仪器)的锤击震源外用，炸药是被广泛应用的震源形式，炸药用量的大小受到现场测试环境的影响，可选性较小，因此也使得震源对探测距离的影响成为较主要的因素。

(1)炸药用量对激发的地震波振幅能量的影响。

炸药震源属于脉冲震源，脉冲的振幅A与炸药量M的关系是A∞Mk1，当炸药量较小时，k1达到1～1.5，这时炸药对岩石的破坏较小，爆炸的大部分能量转换为弹性波[28-29]，因此药量的增加有利于增加震源能量，较强的震源能量一般都预示着较长的探测距离。

图1 超前预报现场测试的观测系统Fig．1 TSP measurement layout

(2)震源激发频率对探测距离的影响。地震脉冲的视周期或主频与炸药的关系由下式给出

(1)

由式(1)可见大的药量时激发的波视周期大、主频低[29]。大地对高频率的吸收要比对低频率的吸收高，因此如果炮点激发能量主要集中在低频区，地震波传播的距离就越长；相反如果炮点激发的能量集中在高频区，那么地震波随着传播距离的增加能量衰减的快，传播的距离就越短。因此震源能量大，激发的频率低，探测距离在正常情况下应该较大。但是通过增加震源能量的方法增加探测距离是有限的，这主要受到现场测试环境的影响，测试的位置一般都做了支护，较大的能量将破坏支护，这将影响施工。因此通过增加炸药量的方法增加探测距离是有限的。在实践中炸药量的控制可以通过现场的试验，以及对一个地区的地质情况的了解和经验来确定，从而最大的增加探测距离。

1.2.2 地质情况对预报距离的影响

地质情况对预报距离的影响，主要体现在不同的岩性、不同破碎程度、不同含水性及矿物成分的围岩对地震波的传播能量衰减的影响，另外地震波的传播过程中，球面扩散、透射、反射、折射等也与地质情况有关。

由于仪器采集到的数据是一个有限长度的数据，在这个有限时间长度内反射波的传播距离和地震波在围岩中的传播速度是密切相关的，地震波传播速度越快，在有限的时间内探测的距离就越长；地震波传播的越慢有限时间内探测的距离就越短。相对地质情况来说在破碎的围岩中，地震波传播的速度要比在完整的围岩中地震波的传播速度慢，同时松散的介质对地震波能量的吸收效果要强，因此在不考虑其他影响因素的前提下，速度较高的围岩中地震预报勘探的距离要远的多。这个因素和与声波影响成为确定预报探测距离的主要决定因素。

1.2.3 声波对探测距离的影响

声波对探测距离产生的影响，是指仪器采集到的地震信号中的混杂的声音信号对探测距离的影响。在地震反射波法预报中，为了达到相应的探测距离基本都在使用炸药作为震源。按照观测系统要求炮孔都需要封堵，目前主要采用锚固剂和水封的方法。封堵的目的，是让炸药爆炸产生的能量转换为弹性波的形式在地层中传播，而不要产生声波，但根据实际经验这两种方法都不能完全避免爆炸的能量产生声波。当声波在隧道中传播，对于原始信号来说它作为一种噪音干扰也被仪器一起采集到。图2是声波在隧道中相干加强的示意图，从震源产生的声波以直达声波、多次反射声波、单次反射声波等形式传到接收器进行叠加。实际中的隧道是一个圆桶状的几何形态，因此在其中产生的多次反射声波要比图2中的复杂的多，这些多次反射的声波叠加有时可淹没有效信号。图3是一个三分量检波器采集到的原始数据，XYZ三个分量在60 ms附近都含有声波的影响，从图3中可以看到，声波回响的能量已经能够达到淹没整个有效信号的地步。声波表现为振幅大，频率高，相干加强的特点。

速度在340 m/s;图4(b)是其对应的频谱，主要频率集中在0 Hz～4 000 Hz；图4(c)是a信号前60 ms的数据，这时声波信号还没有被采集到; 图4(d)是其对应的频谱图，主要频率集中在0 Hz～2 000 Hz；图4(e)是a信号60 ms后的数据，这时声波信号已经采集到;图4(f)是其对应的频谱图，主要频率集中在0 Hz～4 000 Hz和a相同。从图中可以看到,有效信号的频率集中在0 Hz～2 000 Hz，而噪音信号集中在0 Hz～4 000 Hz这两者有重叠的部分是不能用带通滤波将其分开的。从图4(a)中还可以看到,直达声波的能量较弱，而在后续的数据中声波加强，这主要是由于隧道内声波产生多次反射相干加强的结果。

图2 声波在隧道内的相干加强示意图Fig．2 Schematic diagram of the sound wave coherent strengthens in the tunnel

图3 混杂有声波影响的地震信号Fig．3 Seismic signal mixed with acoustic impact

在实际生产中像图4(a)这样的数据占到的比例非常高，并且声波能量的相干加强，使得在后续资料处理时有效信号的识别受到严重干扰，带通滤波也无用武之地，这就产生了本文提到的问题，探测距离直接受到声波回响的影响。

1.2.4 实际中能探测到的距离

按照理论只要炸药用量足够大，隧道埋深足够深，探测的距离应该较长，像前面提到的几百米甚至上公里。然而这种情况是一个理想状态，根据现场采集的数据统计，几乎90%以上的数据在60 ms后都受到声波的影响(偏移距20 m)，因此当声波干扰大于有效信号时探测距离也将受到影响。

表1 速度与探测距离的关系

按照设计的观测系统计算，偏移距20 m时，声波在传播20 m的距离后就会被接收器接收到，按声波在空气中的传播速度340 m/s计算，在58.8 ms后声波就到达接收器并开始被接收器记录到，这也就是为什么图4与图5声波干扰出现在60 ms附近的原因。也就是说在58.8 ms之前的数据完全没有掺杂声波噪音影响。根据这个时间可以计算出不同速度的围岩中的准确预报距离。如表1中的速度和不受声波干扰的探测距离(探测距离根据椭圆偏移的保险公式计算距离=时间×速度/5[23-25]，这个距离完全不受声波干扰；最大不受干扰距离可按照双程时间计算，公式为距离=时间×速度/2)。

刘云祯[2]提出由于声波的传播速度较慢，而岩石中地震波的传播速度较快，因此增加偏移距可以使得有效信号长度增长，该方法也具有一定的可行性。然而由于震源药量的限制，波能量的衰减，增加偏移距存在将有效能量损失在已开挖段的问题；而增加炸药用量会增加对已有支护的影响，因此这是一个矛盾体，这就要求在现场根据情况安排合理的偏移距和药量，已达到最好的探测要求。

2 提高预报距离的方法

提高预报的距离需要从如下几项来控制：

(1)对药量(能量)控制。这主要体现在控制震源能量上，一般较大的药量能增加探测的深度，但过大的能量又会对隧道造成破坏，因此可以通过试验来确定一个工区采用多少药量，既可以满足探测深度要求又不对隧道造成破坏。

(2)控制观测系统。观测系统的科学布置可以减少因为地震波在已开挖段传播的距离过长和能量损失，从而降低预报距离。也就是说最后一个炮点离掌子面越近越好，同时合适的偏移距能使得震源产生能量不在已开挖段损失过多，观测系统定义偏移距20 m，在围岩较差的情况下可以减小这个距离。另外控制偏移距还要同药量控制相结合，因为仪器对能量的响应有一定的范围，较大的能量将使得信号过大，失真变形，这时就要通过注意偏移距和药量两个因素来控制采集到的有效信号长度。

(3)炸药埋设深度。按照观测系统设置要求炸药埋深为1.5 m，这个要求有两点原因，①保证炸药在未松弛岩体激发，因为隧道开挖后在隧道衬砌后多少都存在一个松动带，松动带对炸药的能量有吸收作用，而1.5 m基本可以保证跨过松弛带，从而减少能量的损失；②对声波的控制，炸药埋设深度越深封堵效果越好，这有利于减少震源能量转换为声波。

图4 仪器信号中不同信号和它的频谱Fig．4 Different signal and its spectrum(a)仪器原始信号;(b)原始信号的频谱；(c)是原始数据前60ms的数据没有声波;(d)是c相应的频谱； (e)是原始数据60ms后的数据有声波影响;(f) 是e相对应的频谱

(4)充水和锚固剂封堵的影响。根据经验充水可以保证炸药周围和基岩完全耦合，锚固剂则不能，因此充水激发的频率要较低，而锚固剂封堵则激发的频率较高，充水对声波的压制较好，而锚固剂封堵对声波的压制较差，不封堵则声波的压制最差。

(5)声波的控制。除了上述第1、2点外，其他两点都是在控制声波对有效信号的影响，并且影响探测距离的最主要因素也是目前最不好解决的问题，就是声波叠加到有效信号中去。经过试验控制声波还要注意检波器套管的安装、固定等。

3 结论

影响超前预报探测距离的因素有震源的能量大小、地质情况、以及声波等，在实践中影响探测距离的最大因素就是叠加到地震信号中的声波信号。要提高探测距离可以通过控制炸药用量，观测系统的合理科学布置，炸药合适埋设以及炮孔的完好封堵等方法，做好上述几个步骤控制好声波噪音，从而提高探测距离。

致谢

作者编写过程中得到韩永琦教高的大力支持和帮助，在这里表示感谢；在此还要感谢生产实践当中认真采集数据的物探所超前预报组成员。

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