王 俊, 史亞龍, 劉 杰, 戴國強(qiáng)

(1.中國電建集團(tuán) 市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明 650032 2.中國電建集團(tuán) 昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 信息技術(shù)研究院，昆明 650032)

0 引言

現(xiàn)階段的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，不是停留在單個(gè)方法、單一參數(shù)的解釋預(yù)報(bào)。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法有：①直接預(yù)報(bào)法(水平鉆孔、超前導(dǎo)坑)；②地質(zhì)分析法；③物探法;④綜合分析法等。物探法是常規(guī)的一種間接預(yù)報(bào)方法，物探設(shè)備并不是直接反應(yīng)掌子面的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和性質(zhì)，而是利用它們的物性差異，用采集到的數(shù)據(jù)間接地進(jìn)行推測(cè)。物探法中彈性波法是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的一個(gè)大類，近年來隨著物探設(shè)備探測(cè)精度的提高，解釋、解譯技術(shù)地發(fā)展，我國出現(xiàn)和引進(jìn)了很多彈性波類的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)(如TSP、TRT、TGS360等)。TSP優(yōu)點(diǎn)是預(yù)報(bào)距離長，使用范圍廣；相對(duì)于地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁等物探方法，地震波對(duì)破碎帶、斷層、巖性變化等巖體力學(xué)性質(zhì)差異界面敏感度較好，識(shí)別度較高，但對(duì)含水體識(shí)別度較低[1]，技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)、水平的不同容易造成數(shù)據(jù)解譯的差別，造成預(yù)報(bào)成果的多解性。TSP法可以得到很多的物性參數(shù)，今后發(fā)展的方向是朝著三維觀測(cè)系統(tǒng)采集，將更多的物性參數(shù)應(yīng)用到TSP的反演中，形成一個(gè)聯(lián)合反演和解釋的機(jī)制，減少人為的主觀因素造成的多解性。TRT的技術(shù)特點(diǎn)是觀測(cè)方式實(shí)現(xiàn)了空間觀測(cè)，資料處理上采用了地震偏移成像，較TSP和負(fù)視速度法有明顯地改進(jìn)[2]。TRT存在問題是由于是三維空間采集模式，檢波器的安裝和錘擊實(shí)際操作中有一定難度(如傳感器需要2 m以上的高差才能達(dá)到三維采集的效果)。還有就是TRT采用錘擊震源，一方面需要高靈敏度的檢波器，另一方面需要消除現(xiàn)場(chǎng)干擾噪聲，保證高信噪比。TGS360是近些年來引進(jìn)的一種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，它在流體預(yù)測(cè)中有自己的一套解譯機(jī)制。筆者從正演模型出發(fā)，將模型的反演解譯經(jīng)驗(yàn)成功應(yīng)用到了公路隧道預(yù)報(bào)中，為今后TGS360超前預(yù)報(bào)法在公路預(yù)報(bào)中的應(yīng)用提供借鑒。

圖1 TGS360現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)與探測(cè)原理Fig.1 TGS360 field observation system and detection principles

圖2 Tesseral2D正演模型Fig.2 Tesseral2D forward model

1 TGS360原理

1.1 TGS360的基本原理

TGS360是俄羅斯GEOTECH公司與俄羅斯烏拉爾國立地質(zhì)大學(xué)合作研發(fā)的地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，它可以選擇不同的震源(大錘、液壓錘)或炸藥，該技術(shù)的理念是專注于航空無線電定位每個(gè)3C檢波器的工作原理(圖1)，提出了一個(gè)定向覆蓋錐形雷達(dá)(錐角為45°)。經(jīng)過極化處理的波場(chǎng)根據(jù)每個(gè)檢波器，在遷移映射的結(jié)果，所有覆蓋錐還原成一在面部的中心點(diǎn)。在多個(gè)振源位置(連續(xù))激發(fā)情況下，完整波場(chǎng)矢量分量被記錄在現(xiàn)場(chǎng)處理系統(tǒng)，確保在任何方向從四面收到地塊的可靠而穩(wěn)定的總結(jié)性參數(shù)化三維圖像，通過處理得到的圖像可以判別涌水、冒頂和含水區(qū)域及破碎帶等隧道前方危險(xiǎn)情況。

1.2 TGS360的技術(shù)特點(diǎn)

類似于TSP方法，TGS360超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法可以得到巖體力學(xué)物性參數(shù)成果(縱波速度Vp，橫波速度Vs，縱橫波速比Vp/Vs，楊氏模量E，泊松比σ)。不同于TSP的是它在地震數(shù)據(jù)解釋上有一套自己預(yù)測(cè)流體富集的專利方法，可以提供圍巖應(yīng)力梯度圖、含水概率圖等。

動(dòng)態(tài)流體法(DFM)是Pisetski等發(fā)明的一項(xiàng)專利技術(shù)[3],地震資料解釋的動(dòng)態(tài)流體法(DFM)是以離散動(dòng)態(tài)介質(zhì)模型為基礎(chǔ)的[4]。該方法基于下列假設(shè)：掌子面前方的地質(zhì)介質(zhì)是離散的，該介質(zhì)處于連續(xù)的非均勻應(yīng)力影響之中，即引力和構(gòu)造力。非均勻應(yīng)力狀態(tài)下造成巖石壓力的空間分布不同，巖石中壓力的差別使得巖石中流體發(fā)生運(yùn)移，即從“高壓”區(qū)向“泄壓”區(qū)逃逸或運(yùn)移[5]。瞬時(shí)壓力變化會(huì)產(chǎn)生張開的裂縫或處于裂縫狀邊界條件下，并且有地震響應(yīng)，DFM就是從記錄的地震信號(hào)中提取這種響應(yīng)，通過希爾伯特變換解析出地震信號(hào)的瞬時(shí)振幅和瞬時(shí)相位，再根據(jù)振幅和相位的參數(shù)計(jì)算出相對(duì)壓力梯度，從而確定出高滲透、連通性好的裂縫或裂縫狀孔隙系統(tǒng)中最可能含流體的區(qū)域。

2 Tesseral2D正演模擬

本次正演模擬采用基于有限差分法的二維全波場(chǎng)數(shù)值模擬軟件Tesseral2D[6]。建立二維的地質(zhì)模型(圖2)，隧道掌子面前方的地質(zhì)為片巖地層，縱波速度為5 757 m/s，橫波速度為3 200 m/s，密度為2.7 kg/cm3，在前方40 m左右處設(shè)置一個(gè)含水地層，縱波速度為1 500 m/s，橫波速度為0.25 m/s，密度為1.0 kg/cm3，在掌子面前方100 m處設(shè)置一個(gè)低速帶，砂泥巖地層，縱波速度為800 m/s，橫波速度為450 m/s，密度為1.5 kg/cm3。入射子波采用30 Hz的零相位子波[7]，觀測(cè)系統(tǒng)如圖2所示，在兩個(gè)邊墻布置10個(gè)震源位置，間隔2 m，每次震源設(shè)計(jì)8個(gè)接收點(diǎn)，采樣間隔為0.2 ms。正演的結(jié)果見圖3。

圖3 首炮(-11,16)0.01 s～0.06 s波場(chǎng)快照Fig.3 First shot (-11,16) 0.01 s～0.06 s wave field snapshot(a)0.01 s;(b)0.02 s;(c)0.03 s;(d)0.04 s;(e)0.05 s;(f)0.06 s

根據(jù)所建立的二維地質(zhì)模型，采用彈性波動(dòng)方程模塊進(jìn)行正演，得到每一炮相應(yīng)的sgy地震數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可以帶入TGS360處理軟件進(jìn)行處理。

TGS360反演的流程是：①通過2D(或3D)的追蹤程序，追蹤一個(gè)或者多個(gè)地震層位；②選擇一個(gè)地震層位，由瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)振幅計(jì)算出相對(duì)壓力梯度；③對(duì)整個(gè)地震層位估算的瞬時(shí)振幅和瞬時(shí)頻率平均，減去正?！氨尘啊眽毫?地層靜壓力或上覆壓力)，剩余值就是地應(yīng)力引起的異常壓力。建立相對(duì)異常壓力圖和等值線圖，異常壓力低值區(qū)也就是最可能聚集流體的地方[3]。

對(duì)掌子面前方150 m范圍，縱剖面上、下50 m范圍內(nèi)進(jìn)行二維反演。圖4為含水概率圖，處理結(jié)果和正演模型還是比較對(duì)應(yīng)的，在掌子面前方40 m、100 m附近都出現(xiàn)了相對(duì)強(qiáng)含水概率(紅線標(biāo)注的藍(lán)色區(qū)域)。

圖4 TGS360處理軟件得出的含水概率圖Fig.4 Water cut probability map by TGS360

圖5為圍巖破碎危險(xiǎn)等級(jí)圖，處理結(jié)果和正演模型還是比較對(duì)應(yīng)的，在掌子面前方40 m、100 m附近都出現(xiàn)了相對(duì)高危險(xiǎn)區(qū)域(紅線標(biāo)注的紅色區(qū)域)。

圖5 TGS360處理軟件得出的圍巖危險(xiǎn)等級(jí)圖Fig.5 Dangerous grade of surrounding rock map by TGS360

綜上所述，①TGS360超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法在地震數(shù)據(jù)解釋上有一套自己預(yù)測(cè)流體富集的方法，高含水區(qū)域、高應(yīng)力變化區(qū)域反演出來和正演模型有較好的對(duì)應(yīng)性；②聯(lián)合圖4與圖5可以看出，推測(cè)含水概率高的地方比較對(duì)應(yīng)正演模型反射界面位置，即界面位置應(yīng)力變化梯度較大，認(rèn)為是裂隙等可能含有流體的地方；③由于進(jìn)行2D正演，在位置精度和解譯精度上與正演模型還是有一定的誤差，既可以結(jié)合3D正演繼續(xù)研究，也需要結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行總結(jié)；④反演過程中試驗(yàn)了很多反演參數(shù)，反演出來的模型大致相同，發(fā)現(xiàn)初始模型波速選擇得準(zhǔn)，反演出來的模型越接近于正演模型。

3 TGS360在隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

目前隧道地震預(yù)報(bào)采用的主要方法為反射波法[8]。本次對(duì)臨滄某高速公路隧道，應(yīng)用TGS360超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)。

3.1 工程概況

設(shè)計(jì)書對(duì)探測(cè)區(qū)段的地質(zhì)概況描述：該段隧道圍巖分級(jí)劃分為Ⅳ2級(jí)，圍巖以中風(fēng)化片巖為主，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，多呈碎石狀碎裂結(jié)構(gòu)或塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)；物探表明屬低阻區(qū)；巖體富水性弱～中等，開挖時(shí)可能存在較小量的滴水、滲水等現(xiàn)象。

現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況：掌子面樁號(hào)為ZK26+930，采用鉆爆法施工，巖性為灰白色、灰黑色花崗質(zhì)片巖，巖質(zhì)較軟。主要以強(qiáng)風(fēng)化為主，較易擊碎，強(qiáng)度較低。圍巖總體為破碎～較破碎，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體多呈鑲嵌碎裂狀～碎塊狀結(jié)構(gòu)。

觀測(cè)系統(tǒng)布置：隧道兩邊墻布置，每個(gè)邊墻布置4個(gè)傳感器，以串聯(lián)方式連接，離掌子面最近的傳感器到掌子面間距為5 m。在傳感器兩側(cè)布置共10個(gè)震源點(diǎn)。采用大錘激發(fā)，每個(gè)震源點(diǎn)敲8次。

3.2 TGS360圖像分析與解釋

區(qū)別于2D的正演，實(shí)際TGS360采集中采用的是3分量檢波器，并且可以使用3D的追蹤反演程序，可以查看三維的結(jié)果。

圖6 含水概率分布圖Fig.6 Probability distribution map of water content

圖7 圍巖破碎危險(xiǎn)等級(jí)圖Fig.7 Dangerous grade of surrounding rock map

圖8 泊松比Fig.8 Siméon Denis Poisson

圖9 三維含水率概率圖Fig.9 Three-dimensional probability chart of water content

由圖6、圖7可以看出，在掌子面前方105 m(ZK27+035)處附近有一個(gè)高含水和圍巖破碎區(qū)域。

圖8顯示泊松比在掌子面前方105 m附近相對(duì)上升為0.4左右。圖9三維含水率概率圖顯示，該區(qū)域在掌子面前方105 m左右，大概率在隧道拱頂上方。結(jié)合工程實(shí)際地質(zhì)情況推測(cè)：在掌子面前方90 m～120 m(ZK27+020-ZK27+050)范圍內(nèi)含水概率相對(duì)較高，可能有點(diǎn)滴狀或淋雨?duì)畛鏊?，結(jié)合前幾次該隧道的預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，可能為低波速的砂泥巖低速層，由于該區(qū)域在拱頂上方，巖體自穩(wěn)能力差，開挖時(shí)不及時(shí)支護(hù)或支護(hù)(處理)不當(dāng)易產(chǎn)生較大規(guī)模的坍塌。

3.3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與實(shí)際開挖情況對(duì)比

圖10為樁號(hào)ZK27+025處拍攝的視頻截圖，掌子面節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體較為完整，有線狀出水，基本和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)果相吻合。

圖10 ZK27+025(預(yù)報(bào)95 m處線狀出水)Fig.10 ZK27+025(prediction of linear outflow at 95 m)

圖11為樁號(hào)ZK27+036處所拍攝的視頻截圖，施工的時(shí)候已經(jīng)發(fā)生了突泥，這與地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果相符。

圖11 ZK27+036(預(yù)報(bào)106 m處發(fā)生突泥)Fig.11 ZK27+036(prediction of collapse at 106 m)

3.4 TGS360應(yīng)用效果

在臨滄該高速某隧道區(qū)域，共完成34次TGS360超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，對(duì)26個(gè)異常區(qū)域進(jìn)行了跟蹤，發(fā)現(xiàn)有20個(gè)是比較對(duì)應(yīng)的。預(yù)報(bào)成果較成功，準(zhǔn)確度相對(duì)較高，保障了現(xiàn)場(chǎng)開挖施工安全，同時(shí)提高了施工效率，該方法對(duì)可能含流體的區(qū)域預(yù)報(bào)有一定優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

1)TGS360超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法是依托于Pisetski等發(fā)明的動(dòng)態(tài)流體法(DFM)專利技術(shù),發(fā)展出來的一種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，該方法相比于一般的地震波超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法，其在對(duì)含水體識(shí)別度上有所提高。該方法反演程序步驟簡單，不需要人為的調(diào)整很多處理參數(shù)，減少人為的主觀因素造成的多解性，可以得到三維的預(yù)報(bào)成果。

2)本次采用Tesseral2D二維全波場(chǎng)數(shù)值模擬軟件建立了二維地質(zhì)模型，并且進(jìn)行了正演模擬，將正演數(shù)據(jù)代入到TGS360處理軟件進(jìn)行反演,最終得出的結(jié)果和所建立的二維地質(zhì)模型有較好的對(duì)應(yīng)性。在將正演數(shù)據(jù)代入到TGS360處理程序的過程中發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)參數(shù)對(duì)反演結(jié)果有較大的影響：①反演初始速度模型設(shè)置越接近正演模型速度，反演出來效果越好；②反演程序中初始含水概率值設(shè)置越接近正演模型情況，反演出來效果越好。所以應(yīng)用應(yīng)該避免超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的“盲人摸象”現(xiàn)象，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)災(zāi)害的探測(cè)，一定要掌握該地區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)，在探測(cè)到局部災(zāi)害體時(shí)，只有掌握宏觀的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，才能做出準(zhǔn)確、合理、符合地質(zhì)情況的災(zāi)害預(yù)報(bào)[8]。

3)結(jié)合TGS360超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的原理和正演、反演的過程中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，在臨滄某高速公路將該方法進(jìn)行了應(yīng)用，得到了較好的效果，準(zhǔn)確度相對(duì)較高，保障了現(xiàn)場(chǎng)施工開挖安全，同時(shí)提高了施工效率，證明該方法在實(shí)際工作中對(duì)含流體的區(qū)域進(jìn)行預(yù)報(bào)還是有一定優(yōu)勢(shì)。