環(huán)形采集系統(tǒng)下陸地聲納法同相軸形態(tài)研究初探

石靜雯

摘 要：本文是根據(jù)陸地聲納法的工作原理和地震正演模擬中的射線追蹤法提出的。環(huán)形信號(hào)采集觀測(cè)系統(tǒng)是在盾構(gòu)機(jī)刀盤半徑上安裝兩個(gè)自激自收的檢波器，隨著盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，得到兩組反射波信息，對(duì)這兩組反射波信息進(jìn)行處理和資料解釋，推斷前方不良地質(zhì)體的形態(tài)特征和位置信息，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)陸地聲納的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。本文所要研究的就是在此環(huán)形觀測(cè)系統(tǒng)下，反射波同相軸的形態(tài)特征。要實(shí)現(xiàn)本研究，不僅要推演出不同走向和傾角的斷層（以下簡(jiǎn)化為反射面模型），不同位置和大小的溶洞和“孤石”相對(duì)于盾構(gòu)機(jī)刀盤上各個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)空間位置關(guān)系，然后數(shù)值模擬出它們的環(huán)形反射波同相軸特征，還要確定不同需求的情況下兩個(gè)檢波器的相對(duì)位置關(guān)系。

關(guān)鍵詞：陸地聲納法 盾構(gòu)機(jī) 同相軸 環(huán)形采集系統(tǒng) 正演模擬 地質(zhì)超前預(yù)報(bào)

中圖分類號(hào)：P642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）11（c）-0072-03

隨著城市密集度的提高和高層建筑的不斷增加，地面可利用的空間越來(lái)越少，許多城市都將地下交通網(wǎng)線作為解決交通擁擠最為有效的手段。由于盾構(gòu)法具有機(jī)械化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、施工進(jìn)度快、對(duì)周邊環(huán)境干擾小等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，盾構(gòu)法隧道技術(shù)廣泛應(yīng)用于城市地鐵的修建工程。盾構(gòu)法適用于松散軟土、淤泥、硬巖等幾乎所有復(fù)雜地層，快速地推動(dòng)了在不良地質(zhì)、大深度、長(zhǎng)距離條件下地下工程開(kāi)挖技術(shù)的發(fā)展。在地鐵盾構(gòu)施工過(guò)程中，未探明的地質(zhì)災(zāi)害會(huì)帶來(lái)重大安全隱患，影響較大的災(zāi)害主要有三種，為斷層、溶洞和“孤石”[1]。斷層破碎帶是誘發(fā)突水突泥的主要地質(zhì)災(zāi)害源之一，特別是發(fā)育規(guī)模較大、內(nèi)部充填介質(zhì)軟弱、地下水運(yùn)動(dòng)活躍的斷層帶，在工程擾動(dòng)、地應(yīng)力與水壓作用下極易失穩(wěn)破壞發(fā)生突水突泥災(zāi)害。而溶洞常常充填高壓水、大體量泥質(zhì)，且具有強(qiáng)補(bǔ)給通道，極易發(fā)生大體量突水、涌泥等地質(zhì)災(zāi)害。在盾構(gòu)過(guò)程中遇到“孤石”時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)非常困難，刀盤頻繁被卡或嚴(yán)重變形甚至磨損，即使能通過(guò)地面土壤加固、排石或換刀等技術(shù)措施處理，也會(huì)極大地增加施工成本，對(duì)工期和投資控制產(chǎn)生重大不利影響。更嚴(yán)重時(shí)，甚至導(dǎo)致工作面噴涌、塌方，危及地面行車或建筑物安全。地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作對(duì)地鐵盾構(gòu)施工非常重要[2]。陸地聲納法的技術(shù)屬于國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)，它在隧道施工中探查斷層破碎帶、溶洞等方面，以及在城市地面淺層勘探方面達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，有很好的推廣價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

陸地聲納法原本主要采用交叉的兩條測(cè)線作為信號(hào)采集系統(tǒng)，而由于施工條件的限制，盾構(gòu)過(guò)程中在掌子面前方由人工作兩條交叉測(cè)線并不現(xiàn)實(shí)，所以陸地聲納的信號(hào)采集系統(tǒng)發(fā)生了重大變化，在盾構(gòu)機(jī)刀盤上作一個(gè)自動(dòng)的環(huán)形信號(hào)采集系統(tǒng)，所以原有的正演數(shù)值模擬系統(tǒng)不可用了，需要重新設(shè)計(jì)正演數(shù)值模型，并進(jìn)行研究。

地震數(shù)值模擬在地下勘探中起到重要的作用，是地質(zhì)數(shù)據(jù)采集、處理、解釋的分析基礎(chǔ)，通過(guò)正演模擬，可以為地震數(shù)據(jù)的采集、處理、解釋提供科學(xué)的評(píng)估方法和理論依據(jù)，同時(shí)也可以檢測(cè)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，處理和解釋結(jié)果的正確性[3]。地震正演模擬的主要方法有波動(dòng)方程法和射線追蹤法。波動(dòng)方程法是在理論上模擬地震波的傳播，同時(shí)保持了地震波的動(dòng)力學(xué)特征和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。射線追蹤法是一種基于幾何光學(xué)的計(jì)算方法，在高頻近似的情況下，地震波的主能量沿著射線軌跡傳播，其方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算速度快，獲得的地震波時(shí)間比較準(zhǔn)確[4]。

1 陸地聲納法信號(hào)采集系統(tǒng)分析

陸地聲納法是“陸上極小偏移距（震-檢距）超寬頻帶彈性波反射連續(xù)剖面法”的簡(jiǎn)稱。陸地聲納法是彈性波反射法的一個(gè)新方法，它是以彈性波勘探的基本理論為基礎(chǔ)的。它采用接近于零震-檢距的方式工作，極小偏移距的特點(diǎn)，使得陸地聲納法可避開(kāi)直達(dá)波和面波的干擾。它采用激振器作震源，檢波器緊固在盾構(gòu)機(jī)刀盤上。通過(guò)采集排列實(shí)現(xiàn)自激自收，實(shí)際上為極小震-檢距。自激自收得到的是垂直反射面的入射波的反射波，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)換波或者轉(zhuǎn)換波能量很小。陸地聲納法的接收系統(tǒng)具有超短余震的特性。在激震子波僅有一個(gè)周期的情況下，通常接收到的反射波也僅有一個(gè)周期，分辨率大大提高；同時(shí)，檢波器的接收方向性很強(qiáng)，使得接收角小。采用分窗口帶通濾波的方法，提取不同頻段的信號(hào)的時(shí)間剖面，并將不同頻段的時(shí)間剖面作對(duì)比；10Hz～4kHz寬頻帶的接收在城市物探工作中可不受人形、車流等常規(guī)干擾，可自由分離提取工作頻段[5]。

陸地聲納法在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中向前探查時(shí)，需要在掌子面前方人工錘擊作震源，并且需要在掌子面前人工作十字形的兩條交叉測(cè)線作為信號(hào)采集系統(tǒng)。

地震記錄上各道振動(dòng)相位相同的極值的連線稱為同相軸。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，斷層在陸地聲納兩條交叉測(cè)線的時(shí)間剖面上表現(xiàn)為直線同相軸，溶洞和“孤石”在陸地聲納的時(shí)間剖面上表現(xiàn)為曲線同相軸[6]。

陸地聲納法與地震勘探的基本解釋方法一樣，就是追蹤同相軸。陸地聲納處理軟件僅僅提供了對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理功能，并沒(méi)有提供對(duì)地質(zhì)的解析功能。而地質(zhì)資料解釋的基礎(chǔ)就是正演的圖形?，F(xiàn)在受條件限制，人無(wú)法進(jìn)入到掌子面前方去作兩條交叉的測(cè)線，所以進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)環(huán)形采集觀測(cè)系統(tǒng)的研究。本課題主要就是進(jìn)行環(huán)形采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并且研究環(huán)形采集系統(tǒng)下正演模擬的同相軸圖形。

2 環(huán)形采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盾構(gòu)機(jī)在隧道掘進(jìn)過(guò)程中，由于受條件限制，人無(wú)法進(jìn)入到掌子面前方去。所以采用環(huán)形采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)反射波信號(hào)的觀測(cè)和采集。環(huán)形采集系統(tǒng)是直接在盾構(gòu)機(jī)的刀盤半徑上安裝兩個(gè)彈性波的檢波器來(lái)實(shí)現(xiàn)自激自收彈性波，盾構(gòu)機(jī)刀盤以每分鐘0.3圈的速度旋轉(zhuǎn)，這樣轉(zhuǎn)一圈過(guò)后，檢波器就能接收到具有半徑差的兩組波的信號(hào)。

由于陸地聲納法采用的是接近零震-檢距的方式工作，自激自收得到的是垂直反射面的入射波的反射波。對(duì)于反射面來(lái)說(shuō)，兩個(gè)檢波點(diǎn)轉(zhuǎn)一圈得到的兩組反射波信號(hào)和一個(gè)檢波點(diǎn)轉(zhuǎn)一圈得到的一組反射波信號(hào)差別不是很大。而對(duì)于溶洞和“孤石”來(lái)說(shuō)，情況會(huì)復(fù)雜很多，其大小的不同和位置的變化都會(huì)在反射波信號(hào)上有明顯的差別，所以在盾構(gòu)機(jī)刀盤安裝兩個(gè)檢波器就十分有必要了。endprint

以上內(nèi)容也是研究環(huán)形采集觀測(cè)系統(tǒng)要重點(diǎn)關(guān)注的地方，需要模擬溶洞和“孤石”的一些不同情況來(lái)確定兩個(gè)檢波器的間距。

3 正演數(shù)值模擬

射線追蹤法是一種基于幾何光學(xué)的計(jì)算方法，在高頻近似的情況下，地震波的主能量沿著射線軌跡傳播，其方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算速度快，獲得的地震波時(shí)間比較準(zhǔn)確。若已知地下界面的產(chǎn)狀要素（傾角、傾向等）和速度參數(shù)等資料來(lái)求取地面觀測(cè)到的時(shí)距關(guān)系，稱作彈性波勘探的正演問(wèn)題。反之，根據(jù)彈性勘探工作獲得的時(shí)距關(guān)系來(lái)求取地下界面的幾何形態(tài)的問(wèn)題，則稱為彈性波勘探的反演問(wèn)題[7]。本文采用射線追蹤法對(duì)三種地質(zhì)體進(jìn)行正演數(shù)值模擬，推算出盾構(gòu)機(jī)上環(huán)形各個(gè)測(cè)點(diǎn)反射波信息和前方地質(zhì)體的相對(duì)空間位置關(guān)系，進(jìn)而得出它們的環(huán)形同相軸特征。

陸地聲納法由于采用了超寬頻帶的采集系統(tǒng)，在采用帶通濾波處理數(shù)據(jù)時(shí)，濾波檔頻段都在200～500Hz，通常頻寬都在200Hz以上。因此，反射波都呈超短余震狀態(tài)。即通常一個(gè)反射面的反射波僅有一個(gè)周期。在作數(shù)值模擬時(shí)，采用入射波和反射波均是一個(gè)周期[8]。

本文研究的關(guān)鍵步驟就是在環(huán)形觀測(cè)系統(tǒng)下建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)三種地質(zhì)體進(jìn)行正演數(shù)值模擬，得出它們的環(huán)形反射波同相軸信息。相對(duì)來(lái)說(shuō)，反射面屬于三種地質(zhì)體里面已知距離、傾角、走向及波速比較容易推斷出環(huán)形反射波同相軸信息的。本文為了說(shuō)明原理，假設(shè)前方有一個(gè)已知距離、傾角、走向的反射面，波速已知，推演此反射面的環(huán)形反射波同相軸各個(gè)測(cè)點(diǎn)信息，盾構(gòu)機(jī)測(cè)點(diǎn)數(shù)量擬定為12個(gè)，即每轉(zhuǎn)過(guò)30°角作為一個(gè)測(cè)點(diǎn)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)間信息可由公式推導(dǎo)。由于反射面形態(tài)相對(duì)簡(jiǎn)單，所以本例只研究外圈的檢波器的反射波信號(hào)即可，位置假設(shè)為在盾構(gòu)機(jī)刀盤邊緣。

本例中盾構(gòu)機(jī)半徑R=2.5m，反射面距掌子面垂直距離S=50m，傾向水平，傾角α=45°，走向?yàn)榕c盾構(gòu)掘進(jìn)方向呈θ=90°夾角，反射面在隧道出現(xiàn)中的里程為L(zhǎng)=10m，波速V=2000m/s。根據(jù)波的反射定律，可得水平測(cè)線上各個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得反射波所用時(shí)間均為T=2S/V=0.05s。盾構(gòu)機(jī)每次測(cè)點(diǎn)轉(zhuǎn)過(guò)的角度β=30°，離A0號(hào)測(cè)點(diǎn)轉(zhuǎn)過(guò)的角度設(shè)為βx，畫出示意圖（見(jiàn)圖1）。

圖1中A0A6，A9A3為盾構(gòu)機(jī)直徑，A1為盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)β1=30°所在位置，反射面的傾角α=45°，A0到斷層的距離記為AA0'，A1到斷層的距離記為A1A1'，各個(gè)測(cè)點(diǎn)到斷層的距離記法以此類推。

由于本例中反射面的走向?yàn)榕c盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向呈90°，所以水平測(cè)線上各個(gè)測(cè)點(diǎn)到斷層的距離均相等均等于S=50m，則圓心O到斷層的距離也已知為OO=50m，半徑R=2.5m，可求得A0A0'=50-R=47.5m，由波速V=2000m/s可得A0測(cè)點(diǎn)接收到反射波的時(shí)間T0=（2×A0 A0'）/V=0.0475s。

由A1向半徑OA0作垂線垂直于B1點(diǎn)，B1到反射面的距離B1B1'等于A1點(diǎn)到反射面的距離A1A1'，β1=30°，可得OB1=cosβ1×R=2.165m，（取1.732）。

求A1到反射面的距離A1A1'轉(zhuǎn)化為了求B1B1'，A1A1' =B1B1'=OO'-OB1，則測(cè)點(diǎn)A1處接收到反射波的時(shí)間為T1=（2×A1A1'）/V=0.0457s。其余各測(cè)點(diǎn)同理均可得出，化成公式為Tx=2（S-cosβx×R）/V，將本例中各測(cè)點(diǎn)接收到反射波的時(shí)間如下：T0=0.0475s，T1=0.0478s，T2=0.0486s，T3=0.0500s，T4=0.0513s，T5=0.0522s，T6=0.0525s，T7=0.0522s，T8=0.0513s，T9=0.0500s，T10=0.0486s，T11=0.0478s。

把盾構(gòu)機(jī)各個(gè)測(cè)點(diǎn)所求出的反射波所用時(shí)間信息用Excel表格繪成展開(kāi)平鋪圖，是個(gè)近似的雙曲線，若繪制到環(huán)形觀測(cè)點(diǎn)所在的掌子面前方隧道的筒面上，如圖2所示，可以明顯看出是個(gè)近似的橢圓形。

從圖2中可明顯看出此反射面環(huán)形反射波同相軸形態(tài)近似為橢圓，并且此橢圓與水平面的夾角也可得出。由時(shí)間和波速可以得出A0點(diǎn)在圓筒上的距離為2000×0.0475=95m，A6點(diǎn)在圓筒上的距離為2000×0.0525=105m，刀盤直徑為5m，可得出此反射面同相軸形成的橢圓與水平線的夾角tanγ為1/2，即γ=26.5°。

但本例數(shù)值模擬為了畫圖直觀和計(jì)算方便，是采用了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型。而往往實(shí)際情況會(huì)更復(fù)雜，但反射面的正演數(shù)值模擬的原理大致相似，環(huán)形同相軸圖像也可以同理畫出，同相軸的特征信息也可得出。

本課題將在之后的研究中同樣采用上述方式對(duì)溶洞和“孤石”建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行正演數(shù)值模擬，推演出各個(gè)測(cè)點(diǎn)反射波所用時(shí)間的公式，進(jìn)而研究出環(huán)形采集觀測(cè)系統(tǒng)下的測(cè)點(diǎn)數(shù)量和檢波器間距，形成一個(gè)完整的環(huán)形采集觀測(cè)系統(tǒng)正演模擬同相軸形態(tài)設(shè)計(jì)程序。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳建峰.隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)比較[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2003，23（1）：5-8.

[2] 周黎明，尹健民，侯炳紳，等.彈性波反射法在地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用分析[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2008，25（1）：61-64.

[3] 鐘世航.用陸地聲納和微分電測(cè)深結(jié)合探查巖溶、洞穴[J].物探與化探，2003，27（3）：240-243.

[4] 張麗麗.深層目標(biāo)正演模擬及應(yīng)用研究[D].中國(guó)石油大學(xué)，2009.

[5] 朱軍.二維地震正演模擬方法技術(shù)研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2010.

[6] 李劍峰，趙群.油氣勘探地震物理模型[M].石油工業(yè)出版社，2003.

[7] 鐘世航，王榮.探查溶洞的一種好方法——陸地聲納法[A].中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)年刊[C].2002.

[8] 鐘世航.陸地聲納法及其應(yīng)用效果[J].物探與化探，1997，21（3）：172-179.endprint