浅谈地震波隧道地质前预报中的数据采集.doc

浅谈隧道地超前预报中的数据采集 金荣杰 （北京市水电物探研究所 北京 100027） [摘要] 随着隧道，施工安全隧道地质超前预报为隧道施工的重要工序而原始数据质量是决定超前预报成果的关键因素，本文主要介绍如何保证现场采集数据的质量。 [关键词] 隧道 地质 超前预报 数据采集 前言 隧道工程是铁路、公路和水利水电等大型项目中的重要工程，隧道工程数量和长度明显增加规模不断扩大，相应地质条件的复杂性和施工难度也不断增加勘察阶段地质资料难于施工。国内外因地质条件不明造成隧道施工事故的教训，尤其在我国宜万铁路线的施工建设中，线路穿越长江水系岩溶极其发育的灰岩地带，曾经发生过齐岳山、野三关和马鹿箐等隧道的大突水事故。[1]鉴于以上隧道施工事故的巨大危害，铁道部2007年发文（铁建设[2007]102号）要求加强隧道工程安全工作，做好超前地质预报施工单位应将超前地质预报纳入工序管理；对预报成果及数据的真实性负责。那么进行超前预报工作时，如何才能高质量地采集数据呢？以下从检波器、观测系统、干扰波的排除、触发方式和耦合方式等5个方面分别说明。 检波器是采集地震波数据的关键设备，灵敏度、指向性和频响特性等性能直接关系到地震数据采集的质量。 高灵敏度检波器有利于预报 检波器轴线方向能量最强，偏离轴线方向能量急剧减弱高指向性有利于接收多波和多分量地震波：一方面使纵、横波清晰分辨，另一方面波在互相垂直的三个检波器上具有明确的分量，有利于矢量计算图1 关于隧道围岩的频率，通过统计大量预报资料，不同岩性地震波传播的频率：一般软岩为200～400Hz；硬岩400～1000Hz，完整新鲜的坚硬岩1000～1500Hz。[1]检波器具有与隧道地震波频率相适应的频响特性，可以突出和保证有效波信号的接收。检波器具有以上性能是保证地震数据实现界面空间定位的关键环节。现在常用的检波器有速度型与压电型，二者相比较： ① 速度型检波器的灵敏度高于压电型检波器。 ② 速度型检波器通过合理的导向设计可以提高其接收指向性；压电型检波器的指向性与材料和晶片直径有关，通过加大晶片直径可提高指向性，但受接收孔孔径为50毫米的条件限制小直径压电的指向性难于提高。因此采用 二 观测系统 地震波超前预报采取在洞壁一侧放炮、两侧同时接收的方式，因为隧道中的地质情况复杂并且空间有限，因此利用炮检互换原理，采用同一检波器接收，多次激发进行采集的方式，观测系统示意图见图2。采集如何检波器才利于信号接收呢？若是把接收与激发直接布置在隧道洞壁上，这种做法是否妥当呢？众所周知，洞壁的表面波传播较强，对地震反射波会形成不容忽视的干扰。同时由于钻爆施工影响导致洞壁岩体松动、局部超欠挖使得洞壁岩体不平整和完整性差，检波器和激发点受局部岩体影响大，地震波的传播和衰减比较复杂，严重影响地震波记录的一致性，大大降低有效波的信噪比，因此不宜采取在洞壁激发与接收的做法关于洞壁激发和接收中面波的干扰问题，原清华大学声学教研室的沈建国教授曾经作过物理模型试验，即在模型中隧道前方设置一个与隧道洞径相当的溶洞，分别在洞壁、浅孔和深孔布置4排接收点，如图3。 图4是在模型中采集的记录，左图是检波器在洞壁接收的记录，由图上可见面波能量明显（A轴），基本看不到反射波；右图是检波器在深孔中接收的记录，反射波能量明显增强（B、C轴）。由模型试验的结果可以看到面波干扰随钻孔深度增加而减弱。 通过模型试验的结果，在实际工作中我们可以采取孔中激发和接收的方式，从而可以有效压制面波干扰，达到提高反射回波信噪比的目的。结合现场施工的方便性，将检波器与激发布置在2米深的钻孔中，可以保证避开表面波干扰及洞壁岩体衰减大的影响，提高反射波和绕射波的接收能量。 隧道地震波预报数据采集过程中，不可避免地存在着多种干扰波，对此必须要有明确的认识，才能保证预报成果的可靠性。 采集过程中的干扰波主要有：对头隧道施工和邻洞施工的干扰波、洞内电磁波干扰、地表地形和来自其它方向的反射波干扰、震源爆破的声波干扰、以及接收装置设计不当产生的干扰波等等。只有正确认识干扰波及其产生的原因，才能采取正确的措施获得高质量的地震波记录。 对于施工干扰或电磁波干扰，我们可以尽量选择信噪比高的时间段进行预报采集工作；对于地形引起的反射波干扰，要在预报成果中加以排除，以免误报。至于震源爆破产生的声波干扰，基本上是伴随整个预报过程的，以下重点介绍其影响以及如何减少它对预报工作的影响。 分别是同一记录去除管波干扰前后的成果图。两者对照可以明显看到隧道管波影响偏移成果图产生假象异常，如果对此缺乏认识，把管波形成的反射界面当作掌子面前方围岩中的界面，将会严重影响地质预报结论的确性。 要消除隧道管波对预报成果的影响，可以从现场采集与数据处理两个方面入手。 1 现场采集方面 （1）控