环形采集系统下陆地声纳法同相轴形态研究初探

摘 要：本文是根据陆地声纳法的工作原理和地震正演模拟中的射线追踪法提出的。环形信号采集观测系统是在盾构机刀盘半径上安装两个自激自收的检波器，随着盾构机转动一圈，得到两组反射波信息，对这两组反射波信息进行处理和资料解释，推断前方不良地质体的形态特征和位置信息，实现盾构机陆地声纳的超前地质预报。本文所要研究的就是在此环形观测系统下，反射波同相轴的形态特征。要实现本研究，不仅要推演出不同走向和倾角的断层（以下简化为反射面模型），不同位置和大小的溶洞和“孤石”相对于盾构机刀盘上各个测点的相对空间位置关系，然后数值模拟出它们的环形反射波同相轴特征，还要确定不同需求的情况下两个检波器的相对位置关系。

关键词：陆地声纳法 盾构机 同相轴 环形采集系统 正演模拟 地质超前预报

中图分类号：P642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（c）-0072-03

随着城市密集度的提高和高层建筑的不断增加，地面可利用的空间越来越少，许多城市都将地下交通网线作为解决交通拥挤最为有效的手段。由于盾构法具有机械化程度高、劳动强度低、施工进度快、对周边环境干扰小等独特的优点，盾构法隧道技术广泛应用于城市地铁的修建工程。盾构法适用于松散软土、淤泥、硬岩等几乎所有复杂地层，快速地推动了在不良地质、大深度、长距离条件下地下工程开挖技术的发展。在地铁盾构施工过程中，未探明的地质灾害会带来重大安全隐患，影响较大的灾害主要有三种，为断层、溶洞和“孤石”[1]。断层破碎带是诱发突水突泥的主要地质灾害源之一，特别是发育规模较大、内部充填介质软弱、地下水运动活跃的断层带，在工程扰动、地应力与水压作用下极易失稳破坏发生突水突泥灾害。而溶洞常常充填高压水、大体量泥质，且具有强补给通道，极易发生大体量突水、涌泥等地质灾害。在盾构过程中遇到“孤石”时，盾构掘进非常困难，刀盘频繁被卡或严重变形甚至磨损，即使能通过地面土壤加固、排石或换刀等技术措施处理，也会极大地增加施工成本，对工期和投资控制产生重大不利影响。更严重时，甚至导致工作面喷涌、塌方，危及地面行车或建筑物安全。地质超前预报工作对地铁盾构施工非常重要[2]。陆地声纳法的技术属于国内外首创，它在隧道施工中探查断层破碎带、溶洞等方面，以及在城市地面浅层勘探方面达到国际领先水平，有很好的推广价值和广阔的应用前景。

陆地声纳法原本主要采用交叉的两条测线作为信号采集系统，而由于施工条件的限制，盾构过程中在掌子面前方由人工作两条交叉测线并不现实，所以陆地声纳的信号采集系统发生了重大变化，在盾构机刀盘上作一个自动的环形信号采集系统，所以原有的正演数值模拟系统不可用了，需要重新设计正演数值模型，并进行研究。

地震数值模拟在地下勘探中起到重要的作用，是地质数据采集、处理、解释的分析基础，通过正演模拟，可以为地震数据的采集、处理、解释提供科学的评估方法和理论依据，同时也可以检测采集系统设计的可行性，处理和解释结果的正确性[3]。地震正演模拟的主要方法有波动方程法和射线追踪法。波动方程法是在理论上模拟地震波的传播，同时保持了地震波的动力学特征和运动学特征。射线追踪法是一种基于几何光学的计算方法，在高频近似的情况下，地震波的主能量沿着射线轨迹传播，其方法的优点是计算速度快，获得的地震波时间比较准确[4]。

1 陆地声纳法信号采集系统分析

陆地声纳法是“陆上极小偏移距（震-检距）超宽频带弹性波反射连续剖面法”的简称。陆地声纳法是弹性波反射法的一个新方法，它是以弹性波勘探的基本理论为基础的。它采用接近于零震-检距的方式工作，极小偏移距的特点，使得陆地声纳法可避开直达波和面波的干扰。它采用激振器作震源，检波器紧固在盾构机刀盘上。通过采集排列实现自激自收，实际上为极小震-检距。自激自收得到的是垂直反射面的入射波的反射波，不产生转换波或者转换波能量很小。陆地声纳法的接收系统具有超短余震的特性。在激震子波仅有一个周期的情况下，通常接收到的反射波也仅有一个周期，分辨率大大提高；同时，检波器的接收方向性很强，使得接收角小。采用分窗口带通滤波的方法，提取不同频段的信号的时间剖面，并将不同频段的时间剖面作对比；10Hz～4kHz宽频带的接收在城市物探工作中可不受人形、车流等常规干扰，可自由分离提取工作频段[5]。

陆地声纳法在盾构掘进过程中向前探查时，需要在掌子面前方人工锤击作震源，并且需要在掌子面前人工作十字形的两条交叉测线作为信号采集系统。

地震记录上各道振动相位相同的极值的连线称为同相轴。根据以往的经验，断层在陆地声纳两条交叉测线的时间剖面上表现为直线同相轴，溶洞和“孤石”在陆地声纳的时间剖面上表现为曲线同相轴[6]。

陆地声纳法与地震勘探的基本解释方法一样，就是追踪同相轴。陆地声纳处理软件仅仅提供了对数据的预处理功能，并没有提供对地质的解析功能。而地质资料解释的基础就是正演的图形。现在受条件限制，人无法进入到掌子面前方去作两条交叉的测线，所以进行盾构机环形采集观测系统的研究。本课题主要就是进行环形采集系统的设计，并且研究环形采集系统下正演模拟的同相轴图形。

2 环形采集系统设计

盾构机在隧道掘进过程中，由于受条件限制，人无法进入到掌子面前方去。所以采用环形采集系统实现反射波信号的观测和采集。环形采集系统是直接在盾构机的刀盘半径上安装两个弹性波的检波器来实现自激自收弹性波，盾构机刀盘以每分钟0.3圈的速度旋转，这样转一圈过后，检波器就能接收到具有半径差的两组波的信号。

由于陆地声纳法采用的是接近零震-检距的方式工作，自激自收得到的是垂直反射面的入射波的反射波。对于反射面来说，两个检波点转一圈得到的两组反射波信号和一个检波点转一圈得到的一组反射波信号差别不是很大。而對于溶洞和“孤石”来说，情况会复杂很多，其大小的不同和位置的变化都会在反射波信号上有明显的差别，所以在盾构机刀盘安装两个检波器就十分有必要了。

以上内容也是研究环形采集观测系统要重点关注的地方，需要模拟溶洞和“孤石”的一些不同情况来确定两个检波器的间距。

3 正演数值模拟

射线追踪法是一种基于几何光学的计算方法，在高频近似的情况下，地震波的主能量沿着射线轨迹传播，其方法的优点是计算速度快，获得的地震波时间比较准确。若已知地下界面的产状要素（倾角、倾向等）和速度参数等资料来求取地面观测到的时距关系，称作弹性波勘探的正演问题。反之，根据弹性勘探工作获得的时距关系来求取地下界面的几何形态的问题，则称为弹性波勘探的反演问题[7]。本文采用射线追踪法对三种地质体进行正演数值模拟，推算出盾构机上环形各个测点反射波信息和前方地质体的相对空间位置关系，进而得出它们的环形同相轴特征。

陆地声纳法由于采用了超宽频带的采集系统，在采用带通滤波处理数据时，滤波档频段都在200～500Hz，通常频宽都在200Hz以上。因此，反射波都呈超短余震状态。即通常一个反射面的反射波仅有一个周期。在作数值模拟时，采用入射波和反射波均是一个周期[8]。

本文研究的关键步骤就是在环形观测系统下建立数学模型，对三种地质体进行正演数值模拟，得出它们的环形反射波同相轴信息。相对来说，反射面属于三种地质体里面已知距离、倾角、走向及波速比较容易推断出环形反射波同相轴信息的。本文为了说明原理，假设前方有一个已知距离、倾角、走向的反射面，波速已知，推演此反射面的环形反射波同相轴各个测点信息，盾构机测点数量拟定为12个，即每转过30°角作为一个测点，各个测点时间信息可由公式推导。由于反射面形态相对简单，所以本例只研究外圈的检波器的反射波信号即可，位置假设为在盾构机刀盘边缘。

本例中盾构机半径R=2.5m，反射面距掌子面垂直距离S=50m，倾向水平，倾角α=45°，走向为与盾构掘进方向呈θ=90°夹角，反射面在隧道出现中的里程为L=10m，波速V=2000m/s。根据波的反射定律，可得水平测线上各个测点测得反射波所用时间均为T=2S/V=0.05s。盾构机每次测点转过的角度β=30°，离A0号测点转过的角度设为βx，画出示意图（见图1）。

图1中A0A6，A9A3为盾构机直径，A1为盾构机转β1=30°所在位置，反射面的倾角α=45°，A0到断层的距离记为AA0"，A1到断层的距离记为A1A1"，各个测点到断层的距离记法以此类推。

由于本例中反射面的走向为与盾构机掘进方向呈90°，所以水平测线上各个测点到断层的距离均相等均等于S=50m，则圆心O到断层的距离也已知为OO=50m，半径R=2.5m，可求得A0A0"=50-R=47.5m，由波速V=2000m/s可得A0测点接收到反射波的时间T0=（2×A0 A0"）/V=0.0475s。

由A1向半径OA0作垂线垂直于B1点，B1到反射面的距离B1B1"等于A1点到反射面的距离A1A1"，β1=30°，可得OB1=cosβ1×R=2.165m，（取1.732）。

求A1到反射面的距离A1A1"转化为了求B1B1"，A1A1" =B1B1"=OO"-OB1，则测点A1处接收到反射波的时间为T1=（2×A1A1"）/V=0.0457s。其余各测点同理均可得出，化成公式为Tx=2（S-cosβx×R）/V，将本例中各测点接收到反射波的时间如下：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。

把盾构机各个测点所求出的反射波所用时间信息用Excel表格绘成展开平铺图，是个近似的双曲线，若绘制到环形观测点所在的掌子面前方隧道的筒面上，如图2所示，可以明显看出是个近似的椭圆形。

从图2中可明显看出此反射面环形反射波同相轴形态近似为椭圆，并且此椭圆与水平面的夹角也可得出。由时间和波速可以得出A0点在圆筒上的距离为2000×0.0475=95m，A6点在圆筒上的距离为2000×0.0525=105m，刀盘直径为5m，可得出此反射面同相轴形成的椭圆与水平线的夹角tanγ为1/2，即γ=26.5°。

但本例数值模拟为了画图直观和计算方便，是采用了一个相对简单的数学模型。而往往实际情况会更复杂，但反射面的正演数值模拟的原理大致相似，环形同相轴图像也可以同理画出，同相轴的特征信息也可得出。

本课题将在之后的研究中同样采用上述方式对溶洞和“孤石”建立数学模型，进行正演数值模拟，推演出各个测点反射波所用时间的公式，进而研究出环形采集观测系统下的测点数量和检波器间距，形成一个完整的環形采集观测系统正演模拟同相轴形态设计程序。

参考文献

[1]陈建峰.隧道施工地质超前预报技术比较[J].地下空间与工程学报，2003，23（1）：5-8.

[2]周黎明，尹健民，侯炳绅，等.弹性波反射法在地质超前预报中的应用分析[J].长江科学院院报，2008，25（1）：61-64.

[3]钟世航.用陆地声纳和微分电测深结合探查岩溶、洞穴[J].物探与化探，2003，27（3）：240-243.

[4]张丽丽.深层目标正演模拟及应用研究[D].中国石油大学，2009.

[5]朱军.二维地震正演模拟方法技术研究[D].长安大学，2010.

[6]李剑峰，赵群.油气勘探地震物理模型[M].石油工业出版社，2003.

[7]钟世航，王荣.探查溶洞的一种好方法——陆地声纳法[A].中国地球物理学会年刊[C].2002.

[8]钟世航.陆地声纳法及其应用效果[J].物探与化探，1997，21（3）：172-179.