椭球定位速度分析方法在黑松驿地区超前预报中的应用_高振.pdf

2023 年第 38 卷 第2期2023，38(2):0790-0802地球物理学进展Progress in Geophysicshttp:/wwwprogeophyscnISSN 1004-2903CN 11-2982/P高振，王伟，王祥春，等 2023 椭球定位速度分析方法在黑松驿地区超前预报中的应用 地球物理学进展，38(2):0790-0802，doi:10 6038/pg2023GG0327GAO Zhen，WANG Wei，WANG XiangChun，et al2023 Application of ellipsoidal positioning velocity analysis method in advance forecast in Heisongyiarea Progress in Geophysics(in Chinese)，38(2):0790-0802，doi:106038/pg2023GG0327椭球定位速度分析方法在黑松驿地区超前预报中的应用Application of ellipsoidal positioning velocity analysis method in advance forecastin Heisongyi area高振1，王伟2*，王祥春1，李开富3GAO Zhen1，WANG Wei2*，WANG XiangChun1，LI KaiFu3收稿日期2022-09-16;修回日期2023-01-07投稿网址http:/www progeophys cn第一作者简介高振，男，1998 年生，硕士研究生，主要从事地震波法超前地质预报研究 E-mail:GaoZhen0117163 com*通讯作者王伟，男，1972 年生，博士，副研究员，研究生导师，主要从事地震波传播理论及应用研究 E-mail:wang_wei lreis ac cn1 中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院，北京1000832 中国科学院地理科学与资源研究所 资源与环境信息系统国家重点实验室，北京1001013 中铁工程服务有限公司，成都6100001 School of Geophysics and Information Technology，China University of Geosciences，Beijing 100083，China2 State Key Laboratory of esources and Environmental Information System，Institute of Geographic Science and Natural esourcesesearch，CAS，Chaoyang District，Beijing 100101，China3 Company Profile of China ailway Engineering Services Co，Ltd，Chengdu 610000，China摘要超前地质预报中，地震波速度信息是预报隧道前方地质危害的重要载体或评价指标 速度模型不仅影响偏移成像效果，还影响着预报解释的可靠性 由于超前预报观测系统和探测方向是同向的，传统基于拉平同相轴的速度分析方法不适用于此 本文提出椭球定位速度分析方法，依据超前预报观测系统特点，结合三分量数据方向约束，来确定地层射线平均速度，可准确反演空间速度模型 建立典型破碎带地质模型，通过波场快照与地震数据对比分析，表明正演结果的准确性 通过对模型正演数据和工程实例数据的速度分析，研究结果表明，椭球定位速度分析方法在超前预报中，能获得掌子面前方准确的速度分布，利用速度和波速比信息判定异常体破碎程度、含水性、岩性变化，并提高了预测准确性关键词地质超前预报;地震;反射波法;速度分析中图分类号P631文献标识码Adoi:10 6038/pg2023GG0327AbstractIn advance geological prediction，seismic wavevelocity information is an important carrier or evaluationindex for predicting geological hazards in front of thetunnelThevelocitymodelinfluencesnotonlythemigration imaging effect，but also the predictability andinterpretation of results The traditional velocity analysismethod based on flattening the in-phase axis is unsuitablefor this because the advance prediction observation systemand the detection direction are in the same direction Inthis paper，proposed an ellipsoidal positioning velocityanalysis methodtodeterminethemeanvelocityofstratigraphic rays based on the characteristics of the over-the-top expedition observation system，combined withthree-component data direction constraints，which canaccurately invert the spatial velocity model The accuracyof the orthorectified result was determined by establishing ageologic modelofatypicalrockfracturezoneandcomparing and analyzing wavefield snapshots with seismicdata Through velocity analysis of manually establishedmodel orthorectified data and engineering example data，the research results show that the ellipsoidal localizationvelocity analysis method can obtain accurate velocitydistribution in front of the palm face in overcasting，determine the degree of anomaly fragmentation，watercontent，and lithological changes using wave velocity ratioinformation，and improve the prediction accuracyKeywordsGeologicaladvanceprediction;Seismic;eflection wave method;Velocity analysis2023，38(2)高振，等:椭球定位速度分析方法在黑松驿地区超前预报中的应用(www progeophys cn)0引言在隧道挖掘施工中，隧道地质超前预报方法能够预测掌子面前方的地质信息，特别是在地质构造复杂的地区，可以预防发生突涌水、塌方、岩爆等严重危害生命财产的事件并指导制定合理的施工方案(李志祥等，2005;Guo and Luo，2014;李俊杰等，2019)Tunnel Seismic Prediction(TSP)法隧道地质超前预报因其预报距离较远，观测系统简单，采集时间短，易操作等优点，在隧道超前预报施工中受到广泛的应用(Lin and Li，2014;李有能，2015;Chen etal，2021)图 1椭球定位速度分析原理图Fig 1Schematic diagram of ellipsoidal positioning velocity analysis图 2椭球定位速度分析流程图Fig 2Ellipsoid positioning velocity analysis flowchart超前预报的成果解释以偏移成像及岩石物理参数为重要参考依据(李江，2019)其中波速、波速比、偏移成像结果都与速度模型息息相关(Xin，2017;王伟等，2019;张盼等，2019)速度分析结果就是速度模型，其是否准确决定着偏移成像和其他岩石物理参数的质量好坏和可信度(Deregowski，1990;查欣洁等，2018)精确的速度模型可以正确的反映出地下波速分布趋势，通过偏移处理后可以提供更为准确的反射界面位置以及形态信息(Zhaoand Lei，2004;戴前伟等，2005;Lin et al，2007)当给定波速分布与地下真实波速相差较大时，对于界面的偏移成像会产生畸变和扭曲，难以得到令人满意的成像结果(王志辉等，2016;陈磊等，2018;刘旭明等，2021)目前射线理论中的成像原理是，对多次覆盖系统的结果进行动校正，以同相轴是否拉平为准则，获得自激自收时间和叠加速度(潘宏勋和方伍宝，2006，2010;Larner and Celis，2007)在此基础上的时深转换速度为平均速度 但 TSP 超前预报为一维线性观测系统，且探测方向为隧道前方，限制了该传197地球物理学进展www progeophys cn2023，38(2)图 3夹层模型Fig 3Mixture model2972023，38(2)高振，等:椭球定位速度分析方法在黑松驿地区超前预报中的应用(www progeophys cn)图 4原始地震记录(a)X 分量地震记录;(b)Y 分量地震记录;(c)Z 分量地震记录Fig 4Initial seismic record(a)X-component seismic record;(b)Y-component seismic record;(c)Z-component seismic record图 5波场快照(a)25 ms 波场快照;(b)35 ms 波场快照;(c)47 ms 波场快照Fig 5Wavefield snapshot(a)25 ms wavefield snapshot;(b)35 ms wavefield snapshot;(c)47 ms wavefield snapshot397地球物理学进展www progeophys cn2023，38(2)图 6速度结果(a)P 波速度分布结果;(b)SH 波速度分布结果Fig 6Velocity inversion results(a)esults of P-wave velocity distribution;(b)esults of SH-wave velocity distribution统速度方法的应用条件(Lecerf et al，2010;王梦倩等，2014;曾胜强等，2019)在常规勘探中，为了使得速度模型更加精确，常通过测井数据进行约束和标定(王力和袁安民，2009;蒋观利和吴青柏，2016)但在超前预报中通常只有 24 炮数据，探测长度要求为 100 200 m，地震数据十分有限，且施工进度较快，施工环境复杂(Al-Yahya，1989;朱自强等，2007;Bharadwaj，2017)，对超前预报的效率要求较高，通过可靠的算法来进行速度分析就异常重要 在地质超前预报中，面对特殊的观测系统，利用有限的数据，达到相对较远的勘探距离，对速度模型的质量和速度分析方法提出了较高的要求4972023，38(2)高振，等:椭球定位速度分析方法在黑松驿地区超前预报中的应用(www progeophys cn)图 7纵横波速度比结果Fig 7atio results of P-wave velocity minus S-wave velocity常规超前预报速度分析方法为偏移速度分析，采用共成像点道集拉平准则和负视速度法 偏移速度分析认为，当速度模型正确时，对于地下某一成像点由不同叠前道集数据得到的成像结果是一致的，不同道集叠前偏移成像结果所形成的道集上的同相轴是水平的 负视速度法通过在隧道壁布置炮点和检波点，炮点和检波点在一条直线上，并且垂直于隧道掌子面，这样得到的反射波时距曲线和直达波时距曲线的交点即是掌子面的位置，以此确定反射点位置，通过时距关系来确实地层速度(何振起等，2000)上述方法适用于超前预报观测系统，但是高度依赖初至波速度拾取结果(Ashida，2001;Chen etal，2020)，在实际数据处理过程中，常常会因为人为拾取初至速度不同，而导致最终处理结果偏差较大，降低 TSP 法超前预报的可信度本文通过地震波极化特征分析以及三维地震记录数据和空间方向约束确定的椭球定位速度分析方法，适用于地质超前预报观测系统，不强依赖于初至波拾取速度，可得到较精确直观的三维地质速度模型，为掌子面前方围岩状况判别、围岩等级评价提供参数指标，为偏移成像质量和预报成果的可靠性提供坚实基础1方法原理由地震波在超前探测中的极化特征知，地震波从震源 S 出发，遇 P 点反射，由检波点 接收记录，可以表示为:Lw=V*Tr，(1)式中:Lw为地震波运动轨迹;V 为地震波速;Tr为地震波走时在三维空间中又有数学关系:LW=(XpXs)2+(YpYs)2+(ZpZs)21/2+(XpXr)2+(YpYr)2+(ZpZr)21/2，(2)式中，Xs，Ys，Zs、Xr，Yr，Zr、Xp，Yp，Zp为震源点、检波点、反射点的 X，Y，Z 坐标值经过推导得:Y2PL2w4X2s+Z2PL2w4X2s+X2PL2w=14(3)式(3)表示的为椭球面，其上的点均可能为反射点的位置 震源点 S、检波点 为焦点，炮检距为焦距(Ashida，2001;Chen et al，2020)如图 1 所示，以震源点向前做三维网格划分W(i，j，k)表示:x=i，y=j，z=k 的网格点 由第 P炮与检波点确定的反射面，以及限定条件 i 0，j 0，k 0 求得 Wpn(n=1，2，)在上文所述等时椭球面上，给其赋值 Wpn 来表示其为真实反射点597地球物理学进展www progeophys cn2023，38(2)图 8TSP 原始三分量地震记录(a)X 分量地震记录;(b)Y 分量地震记录;(c)Z 分量地震记录Fig 8TSP initial three-component seismic record(a)X-component seismic recordings;(b)Y-component seismic recordings;(c)Z-component seismic recordings可能性:Wpn=A*cospn，(4)式中，A 为所需速度分析的反射波振幅 cospn 为等时椭球面上的点到检波点的单位向量与真实反射点到检波点的向量的夹角(即实际记录到的三分量数据组成的向量)在真实反射点处的 pn 为 0，此处Wpn 等于 A，其他位置皆小于 A 则由 N 炮数据，以 vi为速度可得数据空间:Tvi=Np=1Wp(i，j，k)，(5)该数据体中真实反射点处的数据相叠加后，其数值会增强，假异常处数值衰减由速度 vi(i=1，2，N)得到的 N 个三维空间数据体 Tvi，逐个数据体相同单元格 Wvi(i，j，k)(vi=v1，v2，)数值比较，max(Wvi(i，j，k)对应的 vi 即为所求最佳速度2模型数据实验椭球定位速度分析流程如图 2 所示 通过建立夹层隧道地质模型来模拟隧道施工中常见的岩层破碎带危害，得到相应的地震记录，讨论分析其可靠性夹层模型如图 3 所示，隧道宽度为 10 m，高度为 10 m，掌子面位置在参考面前方 60 m 处 围岩一为坚硬围岩，围岩二为隧道前方夹层软弱地质体，围6972023，38(2)高振，等:椭球定位速度分析方法在黑松驿地区超前预报中的应用(www progeophys cn)图 9TSP203 速度分析结果(a)P 波速度分布结果;(b)SH 波速度分布结果;(c)SV 波速度分布结果Fig 9esults of TSP203 velocity analysis(a)esults of P-wave velocity distribution;(b)esults of SH-wave velocity distribution;(c)esults of SV-wave velocity distribution797地球物理学进展www progeophys cn2023，38(2)岩三坚硬围岩 岩石物理参数如表 1 所示 震源子波为雷克子波，采样率为 0.01 ms，记录时长为 70 ms，地震波主频为 200 Hz 炮点位置(x，y，z)坐标为(35，30，25)，检波点排列沿 X 方向经过炮点，道间距为 1 m 为贴合实际，进行椭球定位速度分析时截取从炮点起沿 X 轴前方24 道数据，纵波波速选取范围是 1500 4500 m/s，横波波速选取范围是 1000 2500 m/s，间隔为 100 m/s表 1正演模型参数Table 1Parameters of the forward model围岩Vp/(m/s)Vs/(m/s)Den/(g/cm3)隧道34011围岩一400023002600围岩二200012001500围岩三400023002300所得三分量原始地震记录如图 4 所示，其波场快照如图 5 所示 波场快照横向为 X 方向，纵轴为 Z方向 经分析，Z 分量地震记录中为模型起始界面所产生的地震波，其波场传播特征如图 5a 中所标示;、为直达波与夹层第一个界面所产生的 PP波、PS 波，其波场传播特征如图 5b 中所标示;、为透射 P 波遇第二个界面后反射所产生，其波场传播特征如图 5c 中所标示 利用椭球定位速度分析方8972023，38(2)高振，等:椭球定位速度分析方法在黑松驿地区超前预报中的应用(www progeophys cn)图 10椭球定位速度分析结果(a)P 波速度分布结果;(b)SH 波速度分布结果;(c)SV 波速度分布结果Fig 10esults of ellipsoidal positioning velocity analysis(a)esults of P-wave velocity distribution;(b)esults of SH-wave velocity distribution;(c)esults of SV-wave velocity distribution图 11纵横波速度比结果Fig 11atio results of P-wave velocity minus S-wave velocity997地球物理学进展www progeophys cn2023，38(2)法对该正演地震记录进行椭球定位速度分析，其结果如图6 所示，隧道前方围岩 P 波波速为4000 m/s，软弱围岩 P 波行椭球定位速度分析结果为 2000 m/s，反射界面在 X 轴的90 m 和110 m 处 可见岩石界面位置、夹层厚度及速度值都得到了精确的预测 波速比结果如图 7 所示，波速比的变化反映出围岩的含水状况3实际工程应用本文以黑松驿隧道应用为例，隧址区主要特殊岩土为湿陷性黄土，隧道地表覆盖的第四系上更新统风积、洪积砂质黄土具湿陷性 根据本段(DK187+330 DK188+300)地质勘查资料，表层砂质黄土覆盖较薄，下伏白垩系砂岩夹砾岩、泥岩，该段隧道整体埋深较大，大于 110 m，地下水接受大气降水补给量有限，整体以弱富水为主，但在岩性接触带和基岩节理裂隙发育带，可能产生集中涌水 据试验资料，开挖面 DK187+436.05 处为弱风化的白垩系下统砂岩夹泥岩，主要以棕红色为主，层状构造，泥质胶结，矿物成分以石英、长石为主，中细粒结构，较坚硬岩，岩石较破碎易掉块，湿润，级围岩图8 是黑松驿隧道进口，掌子面里程为 DK187+436.05 进行 TSP 超前地质预报的原始地震记录，共有 24 炮数据 以检波器为参考点，掌子面在 X 方向47 m 处 由原始地震记录通过预处理来确保原始数据可进行处理，通过时变高截、带通滤波来压制噪声提高信噪比，通过炮能量均衡、Q 补偿来补偿地震波能量衰减，恢复真振幅，通过 andon 变换来提取各分量的反射波，然后转换为 P、SH、SV 波 利用提取的反射波进行椭球定位速度分析，以震源点(0，0，0)为原点，纵波波速选取范围为 3500 4500 m/s，横波波速选取范围为1900 2800 m/s，间隔为100 m/s，观测系统参数如表 2，传统 TSP203 所得速度模型结果如图 9 所示，椭球定位速度分析方法所得结果如图 10 所示以检波器为参考原点，该模型 X=47 m 处横截面为掌子面所在位置 对比发现本方法与传统TSP203 的速度模型结果速度分布趋势相同，在 X=100 m 左右处都有明显速度变化界面，且都显示出纵波速度开始变大横波速度开始变小，表明了在X=100 m 左右后纵横波比值开始变小，围岩含水量减小 对比图 9 和图 10，可以看出本方法依靠反射波能够得到直观的三维速度模型且分辨率高于传统TSP203 方法 据椭球定位速度分析所得速度模型结果结合波速比结果知，DK187+436.05 DK187+478.05(42 m)段，纵波速度 Vp为 4000 4500 m/s，横波速度为 2120 2320 m/s 该段岩体纵波波速整体偏高，横波波速变化较大，推断岩体节理裂隙较发育，具有含水性，该段围岩地质情况与掌子面较为一致，主要表现为岩体较破碎，节理较发育 DK187+478.05 DK187+528.05(50 m)段，纵波速度 Vp为3500 4000 m/s，横波速度为 2075 2350 m/s 该段围岩波速整体降低，且变化较大，推断该段围岩岩体完整性较前段稍微变差，节理裂隙发育，弱含水性DK187+528.05 DK187+556.05(28 m)段，纵波速度 Vp为 3500 4000 m/s，横波速度为 2350 2625 m/s 该段地震波波速变化稳定，推断该段岩体节理较发育，该段围岩较前段的地质情况趋好，主要表现为岩体较破碎，弱水性 纵横波速度比结果如图 11 所示表 2观测系统参数Table 2Parameters of the observing systems炮号到参考点的距离/m深度/m到参考点的高度/m137.31.54.1236.31.54.1335.21.43.8434.20.63.95331.44631.91.44731.21.44830.41.44929.41.541028.31.541127.21.741226.051.841325.051.84.11424.051.64.11522.851.64.11621.651.64.11720.551.64181941.74.11918.21.642017.21.74.32115.951.74.32214.71.74.32313.91.74.424131.84.30082023，38(2)高振，等:椭球定位速度分析方法在黑松驿地区超前预报中的应用(www progeophys cn)4结论针对隧道环境的超前探测需求，利用地震波极化特征和三分量地震数据具有的方向特征，在使用三分量地震检波器在隧道掌子面前进行地震成像的基础上，提出了椭球定位速度分析方法，主要结论如下:(1)针对超前预报观测系统，利用多组炮检对及三分量地震数据的方向约束，椭球定位速度分析方法，不需拾取初至波速度，既可准确定位反射点的三维空间位置，又可获得地层射线平均速度(2)通过理论模型数据和实际数据验证了速度分析结果与地层形态一致，准确预测出地层速度值，表明椭球定位速度分析方法的可靠性(3)通过椭球定位速度分析方法所得速度模型，能够直观展现掌子面前方介质速度分布，并通过波速比信息有效识别掌子面前方围岩破碎程度、含水性及岩性变化致谢感谢河南理工大学冯磊副教授的地震波显示软件 Fimage，感谢审稿专家提出的修改意见eferencesAl-Yahya K1989Velocity analysis by iterative profile migrationGeophysics，54(6):718-729Ashida Y 2001 Seismic imaging ahead of a tunnel face with three-component geophones International Journal of ock Mechanics andMining Sciences，38(6):823-831Bharadwaj P2017Seismic waveform 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