隧道超前預報震源與波場分析

隧道超前預報中震源波場分析：錘擊震源用錯在哪里?1前言隧道地質(zhì)超前預報技術的優(yōu)劣取決于預報的準確性，追求超前預報的準確性，是工程地球物理技術的一個目標。目前國內(nèi)外使用的超前預報技術雖然種類繁多，但是一個共同的特點就是準確性不高。這一論斷絕非寵人聽聞，而是嚴酷的現(xiàn)實。造成預報不準確的原因很多，可能有選用的波的類型與震源波場不匹配、觀測設計方案不合理、數(shù)據(jù)處理方法欠科學、地質(zhì)解釋不科學等等原因。只要有一個環(huán)節(jié)做的不到位，準確性的目標都不可能達到。本文就沖擊震源、錘擊震源波場匹配的問題做以分析，指出目前錘擊震源使用中的誤區(qū)，以求推動超前預報技術的進步。2隧道超前預報的震源與波場目前國內(nèi)外的超前預報使用的震源主要分為兩類。一類是膨脹點源，如炸藥，電火花震源；另一類是表面撞擊震源，如錘擊，可控沖擊震源等。這兩類震源產(chǎn)生的縱波和橫波的輻射場的特點是不同的。選擇用縱波還是橫波做超前預報不是隨意的，必須與震源輻射場特點相匹配，否則會事與愿違。爆炸震源的波場比較簡單，主要產(chǎn)生縱波，是球?qū)ΨQ性的輻射場，應用中問題不大。撞擊震源產(chǎn)生的波場有些復雜，應用中出現(xiàn)的問題最多，這里重點討論撞擊波場的問題。撞擊震源可以看成是表面集中力點源。時間上具有單脈沖性質(zhì)，位置上集中在一個點上。它產(chǎn)生的彈性波滿足如下的波動方程，其初始位移場與速度場均為零。a2n(1)X?--(2+2//)V(V?〃)一//▽x(▽xu)=/(1)/、八S〃(x,O)八八=0, =0,xw0dt這是彈性波位移場u（x,t）滿足的普適方程。方程中包含有縱波和橫波振動。橫波與縱波的傳播速度是不同的，引入Lame（拉梅）定理，可以把彈性波方程分解成縱波和橫波相互獨立的方程，這樣研究起來更為方便。在Lame定理形式下，彈性波方程分解為如下方程組。總位移場分解為縱波位移場與橫波位移場之和：u-un+w: =V0,w=Vx//TOC\o"1-5"\h\zJ [J * *其中①為標量位，中為矢量位。分解后獨立的縱波與橫波的傳播方程分別為:— —2/—dt2"p2y2dr o其中a、B分別為縱波與橫波波速；F為產(chǎn)生縱波與橫波的力源。這類集中力的波動方程的解析解最早由Stokes于1948給出。在Aki等所著的定量地震學（1980）和徐國明等所著的地震學原理（1982）中這些解都有詳細地推導?？v波位移場Up和橫波位移場必表示如下。4npar a皿D(一)471PBr B式中。為力的方向與觀測點徑向方位的夾角?？v波的位移方向與徑向一致，橫波的方向與徑向垂直。當撞擊震源作用于隧道表面時，公式中分母的立體角4兀改成半空間立體角2no上述結(jié)果表明，撞擊震源產(chǎn)生的縱波與橫波的傳播具有不同的方向性?？v波傳播的優(yōu)勢方向是平行力的方向。在平行力的方向位移最大（。二0）,在垂直作用力的方向上位移最?。?。二兀/2）。橫波傳播的優(yōu)勢方向與縱波垂直。在垂直于力的方向上橫波位移最大（。=Ji/2）,在平行力的方向位移最小。其方向圖如下所示。塞子面P波輻射場（徑向）S波輻射場（切向）塞子面P波輻射場（徑向）S波輻射場（切向）圖la隧道側(cè)壁作用的撞擊源 圖1b撞擊源產(chǎn)生的縱波和橫波位移分布縱波（P）輻射場

（徑向）O 圖1C撞擊源激發(fā)波場的方向圖3錘擊震源用錯在哪里如上所示，在隧道兩側(cè)壁使用錘擊震源或沖擊震源時，縱波主要沿隧道的徑向、平行撞擊的方向傳播，掌子面方傳播的縱波能量很少，不可能從前方返回較強的反射波。相反，橫波向掌子面前方傳播的能量較大，能產(chǎn)生較強的反射波。因此，使用側(cè)面撞擊震源時，應該采用橫波做超前預報，而不能采用縱波。記錄橫波的檢波器應該沿隧道徑向布置，并且與撞擊力在一個平面上。此時，前方反射的橫波與側(cè)面反射的縱波記錄在檢波器的同一分量上，而且都很強。目前國內(nèi)的隧道超前預報中有一些方法使用錘擊震源，直接敲擊在隧道側(cè)壁，如TRT、TGS等技術。從原理上講，他們應該使用橫波做預報，但是它們卻采用縱波做預報，這與波場特點不匹配。縱波在前方的回波基本為零