隧道超前預(yù)報(bào)震源與波場(chǎng)分析

隧道超前預(yù)報(bào)中震源波場(chǎng)分析：錘擊震源用錯(cuò)在哪里?1前言隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)的優(yōu)劣取決于預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，追求超前預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，是工程地球物理技術(shù)的一個(gè)目標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)外使用的超前預(yù)報(bào)技術(shù)雖然種類(lèi)繁多，但是一個(gè)共同的特點(diǎn)就是準(zhǔn)確性不高。這一論斷絕非寵人聽(tīng)聞，而是嚴(yán)酷的現(xiàn)實(shí)。造成預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確的原因很多，可能有選用的波的類(lèi)型與震源波場(chǎng)不匹配、觀測(cè)設(shè)計(jì)方案不合理、數(shù)據(jù)處理方法欠科學(xué)、地質(zhì)解釋不科學(xué)等等原因。只要有一個(gè)環(huán)節(jié)做的不到位，準(zhǔn)確性的目標(biāo)都不可能達(dá)到。本文就沖擊震源、錘擊震源波場(chǎng)匹配的問(wèn)題做以分析，指出目前錘擊震源使用中的誤區(qū)，以求推動(dòng)超前預(yù)報(bào)技術(shù)的進(jìn)步。2隧道超前預(yù)報(bào)的震源與波場(chǎng)目前國(guó)內(nèi)外的超前預(yù)報(bào)使用的震源主要分為兩類(lèi)。一類(lèi)是膨脹點(diǎn)源，如炸藥，電火花震源；另一類(lèi)是表面撞擊震源，如錘擊，可控沖擊震源等。這兩類(lèi)震源產(chǎn)生的縱波和橫波的輻射場(chǎng)的特點(diǎn)是不同的。選擇用縱波還是橫波做超前預(yù)報(bào)不是隨意的，必須與震源輻射場(chǎng)特點(diǎn)相匹配，否則會(huì)事與愿違。爆炸震源的波場(chǎng)比較簡(jiǎn)單，主要產(chǎn)生縱波，是球?qū)ΨQ性的輻射場(chǎng)，應(yīng)用中問(wèn)題不大。撞擊震源產(chǎn)生的波場(chǎng)有些復(fù)雜，應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題最多，這里重點(diǎn)討論撞擊波場(chǎng)的問(wèn)題。撞擊震源可以看成是表面集中力點(diǎn)源。時(shí)間上具有單脈沖性質(zhì)，位置上集中在一個(gè)點(diǎn)上。它產(chǎn)生的彈性波滿足如下的波動(dòng)方程，其初始位移場(chǎng)與速度場(chǎng)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(chǎng)u（x,t）滿足的普適方程。方程中包含有縱波和橫波振動(dòng)。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(dú)立的方程，這樣研究起來(lái)更為方便。在Lame定理形式下，彈性波方程分解為如下方程組?？偽灰茍?chǎng)分解為縱波位移場(chǎng)與橫波位移場(chǎng)之和：u-un+w: =V0,w=Vx//TOC\o"1-5"\h\zJ [J * *其中①為標(biāo)量位，中為矢量位。分解后獨(dú)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(lèi)集中力的波動(dòng)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(xué)（1980）和徐國(guó)明等所著的地震學(xué)原理（1982）中這些解都有詳細(xì)地推導(dǎo)?？v波位移場(chǎng)Up和橫波位移場(chǎng)必表示如下。4npar a皿D(一)471PBr B式中。為力的方向與觀測(cè)點(diǎn)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(dāng)撞擊震源作用于隧道表面時(shí)，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。縱波傳播的優(yōu)勢(shì)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(shì)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(chǎng)（徑向）S波輻射場(chǎng)（切向）塞子面P波輻射場(chǎng)（徑向）S波輻射場(chǎng)（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(chǎng)

（徑向）O 圖1C撞擊源激發(fā)波場(chǎng)的方向圖3錘擊震源用錯(cuò)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(shí)，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(qiáng)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(qiáng)的反射波。因此，使用側(cè)面撞擊震源時(shí)，應(yīng)該采用橫波做超前預(yù)報(bào)，而不能采用縱波。記錄橫波的檢波器應(yīng)該沿隧道徑向布置，并且與撞擊力在一個(gè)平面上。此時(shí)，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(qiáng)。目前國(guó)內(nèi)的隧道超前預(yù)報(bào)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(shù)。從原理上講，他們應(yīng)該使用橫波做預(yù)報(bào)，但是它們卻采用縱波做預(yù)報(bào)，這與波場(chǎng)特點(diǎn)不匹配。縱波在前方的回波基本為零