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49720