隧道超前预报中震源波场分析: 锤击震源用错在哪里？

隧道地质超前预报技术的优劣取决于预报的准确性，追求超前预报的准确性，是工程地球物理技术的一个目标。目前国内外使用的超前预报技术虽然种类繁多，但是一个共同的特点就是准确性不高。这一论断绝非宠人听闻，而是严酷的现实。造成预报不准确的原因很多，可能有选用的波的类型与震源波场不匹配、观测设计方案不合理、数据处理方法欠科学、地质解释不科学等等原因。只要有一个环节做的不到位，准确性的目标都不可能达到。本文就冲击震源、锤击震源波场匹配的问题做以分析，指出目前锤击震源使用中的误区，以求推动超前预报技术的进步。

2 隧道超前预报的震源与波场

目前国内外的超前预报使用的震源主要分为两类。一类是膨胀点源，如炸药，电火花震源；另一类是表面撞击震源，如锤击，可控冲击震源等。这两类震源产生的纵波和横波的辐射场的特点是不同的。选择用纵波还是横波做超前预报不是随意的，必须与震源辐射场特点相匹配，否则会事与愿违。

爆炸震源的波场比较简单，主要产生纵波，是球对称性的辐射场，应用中问题不大。撞击震源产生的波场有些复杂，应用中出现的问题最多，这里重点讨论撞击波场的问题。

撞击震源可以看成是表面集中力点源。时间上具有单脉冲性质，位置上集中在一个点上。它产生的弹性波满足如下的波动方程，其初始位移场与速度场均为零。

这是弹性波位移场u(x,t) 满足的普适方程。方程中包含有纵波和横波振动。横波与纵波的传播速度是不同的，引入Lame（拉梅）定理，可以把弹性波方程分解成纵波和横波相互独立的方程，这样研究起来更为方便。在Lame定理形式下，弹性波方程分解为如下方程组。

总位移场分解为纵波位移场与横波位移场之和：

其中Φ为标量位，Ψ为矢量位。分解后独立的纵波与横波的传播方程分别为：

其中α、β分别为纵波与横波波速；F为产生纵波与横波的力源。这类集中力的波动方程的解析解最早由Stokes于1948给出。在Aki等所著的定量地震学（1980）和徐国明等所著的地震学原理（1982）中这些解都有详细地推导。纵波位移场up和横波位移场us表示如下。

式中θ为力的方向与观测点径向方位的夹角。纵波的位移方向与径向一致，横波的方向与径向垂直。当撞击震源作用于隧道表面时，公式中分母的立体角4π改成半空间立体角2π。

上述结果表明，撞击震源产生的纵波与横波的传播具有不同的方向性。纵波传播的优势方向是平行力的方向。在平行力的方向位移最大（θ=0），在垂直作用力的方向上位移最小（θ=π/2）。横波传播的优势方向与纵波垂直。在垂直于力的方向上横波位移最大（θ=π/2），在平行力的方向位移最小。其方向图如下所示。

图1a 隧道侧壁作用的撞击源 图1b 撞击源产生的纵波和横波位移分布

图1c 撞击源激发波场的方向图

3 锤击震源用错在哪里

如上所示，在隧道两侧壁使用锤击震源或冲击震源时，纵波主要沿隧道的径向、平行撞击的方向传播，掌子面方传播的纵波能量很少，不可能从前方返回较强的反射波。相反，横波向掌子面前方传播的能量较大，能产生较强的反射波。因此，使用侧面撞击震源时，应该采用横波做超前预报，而不能采用纵波。记录横波的检波器应该沿隧道径向布置，并且与撞击力在一个平面上。此时，前方反射的横波与侧面反射的纵波记录在检波器的同一分量上，而且都很强。

目前国内的隧道超前预报中有一些方法使用锤击震源，直接敲击在隧道侧壁，如TRT、TGS等技术。从原理上讲，他们应该使用横波做预报，但是它们却采用纵波做预报，这与波场特点不匹配。纵波在前方的回波基本为零，记录的基本是噪音。这样的资料不可靠，不能用于超前预报。如果想用纵波做预报，就应该改用爆炸震源或电火花震源。

如果使用的地震波与震源波场不匹配，预报的结果不可能准确，提请业内注意。