導(dǎo)語：隧道地震反射波預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

論文關(guān)鍵詞：工程物探地震方法反射波隧道管波隧道圍巖探測TGP隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)

論文摘要：隧道工程是鐵路、公路和水利水電等大型項(xiàng)目中的重要工程，因地質(zhì)條件不明造成隧道施工事故的危害是巨大的，加強(qiáng)隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作是非常必要的。國內(nèi)外對(duì)隧道地震波超前預(yù)報(bào)技術(shù)已研究多年，筆者就這方面的現(xiàn)狀及進(jìn)行了討論，指出了TSP儀器技術(shù)存在的不足，闡述了克服盲目性、提高科學(xué)預(yù)報(bào)的重要性，介紹了新開發(fā)的TGP隧道地震波預(yù)報(bào)系統(tǒng)與技術(shù)及應(yīng)用效果。

隨著我國基本建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，隧道工程已經(jīng)成為鐵路、公路和水利水電等大型項(xiàng)目中的重要工程。隧道工程的重要性越來越顯著，隧道工程的數(shù)量和長度明顯增加，規(guī)模不斷擴(kuò)大。因此隧道工程的安全施工和貫通，是不可回避重要任務(wù)和技術(shù)難題。危及隧道工程施工的地質(zhì)病害大致分為三類：1不良工程地質(zhì)條件，諸如巖體的裂隙發(fā)育密集帶、構(gòu)造破碎帶、巖溶發(fā)育帶、以及人工采礦造成的不良地質(zhì)條件和高地應(yīng)力造成的危害等；2不良水文地質(zhì)條件，諸如巖溶水、構(gòu)造和裂隙水等；3不良環(huán)境條件，諸如有毒有害氣體和強(qiáng)放射性的環(huán)境。對(duì)于以上地質(zhì)問題,在隧道工程的勘察設(shè)計(jì)階段，已經(jīng)投入大量的地質(zhì)勘察工作，但是由于地質(zhì)、地形條件的復(fù)雜性和相應(yīng)勘察技術(shù)的現(xiàn)狀水平，以及時(shí)間、經(jīng)費(fèi)等條件的限制，勘察階段的地質(zhì)資料一般難于達(dá)到施工階段的精度要求。國內(nèi)外因地質(zhì)條件不明造成隧道施工事故的教訓(xùn)是不少的，例如：日本越新干線中山隧道涌水淹沒事件；前蘇聯(lián)貝加爾—阿穆爾干線上某隧道的突水事件；我國成昆線、大秦線、衡廣復(fù)線建設(shè)中，因地質(zhì)問題的停工時(shí)間約占到1/3；以及不久前發(fā)生的四川某隧道瓦斯爆炸，造成重大事故和人員傷亡。以上隧道施工事故的危害是巨大的，因此強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作是非常必要的。

我國隧道地震波超前預(yù)報(bào)技術(shù)的研究起始于上個(gè)世紀(jì)的90年代，鐵道部第一勘測設(shè)計(jì)院物探隊(duì)提出“負(fù)視速度方法”。鐵道部第一勘測設(shè)計(jì)院是較早研究隧道地震超前預(yù)報(bào)的單位。他們在1992年7月，利用地震反射波方法對(duì)云臺(tái)山隧道進(jìn)行隧道超前預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)成果與開挖后的隧道左壁“破碎帶”和“斷層”的位置基本一致。從上個(gè)世紀(jì)90年代初開始，我國物探技術(shù)人員一直沒有停止對(duì)隧道地震超前預(yù)報(bào)技術(shù)的研究。曾昭璜（1994）研究利用多波進(jìn)行反演的“負(fù)視速度法”，這種方法利用來自掌子面前方的縱波、橫波、轉(zhuǎn)換波的反射震相在隧道垂直地震剖面上所產(chǎn)生的負(fù)視速度同相軸來反演反射界面的空間位置與產(chǎn)狀。北方交通大學(xué)的陳立成等人（1994）從全波震相分析理論和技術(shù)的角度研究隧道前方界面多波層析成像問題，進(jìn)行隧道超前預(yù)報(bào)。他們的研究成果在頡河隧道、老爺嶺隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)中應(yīng)用，取得預(yù)期的效果。該方法的工作原理是以地震反射波方法為基礎(chǔ)。工作中他們根據(jù)嫻熟的地震反射波技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)解釋，當(dāng)時(shí)沒有開發(fā)出針對(duì)隧道地震預(yù)報(bào)的處理系統(tǒng)，同時(shí)受當(dāng)時(shí)條件所限制，該項(xiàng)技術(shù)未能得到進(jìn)一步深入研究和發(fā)展。

1995年左右鐵道部下屬單位引進(jìn)瑞士“TSP202”隧道地震波超前預(yù)報(bào)的儀器，當(dāng)時(shí)曾組織系統(tǒng)內(nèi)有關(guān)地質(zhì)和物探專家在隧道工點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)，未見明顯的效果，認(rèn)為其技術(shù)與“負(fù)視速度方法”基本一致，對(duì)其處理解釋系統(tǒng)爭議較大、認(rèn)識(shí)褒貶不一，試驗(yàn)工作無果而終，該設(shè)備技術(shù)的消化工作也就擱置了。時(shí)隔7年后,隧道安全施工要求進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào),該儀器設(shè)備由鐵路系統(tǒng)的工程局又開始第二次引進(jìn)，并直接用于隧道施工的預(yù)報(bào)工作。可以說由于第一次引進(jìn)消化工作不深入，造成第二次引進(jìn)后出現(xiàn)：應(yīng)用工作中的盲目性和簡單化，以及其他一些不正?，F(xiàn)象。在宜萬鐵路隧道施工中不斷出現(xiàn)的問題，使人們開始反思，不少論文也提出了存在的問題,鐵道部也下發(fā)文件要求科學(xué)地進(jìn)行超前預(yù)報(bào)?？梢哉f短短幾年的應(yīng)用實(shí)踐,人們?nèi)匀辉谔剿髦刭|(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的進(jìn)步。

隧道地震波超前預(yù)報(bào)屬于物探技術(shù)，但比地面的地震波物探技術(shù)復(fù)雜，我國的地質(zhì)物探工作者一直沒有放松該技術(shù)的研究工作。北京市水電物探研究所研究地震波勘察檢測技術(shù)已經(jīng)有近20年的歷史，并且是多道瞬態(tài)面波勘察技術(shù)的發(fā)明單位，生產(chǎn)的SWS型工程勘察與工程檢測儀器系統(tǒng)，已經(jīng)為400多家勘察設(shè)計(jì)、高等院所廣泛應(yīng)用，并且出口日本等國家。2003年該所投入人力物力研究隧道地震波預(yù)報(bào)技術(shù)，研究TGP12型隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)儀器，以及孔中高靈敏度三分量檢波設(shè)備，方便的孔中耦合技術(shù)，和Windows編程的數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)。在經(jīng)過大量的預(yù)報(bào)實(shí)踐驗(yàn)證后，于2005年通過了由國家隧道中心王夢恕院士組織的國內(nèi)著名隧道專家的評(píng)審鑒定。該儀器系統(tǒng)推向市場不到2年的時(shí)間，已經(jīng)有近20臺(tái)套投入到隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中應(yīng)用，反饋信息普遍受到用戶的好評(píng)。

鐵道部工程設(shè)計(jì)鑒定中心趙勇主編的《高速鐵路隧道》一書，提出隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的方法有以下部分組成：①地質(zhì)分析、②超前平行導(dǎo)坑預(yù)報(bào)法、③超前水平鉆孔法、④物理探測法。并闡述物理探測法與地質(zhì)分析法、超前平行導(dǎo)坑預(yù)報(bào)法、超前水平鉆孔法相結(jié)合，解決不同地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)用原則。書中介紹了國產(chǎn)TGP隧道地震波預(yù)報(bào)系統(tǒng),聲波反射方法，地質(zhì)雷達(dá)方法，紅外探水方法等。

本文就隧道地震波預(yù)報(bào)技術(shù)中的若干關(guān)鍵問題，并結(jié)合應(yīng)用中的實(shí)際問題闡述如下，目的在于引起同行們討論，促進(jìn)地震波預(yù)報(bào)技術(shù)理論水平的提高，促進(jìn)采集數(shù)據(jù)質(zhì)量的提高，促進(jìn)資料的解釋推斷工作向合理化方向發(fā)展。

一、隧道地震波方法的預(yù)報(bào)原理

隧道地震預(yù)報(bào)工作利用地震反射波原理，在隧道內(nèi)以排列方式激發(fā)的地震波，向三維空間傳播的過程中，遇到聲阻抗界面會(huì)產(chǎn)生反射波。聲阻抗是介質(zhì)傳播彈性波的速度與介質(zhì)密度的函數(shù)，介質(zhì)的聲阻抗數(shù)值為速度與密度的乘積。因此地層中的巖性變化界面、構(gòu)造破碎帶、巖溶和巖溶發(fā)育帶等界面會(huì)產(chǎn)生地震反射波，這種反射波被布置在隧道內(nèi)的檢波器接收，輸入到儀器中進(jìn)行信號(hào)的放大、數(shù)字采集和處理，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)預(yù)報(bào)的目的。

由此可以看出，隧道地震波預(yù)報(bào)技術(shù)是通過直接探查聲阻抗變化的界面，經(jīng)過人工分析實(shí)現(xiàn)間接推斷地質(zhì)病害的方法。

圖（2）不同夾角構(gòu)造界面的地震波路徑與反射波記錄形態(tài)

圖（1）示意與隧道斜交的構(gòu)造面，其地震波傳播的路徑圖，構(gòu)造面上的地震波反射點(diǎn)在白色園內(nèi)。圖（2）示意不同夾角構(gòu)造面的地震波路徑與反射波記錄形態(tài)，與隧道夾角不同的構(gòu)造面其反射點(diǎn)位置不同，地震波傳播路徑偏離隧道軸線也不同。構(gòu)造面與隧道正交時(shí)地震波傳播路徑與隧道軸線平行，右圖為與隧道正交構(gòu)造面產(chǎn)生的地震反射波記錄，根據(jù)反射波同相軸計(jì)算得到界面與檢波點(diǎn)之間巖體的地震波速度，該速度代表隧道圍巖的性質(zhì)。由非正交條件下地震反射波記錄獲得的速度為地震波傳播路徑巖體的“視速度”，“視速度”值的大小不僅與路徑上巖體的性質(zhì)有關(guān)，而且與界面和隧道的夾角有關(guān)。應(yīng)用地震波預(yù)報(bào)構(gòu)造面位置的計(jì)算是利用地震波在炮孔段的傳播速度，各構(gòu)造面之間巖體的速度是綜合界面反射獲得的“估算速度”，不是隧道圍巖的真速度，應(yīng)用中結(jié)合反射點(diǎn)偏離隧道軸線距離的遠(yuǎn)近和巖體的各項(xiàng)異性分布綜合考慮使用。

圖（2）是理想模式的三份量地震波時(shí)距曲線形態(tài)。實(shí)際工作中采集的地震波是錯(cuò)綜復(fù)雜的，理想模式的地震波是不常存在的，記錄上普遍存在有來自三維空間中多個(gè)方向的反射波，和各種形式的干擾波，這是應(yīng)用技術(shù)中首先考慮的問題。

針對(duì)隧道地震波傳播的復(fù)雜性，TGP地震預(yù)報(bào)系統(tǒng)不僅利用地震反射波走時(shí)關(guān)系，同時(shí)采集空間地震波三分量記錄，進(jìn)行地震波的極化分析與計(jì)算，該技術(shù)的突破有利于地質(zhì)構(gòu)造面產(chǎn)狀、規(guī)模和地質(zhì)體性質(zhì)的預(yù)報(bào)。

二、TGP隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)

隧道地震波預(yù)報(bào)的早期研究，是由研究和利用地震波在時(shí)間空間域中的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征開始的，工作中認(rèn)識(shí)到僅僅利用地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征是不夠的。隧道工程的地震波在全三維環(huán)境條件下傳播，這種條件比地面上的平面半無限空間條件復(fù)雜得多，而且隧道內(nèi)地震波的接收與激發(fā)測線與探測目的是近于垂直或者大角度相交的條件，因此影響在地質(zhì)構(gòu)造面上獲得大長度大面積的地震波信息量。針對(duì)這種狀況，預(yù)報(bào)工作僅僅利用單一模態(tài)的地震波難以勝任。因此，TGP系統(tǒng)強(qiáng)化采集地震波的多波列信息，綜合利用地震波的多波列震相信息，因此TGP系統(tǒng)的功能得到明顯的增強(qiáng)。

TGP隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)包括儀器設(shè)備和處理軟件兩大部分。其中儀器設(shè)備有TGP型儀器主機(jī)、接收傳感器、孔中定位安裝工具和電纜等。圖（3）是TGP隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)的主機(jī)。其處理軟件由地震波數(shù)據(jù)輸入與編排、空間坐標(biāo)建立、能量均衡、干擾波分析與去除、觸發(fā)時(shí)差校正、譜分析、縱橫波分離、巖體速度參數(shù)計(jì)算、回波提取與偏移圖、有效波分析與衰減參數(shù)計(jì)算、極化波處理與構(gòu)造產(chǎn)狀圖、綜合分析與繪制成果圖等模塊組成。

工程應(yīng)用中，TGP型隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)于500多米距離的構(gòu)造面具有清楚的地震反射波信息，說明儀器系統(tǒng)具有足夠的信噪比。實(shí)際工作中考慮預(yù)報(bào)距離和分辨精度兩方面要求，預(yù)報(bào)距離一般采用150米至200米。TGP型隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)具有登記全部測長距離內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造信息的功能，利用逐次遞進(jìn)的位置相關(guān)分析，和源生成果對(duì)比等處理功能，有利于去偽存真和排除異常，提高預(yù)報(bào)成果的質(zhì)量。該系統(tǒng)2005年8月通過由國內(nèi)知名隧道、地質(zhì)、物探專家組成的專家組評(píng)審鑒定。專家們一致認(rèn)為“TGP12儀器與相關(guān)的處理系統(tǒng)，性能穩(wěn)定可靠，采集的波形完整，信噪比高，與國外同類儀器對(duì)比整體上具有國際先進(jìn)水平，可替代進(jìn)口產(chǎn)品?！本唧w評(píng)審意見如下：

1、TGP12是集信號(hào)放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和控制為一體的密封防水防震的物探設(shè)備；優(yōu)于利用微機(jī)裝配式結(jié)構(gòu)的儀器，TGP12適合在惡劣的隧道環(huán)境中使用。

2、TGP12的三分量速度型檢波器具有高靈敏度，指向性強(qiáng)和較寬的頻帶響應(yīng)等特點(diǎn)，因而拾取的地震波信號(hào)具有高的質(zhì)量品質(zhì)。TGP12孔中接收檢波器采用黃油耦合，方便、經(jīng)濟(jì)、快捷。優(yōu)于在鉆孔中需要錨固異型鋼導(dǎo)管的方式。2米長的鋼導(dǎo)管難于攜帶、運(yùn)輸，價(jià)格昂貴，一次性使用，費(fèi)事費(fèi)工費(fèi)財(cái)。

3、TGP12的地震波采集觸發(fā)是開路觸發(fā)方式，即信號(hào)線在雷管引爆炸藥的同時(shí)被炸斷，信號(hào)線同時(shí)開路觸發(fā)儀器采集，儀器采集無延時(shí)差，保證定位的準(zhǔn)確性。超前預(yù)報(bào)儀器若采用起爆器電脈沖同時(shí)觸發(fā)電雷管和觸發(fā)主機(jī)采集的方案，由于電雷管起爆的延時(shí)時(shí)間難于做到一致，因此會(huì)造成儀器采集的走時(shí)誤差，這種觸發(fā)方式在我國的地震波勘探規(guī)程中明確規(guī)定不宜使用，更何況隧道巖體的速度比覆蓋層介質(zhì)的速度高出幾倍以上，以巖體波速4500m/s～5500m/s為例計(jì)算，每一毫秒誤差會(huì)造成2～3m的預(yù)報(bào)距離誤差，一般瞬發(fā)電雷管的延時(shí)誤差不止一毫秒，因此由20多次激發(fā)的平均線計(jì)算隧道巖體速度，和利用存在誤差的時(shí)間計(jì)算距離，兩次誤差的乘積造成的誤差不容忽視。

4、TGPWIN隧道地震波處理分析軟件借鑒了已有相關(guān)軟件的長處，并充分考慮彈性波在三維空間的傳播特點(diǎn)，以及根據(jù)TGP儀器采集的數(shù)據(jù)格式編寫。功能特點(diǎn)如下：

（1）全中文界面，通俗易懂，對(duì)地震波信號(hào)的處理過程，直觀、方便，具有友好的人機(jī)操作界面。

（2）對(duì)P波、SH波、和SV波的分離完善合理，這是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵工作之一。

（3）處理軟件具有相關(guān)部分互相檢查的功能，例如點(diǎn)擊偏移歸位成果圖上的反射界面位置，程序會(huì)轉(zhuǎn)到該位置界面的反射波組位置，通過分析反射波組的連續(xù)性、反射波的極性和能量，確定偏移成果的可靠性和性質(zhì)。有助于去偽存真，由此及彼，由表及里，深化認(rèn)識(shí)，使預(yù)報(bào)結(jié)論科學(xué)可靠。

（4）TGPWIN處理中有自動(dòng)處理方式，也有手動(dòng)處理方式，有深入分析異?？煽砍潭鹊淖粉櫣δ?，這樣設(shè)計(jì)既適應(yīng)非物探專業(yè)的普通工程技術(shù)人員使用，又適應(yīng)物探專業(yè)人員分析地震波傳播特性，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件進(jìn)行深入研究工作的需要。

5、TGP12系統(tǒng)只要增加不多的配套附件和軟件模塊，就可以增加儀器用于隧道檢測的其它功能，例如：對(duì)已襯砌的隧道進(jìn)行襯砌脫空檢測，檢查隧道圍巖中隱蔽的病害（巖溶）。也可以在掌子面上用錘擊的激發(fā)方式做到短距離更為精確的地質(zhì)預(yù)報(bào)，因而它是一機(jī)多能的設(shè)備。

TGP12的性價(jià)比與國外同類儀器相比具有明顯的優(yōu)勢。而且研發(fā)、生產(chǎn)在國內(nèi)，用戶可以獲得及時(shí)周到的技術(shù)服務(wù)和技術(shù)支持，以及儀器維修等方面的方便性。

三、工程應(yīng)用實(shí)例

宜萬鐵路涼風(fēng)亞隧道的巖性為灰?guī)r，TGP12型儀器與進(jìn)口TSP203儀器進(jìn)行了同點(diǎn)試驗(yàn)，預(yù)報(bào)成果如下，見圖（4）、圖（5）。

由以上成果圖可以看出：在DK53+322—DK53+346；DK53+370—DK53+380；DK53+390—DK53+420三處存在構(gòu)造異常，其中DK53+322—DK53+346、DK53+370—DK53+380兩處的Vsh波比Vp波反射幅度大，推斷以上兩處構(gòu)造帶存在有充水或巖溶發(fā)育的可能性、。此結(jié)論經(jīng)過日后的隧道開挖證明完全正確。在隧道施工的《變更設(shè)計(jì)建議書》中結(jié)論：“在隧道左壁的DK53+322段發(fā)現(xiàn)巖溶，溶蝕帶寬度為2.5米，溶蝕帶穿過隧道拱頂至右壁的DK53+340米段，并向邊墻外延伸，雨后DK53+322處溶洞有較大水量流出，DK53+339處溶洞有少量滲水。該段圍巖較破碎，節(jié)理發(fā)育，受溶洞影響，拱頂巖層出現(xiàn)楔體破壞、掉塊”。

TGP12型隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)在云南水富高速公路冷水溪隧道，宜萬鐵路王家?guī)X隧道、涼風(fēng)埡隧道，青島海濱高速仰口隧道，重慶地區(qū)數(shù)條公路隧道，以及武廣客運(yùn)專線大瑤山隧道等工程使用，獲得滿意的預(yù)報(bào)效果。

1、隧道地震波超前預(yù)報(bào)的概念解釋

隧道地震波超前預(yù)報(bào)技術(shù)翻譯成英語是“TunnelSeismicPrediction”，簡稱“TSP”。在我國《客運(yùn)專線鐵路隧道施工技術(shù)指南》的第5.0.8條使用了“TSP”縮寫詞。一般規(guī)程中使用縮寫英語字母表示某種技術(shù)是正常的事情，但是在隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作中卻出現(xiàn)被歪曲利用的現(xiàn)象，把“TSP技術(shù)”歪曲解釋成“TSP***儀器”。這種現(xiàn)象對(duì)隧道超前預(yù)報(bào)技術(shù)的應(yīng)用，造成了不良的影響。在有的地方和部門的隧道施工招標(biāo)和設(shè)備招標(biāo)工作文件中也存在把“TSP技術(shù)”歪曲解釋成“TSP***儀器”的現(xiàn)象，這是對(duì)隧道地震波預(yù)報(bào)技術(shù)缺乏科學(xué)認(rèn)識(shí)。

因此，正確認(rèn)識(shí)：“TSP技術(shù)”即隧道地震波超前預(yù)報(bào)技術(shù)，有益于正確執(zhí)行我國的現(xiàn)行隧道規(guī)程規(guī)范和法規(guī)，有益于隧道工程的招投標(biāo)工作，有益于隧道地震波預(yù)報(bào)技術(shù)的進(jìn)步，有益于誠實(shí)誠信的預(yù)報(bào)技術(shù)服務(wù)。

2、隧道地震波預(yù)報(bào)中的接收與激發(fā)問題

在隧道地震預(yù)報(bào)工作中，有的采用把接收與激置在隧道的洞壁上，這種做法不妥當(dāng)。眾所周知，洞壁的表面波傳播較強(qiáng)，對(duì)地震反射波會(huì)形成不容忽視的干擾。同時(shí)鉆爆施工影響洞壁巖體松動(dòng)，局部超欠挖使得洞壁巖體不平整和完整性差，接收檢波器和激發(fā)點(diǎn)受局部巖體影響大，地震波的傳播和衰減比較復(fù)雜，嚴(yán)重影響地震波記錄的一致性，大大降低有效波的信噪比。因此不宜采取在洞壁激發(fā)與接收的做法。

有關(guān)

在洞壁激發(fā)和接收中面波的干擾問題，原清華大學(xué)聲學(xué)教研室的沈建國教授曾經(jīng)作過物理模型試驗(yàn)，見圖（6）。模型設(shè)計(jì)在隧道前方有一個(gè)溶洞，洞徑與隧道斷面相當(dāng)，分別在洞壁的4個(gè)深度布置接收排列。

圖（7）是洞壁采集的地震波記錄，圖（8）是在洞壁一定深度內(nèi)采集的地震波記錄。圖中：藍(lán)色直線Vp表示直達(dá)縱波；藍(lán)色曲線Vp1表示溶洞的反射縱波；紅色直線Vr的后面表示面波。由圖（7）與圖（8）對(duì)照可以看到：圖（7）面波Vr幅度強(qiáng)，溶洞的反射波無法分辨；圖（8）的面波Vr幅度大大減弱，溶洞的反射波較清晰的表現(xiàn)出來。這個(gè)模型試驗(yàn)的結(jié)果明確說明面波的干擾在鉆孔一定深度呈現(xiàn)減弱的趨勢。因此，在隧道地震波超前預(yù)報(bào)檢測工作中，采取孔中激發(fā)和接收技術(shù)措施壓制面波非常必要，是提高反射回波記錄信噪比質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

TGP隧道地震波預(yù)報(bào)系統(tǒng)的接收和激發(fā)，結(jié)合現(xiàn)場施工的方便性，要求鉆孔的深度為2.0米。鉆孔中采用炸藥爆炸產(chǎn)生震源，控制使用小藥量炸藥，在有條件的地方盡量使用高爆速炸藥，同時(shí)在孔中充水的條件下爆炸。在充水的條件下爆炸有以下好處：易于產(chǎn)生高頻地震波，提高分辨率；同時(shí)爆炸泄放到隧道內(nèi)的爆炸聲音小，減弱隧道管波的干擾能量；爆炸時(shí)水由孔中噴出的過程有益于產(chǎn)生水平偏振，加強(qiáng)橫波的能量，有利于地震預(yù)報(bào)工作中實(shí)現(xiàn)采集高質(zhì)量的多波信息，實(shí)現(xiàn)多波多參數(shù)的預(yù)報(bào)目的。鉆孔中接收，采用具有高指向性和高靈敏度的三分量接收探頭安置在鉆孔的底部，通過耦合劑實(shí)現(xiàn)與鉆孔壁的直接接觸，檢波器信號(hào)輸出采用軟電纜，和采用吸聲軟材料封堵鉆孔口等措施，對(duì)于高保真地接收地震有效波信號(hào)，減少產(chǎn)生干擾波環(huán)節(jié)等方面很有益處。

3、隧道地震波預(yù)報(bào)中的干擾波

在隧道地震波采集過程中，存在著多種干擾波，對(duì)此必須有明確地認(rèn)識(shí)。例如：對(duì)頭隧道施工和鄰洞施工的干擾波；地表地形和來自其他方向的反射波干擾；洞內(nèi)電磁波干擾；以及接收裝置設(shè)計(jì)不當(dāng)產(chǎn)生的干擾波等等。正確認(rèn)識(shí)干擾波和產(chǎn)生的原因，才會(huì)采取正確的措施獲得高質(zhì)量的現(xiàn)場地震波記錄。下面重點(diǎn)討論隧道管波的干擾問題。

隧道管波由激發(fā)孔爆炸時(shí)聲波泄放到隧道中產(chǎn)生，被接收傳感器接收造成對(duì)記錄的干擾，見圖9。

圖中地震記錄50毫秒以下出現(xiàn)的呈斜線“黑點(diǎn)”，在右圖中斜線用“紫線”表示，由記錄上的時(shí)距線計(jì)算“紫線”表示的速度為340m/s，該線以下的波（左半圖中黑色部分）為空氣中傳播的聲波，我定義這種波為“隧道管波”，“隧道管波”出現(xiàn)后覆蓋其后出現(xiàn)的地震反射波。“隧道管波”幅度的大小與激發(fā)和接收條件有關(guān)，“隧道管波”在地震記錄上出現(xiàn)的位置與采集偏移距離有關(guān)。該紫色線位置為偏移距離為20m的“隧道管波”出現(xiàn)位置。圖中藍(lán)色線表示速度為4500m/s的前行縱波和反射縱波，紅色線表示速度為2500m/s的前行橫波和反射橫波。上部的藍(lán)色線Vp和紅色線Vs分別表示由震源向前傳播的直達(dá)縱波與橫波。下部的多條藍(lán)色線Vp100、Vp150、Vp200分別表示掌子面前方100米、150米、200米距離處構(gòu)造面的反射縱波，多條紅色線Vs100、Vs150分別表示掌子面前方100米、150米距離處構(gòu)造面的反射橫波。由圖看出有30%地震道的反射縱波和50%以上地震道的反射橫波淹沒在“隧道管波”的干擾中。如果隧道圍巖的縱波速度低于4500米/秒、橫波速度低于2500米/秒，將會(huì)有更多的地震道淹沒在“隧道管波”的干擾中，其中影響橫波的程度更為嚴(yán)重，這種現(xiàn)象嚴(yán)重影響縱、橫波雙參數(shù)預(yù)報(bào)。

我提出隧道管波的嚴(yán)重干擾問題，希望引起足夠的重視，加強(qiáng)地震波檢測理論的學(xué)習(xí)，克服對(duì)有效波和干擾波不加區(qū)分，盲目按照流程進(jìn)行處理的做法，才可以糾正成果中以夾雜干擾波假象進(jìn)行預(yù)報(bào)的局面。

在京西梨園嶺隧道TGP206與TSP200在同一次預(yù)報(bào)中進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)TSP200儀器采集的記錄中有嚴(yán)重的隧道管波，TGP206儀器采集的記錄中無隧道管波。兩臺(tái)儀器工作中使用同一批24炮震源和在同一位置接收，采集的地震波記錄出現(xiàn)如此之大的區(qū)別，關(guān)鍵在TSP200儀器的接收裝置設(shè)計(jì)不合理。我分析過近百個(gè)TSP203與TSP200儀器采集的記錄文件，記錄上普遍存在著“隧道管波”，檢查數(shù)據(jù)處理的過程中也未見對(duì)干擾波進(jìn)行處理，而是作為地震反射波數(shù)據(jù)參與了處理，隧道管波干擾的假象混雜在預(yù)報(bào)成果圖中。近幾年，我看到的使用TSP203和TSP200資料發(fā)表的預(yù)報(bào)文章中，其現(xiàn)場采集的偏移距離（接收到最近激發(fā)炮之間的距離）普遍使用15米或者20米，炮孔之間的距離為1.5米至2米左右。在隧道管波干擾的情況下，這種布置采集的記錄見圖（9），記錄上的隧道管波是構(gòu)成對(duì)有效波預(yù)報(bào)的嚴(yán)重干擾。我們對(duì)以如上參數(shù)采集的記錄作個(gè)初步的分析，假設(shè)巖體條件為完整的微風(fēng)化硬巖，以巖體的縱波速度為4500米/秒，橫波速度為2500米/秒計(jì)算，未受隧道管波干擾的距離：縱波成果為120米左右，橫波成果為60米左右。以現(xiàn)行TSP200或者TSP203雙參數(shù)預(yù)報(bào)的做法評(píng)論，其未受隧道管波干擾的預(yù)報(bào)距離為60米左右。如果巖體條件降低，雙參數(shù)預(yù)報(bào)的距離還要大打折扣。如果按預(yù)報(bào)150米距離分析，其中有90米左右的距離中包含有隧道管波的假象資料。請(qǐng)有關(guān)使用者自己檢查已經(jīng)處理過的文件，分析我的結(jié)論是否有道理。也不妨召開一個(gè)有代表性，而且能夠深度研究隧道地震波預(yù)報(bào)技術(shù)的會(huì)議，研討是否存在隧道管波干擾的問題和改進(jìn)措施。

我提出一個(gè)不得已而為之的方法，供大家思考。根據(jù)各種波傳播路徑和速度差異的原理，即隧道管波在隧道內(nèi)的空氣中傳播，其速度低，地震波在巖體中傳播其速度高，現(xiàn)場采用加大偏移距離進(jìn)行預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的采集方法，利用巖體的地震波速度明顯高于空氣中聲波速度的條件，使隧道管波下移，延遲隧道管波在地震波記錄出現(xiàn)的時(shí)間，加大反射波接收的時(shí)間窗口，可以起到加大預(yù)報(bào)距離的目的。圖（10）下部標(biāo)注有20、30、40的三條紫色線分別表示：偏移距離為20米、30米、40米情況下的隧道管波的出現(xiàn)位置。由圖可見，如果采用40米的偏移距離，隧道管波下移，反射波的時(shí)間窗口加大，在巖體為完整微風(fēng)化硬巖的條件下，縱波反射基本上不受干預(yù)，橫波反射受影響的地震道約為30%。這種方法的不利點(diǎn)是偏移距離加大會(huì)影響到地震波頻率的降低和能量的衰減，但是權(quán)衡利弊，實(shí)現(xiàn)“隧道管波”下移的方法，避開隧道管波的干擾，無疑是一個(gè)不壞的辦法。

隧道管波在記錄上的幅度與激發(fā)泄放到隧道中的能量，以及接收裝置系統(tǒng)對(duì)隧道管波的壓制能力有關(guān)?！八淼拦懿ā碑a(chǎn)生的源頭在激發(fā)，在激發(fā)孔沒有注滿水、或激發(fā)孔太淺的條件下，激發(fā)能量會(huì)大量泄放到隧道內(nèi)。因此，注意改善激發(fā)條件有利于減弱隧道管波的干擾。

有關(guān)是否可以采取濾波方式處理“隧道管波”的問題?！八淼拦懿ā钡念l率與激發(fā)條件、接收裝置條件、以及隧道圍巖的性質(zhì)等有關(guān)系，也存在接收裝置系統(tǒng)在受震條件下產(chǎn)生次生震蕩波，綜合起來的干擾波比較復(fù)雜。通過濾波方式處理不宜實(shí)現(xiàn)濾除目的，如果采用的濾波參數(shù)不合理，還會(huì)產(chǎn)生改變地震波信息造成其它成果假象的可能性。

4、隧道埋深與預(yù)報(bào)距離

有一位從事海底隧道地震波超前預(yù)報(bào)的工程師向我詢問有關(guān)預(yù)報(bào)距離的問題，海底隧道在基巖和海底的沉積地層中穿過，如果基巖面的起伏較大，這一類情況與地面上的淺埋隧道一樣。在隧道地震超前預(yù)報(bào)中，海底地形界面和起伏的基巖面同樣是地震波的反射面，因此，地形界面和土石界面產(chǎn)生的反射波，與地質(zhì)構(gòu)造面產(chǎn)生的反射波均會(huì)被儀器接收并疊加在一起，造成地震波記錄復(fù)雜化。所以，在海底隧道或者淺埋隧道進(jìn)行超前預(yù)報(bào)時(shí)，要綜合考慮上述影響，合理確定預(yù)報(bào)的距離。一般在無法剔除地形等界面反射波影響的條件下，控制預(yù)報(bào)距離小于隧道埋藏深度為宜，對(duì)于大于埋深的距離預(yù)報(bào)要慎重。

5、關(guān)于圍巖參數(shù)的預(yù)報(bào)問題

關(guān)于隧道圍巖參數(shù)的預(yù)報(bào)問題，應(yīng)該明確兩個(gè)問題：一是地震波預(yù)報(bào)方法獲得圍巖參數(shù)的原理和作用；二是利用圍巖參數(shù)變更隧道圍巖級(jí)別的合理性。

地震波預(yù)報(bào)方法獲得的基本參數(shù)是縱波速度和橫波速度，其他參數(shù)均是由此計(jì)算得到的二級(jí)參數(shù)。利用地震波方法求取速度參數(shù)計(jì)算的過程中，速度數(shù)值與介質(zhì)本身和反射界面的角度兩個(gè)變量有關(guān)系。在地震波預(yù)報(bào)求取速度的過程中，以測量段（炮孔段）巖體速度為基本參考值，計(jì)算中同時(shí)考慮巖體反射界面的反射幅度強(qiáng)弱作為計(jì)算因素，帶有相關(guān)比較的性質(zhì)，因此得到的速度數(shù)值稱為估算速度，利用估算速度曲線的分布作為分析相鄰巖體的定性比較具有一定的合理性。但是，它既不是常規(guī)地震波勘探中的均方根速度，也不是巖體的真速度。

地質(zhì)界面與隧道的關(guān)系，地質(zhì)界面正交隧道軸線的情況應(yīng)該說是個(gè)別的，普遍存在的應(yīng)該是與隧道存在夾角的情況，因此普遍存在的是地震反射波路徑與隧道軸線不重合，地質(zhì)界面與隧道的夾角越?。ㄒ哉粸?0度），地震波路徑與隧道軸線的夾角越大，即地震波路徑偏離隧道越遠(yuǎn)。因此，利用地震反射波路徑方向上的速度代表隧道圍巖，存在不合理性，因?yàn)榈刭|(zhì)巖體具有的非均質(zhì)、非連續(xù)和各向異性是不容忽視的。

在明確地震波預(yù)報(bào)獲取的速度含義以后，我們來分析利用該速度進(jìn)行“隧道圍巖彈性波分級(jí)法”和變更隧道圍巖級(jí)別的問題?！八淼绹鷰r彈性波分級(jí)法”顧名思義，是隧道圍巖彈性波的一個(gè)分級(jí)方法，而不是隧道圍巖地質(zhì)分級(jí)的全部?？辈煸O(shè)計(jì)報(bào)告中圍巖級(jí)別的結(jié)論是綜合考慮：隧道通過地帶巖體的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、隧道埋深與地應(yīng)力，以及隧道圍巖彈性波參數(shù)等多方面的資料做出的，僅僅利用預(yù)報(bào)獲得的巖體參數(shù)變更圍巖的級(jí)別存在著片面性。

舉例說明如下：圖（11）是TSP203儀器預(yù)報(bào)成果圖中的一部分，圖中上半部分三項(xiàng)參數(shù)的直方圖，由上而下為巖體分段的縱、橫波速度參數(shù)值；巖體的密度值；和巖體的彈性模量值。圖的下半部分為反射界面的分布圖。以圖中的反射界面線與隧道里程線的交點(diǎn)為序，統(tǒng)計(jì)反射界面與隧道軸線的夾角，匯總成表1。

序號(hào)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

里程

2084

2092

2104

2108

2109

2116

2136

2152

2164

2184

2188

夾角

45°

75°

70°

65°

75°

80°

80°

70°

90°

70°

80°

以表1中最后兩個(gè)界面的里程和夾角，根據(jù)隧道地震反射波傳播理論，采用作圖方法，繪制的地震反射波的射線路經(jīng)，分別見圖（12）。

上圖的預(yù)報(bào)距離為100米：圖中序號(hào)11的界面在2188里程，構(gòu)造面與隧道夾角80°，其地震射線與隧道夾角10°～15°，反射段偏離隧道距離32～37米；圖中序號(hào)10界面在2184里程，構(gòu)造面與隧道夾角70°，其地震射線與隧道夾角20°～30°，反射段偏離隧道距離49～59米。如果以正常預(yù)報(bào)距離150米計(jì)算，反射段偏離隧道的距離達(dá)到70～80米。地震波射線與隧道軸線方向不同，射線路經(jīng)與隧道軸線也不具備重合條件，而且偏離隧道50至80米多米以外，這樣的速度資料作為隧道掌子面前方圍巖的速度不具備代表性，以此變更隧道圍巖的分級(jí)則更無道理。至于圖中提供的其他巖體動(dòng)參數(shù)，例如：動(dòng)彈性模量、動(dòng)剪切模量、動(dòng)泊松比和巖體密度值等參數(shù)，皆由巖體縱波和橫波速度計(jì)算而來，擺在報(bào)告中也就是一堆動(dòng)參數(shù)。況且在沒有具體巖體動(dòng)靜參數(shù)對(duì)比資料的基礎(chǔ)上，如何使用也存在問題。

我認(rèn)為隧道地震波超前預(yù)報(bào)，應(yīng)該是以預(yù)報(bào)地質(zhì)災(zāi)害和不良地質(zhì)條件為主，以估算速度參數(shù)定性評(píng)價(jià)圍巖地質(zhì)條件為輔的方法。

五、結(jié)語

隨著我國基本建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，隧道工程已經(jīng)成為鐵路、公路和水利水電等大型項(xiàng)目中的重要工程。根據(jù)國內(nèi)外隧道施工的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，科學(xué)地開展隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作是非常重要和必要的。近幾年來隧道地震波預(yù)報(bào)技術(shù)已經(jīng)成為工程界的熱門話題，自然也會(huì)出現(xiàn)各顯神通的局面，因此，圍繞預(yù)報(bào)中有關(guān)技術(shù)問題展開討論，進(jìn)行必要的技術(shù)交流，對(duì)于促進(jìn)應(yīng)用技術(shù)的科學(xué)進(jìn)步，促進(jìn)隧道地震波預(yù)報(bào)技術(shù)的提高，是非常必要的。