隧道超前地质预报 (3)

理软件为逆散射合成孔径成像系统。它充分运用地震反射波、散射波的运动学和动力学特征，具有方向滤波功能、岩体波速扫描、地质构造方向扫描、速度偏移成像、吸收系数成像、走时反演成像等多种功能，从岩体的力学性质、岩体完整性等多方面对地质情况进行综合预报。

测试时可在隧洞内掌子面、两侧、上顶和下底面，也可在隧洞外山顶布置。洞内观测时检波器埋入岩体1.5～2m，以避免声波和面波干扰。可采用爆炸或可控震源激发地震波。

TST软件包括地震数据预处理、方向滤波、偏移成像、速度扫描四大模块。预处理功能包括：①噪声和干扰切除；②滤波和面波清除；③小波分析与信号加强；④地震波能量吸收谱分析；⑤地震波走时拾取。偏移成像功能包括：①速度扫描分析与岩体工程类别判别；②方向扫描与构造产状分析；③地质界面速度偏移成像；④岩体完整性吸收偏移成像；⑤地震波走时地质界面反演成像；⑥断裂与破碎带智能识别；

该技术在全内外公路隧道、铁路隧道、TBM引水隧洞等广泛应用，取得了良好的效果。尤其在云南、贵州等岩溶分布区应用取得了非常好的效果，所得成果为：①岩溶、采空区等孤立地质体的界定；②结合速度扫描和偏移成像判断地质灾害；③推进了散射合成孔径成像技术的发展；

5.3.1.4 水平声波剖面法(HSP)

它利用孔间地震剖面法(ABSP)的原理及相应软件开发的一种超

前预报方法。其原理是向岩体中辐射一定频率的高频地震波，当地震波遇到波阻抗分界面时，将发生折射、反射，频谱特征也将发生变化，通过探测反射信号(接收频率为声波频段的地震波)，求得其传播特征后，便可了解工作面前方的岩体特征。震源和检波器的布置除离开开挖面对施工干扰较小外，还因反射波位于直达波、面波延续相位之外而不受干扰，因此记录清晰、信噪比高、反射波同相轴明显。

观测时在隧洞的两个侧壁分别布设震源和检波器，按其相对位置设计成两种观测方式即固定激发点(或接收点)和激发与接收点相错斜交方式。震源在预报目的体的远端，接收点间距采用小道间距，多道接收，构成“水平声波剖面”。利用时差和频差与地质相结合的方法确定反射面的空间方位并“投影”到该剖面上，从而确定反射面的空间位置及性质。其特点是各检测点所接收的反射波路径相等，反射波组合形态与反射界面形态相同，图像直观，同时观测时也不影响掌子面的掘进。

该法已在工程中得到应用，如渝怀铁路的圆梁山隧洞、千溪沟隧洞等，均取得了较好效果。该法数据采集单元和现场实测过程进行了较大的改进，可以在开敞式TBM法施工的隧洞中掘进机不停的情况下进行测试，因而具有较大的优越性，但尚处于研制和初步应用阶段，例如在辽宁大伙房引水工程TBM2隧洞中进行试验。 5.3.1.5 TRT真地震反射成像技术

TRT(True Reflection Tomography)真地震反射成像法是利用岩体中不均匀面的反射地震波进行超前探测，它是美国NSA工程公司开

发的新方法，国外已实际应用。该法在观测方式和资料处理方法上与TSP法及负视速度法均有很大不同，它采用空间多点激发和接收的观测方式，其检波点和激发点呈空间分布，以便充分获得空间场波信息，从而使前方不良地质现象的定位精度大大提高；它的数据处理关键技术是速度扫描和偏移成像，不需要走时，因此，对岩体中反射界面位置的确定、岩体波速和工程类别的划分都有较高的精度，而且还具有较大的探测距离，应该说较TSP法有较大的改进。由实际应用知，TRT法在结晶岩体中的探测距离可达100～150m，在软弱的土层和破碎的岩体中尚可预报60～100m。该法成功应用的例子很多，较典型的是奥地利的通过阿尔卑斯山的铁路双线隧洞施工中进行了全程的超前预报。由于多种因素，目前国内尚未引进该技术。 5.3.1.6 陆地声纳法

陆地声纳法是“陆上极小偏移距高频弹性波反射连续剖面法”的简称，可在狭小的场地和基岩裸露的条件下，探查中小溶洞、中，小断层（断裂）等地质施工隐患。它是弹性波反射法中的一个新品种，于1991年实现并推出，经20年长期而艰难的发展，在隧道施工超前地质预报和地面浅层高分辨率勘查、工程质量检测等方面的使用中表现了它的优点与特长。它应用地震反射法的原理，吸收了探地雷达，水声法的一些元素；为解决它的一些关键性的问题，又采用了其他领域的技术，例如计算技术，测震领域的技术等，使它逐渐丰满成熟。是中国地球物理勘探界具有原创性发明的有自主知识产权的新技术之一。施测时采用极小偏移距地震波激发—接收系统，进行单点测量

或在激震点两侧对称位置上各设一检波器，一次激发两道接收。然后将各测点的时间曲线拼成时间剖面根据同相轴和频谱解释圈定断层、大节理、岩层分界面、岩脉、涌水层、溶洞等不良地质体[1] 。陆地声纳法能够无畸变的接收10-4000Hz的弹性波信号。由于可采集很宽频率的反射信号，故可以用分窗口带通滤波的方法处理资料，分别提取不同频谱的信息，以突出不同规模的探查对象的反射图像。能够对隧道掌子面前方150米远的进行精细物探，可给出探查范围内的中、小溶洞、中、小断层（断裂）、交叉断层及倾角、倾向；该法具有分辨率高、可避开许多干扰波、反射波能量高、探查岩溶和洞穴效果好、图像简单易辨等优点。在外业工作时，不打孔，不放炮，可以在隧道施工工序间隔工作，不影响隧道施工，且速度快，工作效率高。

此法已在110余个工程中成功应用。同时它通过了中国岩石力学与工程学会的技术鉴定，陆地声纳法已被纳入国家行业标准三部。2012年荣获中国岩石力学与工程学会科学技术发明奖一等奖[2] 。2014年荣获北京市科学技术二等奖[3] 。 5.3.1.7 面波法

分为稳态法和瞬态法。稳态法在掌子面上放置一个激振器，用计算机控制激振器使其产生各种不同波长的波面，用两个拾振器同时接到不同方向的振动波，由计算机算出每一种波长的面波传播速度，根据面波的勘测深度等于波长的二分之一的原理，即可得到一组不同深度的面波平均速度的分布规律，不同介质面波的传播速度不同。从不同面波速度分布图，就可以反应出地质构造的不同介面，如断层、地

下水等特性变化。瞬态法由于排列长度的关系未见实际应用的报道。

此法需要的场地较小，适合在地下洞室开挖面上工作，探测深度也能满足施工预报的要求，对资料的分析判断可在现场进行，操作简便。已在南岭隧洞中应用，很清楚地发现距工作面几米处的断层破碎带。但该法在开挖面上能探测多远的距离，尚需进一步实验研究。

5.3.2 地质雷达技术

利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，由掌子面通过发射天线向前发射，当遇到异常地质体或介质分界面时发生反射并返回，被接收天线接收，并由主机记录下来，形成雷达剖面图。由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。因此，根据接收到的电磁波特征，既波的旅行时间、幅度、频率和波形等，通过雷达图像的处理和分析，可确定掌子面前方界面或目标体的空间位置或结构特征。当前方岩体完整的情况下，可以预报30m的距离；当岩石不完整或存在构造的条件下，预报距离变小，甚至小于10m。雷达探测的效果主要取决于不同介质的电性差异，即介电常数，若介质之间的介电常数差异大，则探测效果就好。由于该法对空洞、水体等的反映较灵敏，因而在岩溶地区用得较普遍。缺点是洞内测试时，由于受干扰因素较多，往往造成假的异常，形成误判。此外它预报的距离有限，一般以不超过30m，且要占用掌子面的工作时间。

应用地质雷达进行超前预报，在钻爆法施工的隧洞中使用相对较多，如太平驿水电站引水隧洞、海南高速公路东线大茅隧洞等工程中

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