【正文】 ...................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 在隧道內(nèi) 有限的空間內(nèi)觀測(cè)， 記錄的是 從 不同方向的三維 回 波 ，從 中提取前方回波 ， 濾 除各種干擾，可靠地確定前方 圍巖的波速和 地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征， 需要有特定的技術(shù)和理論 依據(jù) 。 隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào) 的 目標(biāo)與要求 地質(zhì) 超前預(yù) 報(bào)技術(shù)用于隧道災(zāi)害性地質(zhì)對(duì)象和基本地質(zhì)要素 的 預(yù)報(bào)。 預(yù)報(bào)尺度與精度要求：位置的定位精度誤差小于 10%, 構(gòu)造規(guī)模尺度誤差小于 10% ,分辨尺度 1m。 隧道 圍巖中的 三維波場(chǎng) 隧道地震觀測(cè)是布置在隧道內(nèi)， 震源發(fā)出的地震波在圍巖中向四面八 方傳播，并且在隧 道表面 激發(fā)面波和聲波。 1） 隧道內(nèi)觀測(cè)的地震回波來至各個(gè)方向，前后、上下、左右， 記錄到一起， 從單點(diǎn)記錄 上 不易區(qū)分。超前預(yù)報(bào)需要的是前方回波，其它方向的回波都是干擾波，應(yīng)于濾除； 2）隧道內(nèi)接收的地震波類型多樣，有直達(dá)波、反射波、縱波、橫波，以及縱橫波的轉(zhuǎn)換波，特別是隧道表面附近由聲波、橫波激發(fā)形成的面波，透入圍巖深度 12個(gè)波長(zhǎng)，相當(dāng)強(qiáng)烈，是主要的干擾波； 3）檢波器每個(gè)分量的 記錄都是三維波場(chǎng)在這一方向上的振動(dòng)，包含著不同路徑、不同類型的波。各分量地震記錄如下： U zysU zxsUzzpUzU yz sU yxsU yypUyU xz sU xysU xxpUx????????? 式中第一個(gè)下標(biāo)代表振動(dòng)方向，第二下標(biāo)代表傳播方向，第三下標(biāo) p、 s代表縱橫波類型。 圖 2a 縱剖面內(nèi)的地震波場(chǎng) 圖 2b 隧道橫截面中的波場(chǎng) 超前預(yù)報(bào)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)問題 目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法有陸地聲納、負(fù)視速度法、 HSP水平剖面方法、 TSP20TGP20 TRT、 TST等，都屬于地震法超前預(yù)報(bào)技術(shù)， 以地震反射或散射理論為基礎(chǔ)，通過隧道內(nèi)的地震觀測(cè)反演掌子面前方的地質(zhì)情況。 這些 核心問題 中最關(guān)鍵的 是如何區(qū)分不同方向的 回波，分離出前方回波，和如何可靠地確定前方圍巖速度分布，準(zhǔn)確確定地質(zhì)界面位置兩個(gè)問 題。這些科學(xué)問題的解決應(yīng)遵循如下的技術(shù)流程：首先進(jìn)行合理的觀測(cè)方案設(shè)計(jì)，保證資料滿足方向?yàn)V波和速度分析處理技術(shù)的要求；對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行預(yù)處理，包括帶通濾波、剔除噪音；接下來最重要的步驟是進(jìn)行三維波場(chǎng)分離，濾除側(cè)向波和面波，保留前方回波；然后進(jìn)行縱橫波分離，確保縱橫波是來至前方的回波；接下來是進(jìn)行圍巖速度掃描分析，確定圍巖的速度分布；最后是在圍巖波速的基礎(chǔ)上進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造的偏移成像。 早期開發(fā)的超前預(yù)報(bào)技術(shù)缺乏理論指導(dǎo)，普遍 存在 的技術(shù)缺陷是未考慮波場(chǎng)分離和波速分析問題， TST技術(shù)是在深入研究 這 5項(xiàng)理論問題 的基礎(chǔ)上開發(fā)的 ， 率先解決了波場(chǎng)分離和速度分析問題， 處于國(guó)際領(lǐng)先地位 。目前實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用的 有 陸地聲納、負(fù)視速度法、 SHP水平剖面法、TSP20 TGP20 TRT、 TST等技術(shù)。 普遍存在技術(shù)缺陷有兩方面，一個(gè)是 未考慮 隧道內(nèi)記錄的 三維波場(chǎng) 復(fù)雜性和進(jìn)行 分離 的 問題 以及 不能準(zhǔn)確確定圍巖波速的分布 問題。 TST技術(shù)是以 前述 三維波場(chǎng)分析為基礎(chǔ)， 成功地 解決了觀測(cè)方案設(shè)計(jì)、三維波場(chǎng)分離、圍巖波速分析等核心技術(shù)難題， 發(fā)展了超前預(yù)報(bào) 理論與 技術(shù)。 1）陸地聲納法 陸地聲納法是上世紀(jì) 90年代初提出的，觀測(cè)方式非常簡(jiǎn) 單，在隧道表面依次敲擊，將記錄并排在一起，稱零偏移距數(shù)據(jù)。 陸地聲納記錄與解釋 2）負(fù)視速度法 該方法的觀測(cè)是垂直剖面法，在隧道側(cè)壁打孔布置檢波器和炮點(diǎn)，檢波器和炮點(diǎn)在一條平行隧道軸線 的直線上，利用直達(dá)波估計(jì)巖體波速，利用反射波走時(shí)曲線與直達(dá)波走時(shí)曲線的交點(diǎn)推測(cè)前方反射界面的位置。該方法不能確定掌子面前方圍巖 的 波速，不能區(qū)分 回 波的不同路徑，也不能運(yùn)用波的動(dòng)力學(xué)信息，屬于初級(jí)預(yù)報(bào)技術(shù)。在隧道的一個(gè)側(cè)壁上規(guī)則設(shè)置檢波點(diǎn)，另一側(cè)壁上規(guī)則布置炮點(diǎn)， 根據(jù) 接收 到的 反射信號(hào)，確定前方不良地質(zhì)體的位置。該方法有一定的直觀性，能確定主要反射界面。在西南鐵路系統(tǒng)中有一定應(yīng)用，在臺(tái)灣和日本也有一些應(yīng)用實(shí)例。 水平剖面法觀測(cè)與解釋原理 4） TSP203超前預(yù)報(bào)技術(shù) TSP203超前預(yù)報(bào)方法（ Tunnel Seismic Prediction）是由瑞士 Amberg測(cè)量技術(shù)公司上世紀(jì) 90年代初開發(fā)的用于隧道超前預(yù)報(bào)的技術(shù)。 TSP的觀測(cè)是垂直剖面法，一個(gè)三分量檢波器埋入隧道側(cè)壁巖體中 ，炮點(diǎn)與檢波器同側(cè) ，觀測(cè) 方式與負(fù)視速度法基本相同 。隨著近年來在中國(guó)的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn) TSP存在很多技術(shù)缺陷，主要問題是 缺乏科學(xué)理論指導(dǎo)， 不能準(zhǔn)確 地確定圍巖波速，不能準(zhǔn)確確定斷層位置，不能進(jìn)行 三維波場(chǎng)分離，消除側(cè)向干擾波，縱橫波分離不科學(xué) ， 不真實(shí)，偏移成像的位置不準(zhǔn)，包含虛假成分。 TSP的觀測(cè)方式和預(yù)報(bào)結(jié)果 5） TGP206超前預(yù)報(bào)技術(shù) TGP206技術(shù)是模仿 TSP203 技術(shù)開發(fā)的，觀測(cè)方式與處理軟件與 TSP203基本相同，采用垂直剖面觀測(cè)方式，在耦合方式和觸發(fā)方式方面做了一些改動(dòng)。下圖是 TGP206在青島仰口隧道的預(yù)報(bào)結(jié)果，左右壁觀測(cè)得到的 XYZ分量， 做了 6幅預(yù)報(bào)圖像。它們之間的巨大差異可能正反映了波速分析不準(zhǔn)和側(cè)向回波和面波干擾嚴(yán)重的結(jié)果。 TRT技術(shù)的觀測(cè)方式是空間布置，資料 處理方法上采用地震偏移 概率 成像。 TRT缺乏圍巖波速分析功能，偏移成像中需要的圍巖波速需要人為假定，很難符合客觀實(shí)際，預(yù)報(bào)位置不可靠。 TRT觀測(cè)布置與 預(yù)報(bào)偏移成像結(jié)果 7） 國(guó)內(nèi)外超前預(yù)報(bào)技術(shù)比較 根據(jù)超前預(yù)報(bào)技術(shù)的 5項(xiàng)科學(xué)問題，對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的超前預(yù)報(bào)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)和缺陷做出客觀評(píng)價(jià)。陸地聲納法缺乏技術(shù)含量，屬于非專業(yè)化技術(shù)，沒有應(yīng)用價(jià)值；負(fù)視速度法、水平剖面法資料處理以走時(shí)分析為主，對(duì)波速分析、波場(chǎng)識(shí)別等方面沒有技術(shù)應(yīng)對(duì)，技術(shù)缺陷較多，為初級(jí)技術(shù)；TSP203 、 TGP206的資料處理采用偏移成像技術(shù)，運(yùn)用了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)信息，是其優(yōu)點(diǎn)；但采用垂直剖面觀測(cè)方式不能準(zhǔn)確確定圍巖波速，不能進(jìn)行波場(chǎng)分離和濾除側(cè)向波和面波干擾，縱橫波分離不真實(shí)等問題，導(dǎo)致偏移圖像位置不真實(shí)、包含虛假成分等技術(shù)缺陷，屬于中等技術(shù)。下邊的列表匯總了評(píng)價(jià)結(jié)果。 TST 的 觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是保證超前預(yù)報(bào)可靠性的第一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是要滿足波速分析、方向?yàn)V波和減少面波干擾 三項(xiàng) 要求。為滿足工程對(duì)超前預(yù)報(bào)誤差小于 10%的要求，橫向最大偏移距必須大于預(yù)報(bào)長(zhǎng)度的 1/10。 （ 3）為減少隧道表面面波的干擾，檢波器和震源都應(yīng)埋入圍巖中，深度超過 2m以上。 TST 二維陣列觀測(cè)方式 TST 的 三維波場(chǎng)分離 技術(shù) 隧道內(nèi)地震回波來至四面八方，地震波類型復(fù)雜，每一個(gè)方向的記錄都包含著不同路徑的縱橫波信號(hào)。經(jīng)過波場(chǎng)分離后才能對(duì)前方回波進(jìn)行縱橫波分離和偏移成像。 TST技術(shù) 在地震資料處理 中用于 FK變換、 TP變換、 Radon變換等技術(shù) 進(jìn)行波場(chǎng)分離和方向?yàn)V波 。波場(chǎng)分離的原理是依據(jù)不同方向、不同類型的地震波的視速度不同，面波視速度最小，側(cè)向回波視速度大，兩者與前方回波的視速度容易區(qū)分。 三維波場(chǎng) FK方向?yàn)V波示意圖 目前國(guó)內(nèi)外的超前預(yù)報(bào)技術(shù)中除了 TST技術(shù)采用 FK變換進(jìn)行波場(chǎng)分離和方向?yàn)V 波外，其它的技術(shù)如TSP20 TGP20 TRT等都 未 進(jìn)行波場(chǎng)分離和方向?yàn)V波，未濾除側(cè)向波和面波，不可避免地在縱橫波中包含側(cè)向波干擾，預(yù)報(bào)圖像中包含虛假成分，造成誤報(bào)，這是普遍存在的較嚴(yán)重的技術(shù)缺陷。圍巖波速分析首先需要有不同偏移距的觀測(cè)數(shù)據(jù)，其次是必須有有 效的數(shù)學(xué)方法。隧道內(nèi)地震反射波的走時(shí)方程如下： 式中 t表示觀測(cè)的反射波走時(shí)， t0表示掌子面到前方斷層的最小往返走時(shí)， (Zi,Xi)、 (Zj,Xj)、（ Zf,0）分別為炮點(diǎn)、接收點(diǎn)和斷層的坐標(biāo)。式中包含 3個(gè)未知量，隧道開挖段圍巖的波速 V掌子面前方圍巖波速 V2和最小走時(shí) t0。再由 t0和 V2確定 斷層位置 Zf。 由觀測(cè)數(shù)據(jù)僅可確定開挖段的圍巖波速 V1和斷層反射的最短走時(shí) t0；而 t0中包含斷層位置 Zf和前方圍巖波速 V2兩個(gè)變量，由一個(gè)方程無法確地，只能指定一個(gè)計(jì)算另一個(gè)，通常是指定速度計(jì)算斷層位置，這就是垂直剖面法觀測(cè)的缺陷。 TST技術(shù)使用偏移 疊加能量最大化原理進(jìn)行速度分布自動(dòng)掃描，確定最優(yōu)偏移速度。 TSP20 TGP206因?yàn)槭褂玫氖橇闫凭鄶?shù)據(jù)，速度掃描中不存在最優(yōu)速度，無法確定速度分布，只能靠直達(dá)波和經(jīng)驗(yàn)判定，缺乏客觀性，預(yù)報(bào)位置不準(zhǔn)確。 20222102 2)()( VZtV XXV ZZtt fjiji ?????? ，20202VZtV ZZtt fji ???? ， 疊加能量最大原理速度掃描分析 運(yùn)用散射理論提高超前預(yù)報(bào)的分辨率 目前的超前預(yù)報(bào)中應(yīng)用的理論主要為反射理論，如 TSP20 TGP20 TRT等，僅 TST技術(shù) 使用散射理論。 首先反射理論要求反射面尺度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)，實(shí)際 應(yīng)用的波長(zhǎng)一般是 2030m， 地質(zhì)界面 的 尺度一般小于或近乎波長(zhǎng)；其次，反射理論約定反射角等于入射角， 按反射理論 對(duì) 斜交斷層 在掌子面就 接收不到反射波，必然會(huì)漏報(bào)。散射理論中散射波是方向分布，在很廣的范圍內(nèi)都可以收到，不會(huì)漏掉斜交構(gòu)造和孤立體。 反射與散射理論對(duì)于地震記錄的理解是截然不同的。 地震反射理論與散射論的差異示意圖 TST 偏移成像技術(shù) 偏移成像技術(shù)是先進(jìn)的地震資料處理技術(shù)，可以充分 利用 地震資料的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)信息。用于確