隧道地震反射波預報系統研究論文

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論文關鍵詞：工程物探地震方法反射波隧道管波隧道圍巖探測TGP隧道地質超前預報系統

論文摘要：隧道工程是鐵路、公路和水利水電等大型項目中的重要工程，因地質條件不明造成隧道施工事故的危害是巨大的，加強隧道施工地質超前預報工作是非常必要的。國內外對隧道地震波超前預報技術已研究多年，筆者就這方面的現狀及進行了討論，指出了TSP儀器技術存在的不足，闡述了克服盲目性、提高科學預報的重要性，介紹了新開發的TGP隧道地震波預報系統與技術及應用效果。

隨著我國基本建設規模的擴大，隧道工程已經成為鐵路、公路和水利水電等大型項目中的重要工程。隧道工程的重要性越來越顯著，隧道工程的數量和長度明顯增加，規模不斷擴大。因此隧道工程的安全施工和貫通，是不可回避重要任務和技術難題。危及隧道工程施工的地質病害大致分為三類：1不良工程地質條件，諸如巖體的裂隙發育密集帶、構造破碎帶、巖溶發育帶、以及人工采礦造成的不良地質條件和高地應力造成的危害等；2不良水文地質條件，諸如巖溶水、構造和裂隙水等；3不良環境條件，諸如有毒有害氣體和強放射性的環境。對于以上地質問題,在隧道工程的勘察設計階段，已經投入大量的地質勘察工作，但是由于地質、地形條件的復雜性和相應勘察技術的現狀水平，以及時間、經費等條件的限制，勘察階段的地質資料一般難于達到施工階段的精度要求。國內外因地質條件不明造成隧道施工事故的教訓是不少的，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、衡廣復線建設中，因地質問題的停工時間約占到1/3；以及不久前發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，因此強調加強隧道施工地質超前預報工作是非常必要的。

我國隧道地震波超前預報技術的研究起始于上個世紀的90年代，鐵道部第一勘測設計院物探隊提出“負視速度方法”。鐵道部第一勘測設計院是較早研究隧道地震超前預報的單位。他們在1992年7月，利用地震反射波方法對云臺山隧道進行隧道超前預報，預報成果與開挖后的隧道左壁“破碎帶”和“斷層”的位置基本一致。從上個世紀90年代初開始，我國物探技術人員一直沒有停止對隧道地震超前預報技術的研究。曾昭璜（1994）研究利用多波進行反演的“負視速度法”，這種方法利用來自掌子面前方的縱波、橫波、轉換波的反射震相在隧道垂直地震剖面上所產生的負視速度同相軸來反演反射界面的空間位置與產狀。北方交通大學的陳立成等人（1994）從全波震相分析理論和技術的角度研究隧道前方界面多波層析成像問題，進行隧道超前預報。他們的研究成果在頡河隧道、老爺嶺隧道地質預報中應用，取得預期的效果。該方法的工作原理是以地震反射波方法為基礎。工作中他們根據嫻熟的地震反射波技術進行數據采集和數據解釋，當時沒有開發出針對隧道地震預報的處理系統，同時受當時條件所限制，該項技術未能得到進一步深入研究和發展。

1995年左右鐵道部下屬單位引進瑞士“TSP202”隧道地震波超前預報的儀器，當時曾組織系統內有關地質和物探專家在隧道工點進行了試驗，未見明顯的效果，認為其技術與“負視速度方法”基本一致，對其處理解釋系統爭議較大、認識褒貶不一，試驗工作無果而終，該設備技術的消化工作也就擱置了。時隔7年后,隧道安全施工要求進行地質預報,該儀器設備由鐵路系統的工程局又開始第二次引進，并直接用于隧道施工的預報工作。可以說由于第一次引進消化工作不深入，造成第二次引進后出現：應用工作中的盲目性和簡單化，以及其他一些不正常現象。在宜萬鐵路隧道施工中不斷出現的問題，使人們開始反思，不少論文也提出了存在的問題,鐵道部也下發文件要求科學地進行超前預報。可以說短短幾年的應用實踐,人們仍然在探索著地質預報技術的進步。

隧道地震波超前預報屬于物探技術，但比地面的地震波物探技術復雜，我國的地質物探工作者一直沒有放松該技術的研究工作。北京市水電物探研究所研究地震波勘察檢測技術已經有近20年的歷史，并且是多道瞬態面波勘察技術的發明單位，生產的SWS型工程勘察與工程檢測儀器系統，已經為400多家勘察設計、高等院所廣泛應用，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報技術，研究TGP12型隧道地質超前預報儀器，以及孔中高靈敏度三分量檢波設備，方便的孔中耦合技術，和Windows編程的數據處理軟件系統。在經過大量的預報實踐驗證后，于2005年通過了由國家隧道中心王夢恕院士組織的國內著名隧道專家的評審鑒定。該儀器系統推向市場不到2年的時間，已經有近20臺套投入到隧道超前地質預報工作中應用，反饋信息普遍受到用戶的好評。

鐵道部工程設計鑒定中心趙勇主編的《高速鐵路隧道》一書，提出隧道地質超前預報的方法有以下部分組成：①地質分析、②超前平行導坑預報法、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分析法、超前平行導坑預報法、超前水平鉆孔法相結合，解決不同地質災害的應用原則。書中介紹了國產TGP隧道地震波預報系統,聲波反射方法，地質雷達方法，紅外探水方法等。

本文就隧道地震波預報技術中的若干關鍵問題，并結合應用中的實際問題闡述如下，目的在于引起同行們討論，促進地震波預報技術理論水平的提高，促進采集數據質量的提高，促進資料的解釋推斷工作向合理化方向發展。

一、隧道地震波方法的預報原理

隧道地震預報工作利用地震反射波原理，在隧道內以排列方式激發的地震波，向三維空間傳播的過程中，遇到聲阻抗界面會產生反射波。聲阻抗是介質傳播彈性波的速度與介質密度的函數，介質的聲阻抗數值為速度與密度的乘積。因此地層中的巖性變化界面、構造破碎帶、巖溶和巖溶發育帶等界面會產生地震反射波，這種反射波被布置在隧道內的檢波器接收，輸入到儀器中進行信號的放大、數字采集和處理，實現地質預報的目的。

由此可以看出，隧道地震波預報技術是通過直接探查聲阻抗變化的界面，經過人工分析實現間接推斷地質病害的方法。

圖（2）不同夾角構造界面的地震波路徑與反射波記錄形態

圖（1）示意與隧道斜交的構造面，其地震波傳播的路徑圖，構造面上的地震波反射點在白色園內。圖（2）示意不同夾角構造面的地震波路徑與反射波記錄形態，與隧道夾角不同的構造面其反射點位置不同，地震波傳播路徑偏離隧道軸線也不同。構造面與隧道正交時地震波傳播路徑與隧道軸線平行，右圖為與隧道正交構造面產生的地震反射波記錄，根據反射波同相軸計算得到界面與檢波點之間巖體的地震波速度，該速度代表隧道圍巖的性質。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有關，而且與界面和隧道的夾角有關。應用地震波預報構造面位置的計算是利用地震波在炮孔段的傳播速度，各構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，應用中結合反射點偏離隧道軸線距離的遠近和巖體的各項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距曲線形態。實際工作中采集的地震波是錯綜復雜的，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方向的反射波，和各種形式的干擾波，這是應用技術中首先考慮的問題。

針對隧道地震波傳播的復雜性，TGP地震預報系統不僅利用地震反射波走時關系，同時采集空間地震波三分量記錄，進行地震波的極化分析與計算，該技術的突破有利于地質構造面產狀、規模和地質體性質的預報。

二、TGP隧道地質超前預報系統

隧道地震波預報的早期研究，是由研究和利用地震波在時間空間域中的運動學特征開始的，工作中認識到僅僅利用地震波運動學和動力學特征是不夠的。隧道工程的地震波在全三維環境條件下傳播，這種條件比地面上的平面半無限空間條件復雜得多，而且隧道內地震波的接收與激發測線與探測目的是近于垂直或者大角度相交的條件，因此影響在地質構造面上獲得大長度大面積的地震波信息量。針對這種狀況，預報工作僅僅利用單一模態的地震波難以勝任。因此，TGP系統強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系統的功能得到明顯的增強。

TGP隧道地質超前預報系統包括儀器設備和處理軟件兩大部分。其中儀器設備有TGP型儀器主機、接收傳感器、孔中定位安裝工具和電纜等。圖（3）是TGP隧道地質超前預報系統的主機。其處理軟件由地震波數據輸入與編排、空間坐標建立、能量均衡、干擾波分析與去除、觸發時差校正、譜分析、縱橫波分離、巖體速度參數計算、回波提取與偏移圖、有效波分析與衰減參數計算、極化波處理與構造產狀圖、綜合分析與繪制成果圖等模塊組成。

工程應用中，TGP型隧道地質預報系統對于500多米距離的構造面具有清楚的地震反射波信息，說明儀器系統具有足夠的信噪比。實際工作中考慮預報距離和分辨精度兩方面要求，預報距離一般采用150米至200米。TGP型隧道地質預報系統具有登記全部測長距離內地質構造信息的功能，利用逐次遞進的位置相關分析，和源生成果對比等處理功能，有利于去偽存真和排除異常，提高預報成果的質量。該系統2005年8月通過由國內知名隧道、地質、物探專家組成的專家組評審鑒定。專家們一致認為“TGP12儀器與相關的處理系統，性能穩定可靠，采集的波形完整，信噪比高，與國外同類儀器對比整體上具有國際先進水平，可替代進口產品。”具體評審意見如下：

1、TGP12是集信號放大，模數轉換，數據采集、存儲和控制為一體的密封防水防震的物探設備；優于利用微機裝配式結構的儀器，TGP12適合在惡劣的隧道環境中使用。

2、TGP12的三分量速度型檢波器具有高靈敏度，指向性強和較寬的頻帶響應等特點，因而拾取的地震波信號具有高的質量品質。TGP12孔中接收檢波器采用黃油耦合，方便、經濟、快捷。優于在鉆孔中需要錨固異型鋼導管的方式。2米長的鋼導管難于攜帶、運輸，價格昂貴，一次性使用，費事費工費財。

3、TGP12的地震波采集觸發是開路觸發方式，即信號線在雷管引爆炸藥的同時被炸斷，信號線同時開路觸發儀器采集，儀器采集無延時差，保證定位的準確性。超前預報儀器若采用起爆器電脈沖同時觸發電雷管和觸發主機采集的方案，由于電雷管起爆的延時時間難于做到一致，因此會造成儀器采集的走時誤差，這種觸發方式在我國的地震波勘探規程中明確規定不宜使用，更何況隧道巖體的速度比覆蓋層介質的速度高出幾倍以上，以巖體波速4500m/s～5500m/s為例計算，每一毫秒誤差會造成2～3m的預報距離誤差，一般瞬發電雷管的延時誤差不止一毫秒，因此由20多次激發的平均線計算隧道巖體速度，和利用存在誤差的時間計算距離，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軟件的長處，并充分考慮彈性波在三維空間的傳播特點，以及根據TGP儀器采集的數據格式編寫。功能特點如下：

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

（2）對P波、SH波、和SV波的分離完善合理，這是超前地質預報數據處理的關鍵工作之一。

（3）處理軟件具有相關部分互相檢查的功能，例如點擊偏移歸位成果圖上的反射界面位置，程序會轉到該位置界面的反射波組位置，通過分析反射波組的連續性、反射波的極性和能量，確定偏移成果的可靠性和性質。有助于去偽存真，由此及彼，由表及里，深化認識，使預報結論科學可靠。

（4）TGPWIN處理中有自動處理方式，也有手動處理方式，有深入分析異常可靠程度的追蹤功能，這樣設計既適應非物探專業的普通工程技術人員使用，又適應物探專業人員分析地震波傳播特性，對復雜地質條件進行深入研究工作的需要。

5、TGP12系統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：對已襯砌的隧道進行襯砌脫空檢測，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方式做到短距離更為精確的地質預報，因而它是一機多能的設備。

TGP12的性價比與國外同類儀器相比具有明顯的優勢。而且研發、生產在國內，用戶可以獲得及時周到的技術服務和技術支持，以及儀器維修等方面的方便性。

三、工程應用實例

宜萬鐵路涼風亞隧道的巖性為灰巖，TGP12型儀器與進口TSP203儀器進行了同點試驗，預報成果如下，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，推斷以上兩處構造帶存在有充水或巖溶發育的可能性、。此結論經過日后的隧道開挖證明完全正確。在隧道施工的《變更設計建議書》中結論：“在隧道左壁的DK53+322段發現巖溶，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，節理發育，受溶洞影響，拱頂巖層出現楔體破壞、掉塊”。

TGP12型隧道地質預報系統在云南水富高速公路冷水溪隧道，宜萬鐵路王家嶺隧道、涼風埡隧道，青島海濱高速仰口隧道，重慶地區數條公路隧道，以及武廣客運專線大瑤山隧道等工程使用，獲得滿意的預報效果。

1、隧道地震波超前預報的概念解釋

隧道地震波超前預報技術翻譯成英語是“TunnelSeismicPrediction”，簡稱“TSP”。在我國《客運專線鐵路隧道施工技術指南》的第5.0.8條使用了“TSP”縮寫詞。一般規程中使用縮寫英語字母表示某種技術是正常的事情，但是在隧道地質超前預報工作中卻出現被歪曲利用的現象，把“TSP技術”歪曲解釋成“TSP***儀器”。這種現象對隧道超前預報技術的應用，造成了不良的影響。在有的地方和部門的隧道施工招標和設備招標工作文件中也存在把“TSP技術”歪曲解釋成“TSP***儀器”的現象，這是對隧道地震波預報技術缺乏科學認識。

因此，正確認識：“TSP技術”即隧道地震波超前預報技術，有益于正確執行我國的現行隧道規程規范和法規，有益于隧道工程的招投標工作，有益于隧道地震波預報技術的進步，有益于誠實誠信的預報技術服務。

2、隧道地震波預報中的接收與激發問題

在隧道地震預報工作中，有的采用把接收與激置在隧道的洞壁上，這種做法不妥當。眾所周知，洞壁的表面波傳播較強，對地震反射波會形成不容忽視的干擾。同時鉆爆施工影響洞壁巖體松動，局部超欠挖使得洞壁巖體不平整和完整性差，接收檢波器和激發點受局部巖體影響大，地震波的傳播和衰減比較復雜，嚴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與接收的做法。

有關

在洞壁激發和接收中面波的干擾問題，原清華大學聲學教研室的沈建國教授曾經作過物理模型試驗，見圖（6）。模型設計在隧道前方有一個溶洞，洞徑與隧道斷面相當，分別在洞壁的4個深度布置接收排列。

圖（7）是洞壁采集的地震波記錄，圖（8）是在洞壁一定深度內采集的地震波記錄。圖中：藍色直線Vp表示直達縱波；藍色曲線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）對照可以看到：圖（7）面波Vr幅度強，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出來。這個模型試驗的結果明確說明面波的干擾在鉆孔一定深度呈現減弱的趨勢。因此，在隧道地震波超前預報檢測工作中，采取孔中激發和接收技術措施壓制面波非常必要，是提高反射回波記錄信噪比質量的重要環節。

TGP隧道地震波預報系統的接收和激發，結合現場施工的方便性，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：易于產生高頻地震波，提高分辨率；同時爆炸泄放到隧道內的爆炸聲音小，減弱隧道管波的干擾能量；爆炸時水由孔中噴出的過程有益于產生水平偏振，加強橫波的能量，有利于地震預報工作中實現采集高質量的多波信息，實現多波多參數的預報目的。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，通過耦合劑實現與鉆孔壁的直接接觸，檢波器信號輸出采用軟電纜，和采用吸聲軟材料封堵鉆孔口等措施，對于高保真地接收地震有效波信號，減少產生干擾波環節等方面很有益處。

3、隧道地震波預報中的干擾波

在隧道地震波采集過程中，存在著多種干擾波，對此必須有明確地認識。例如：對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；洞內電磁波干擾；以及接收裝置設計不當產生的干擾波等等。正確認識干擾波和產生的原因，才會采取正確的措施獲得高質量的現場地震波記錄。下面重點討論隧道管波的干擾問題。

隧道管波由激發孔爆炸時聲波泄放到隧道中產生，被接收傳感器接收造成對記錄的干擾，見圖9。

圖中地震記錄50毫秒以下出現的呈斜線“黑點”，在右圖中斜線用“紫線”表示，由記錄上的時距線計算“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”出現后覆蓋其后出現的地震反射波。“隧道管波”幅度的大小與激發和接收條件有關，“隧道管波”在地震記錄上出現的位置與采集偏移距離有關。該紫色線位置為偏移距離為20m的“隧道管波”出現位置。圖中藍色線表示速度為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。上部的藍色線Vp和紅色線Vs分別表示由震源向前傳播的直達縱波與橫波。下部的多條藍色線Vp100、Vp150、Vp200分別表示掌子面前方100米、150米、200米距離處構造面的反射縱波，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重，這種現象嚴重影響縱、橫波雙參數預報。

我提出隧道管波的嚴重干擾問題，希望引起足夠的重視，加強地震波檢測理論的學習，克服對有效波和干擾波不加區分，盲目按照流程進行處理的做法，才可以糾正成果中以夾雜干擾波假象進行預報的局面。

在京西梨園嶺隧道TGP206與TSP200在同一次預報中進行試驗對比，發現TSP200儀器采集的記錄中有嚴重的隧道管波，TGP206儀器采集的記錄中無隧道管波。兩臺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如此之大的區別，關鍵在TSP200儀器的接收裝置設計不合理。我分析過近百個TSP203與TSP200儀器采集的記錄文件，記錄上普遍存在著“隧道管波”，檢查數據處理的過程中也未見對干擾波進行處理，而是作為地震反射波數據參與了處理，隧道管波干擾的假象混雜在預報成果圖中。近幾年，我看到的使用TSP203和TSP200資料發表的預報文章中，其現場采集的偏移距離（接收到最近激發炮之間的距離）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成對有效波預報的嚴重干擾。我們對以如上參數采集的記錄作個初步的分析，假設巖體條件為完整的微風化硬巖，以巖體的縱波速度為4500米/秒，橫波速度為2500米/秒計算，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。以現行TSP200或者TSP203雙參數預報的做法評論，其未受隧道管波干擾的預報距離為60米左右。如果巖體條件降低，雙參數預報的距離還要大打折扣。如果按預報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。請有關使用者自己檢查已經處理過的文件，分析我的結論是否有道理。也不妨召開一個有代表性，而且能夠深度研究隧道地震波預報技術的會議，研討是否存在隧道管波干擾的問題和改進措施。

我提出一個不得已而為之的方法，供大家思考。根據各種波傳播路徑和速度差異的原理，即隧道管波在隧道內的空氣中傳播，其速度低，地震波在巖體中傳播其速度高，現場采用加大偏移距離進行預報數據的采集方法，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的時間，加大反射波接收的時間窗口，可以起到加大預報距離的目的。圖（10）下部標注有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，反射波的時間窗口加大，在巖體為完整微風化硬巖的條件下，縱波反射基本上不受干預，橫波反射受影響的地震道約為30%。這種方法的不利點是偏移距離加大會影響到地震波頻率的降低和能量的衰減，但是權衡利弊，實現“隧道管波”下移的方法，避開隧道管波的干擾，無疑是一個不壞的辦法。

隧道管波在記錄上的幅度與激發泄放到隧道中的能量，以及接收裝置系統對隧道管波的壓制能力有關。“隧道管波”產生的源頭在激發，在激發孔沒有注滿水、或激發孔太淺的條件下，激發能量會大量泄放到隧道內。因此，注意改善激發條件有利于減弱隧道管波的干擾。

有關是否可以采取濾波方式處理“隧道管波”的問題。“隧道管波”的頻率與激發條件、接收裝置條件、以及隧道圍巖的性質等有關系，也存在接收裝置系統在受震條件下產生次生震蕩波，綜合起來的干擾波比較復雜。通過濾波方式處理不宜實現濾除目的，如果采用的濾波參數不合理，還會產生改變地震波信息造成其它成果假象的可能性。

4、隧道埋深與預報距離

有一位從事海底隧道地震波超前預報的工程師向我詢問有關預報距離的問題，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。在隧道地震超前預報中，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生的反射波，與地質構造面產生的反射波均會被儀器接收并疊加在一起，造成地震波記錄復雜化。所以，在海底隧道或者淺埋隧道進行超前預報時，要綜合考慮上述影響，合理確定預報的距離。一般在無法剔除地形等界面反射波影響的條件下，控制預報距離小于隧道埋藏深度為宜，對于大于埋深的距離預報要慎重。

5、關于圍巖參數的預報問題

關于隧道圍巖參數的預報問題，應該明確兩個問題：一是地震波預報方法獲得圍巖參數的原理和作用；二是利用圍巖參數變更隧道圍巖級別的合理性。

地震波預報方法獲得的基本參數是縱波速度和橫波速度，其他參數均是由此計算得到的二級參數。利用地震波方法求取速度參數計算的過程中，速度數值與介質本身和反射界面的角度兩個變量有關系。在地震波預報求取速度的過程中，以測量段（炮孔段）巖體速度為基本參考值，計算中同時考慮巖體反射界面的反射幅度強弱作為計算因素，帶有相關比較的性質，因此得到的速度數值稱為估算速度，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，它既不是常規地震波勘探中的均方根速度，也不是巖體的真速度。

地質界面與隧道的關系，地質界面正交隧道軸線的情況應該說是個別的，普遍存在的應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，地質界面與隧道的夾角越小（以正交為90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。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，因為地質巖體具有的非均質、非連續和各向異性是不容忽視的。

在明確地震波預報獲取的速度含義以后，我們來分析利用該速度進行“隧道圍巖彈性波分級法”和變更隧道圍巖級別的問題。“隧道圍巖彈性波分級法”顧名思義，是隧道圍巖彈性波的一個分級方法，而不是隧道圍巖地質分級的全部。勘察設計報告中圍巖級別的結論是綜合考慮：隧道通過地帶巖體的工程地質、水文地質、隧道埋深與地應力，以及隧道圍巖彈性波參數等多方面的資料做出的，僅僅利用預報獲得的巖體參數變更圍巖的級別存在著片面性。

舉例說明如下：圖（11）是TSP203儀器預報成果圖中的一部分，圖中上半部分三項參數的直方圖，由上而下為巖體分段的縱、橫波速度參數值；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為序，統計反射界面與隧道軸線的夾角，匯總成表1。

序號

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中最后兩個界面的里程和夾角，根據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，分別見圖（12）。

上圖的預報距離為100米：圖中序號11的界面在2188里程，構造面與隧道夾角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10界面在2184里程，構造面與隧道夾角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。如果以正常預報距離150米計算，反射段偏離隧道的距離達到70～80米。地震波射線與隧道軸線方向不同，射線路經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則更無道理。至于圖中提供的其他巖體動參數，例如：動彈性模量、動剪切模量、動泊松比和巖體密度值等參數，皆由巖體縱波和橫波速度計算而來，擺在報告中也就是一堆動參數。況且在沒有具體巖體動靜參數對比資料的基礎上，如何使用也存在問題。

我認為隧道地震波超前預報，應該是以預報地質災害和不良地質條件為主，以估算速度參數定性評價圍巖地質條件為輔的方法。

五、結語

隨著我國基本建設規模的擴大，隧道工程已經成為鐵路、公路和水利水電等大型項目中的重要工程。根據國內外隧道施工的經驗和教訓，科學地開展隧道地質超前預報工作是非常重要和必要的。近幾年來隧道地震波預報技術已經成為工程界的熱門話題，自然也會出現各顯神通的局面，因此，圍繞預報中有關技術問題展開討論，進行必要的技術交流，對于促進應用技術的科學進步，促進隧道地震波預報技術的提高，是非常必要的。