1TGP隧道地质超前预报的优势

刘云祯 梅汝吾

摘要：本文针对当前隧道地震波预报工作中，由于对三维条件下地震波检测的难度缺乏认识，存在盲目应用的状况，本文以TGP隧道地质预报系统的技术进步为例，从设备性能、采集和处理技术、以及解释推断等九个方面对相关技术问题进行探讨，并以国内外同类设备的具体数据和工程实例予以说明。供从事隧道地质超前预报的同行和施工管理人员参考。

关联词：地质超前预报 隧道管波 估算速度 三维空间 多波多分量

0 前言

隧道工程是铁路、公路和水利水电等大型项目中的重要工程。在当前我国高速铁路、高速公路大建设的形势下，隧道工程的数量和长度明显增加，隧道工程的规模不断扩大，相应地质条件的复杂性和施工难度也不断增加。尽管在隧道的勘察设计阶段已经投入大量地质勘察工作，但是由于地质、地形条件的复杂性和勘察技术的现状水平，以及时间、经费等条件的，勘察阶段的地质资料一般难于达到施工阶段精度的要求。国内外因地质条件不明造成隧道施工事故的教训是不少的，尤其是在我国宜万铁路线的施工建设中，线路穿越长江水系的岩溶极其发育的灰岩地带，曾经发生过齐岳山、野三关和马鹿箐等隧道的大突水事故。以上隧道施工事故的危害是巨大的，为此铁道部发文要求加强隧道施工地质超前预报工作，加强隧道施工管理工作。

我国隧道地震波超前预报技术的研究始于上个世纪的90年代，作为铁道部的科研项目由铁一院物探队提出“负视速度法”，并在1992年成功地对侯月线云台山隧道、宝中线颉河隧道和老爷岭隧道的断层破碎带位置进行了准确的预报。曾昭璜（1994）研究隧道垂直地震剖面（TVSP）技术，提出要利用来自掌子面前方的纵波、横波和转换波等多波进行反演反射界面的空间位置与产状的认识。现在看来这些学术观点具有非常重要的价值，但是遗憾的是他们未能在专业设备和软件处理两方面开发产品，因此影响到该技术成果的推广应用。与此同期，铁道部下属单位引进瑞士的TSP202 隧道地震波超前预报仪器，并组织地质和物探专家进行了试验，认为其技术与“负视速度法”基本一致，试验工作结束后，对该设备的技术消化工作也就搁置了。

时隔7年后,鉴于隧道施工预报的需要，铁路系统的工程局第二次引进TSP203地震预报仪器。该期间多数单位采用“速度参数曲线”进行预报，热衷于利用速度参数进行隧道围岩级别的设计变更，宜万铁路等隧道施工中不断出现的重大突水突泥事故，使人们开始反思。偏离隧道轴线的射线速度如何评价隧道轴线方向的围岩级别，缺失预报数据的检查环节如何保证预报成果的质量，把存在干扰波的数据输入程序中参与处理如何辨识成果的真实性。不少论文从不同的角度提出TSP203仪器应用中的问题，指出在应用工作中存在的盲目性和简单化。

北京市水电物探研究所20多年来专攻地震波勘察检测技术，期间发明“多道瞬态面波勘察技术”和开发出SWS型工程勘察与工程检测系统，并成功推广400多台套设备系统应用于国内外的勘察工作。面对隧道地震波超前预报工作存在的问题和需要，2003年开发研制出隧道地震波预报系统，应用多波多分量的数据采集技术和三维空间条件下的极化波处理技术，实现了地质界面的空间定位和产状分析功能，其间贯穿了利用弹性波场所蕴藏的多种信息为地质超前预报服务的宗旨。该系统在经过大量的预报实践验证后，于2005年通过了由国家隧道中心王梦恕院士主持的隧道专家会议的评审鉴定。几年来已经有近40台套设备应用于隧道超前地质预报工作，普遍受到用户好评，充分体现TGP隧道地质超前预报技术的优势。

1、预报仪器的主机

隧道地质超前预报仪器的主机是现场地震波数据采集的主要设备之一，其数据采集的A/D模数转换不小于20bit，折合到输入端的信号电压为微伏级别，因此要求预报仪器主机的线性电路和数字电路必须具有极低的噪音水平，由于目前智能化仪器需要CPU控制，因此线性电路和数字电路之间连接电路、以及与CPU芯片端口的连接必须做好光隔离设计。为此国内外专业级别的地震仪器都采用防静电、防电磁、防水、防震的密封箱体结构。而TSP203隧道地震波预报仪器却采用笔记本电脑和电路箱体拼接式结构，键盘外露。这种仪器结构存在四个方面的问题：①笔记本电脑的杂散感应电压会通过连线影响放大电路，造成仪器的噪音水平加大，降低仪器的信噪比性能；②外露键盘在粉尘多、湿度大、滴漏水多的隧道环境下应用存在问题；③笔记本电脑采用硬盘作为存储介质，在隧道内外温差大、湿度大的条件下，硬盘盘面存在容易结雾而失灵的安全隐患；④隧道地震波预报需要仪器具有大动态范围，因为由震源传播的地震波能量很大，由隧道前方反射或绕射回来的地震波能量很小（界面损失大部分能量，信号衰减与传播距离的平方成正比），要保证两个极端信号的完整有效采集，仪器必须具有足够大的动态范围，所以要求尽量减少干扰环节。国际知名的地震波仪器均采用专业级别的密封箱体结构，不仅仅是表面形式，而是专业测量工作的需要。

我所研制生产的TGP12和TGP206两种型号的隧道地震波预报仪器采用一体化，充分考虑到以上因素，按专业化要求做出的设计。并高标准设计信号端口采用精密低噪的光隔离器件，并设置存储介质为电子器件以提升适应性能。应用实践证明，以上TGP预报仪器主机的设计对于采集高质量的地震波数据起到保证作用。图（1）国内外预报仪器的主机结构图。

2、接收传感器

接收传感器是采集地震波数据的关键输入设备，其性能直接关系到地震数据采集的质量和处理成果质量。因此用于隧道地震波预报的检波器在灵敏度、指向性和频响特性等方面具有特殊要求。检波器具有高灵敏度有利于接收远距离回波的弱信号；检波器具有高指向性（定向灵敏度）有利于对多波和多分量地震波的接收。其效果一方面使纵、横波清晰分辨，另一方面对来自空间某点的回波在互相垂直的三个检波器上具有明确的分量，有利于矢量计算。检波器具有与隧道地震波频率相适应的频响特性，可以突出和保证有效波信号的接收。检波器具有以上性能是保证地震数据实现计算界面空间定位要求的关键环节。

TGP型隧道地震波预报系统采用速度型检波器，TSP型预报仪器采用压电式检波器，二者比较，TGP速度型检波器在以下三方面具有技术优势：①速度型检波器的灵敏度高于压电型检波器。②速度型检波器的指向性通过合理的导向设计可以提高其接收指向性；而压电检波器的指向性与材料和晶片直径有关，通过加大晶片直径提高指向性，在钻孔孔径为50毫米的条件下受到，而小直径压电体的指向性难于提高。③TGP检波器采用高频地震检波器设计，未采用更高频响特性的压电体，实践证明其频带与隧道地震波相适应。

我们统计了大量TGP地震波频谱分析资料，提出隧道地震波传播的频率与岩性条件有关，就纵波频率而言：一般软岩为200～400赫兹；硬岩为400～1000赫兹；完整新鲜的坚硬岩为1000～1500赫兹。对于以上隧道围岩的地震波频带成果，我与铁四院曹哲明物探总工程师交换过意见，我们具有共识。他在担任铁四院宜万铁路指挥部施工地质部期间，审阅过许多TSP203的预报成果，他对TSP203记录中以优势波存在高频信号多次提出质疑。我们也对部分TSP203/200型仪器的记录进行过频谱分析，发现TSP203/200记录中几千赫兹的高频信号为高频干扰波。此问题在以后章节具体论述。

在地震波勘察和检测的行业规程中，鉴于现场数据对处理成果的重要性，有专门的章节规定数据质量的要求。而一个时期以来，在隧道地震波预报工作中缺失了这个环节，为了研究隧道地震波数据质量，下面提供如下TGP206记录，供有兴趣者研究纵、横波特征、频响特性和记录面貌，以便对隧道地震检波器性能有所了解。

图2

预报采集的三分量记录

图（2）为检波器采集的记录，由左到右分别是：检波器灵敏度方向与隧道线同向、在水平面与隧道线垂直、和在铅垂面与隧道线垂直的三个分量的地震波记录。每单个分量记录上有24次炮震源产生的道记录，每道之间的距离（∆X）为2米，竖轴表示地震波传播的时间(∆T)。由图可见：纵波速度高时间短，波动在记录的最前面以首波出现，由左到右的首波形成一条轴，地震勘探中称谓“纵波同相轴”，利用任意道之间的∆X/∆T可以得到 “纵波同相轴”速度；而横波速度低时间长，其波动在纵波的下面以续至波叠加在纵波的余震上，其“横波同相轴”速度明显比“纵波同相轴”速度低。通过以上介绍，可以看到记录

上纵、横波具有清晰分离的特征。

图（3）为天宝高速公路某隧道记录，岩性为砂页岩，其纵波主频频率为173 Hz, 横波主频频率为96 Hz。图（4）为铁路武广客运专线大瑶山某隧道记录，岩性为灰岩，其纵波主频频率为960 Hz, 横波主频频率为260 Hz。由以上2张记录可以看出：坚硬灰岩的岩体速度高、传播频率高，软弱砂页岩的岩体速度低、传播频率低，同时两种岩体的纵波频率明显高于横波的频率。

以上TGP仪器的三分量记录和对记录的地震波特性介绍，可以作为检查其它预报仪器采集数据的参考，我相信通过采集的实际地震记录分析，对于认识检波器在灵敏度、指向性、和频响特性等有帮助。

耦合方式是指隧道孔中检波器与钻孔壁如何接触实现地震波高质量接收的方式，钻孔中检波器的耦合有以下几种方式：① 采用固化剂使检波器与钻孔固结为一体，效果最好，但检波器为一次性使用，成本高；② 通过器具挤压检波器贴紧孔壁，挤压贴紧则效果很好，检波器重复使用；③通过液态或半液态耦合剂使检波器与钻孔壁耦合，检波器依靠自重接触孔壁，波形可靠，操作便捷，成本低；④ 采用环氧固结一根金属套管，检波器贴在套管内壁上，其波形与金属套管和钻孔壁整体固结的效果、以及检波器与套管壁贴紧的程度有关系，两根套管一次性使用，成本费用很高。

TGP型检波器采用③或②+③相结合的耦合方式，TSP203型检波器采用④耦合方式，其示意图见图（5）和图（6）。两种预报仪器采用不同的耦合方式，其实际地震波接收记录的效果有很大差别，具体阐述如下：

TSP203检波器的耦合方式存在三个问题：①在环氧与固结剂搅拌不匀条件下，套管与钻孔不易实现整体固结，在受震条件下套管易产生自震。尤其在使用者盲目采用不固结方式（目前国内多数使用单位）以便套管重复使用，这时的自震波干扰尤为严重。②检波器在使用之初通过紧密公差配合贴紧套管内壁，在使用一段时间后检波器触点磨损，与套管壁的贴紧程度变差，影响信号接收。③接收检波器与铝杆、管帽和套管连在一起，在受震条件下存在结构的共振干扰。以上三个主要问题造成其采集的地震波记录信号失真，频谱分析其主频达3000HZ以上，见图（7）。这种装置容易接收的隧道管波干扰在以下章节叙述。

TGP型检波器采用③或②+③相结合的耦合方式,采取清除钻孔岩份，注入黄油或泥浆，定向推进半圆形挤压器具，然后定向安装检波器，并迫使检波器被挤压贴紧在朝向掌子面一侧的孔壁上。这种耦合方式使检波器外壳紧贴钻孔孔壁，检波器与孔壁间的空隙由黄油或泥浆密合，有利于地震波信号的直接接收和降低信号的衰减。检波器信号通过橡胶电缆线与仪器连接、孔口采用软纸团和孔口封堵器，该两项措施减少了检波器以外其它环节的震动干扰和具有压制隧道管波的效果，采集记录见图（8）。有关隧道管波的干扰在以下章节阐述。

由采集记录检查耦合效果是最直接简单的方法，根据记录上的P波分量、SH波分量和SV 波分量是否具有相应的指向灵敏度和纵横波是否清晰分离等特征，可以直接对记录质量得出评价。耦合不好对三个分量所有的炮记录都有影响，所以耦合是保证检波器性能的重要条件。耦合方式的选择除技术因素之外，操作方便、快捷，经济有效也是一个要考虑的因素。TGP预报系统的检波器耦合耗材成本在300元以内，TSP203预报系统的检波器耦合耗材成本7000元以上。

4、数据采集的触发方式与误差

地震波预报与其它地震波勘探一样，均要求对地震波的传播时间精准测量。其中涉及震源信号的产生与仪器采集的同步问题。同步采集与触发方式有关，触发方式的选用原则与震源类型、测量环境、测量精度有关。在长距离预报采用炸药震源条件下，TSP203采用爆炸机的同步脉冲信号触发仪器采集，TGP206采用炸药包上的回线断开触发仪器采集。下面分析两种触发方式和触发的精度。

TGP206仪器采用回线开路触发方式，具体操作是把回线绑扎在震源上，通过震源爆炸时炸断回线触发仪器开始采集。该方式与爆炸产生过程中的雷管延迟没有关系，因而在绑扎回线不松脱条件下，爆炸的同时触发仪器采集，不存在触发的时间误差。TSP203/200仪器采用爆炸机脉冲信号触发方式，其触发过程是爆炸机同时送出两路电信号，一路脉冲信

号触发仪器开始采集，另一路高压脉冲电信号供给电雷管。在这个过程中误差的主要根源在于电雷管，众所周知瞬发电雷管有“时间延迟差”，即从受电到爆炸需要时间，该时间与瞬发电雷管的型号有关系，一般为几毫秒。因此TSP203的触发方式存在仪器开始记时早、雷管和药包爆炸迟后的现象，造成地震波传播时间的测量误差，并且该误差具有一定的离散性。我们曾经进行过多次TGP206仪器和TSP203仪器的同炮对比实验，通过两台仪器对应道记录的测量，发现采用铜质电雷管的时间误差为0.5至2毫秒，采用纸质电雷管的误差为1至4毫秒。以岩体速度为4500米/秒计算，上述触发误差会造成预报距离出现2至8米的误差。如果地震波频率为1000赫兹，道间存在0.5毫秒时差则会形成地震波同相轴的反向，影响地震反射波同相轴的识别和计算回波的极性符号，影响到对界面性质的推断。

图（9）为TSP203采用脉冲触发采集的地震波记录，图中直线附近首波上下跳动，即为触发造成的时间误差；图（10）为TGP206采用回线开路触发采集的地震波记录，图中首波同相轴整齐排列，除第15道因绑扎松动存在0.5毫秒误差外，其余均不存在触发误差；图（11）为不存在触发误差的记录，可见首波同相轴齐整，由界面产生的地震反射波同相轴也清晰可辨（红线处）。图（12）是图（11）人为制造道间误差1毫秒的记录，首波与反射波的同相轴则难于辨认。通过以上几张记录图不难看出采用合理触发方式的重要性。

图（9）图（10）图（11）图（12）

5、隧道管波干扰的认识与处理

在上一节提到隧道地震波采集中存在隧道管波干扰，为了方便了解隧道管波在采集记录上的表现，请先参阅图（13）。图（13）在记录中部沿红线出现的波形，按波的传播时间计算，该波的传播速度接近340米/秒，由此分析为爆炸源泄放的声波在隧道内的传播速度。由于炮孔间距相等，所以传播为等时差直线。图（13）右图中直线下方呈曲线状出现的波形，为爆炸声传到对侧洞壁，经过反射又传播到检波器接收所造成，故为曲线形态。在红线以上的区段为反射回波，记录上近乎直线，反映反射波信号的幅度小于声波的幅度，因此是不容忽视的干扰波。在地震波垂直剖面测井中存在井液管波，所以我把隧道内传播的声波命名为隧道管波。

在宜万铁路线隧道进行TGP12仪器和TSP203仪器的对比试验中，最早发现隧道管波的影响不容忽视，见图（14）和图（15）。图中上下图件为两种仪器同点对比试验的成果图。上图为TGP12仪器的成果，下图为TSP203仪器的成果。两种仪器的偏移图在后半部表现出差别：TSP203的偏移图在远离隧道掌子面位置呈现偏移色条线变宽，颜色变重，说明有较强幅度波的存在；而TGP12仪器的偏移图在对应位置异常不存在。隧道施工“变更设计书”证

明在距离隧道掌子面50米的位置存在构造岩溶，而在其后地段未见地质异常。“变更设计

图（15）偏移成果图

图（14）偏移成果图

有管波记录无管波记录 图（17）上图有干扰，下图无干扰

图（16）干扰波记录与无干扰记录

在TSP203/200仪器的速度参数成果图中同样存在隧道管波的影响，有些论文采用TSP203/200的速度参数成果图论述应用的效果，却不知道图中后半部分的成果是干扰波所造成，见图（18）。我研究过部分TSP203/200仪器采集的记录和处理成果，发现隧道管波对速度参数曲线影响的区段，一般在掌子面前方80米至100米距离以后。其影响程度的大小与隧道管波的强弱有关，其影响起始距离的远近与偏移距离（检波器与最近炮孔之间的距离）有关。

本节介绍“隧道管波”产生的原因、在记录上的表现，以及对处理成果的影响，目的使从事地震波预报的工作者，认识在隧道地震波数据的采集过程中，检波器对有效波和干扰波都采集，而且在隧道环境中还有其它的干扰波，这是客观存在的，是不论使用什么仪器都必须面对的问题，所以工作中不能盲目应用。要认识干扰波的存在；要分析干扰波产生的原因；要采取合理的检波器设计和耦合方式、以及合理的观测系统；要使用对于隧道管波等干扰具有处理功能的程序。总之，如果对此缺乏足够认识，将会严重影响隧道地质预报结论的正确性。TGP型预报系统强调利用有效波，在采集和处理两方面采取措施，实现预报成果资料的真实性，实践证明效果是显著的。

6、偏移成果及可靠性分析

成果图是进行地质预报解释的重要依据，成果图中的异常既有有效波生成的、也有干扰波生成的，因此进行筛选的工作是需要的。在TGP成果处理系统中设置“成果与对应地震波检查”的功能，通过点击图象上的异常点，程序自动搜索到生成异常的地震回波同相轴，并在屏幕显示偏移异常与地震回波同相轴的对应关系，有利于解释人员根据地震波同相轴的位置、形态、衰减等特征分析地震波的有效性、地震波的来源方向、以及地震波同相轴的性质等。

偏移图是界面回波进行绕射波偏移归位处理的结果，根据偏移图异常可以推断岩体中存在界面的位置、规模和属性。图（19）为宜万铁路线某隧道地震波预报的偏移成果图，偏移图在DK53+325至DK53+345段、DK53+370至DK53+375段存在两条兰色（负反射）偏移图象，前面的异常带宽、兰色条带呈弯曲状，后面的条带窄且较为平直。对应图上方的拟地震波曲线呈现向下的波形（负波），而且呈现为低频波动的形态。对偏移图的物理解释如下：偏移条带表征界面的存在，红色（正偏移）条带表示界面前方岩体的声阻抗（岩体密度与速度的乘积）大于后方，兰色（负偏移）则相反；偏移条带弯曲反映界面与隧道斜交；偏移条带的宽度反映异常的规模；拟地震曲线的负波低频波动反映岩体声阻抗明显降低的特征。隧道开挖后实际地质条件（摘录隧道变更设计书）是：在隧道开挖至里程DK53+322时在右边墙处发现构造岩溶，初见溶腔宽度约2.5米，该溶腔构造沿隧道线路方向渐往左移，穿越拱顶后至隧道左边墙的DK53+339里程，并继续向边墙外延伸，雨后DK53+322处溶洞有较大水量流出，DK53+339处溶洞有少量渗水。该段围岩较破碎，拱部岩层产状平缓，节理发育，受溶洞影响，拱顶岩层楔体破坏。由此可见图（19）偏移成果图物性异常资料与隧道构造岩溶的地质条件基本吻合。

由以上介绍可以看出偏移图在预报解释中的作用，因此确认图件异常的可靠性则显得尤为重要，下面结合工程实例分析偏移图异常的可靠性。天宝高速公路某隧道的地质勘察报告中结论在隧道前方有一条规模较大的断层，由于只有一个钻孔的资料，因此对于断层的规模、分布位置不清楚，需要通过地质预报予以探查。图（20）为采用TGP预报得到的偏移图，为了检查里程DK660处偏移的可靠性，点击该处偏移图，则在图右侧显示出地震回记录和对应的回波同相轴。该同相轴显示24个地震道在传播时间、波形形态呈现较好地规律性，说明该界面的存在是肯定的、而且界面延展具有连续性；同相轴的波形幅度显示由前往后衰减的特征，反映地震回波是由隧道前方返回的，说明界面与隧道大角度相交的状态。

通过“可靠性分析功能”由成果中的异常追索到记录中的地震回波同相轴，通过分析地震

波的属性，步步查实，对于确定预报偏移成果的可靠性会感到踏实。

图（ 21）为广武高速铁路大瑶山隧道超前预报的偏移成果图。图中偏移异常条带呈现中间宽的尖灭特征，点击异常部位显示出在地震记录上回波同相轴断断续续，该特征与上图中24道信号波形相似且连续的局面形成明显对照，说明断续的回波为绕射波，根据 “在界面尺寸与使用的地震波长度相近和小于波长的条件下，在界面产生绕射波。”的认识，推断图（21）中偏移图异常为岩溶空洞的反应，并根据偏移图异常中心延展趋势推断岩溶发育的延展方向，经过施工反馈证明推断意见基本正确。

图（22）是重庆某隧道的预报偏移成果图，偏移图中在DK36+140里程的前方有多条偏移异常，解释人员仅根据偏移图异常条带做出在DK36+140里程的前方多个位置段存在节理裂隙密集带和构造带的结论，经过施工验证在DK36+140里程前方未发现影响施工的构造带。通过技术交流的机会，研究了该成果误判的原因。利用“可靠性分析功能”点击偏移图中的“＋”号位置，显示图右侧记录图和标记出的“A”线（红线）同相轴。经过分析发现记录上“B”线的左下方有密集的同相轴，使图的左下部几乎形成黑色，由“B”线的斜率接近340米/秒,肯定该区域为隧道管波。因此在“A”线以下派生出的若干同相轴为隧道管波干扰形成，因此对应偏移图中的异常为隧道管波形成的假象，而非地质界面的原因。

由以上4个实例说明：隧道预报中地震波在三维空间条件下传播，检波器会接收来自空间多方向的震动信号，对于在如此环境下采集地震记录进行处理得到的成果图，增加“偏移成果的可靠性分析”功能，有利于追索到原始记录中，检查回波记录的形态，进行有效波和干扰波分析，实现对偏移成果图质量的评估，有益于提高预报成果的可靠性和准确性。

7、预报地质成果图

目前隧道地震波的预报成果多数为物探图件，针对隧道地震波资料的复杂性和使用者对地震地质机制了解不足的情况，在TGP预报技术的开发研究中，在继续提供偏移等物探成果的基础上，注重预报成果向地质成果转化的研究，使TGP预报系统具有了提供二维和三维地质界面产状分布成果的功能，和提供岩体估算速度曲线等地质成果的功能，以及进行成果分析的相关辅助功能。实践证明：应用物探成果图和地质成果综合图有助于隧道地震波预报的分析解释工作，有助于预报成果质量的提高和预报技术的推广应用工作。

图（23）是天宝高速公路花石山隧道TGP206地质预报成果图，图中有三部分内容：①最上部标有“垂直剖面”和“水平剖面”的成果分别为断层构造带前后界面的走向图（与隧道线水平夹角）与倾向图。由图可见构造面近直立，前后界面与隧道夹角在70°至60°，构造带宽度约70米左右。②中间标有“波速估计”的成果为构造带岩体的估算速度，称谓估算速度是为了与常规利用反射波时间距离关系得到的速度相区别，该速度是利用界面回波的波幅能量计算得到，表征与已知炮孔段岩体速度的比较关系，可供分析岩体之间的差别，定性评价岩体的性质使用。由图可见构造带岩体估算速度为3000米/秒，与炮孔段岩体速度为4300米/秒相比，整体降低近三分之一，由此可以评估断层带岩体变化的幅度较大；

③下部分为构造带前后界面的三维空间3D成果，右图可以直观看到构造的产状分布。图中

前界面为兰色，由界面产生的负反射波计算得到，反映该界面前方的岩体变差，；构造的后界面为红色，由界面产生的正反射波计算得到，反映该界面前方的岩体向好变化。实际预报成果图中在构造带内还有几个界面，反映出构造带不同岩性在挤压力作用下破碎和风化程度的差异性。鉴于本文阐述内容的需要，文中仅提供主要地质界面图。预报成果提交后，经过隧道施工反馈信息证明，提交的成果与开挖地质条件完全吻合。施工队伍根据预报结论提前做好了断层破碎带施工的技术方案，保证了隧道的施工安全。由以上图件和介绍可以看到：TGP地震波预报的处理系统，在数据基础满足的条件下，实现物探资料向地质成果图的过渡，有利于隧道地质预报质量的提高。

图（24）是三亚迎宾隧道应用TGP206预报系统进行地质预报的部分成果图。迎宾隧道为砂页岩互层的地性结构，A 图和B 图分别为地层层面的倾向图和走向图。图中兰色界面线为纵波反射计算得到的成果，红色线为横波反射计算得到的成果。由图可见地层层面以俯倾为主，走向与隧道近于正交。纵横波反射均具有明显的界面反映，说明地层层间物性 差异明显，横波明显说明层间泥化严重或者层间富水。C 图为估算速度曲线，兰色线为纵波反射计算的结果，红色现为横波反射计算的结果。由图可见在里程726至700之间纵横波估算速度均明显降低，而且横波降低幅度较大，反映出地层具有软化的特征。D 图为地层界面的三维空间产状分布图，在界面泥化严重，风化破碎的岩体容易失稳。

该预报任务由中大检测公司承担完成，他们对炮孔段地质条件的描述是：层面发育，层面间页岩的泥化现象较为严重，沿层面间存在的淋雨状滴水现象严重。所以在预报报告中他们推断里程726至700段存在塌方的可能性较大，结论中建议将上述段岩体的级别由3级变为按5级围岩施工，并提请施工予以注意。在等待变更设计批复的过程中，隧道发生塌方事故。在处理事故的地质调查中发现垮塌的位置和倒三角形的状态与地质预报的图件和结论基本吻合。

图（25）是武广高速铁路大瑶山隧道预报试验成果图，隧道岩性为灰岩，预报试验时已经发生了突泥突水事故，试验目的是了解岩溶空洞的发育方向。不规则岩溶空腔的预报技术难度比较大，我们根据不规则体的回波点分布与平大界面回波点分布存在差异的认识，处理提取回波点分布成果图。A 图为绕射波回波点的俯视图，由负的回波属性计算的回波界面点呈现以紫兰（由紫-兰-绿表示回波能量的由强到弱）色为主，其绕射点（近掌子面圆点小，随远离逐渐增大）的排列趋向沿“F-F”方向分布；B 图为绕射波回波点的正视图，强能量回波点的排列大致呈现右高左低的趋向；C 图中由纵、横波反射计算得到的反射点（图中与反射界面关联的小方块）比较密集的排列呈现沿着F-F方向的趋势，其对应反射界面密集也呈现与F-F方向一致。A 图绕射回波点成果与C 图反射点成果基本一致。于是通过以上成果图推断：岩溶空洞的发育方向为由右壁向左壁前方、下方发展的趋势。事后经过了解反映基本吻合。

对于岩溶预报要具体情况具体分析，其中对于构造性岩溶预报可以视同构造面预报，相对较为容易预报，对于岩溶通道针对其规模及分布状态，预报技术的难易程度不一。但是即使在可预报范围内，需要明确地震波预报资料具有无法预报岩溶水压力和水量的局限性。所以岩溶预报工作需要结合分布式超深炮孔或者适用的电磁波技术予以配合，对这个问题必须正确的认识。

本节应用工程实例说明，TGP206预报系统采用多波多分量的地震波震相处理技术，实现由地震波预报成果向地质预报成果的转化，有利于结合已有地质资料进行综合分析的解释工作，其直观方便的特点有利于预报技术的推广应用。

8，相邻两次预报成果的对比分析方法

相邻两次预报成果的对比分析方法，以预报工作现状说明如下：如果某隧道要求按预报距离为150米的方案循环施工，如果第N次地震波数据可以获得大于150米距离的预报成果，在这种条件下大于150米以外的资料与第N+1次预报成果进行对比分析。检查相同里程段预报成果是否具有重复性，如果具有重复性则进一步肯定地质问题的存在，而且可以解释为具有对施工有影响地质条件。如果第N+1次资料的近靠掌子面（20米至30米）存在异常，而第N次预报成果中对应段无异常，则可以分析第N+1次近靠掌子面的异常是否为掌子面周

边绕射波的影响造成。图（26）为重庆某隧道相邻两次预报的对比分析成果图，第N次预报距离有300米的资料图，在里程DK36+180至DK36+150之间30米宽度有2条纵波反射界面，无横波反射资料（距离太大已衰减）；在第N+1次预报的里程DK36+210至DK36+170之间40米宽度有多条纵波和横波反射界面。两次预报资料在相近位置附近均反映界面的存在，进一步肯定地质界面的存在。两次成果在预报位置和规模方面存在差别，认为由预报距离不同产生的差异。

象目前双向隧道施工的条件下，相邻隧道施工的震动也会造成地震记录中的干扰，由以上阐述可以明白，采用该方法有利于排除非地质原因造成的假象、掌子面绕射波假象和其他随机干扰波假象，从而提高预报成果的可靠性。

9，对参数法预报应用于围岩级别划分的思考

参数法预报一词与使用TSP203/200利用速度参数曲线进行预报和对隧道围岩级别划分的做法有关系，在前阶段发表的论文中有应用介绍。几年前我对这种做法提出过质疑的意见。当时质疑的主要理由是：①使用了在隧道工程围岩范围以外的反射波速度应用于隧道围岩，对各向异性明显的岩体不具有代表性；②参数法中列出的许多参数，皆由纵横波速度计算而来，在隧道管波等干扰存在的情况下速度的真实性有问题；③在热衷参数预报变更围岩级别的情况下，存在偏离预报地质病害大目标的倾向。

图（27）左图为TSP203的一张速度参数图，图中为三项参数的直方图，由上而下为分段的岩体纵、横波速度；岩体密度；岩体动弹性模量。以图中分段纵波速度界线与隧道里程线的交点为序，统计反射界面与隧道轴线的夹角，数据汇总成表1。

表1：反射界面统计图

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 里程2084 2092 2104 2108 2109 2116 2136 2152 21 2184 2188

80° 80° 70° 90° 70° 80° 夹角45° 75° 70° 65° 75°

以表中序号10里程2184的资料为例绘制成图（27）的右图，说明如下：界面距离掌子面100米，与隧道夹角70°，其对应反射波的射线路经为OB，反射点在隧道轴线投影的里程为2162～2165，OB与隧道夹角约30°，反射点偏离隧道56米。应用速度参数预报以OB方向速度直接用于评价OA方向的岩体，其代表性是值得研究的问题。

TGP隧道地质预报系统采集地震波传播的全过程数据，根据前行波（向隧道前方传播的波）与回波（反射波、绕射波）传播振幅能量的测量，回波极性符号的测量，以及回波射线偏离隧道轴线张角的测量等，实现地质界面之间岩体参数的估算功能。TGP处理成果中提供估算速度成果，并交代是与已知炮孔段岩体相比较的结果，图中界面上均标注反射点或绕射点的里程和偏离隧道的距离。TGP预报系统对使用估算速度进行岩体围岩级别评价时，首先对估算速度进行校正，具体方法是：以某段岩体的估算速度为基本参数，根据相应回波点偏离隧道轴线距离的大小和岩体的各向异性进行校正。然后根据校正后的估算速度与已知炮孔段围岩速度、以及已知围岩的级别进行比较，进行预报段围岩的地质性质评价和围岩级别的确定。以天宝高速公路花石山隧道为例说明如下：

图（28）在里程602至668段,其前界面反射点A在水平方向偏离左洞壁35米，在铅垂方向偏离7米。后界面反射点C在水平方向偏离隧道34米，在铅垂方向偏离14米。隧道开挖洞径16米，由此可见：前界面反射点在隧道的1倍洞径附近，砂页岩地层稳定，推断的界面延长距离短，对断层带岩体的估算速度可以不校正使用。已知炮孔段岩体速度4300米/秒和围岩为3级，而里程602至668段的平均估算速度3000米/秒，约降低三分之一的幅度，预报结论中建议在里程602至668段按4级围岩施工。隧道开挖的实践证明：通过预报推断的断层带宽度与实际地质条件吻合，提出的按4级围岩施工的建议是合理的。后界面估算速度的校正不涉及断层带围岩级别的划分，本文予以省略。

TGP地质预报系统以估算速度作为定性参数，并结合地质界面的产状综合分析，对隧道进行分段地质评价，具有相对直观和参照性。

10，结语

本文从九个方面阐述TGP隧道地质预报技术的发展，其中用大量文字叙述隧道地质条件的复杂性，隧道内地震波传播与环境条件的复杂性，以及各种不容忽视的干扰波造成的影响等。目的在于树立对隧道地质预报工作难度的认识，更新技术，从基础源头做起，认真做好每一个环节的工作，提高所有环节的质量，才能实现预报总成果质量的提高，促进隧道地震预报技术进步。