吉林大学建设工程学院工程地质系长春130026
一、探测方法和仪器设备
隧道地震波超前预报是利用地震波在岩体传播过程中，在声阻抗变化界面（即不均匀、不连续地质界面）会产生地震反射波，利用仪器设备采集隧道岩体中地震波传播的信息，通过相关处理系统进行数据处理，结合已有的地质资料综合分析，实现对隧道前方地质条件的推断，达到地质超前预报的目的。
图1.超前预报技术原理图
（1）探测方法
地震波在岩石中以球面波形式传播，当遇到岩石物性界面（即波阻抗差异界面，例如断层、破碎带及岩性变化界面等）时，一部分地震信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质，反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收。反射信号的传播时间与反射界面的距离成正比，故而能提供一种直接的测量，根据信号返回的时间和方向，通过专用软件处理，即可以得到岩性变化界面的基本位置。隧道地震波地质预报系统分为洞内数据采集和室内计算机分析两部分。洞内数据采集系统主要有传感器、数据记录仪以及触发震源等组成。传感器主要用来接收地震波信号；记录仪将接收到的信号放大、模数转换并进行测量过程控制；触发震源主要用来激发弹性波。室内计算机分析系统是将洞内采集的原始数据输入到计算机上，应用数据处理软件进行地震波分析处理，主要由三个程序块组成，即：数据库部分、震动数据处理部分、确定反射界面部分。
（2）仪器设备
本次隧道地质预报工作采用GeoPen公司生产的TSP48隧道地质地震波探测系统。该系统是先进的地质勘探技术与现代电子技术和人工智能相结合的高科技产品，主要应用于隧道开挖过程中探测掌子面前方地质构造的位置和产状，以保证隧道安全生产和工作量的准确评估。TSP隧道地质地震波探测系统由主机、传感器、震源、数据分析软件和用户技术支持体系组成。仪器主机采用先进的设计理念将计算机技术与现代电子技术结合，具有48个独立的高精度采集通道（48位模数转换器），可连接三分量加速度传感器或速度型地震检波器。
二．项目工程概况
汕头海湾隧道工程位于海湾大桥与礐石大桥之间汕头内海湾，工程总长6.68公里，其中隧道部分5.3公里，是国内第一条建在8度地震烈度区的超大直径海底盾构公路隧道。隧道挖掘范围内有大量强度高的孤石和长达182米基岩突起段，具有地质复杂、施工难度、安全风险等级高等特点。
三、现场工作布置
（1）检波器排列方式
隧道地震波法地质预报（TSP）的数据采集过程主要包括：检波器钻孔布置、检波器安装、仪器测试、数据采集等操作。根据汕头海湾隧道区域地质情况和现场条件，确定本次测试具体布置参数如下：
本次试验采用多道弹性波接收装置接收，共布置三分量检波器8只，共计24个通道。布置方式为洞壁管片上，离地距离7.5m，水平均布8个检波器，间距2m。首先在管片上用电锤打直径为8mm，深度100mm的小孔，将检波器尾椎插入以固定检波器，同时保证检波器的方向指示灯指向一致。
（2）震源激发方式
受现场条件限制，本次测试震源激发方式为大锤敲击，将震源触发器水平固定在大锤上方，每次激震用力敲击大锤，通过锤头与管片接触激发弹性波。激发点距尾检波点依次为2m、4m、6m……20m，共10次激发。
四、数据资料解释
如图为采集到的原始数据剖面，分别为地震波X分量、Y分量和Z分量探测数据。
图2原始数据剖面图
图3.P波、SV波和SH波偏移成像剖面图
在本次地质超前预报中，采用《隧道施工地质超前探测系统V2.0》数据处理软件系统，对采集到的原始数据进行了相关的处理和分析。该系统功能强大，功能模块丰富（包括：建立观测系统、初至拾取、炮能量均衡、扩散补偿、频率滤波、自动增益控制以及波场分离、PS波分离、速度扫描、深度偏移成像和地质解释等模块），运行速度快、稳定性好。
经上述步骤处理后，得到了如图3所示的P波、SV波和SH波偏移成像剖面，剖面中横轴坐标表示沿探测方向上的探测长度（以接收孔为起算点），纵轴表示沿洞体纵切面方向上的探测长度。在图中做各反射界面位置反射波能量弧的切线，获得如图所示的地质反射界面剖面图。
在距接收点40m处存在明显增强的反射波能量弧，出现计算反射界面密集带，这与实际的掌子面位置相对应，说明此数据可以较准确的反应前方异常体位置；
进一步分析可知，在距接收点40-72m处，反射波组能量弱，未见明显异常，说明此处岩体均一；72-85m处，在三类反射波的偏移剖面上，都出现了明显增强的反射波能量弧，出现计算反射界面密集带，存在强反射带，岩体发生变化，可能存在岩体破碎带；85-112m处，反射波组能量弱，未见明显异常，说明此处岩体均一；112-134m处，在三类反射波的偏移剖面上，都出现了明显增强的反射波能量弧，出现计算反射界面密集带，存在强反射带，岩体发生变化，可能存在岩体破碎带；134m后，岩体较均一。
五．结论
通过对汕头海湾隧道该段掌子面前方TSP法超前地质预报结果表明：
72-85m、112-134m区段内岩体完整性相对较差，结构面较发育。以上2个区段为地质不良区，容易发生掉块、冒顶、淋水等地质灾害，施工过程中应注意观察掌子面揭露的地质情况和掌子面出水状况，控制循环进尺。
参考文献：
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［2］张聪.复杂地质情况下超前地质预报技术研究［D］.石家庄：石家庄铁道大学，2015.
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