一、概况

二、预报原理

本次测试采用TSP-305三维隧道地质超前预报系统该方法属于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在设计的震源点(通常在隧道的左或右边墙，大约24个炮点)用小量炸 药激发产生。当地震波遇到岩石波阻抗差异界面(如断层、破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来，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。数据通过软件处理，便可了解隧道工作面前方不良地质体的性质(软弱带、破碎带、断层、含水等)和位置及规模。

通过软件处理，可以获得P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面、提取的反射层、岩石物理力学参数、各反射层能量大小等成果，以及反射层在探测范围内的2D或3D空间分布。

三、仪器设备及观测系统设计

1.设备主要部件

① 记录单元：12道，24位A/D转换，采样间隔10μs、20μs、50μs、100μs、200μs，记录长度为16k，动态范围120dB。

②接收器(检波器)：三分量加速度地震检波器，灵敏度为1000mV/g，频率范围为100～4000Hz，共振频率>20kHz，横向灵敏度≤ 5 %，操作温度-29℃～77℃。

③VSP-SSP软件：数据采集和处理集于一体。

2.观测系统设计

三维隧道地质超前预报系统观测系统设计主要包括炮孔设计、接收孔设计。

①、炮孔设计

位置：在隧道的左边墙或者右边墙。第1个炮孔离同侧接收孔为20m，炮孔间距1.0 m。

数量：22个

直径：40mm/孔深1.5m。

布置：垂直隧道轴向，向下倾斜10°～20°(激发时密封炮孔)。

高度：离地面约1m。

②、接收孔设计

位置：在隧道边墙(面对掌子面)，距离掌子面约55m。

数量：1个，隧道单面施工。

直径：φ50mm

孔深：2m(切勿超过2m)。

布置：垂直隧道轴向，用锚固剂固结，向上倾斜5°～10°。

高度：离地面1m。

观测系统布置图如下。检波点位置位于DK1+403，炮点位于DK1+423～DK1+445

掌子面位于DK1+469。

四、资料处理

采集的TSP-305数据，通过vsp-ssp软件进行处理。软件主要处理流程包括：数据准备→滤波→初至拾取→炮能量均衡→Q因子估算→反射波提取→P、S波分离→速度分析→深度偏移→提取反射层。通过速度分析，可以将反射信号的传播时间转换为距离(深度)。处理结果可以用与隧道轴的交角及隧道工作面的距离来确定反射层所对应的地质界面的空间位置，并根据反射波的组合特征及其动力学特征解释地质体的性质。

对处理成果的分析，根据以下原则进行：

1、反射振幅越高，反射系数和波阻抗的差别越大。

2、正反射振幅表明正的反射系数，也就是刚性岩层;负反射振幅指向软弱岩层。

3、若S波反射比P波强，则表明岩层饱含水。

4、Vp/Vs较大的增加或泊松比δ突然增大，常常因流体的存在而引起。

5、若Vp下降，则表明裂隙密度或孔隙度增加。

通过软件依次对原始数据进行数据准备、滤波、初至拾取、炮能量均衡、Q因子估算、反射波提取、P-S波分离、速度分析、深度偏移、提取反射层等处理，得到TSP法物理力学参数及反射层位成果图(图3)。

图3 TSP法物理力学参数及反射层位成果图

五、预报结论：

本次预报时掌子面里程为：DK1+469～DK1+570(即掌子面前方100m)。

成像结果图4：图中显示在预报范围内有6组反射波，分别对应6组反射界面。

图4 成像结果

掌子面开挖情况:

现场观察，掌子面中风化砂岩泥岩互层，岩石破碎，裂隙发育，洞室不稳定，极易发生坍塌，地下水为基岩裂隙水，基岩为中等透水性，与上部采空区积水联系，存在突水隐患弱风化，无水，近水平，中薄层，节理裂隙较发育，较破碎，Ⅳ级施工。

通过对VSP成果中各物理学参数分析，结合掌子面地质素描及设计资料，预报结论如表1。

表1 VSP超前地质预报成果表