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基于地震波（彈性波）法的隧道地質超前預報技術是一種多波多分量地震反射勘探的地球物理方法。因其具有探測距離大和精度高等優(yōu)點，是目前應用廣泛且較為有效的方法之一。

隧道地質超前預報技術的現(xiàn)場測試過程，是在隧道左、右邊墻各設多個震源點，然后用人工錘擊方式激發(fā)地震波（若使用炸藥震源，可提高探測長度），地震波在巖石中以球面波形式傳播，當遇到巖石物性界面(即波阻抗差異界面，例如斷層、巖石破碎帶和巖性變化等)時，一部分地震信號反射或散射回來，另一部分信號折射進入前方介質。反射回來的地震波將由高靈敏度的地震檢波器接收，這部分信號就是隧道三維成像超前地質預報野外采集的原始數(shù)據(jù)。

地震波法探測原理如上圖所示，根據(jù)反射信號旅行時間和傳播速度（圖中斜率為負、又稱負速度），可探測掌子面前方地質圍巖變化情況及災害體的分布、性質，對水文地質和斷層及其破碎帶等各類地質隱患準確預報；同時根據(jù)反射信號傳播速度可測算出超前地質預報范圍段內的巖體波速，為判定圍巖級別提供重要依據(jù)。

 #1觀測系統(tǒng)

觀測系統(tǒng)的設計主要基于三維成像基本原理和信號二維濾波基本要求。在隧道兩側邊墻和拱頂布置3個接收點，既可保證三維空間信號采集精度，又能避免布設太多檢波點所造成的繁瑣。

a.兩點接收成像結果圖

b.三點接收成像結果圖

在震源點激發(fā)的彈性波在傳播過程中，遇到地質異常體產(chǎn)生的回波信號被采集器所接收，根據(jù)回波信號走時和巖體波速，可以計算出異常體到接收點之距離（a）。當布置一個接收點采集信號時，異常體位于以接收點為圓心、半徑為a的球面上（其具體位置無法確定）；如圖上所示，當布置兩個接收點采集信號時，異常體位于兩個球面相交的圓弧上（其成像結果為圓弧）；當根據(jù)觀測系統(tǒng)要求布置三個接收點采集信號時，異常體位于三個球面相交的一個點上（異常體可準確定位）。

 #2信號二維濾波

早期的超前預報技術缺乏理論指導，普遍存在未考慮波場分離問題的缺陷。由于地震波場非常復雜，當激發(fā)一個地震波動之后，檢波點會接收到來自各個方向的反射信號（或散射信號），如何在眾多反射信號中提取來自掌子面前方的回波信號，是提高三維成像精度的關鍵技術之一，也是區(qū)別于常規(guī)地震反射法的關鍵技術所在。

觀測系統(tǒng)之所以要求震源點在隧道兩側邊墻等間距布置（通過多點激震采集多組信號），一方面可通過迭加算法提高信噪比；另一方面（更為重要的）是可以應用F-K二維濾波方法，濾除或保留不同視速度、不同頻率的信號。如圖4所示，具體應用時軟件首先對實測信號進行預處理和共接收點道集編排（X/Y/Z），然后根據(jù)掌子面前方回波信號頻譜和負速度值變化規(guī)律區(qū)間，應用F-K二維濾波功能，有效提取掌子面前方回波信號、壓制其它干擾信號，為高精度成像提供數(shù)據(jù)基礎。

繞射掃描偏移疊加是一種早發(fā)展起來的射線偏移方法，是建立在射線理論的基礎上，將反射波自動偏移歸位到其空間真實位置上的一種方法。

這種方法的大優(yōu)點就是計算效率高。不足之處是假設地面上的地震勘探震源和檢波器在一條測線上，不具有三維觀測方式的特點，因此對接收到的地震波反射信號進行處理得到的結果是二維圖像。

采用三維觀測方式的隧道超前地質預報方法，震源和檢波器呈空間分布，因此需要研發(fā)三維成像算法。共反射面元（CRS）疊加原理是利用多元函數(shù)的優(yōu)化方法找到反射面元所對應的一組佳波場參數(shù)，使菲涅爾帶內的反射信息能夠得到同相疊加，擴大疊加的覆蓋次數(shù)，借此增強有效信號的能量，突出弱反射波同相軸的能量和連續(xù)性、提高信噪比，適用于三維空間高精度成像。

a.觀測系統(tǒng)圖

b.成像結果圖

基于地震波共反射面元疊加、繞射掃描偏移疊加和計算機三維繪圖技術，實現(xiàn)了隧道三維成像數(shù)據(jù)建模和高精度、快速成像的方法。如圖上所示，應用無線分布式三維成像隧道地質超前預報技術，其觀測系統(tǒng)能夠更為方便地選擇探測區(qū)域位置和大?。ㄩL、寬、高）；其成像結果圖對不良地質體的空間定位更準確、精度更高、成果也更加直觀。

該系統(tǒng)主要由計算機終端、無線采集器、三分量檢波器、無線信號觸發(fā)計時器、錘擊觸發(fā)傳感器（或起爆機連接器）、信號采集處理和三維成像預報軟件等組成。

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