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基于地震波（彈性波）法的隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)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(cè)距離大和精度高等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用廣泛且較為有效的方法之一。

隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程，是在隧道左、右邊墻各設(shè)多個(gè)震源點(diǎn)，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(cè)長(zhǎng)度），地震波在巖石中以球面波形式傳播，當(dāng)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(shí)，一部分地震信號(hào)反射或散射回來(lái)，另一部分信號(hào)折射進(jìn)入前方介質(zhì)。反射回來(lái)的地震波將由高靈敏度的地震檢波器接收，這部分信號(hào)就是隧道三維成像超前地質(zhì)預(yù)報(bào)野外采集的原始數(shù)據(jù)。

地震波法探測(cè)原理如上圖所示，根據(jù)反射信號(hào)旅行時(shí)間和傳播速度（圖中斜率為負(fù)、又稱負(fù)速度），可探測(cè)掌子面前方地質(zhì)圍巖變化情況及災(zāi)害體的分布、性質(zhì)，對(duì)水文地質(zhì)和斷層及其破碎帶等各類地質(zhì)隱患準(zhǔn)確預(yù)報(bào)；同時(shí)根據(jù)反射信號(hào)傳播速度可測(cè)算出超前地質(zhì)預(yù)報(bào)范圍段內(nèi)的巖體波速，為判定圍巖級(jí)別提供重要依據(jù)。

 #1觀測(cè)系統(tǒng)

觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要基于三維成像基本原理和信號(hào)二維濾波基本要求。在隧道兩側(cè)邊墻和拱頂布置3個(gè)接收點(diǎn)，既可保證三維空間信號(hào)采集精度，又能避免布設(shè)太多檢波點(diǎn)所造成的繁瑣。

a.兩點(diǎn)接收成像結(jié)果圖

b.三點(diǎn)接收成像結(jié)果圖

在震源點(diǎn)激發(fā)的彈性波在傳播過(guò)程中，遇到地質(zhì)異常體產(chǎn)生的回波信號(hào)被采集器所接收，根據(jù)回波信號(hào)走時(shí)和巖體波速，可以計(jì)算出異常體到接收點(diǎn)之距離（a）。當(dāng)布置一個(gè)接收點(diǎn)采集信號(hào)時(shí)，異常體位于以接收點(diǎn)為圓心、半徑為a的球面上（其具體位置無(wú)法確定）；如圖上所示，當(dāng)布置兩個(gè)接收點(diǎn)采集信號(hào)時(shí)，異常體位于兩個(gè)球面相交的圓弧上（其成像結(jié)果為圓?。?；當(dāng)根據(jù)觀測(cè)系統(tǒng)要求布置三個(gè)接收點(diǎn)采集信號(hào)時(shí)，異常體位于三個(gè)球面相交的一個(gè)點(diǎn)上（異常體可準(zhǔn)確定位）。

 #2信號(hào)二維濾波

早期的超前預(yù)報(bào)技術(shù)缺乏理論指導(dǎo)，普遍存在未考慮波場(chǎng)分離問(wèn)題的缺陷。由于地震波場(chǎng)非常復(fù)雜，當(dāng)激發(fā)一個(gè)地震波動(dòng)之后，檢波點(diǎn)會(huì)接收到來(lái)自各個(gè)方向的反射信號(hào)（或散射信號(hào)），如何在眾多反射信號(hào)中提取來(lái)自掌子面前方的回波信號(hào)，是提高三維成像精度的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是區(qū)別于常規(guī)地震反射法的關(guān)鍵技術(shù)所在。

觀測(cè)系統(tǒng)之所以要求震源點(diǎn)在隧道兩側(cè)邊墻等間距布置（通過(guò)多點(diǎn)激震采集多組信號(hào)），一方面可通過(guò)迭加算法提高信噪比；另一方面（更為重要的）是可以應(yīng)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(hào)。如圖4所示，具體應(yīng)用時(shí)軟件首先對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理和共接收點(diǎn)道集編排（X/Y/Z），然后根據(jù)掌子面前方回波信號(hào)頻譜和負(fù)速度值變化規(guī)律區(qū)間，應(yīng)用F-K二維濾波功能，有效提取掌子面前方回波信號(hào)、壓制其它干擾信號(hào)，為高精度成像提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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

這種方法的大優(yōu)點(diǎn)就是計(jì)算效率高。不足之處是假設(shè)地面上的地震勘探震源和檢波器在一條測(cè)線上，不具有三維觀測(cè)方式的特點(diǎn)，因此對(duì)接收到的地震波反射信號(hào)進(jìn)行處理得到的結(jié)果是二維圖像。

采用三維觀測(cè)方式的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)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(duì)應(yīng)的一組佳波場(chǎng)參數(shù)，使菲涅爾帶內(nèi)的反射信息能夠得到同相疊加，擴(kuò)大疊加的覆蓋次數(shù)，借此增強(qiáng)有效信號(hào)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(cè)系統(tǒng)圖

b.成像結(jié)果圖

基于地震波共反射面元疊加、繞射掃描偏移疊加和計(jì)算機(jī)三維繪圖技術(shù)，實(shí)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(yīng)用無(wú)線分布式三維成像隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)，其觀測(cè)系統(tǒng)能夠更為方便地選擇探測(cè)區(qū)域位置和大?。ㄩL(zhǎng)、寬、高）；其成像結(jié)果圖對(duì)不良地質(zhì)體的空間定位更準(zhǔn)確、精度更高、成果也更加直觀。

該系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)終端、無(wú)線采集器、三分量檢波器、無(wú)線信號(hào)觸發(fā)計(jì)時(shí)器、錘擊觸發(fā)傳感器（或起爆機(jī)連接器）、信號(hào)采集處理和三維成像預(yù)報(bào)軟件等組成。

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