隧道超前预报地球物理方法及应用研究
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摘要
我国中、西部为多山地区，在地铁、隧道、引水隧洞等大型工程建设项目中，地下工程占有比重较大，并多为项目建设的控制性工程。在地形条件较差和地质构造复杂的地区，断层带、褶皱、节理裂隙等构造比较发育，地下水丰富，隧道围岩所处的工程地质条件较差，增加了隧道施工难度和危险。在隧道工程建设施工过程中，隧道开裂、侧移、坍方冒顶、突泥、涌水、诱发山体滑坡等工程与地质病害频繁发生。为保证隧道工程施工质量、工期、投资和人员设备安全，隧道超前地质预报已被列为隧道施工的重要环节。
隧道地质超前预报是一个国际前沿课题，也是一个难题，各国都在进行研究。就国内外目前应用和研究的总体水平来看，超前预报技术还处于发展之中，需要在多个方面进行研究、改进和完善。
本次研究工作及成果主要为以下几个方面：
1、将隧道超前预报方法研究和数值模拟计算研究成果与预报实验结合，对现有预报技术特别是TSP预报技术进行了分析和总结，改进了观测系统布置、数据采集和资料处理方法，扩展了其适用范围，提高了预报精度。
2、将地震偏移成像技术和散射成像技术应用到隧道超前预报中，实现了高精度波速分析和高频能量谱成像，结合地质构造特征实现了方向扫描，提高了预报的准确性和可靠性。
3、通过超前预报研究和实验，引进了新的预报理念，提出并应用了隧道内与隧道外探测相结合、地震波的构造探测与电磁法的含水性探测相结合、地球物理探测与地质调查相结合的综合预报方法。
本文通过理论研究和数值模拟计算研究论证了地震反射方法用于隧道超前预报的可行性。通过隧道超前预报数值模拟计算研究了地震波的特点及其在隧道内介质条件下的传播规律，为预报最佳观测方案的设计、观测系统的合理布置、接收传感器频率的正确选择、波相的准确识别和拾取提供了理论及科学依据。通过理论研究和方法实验提出的隧道综合预报技术理念突破了国内外现行超前预报的传统观念，提高了预报的可靠性和准确性，对国内隧道超前预报技术的提高和发展能起到极积的推进作用。
The Midwest area of China is mountainous. In large infrastructure constructionprojects, underground caverns and tunnels account for a large proportion, and more arethe control engineering. In the more complex areas of topography and geologicalstructure, where have fold belt, fault development, groundwater rich, and poorgeological conditions of surrounding rock. The collapse of roof fall, sudden gushingmud, lateral tunnel, the mountain crack, induced landslides, and other engineering andgeological diseases occur frequently in the tunnel construction process. To ensure thesafety of tunnel construction, quality, time and investment, advanced geologicalprediction in the tunnel has become an important link in the construction process.Geological prediction of tunnel is an international frontier subject, is also a difficultproblem, which are researched in the countries of world. To domestic and foreignresearch and application of the present general level, the advanced predictiontechnology is still evolving, many aspects need to study, improve and perfect.
The results of this study are mainly the following aspects:
1) Combining the advanced prediction method of the tunnel, numerical simulationwith experiment of forecasting, the existing forecasting techniques, especially the TSPforecasting techniques, are analyzed and summarized, which improve layout ofobserving systems, methods of data acquisition and data processing, extend itsapplication range, and increase the forecast accuracy.
2) The seismic migration imaging technique and scattering imaging technique andits application to advanced prediction of tunnel, realizes high precision velocity analysisand high frequency energy spectrum imaging, combined with the characteristics ofgeological structure realizes the scanning direction, improves the forecast accuracy andreliability.
3) Through research and experimentation of advanced prediction, the newforecasting concept is introduced, which proposes and applies to detection of theinternal and outside tunnel, seismic tectonic detection and electrical method combined with waterborne detection, geophysical exploration of combining with geologicalsurvey.
This paper demonstrates the seismic reflection method is feasible in the advancedprediction of tunnel through the theoretical study and numerical simulation. Using thetunnel advanced prediction of seismic numerical simulation studies the characteristicsand the propagation law inside the medium of tunnels, and provides the theoretical andscientific basis for reasonable layout of the observing system, the right choice to receivethe sensor frequency, the exact identify of wave phase. Theoretical study andexperimental methods make a breakthrough of traditional concept at home and abroadby comprehensive prediction technology, improve the reliability and accuracy offorecasting, promote the improvement of domestic technology, and play a very positiverole in the promotion.
隧道地质超前预报是一个国际前沿课题，也是一个难题，各国都在进行研究。就国内外目前应用和研究的总体水平来看，超前预报技术还处于发展之中，需要在多个方面进行研究、改进和完善。
本次研究工作及成果主要为以下几个方面：
1、将隧道超前预报方法研究和数值模拟计算研究成果与预报实验结合，对现有预报技术特别是TSP预报技术进行了分析和总结，改进了观测系统布置、数据采集和资料处理方法，扩展了其适用范围，提高了预报精度。
2、将地震偏移成像技术和散射成像技术应用到隧道超前预报中，实现了高精度波速分析和高频能量谱成像，结合地质构造特征实现了方向扫描，提高了预报的准确性和可靠性。
3、通过超前预报研究和实验，引进了新的预报理念，提出并应用了隧道内与隧道外探测相结合、地震波的构造探测与电磁法的含水性探测相结合、地球物理探测与地质调查相结合的综合预报方法。
本文通过理论研究和数值模拟计算研究论证了地震反射方法用于隧道超前预报的可行性。通过隧道超前预报数值模拟计算研究了地震波的特点及其在隧道内介质条件下的传播规律，为预报最佳观测方案的设计、观测系统的合理布置、接收传感器频率的正确选择、波相的准确识别和拾取提供了理论及科学依据。通过理论研究和方法实验提出的隧道综合预报技术理念突破了国内外现行超前预报的传统观念，提高了预报的可靠性和准确性，对国内隧道超前预报技术的提高和发展能起到极积的推进作用。
The Midwest area of China is mountainous. In large infrastructure constructionprojects, underground caverns and tunnels account for a large proportion, and more arethe control engineering. In the more complex areas of topography and geologicalstructure, where have fold belt, fault development, groundwater rich, and poorgeological conditions of surrounding rock. The collapse of roof fall, sudden gushingmud, lateral tunnel, the mountain crack, induced landslides, and other engineering andgeological diseases occur frequently in the tunnel construction process. To ensure thesafety of tunnel construction, quality, time and investment, advanced geologicalprediction in the tunnel has become an important link in the construction process.Geological prediction of tunnel is an international frontier subject, is also a difficultproblem, which are researched in the countries of world. To domestic and foreignresearch and application of the present general level, the advanced predictiontechnology is still evolving, many aspects need to study, improve and perfect.
The results of this study are mainly the following aspects:
1) Combining the advanced prediction method of the tunnel, numerical simulationwith experiment of forecasting, the existing forecasting techniques, especially the TSPforecasting techniques, are analyzed and summarized, which improve layout ofobserving systems, methods of data acquisition and data processing, extend itsapplication range, and increase the forecast accuracy.
2) The seismic migration imaging technique and scattering imaging technique andits application to advanced prediction of tunnel, realizes high precision velocity analysisand high frequency energy spectrum imaging, combined with the characteristics ofgeological structure realizes the scanning direction, improves the forecast accuracy andreliability.
3) Through research and experimentation of advanced prediction, the newforecasting concept is introduced, which proposes and applies to detection of theinternal and outside tunnel, seismic tectonic detection and electrical method combined with waterborne detection, geophysical exploration of combining with geologicalsurvey.
This paper demonstrates the seismic reflection method is feasible in the advancedprediction of tunnel through the theoretical study and numerical simulation. Using thetunnel advanced prediction of seismic numerical simulation studies the characteristicsand the propagation law inside the medium of tunnels, and provides the theoretical andscientific basis for reasonable layout of the observing system, the right choice to receivethe sensor frequency, the exact identify of wave phase. Theoretical study andexperimental methods make a breakthrough of traditional concept at home and abroadby comprehensive prediction technology, improve the reliability and accuracy offorecasting, promote the improvement of domestic technology, and play a very positiverole in the promotion.
引文
[1]曾昭璜，隧道地震反射法超前预报[J]，地球物理学报，1994，37(2)：218～230．
[2]周绪文，反射波地震勘探方法[M]．北京：石油工业出版社，1989．
[3]陈仲候，王兴泰，杜世汉．工程与环境物探教程[M]．北京：地质出版社，1993．
[4]赵永贵，王起凡，等．地震CT及其地质解释[J]．地质科学，1997，32(1)：96～102．
[5]肖宽怀，刘浩，孙宇，等．地震CT勘探在昆石公路隧道病害诊断中的应用[J]．地球物理学进展，2003，18(3)：472～476．
[6]王兴泰．工程与环境物探新方法新技术[M]．北京：地质出版社，1996．
[7]孙宇，肖宽怀，赵永贵．地震CT勘探原理及其在公路隧道病害诊断中的应用[J]．工程地质学报，2003，11(4)：440～444．
[8]克莱鲍特，地震成像理论及方法[M]．许云译，北京：石油工业出版社，1991．
[9]成谷，马在田，等．地震层析成像中存在的主要问题及应对策略[J]．地球物理学进展，2003，18(3)：512～518．
[10]何振起，李海，梁彦忠.利用地震反射法进行隧道施工地质超前预报[J].铁道工程学报，2000，(4)：81～85．
[11]肖宽怀，孙宇，范明外，等．地震CT技术在大风垭隧道地质病害诊治中的应用[J]．地球物理学进展，2004，19(3)：678～683．
[12]肖宽怀，物探方法在隧道地质超前预报中的应用[J]，吉林大学学报，2002，增刊：89～91．
[13]赵永贵，李勤，郭鸿，地震CT新技术及在工程地质中的应用[J]，工程地质学报，2000，(8)：482～486．
[14]温树林，吴世林．TSP在云南元磨高速公路隧道地质超前预报中的应用[J]．地球物理学进展，2003，18(3)：465～471．
[15]刘开云，乔春生，滕文彦．上覆岩层组合运动的力学解析特征[J]．工程地质学报，2003，11(4)：372～377．
[16]底青云，王妙月．积分法三维电阻率成像[J]．地球物理学报，2001，44(6)：843～852．
[17]王辉，常旭，等．时间域相邻道地震波衰减成像研究[J]．地球物理学报，2001，44(3)：396～403．
[18]赵连锋，朱介寿，曹俊兴，等．有序波前重建法的射线追踪[J]．地球物理学报，2003，46(3)：203～208．
[19]刘福田，吴华等，用速度图象建的层析成像法[J]，地球物理学报，1989，32，PP46—61．
[20]李正文，赵志超，地震勘探资料解释[M]．北京：地质出版社，1988．
[21]王振东，浅层地震勘探应用技术[M]．北京：地质出版社，1996，201-225．
[22]朱介寿，地震学中的计算方法[M]．北京：地震出版社，1988，603-707．
[23]陆基孟，地震勘探原理[M]．山东东营：石油大学出版社，1996．
[24]詹正彬,姚姚.多波及横波地震勘探[M]．北京：地质出版社，1994．
[25]俞寿朋，高分辨率地震勘探[M]．北京：石油工业出版社，1994．
[26]交通部，公路隧道设计规范，JTJ026-90，北京：人民交通出版社，1990．
[27] Harris J M, Nolen-Hoeksema R C, Langan R T, et al. High resolution crosswell imaging of awest Texas carbonate reservoir: part1～part5. Geophysics,1995,60(3):667～726．
[28]赵永贵，刘浩，孙宇，肖宽怀，隧道超前预报研究进展[J].地球物理学进展，2003，18(03)：460～464．
[29]何发亮，李苍松，隧道施工地质超前预报的技术[J].现代隧道技术，2001,38(03)．
[30]〔美〕渥·伊尔马滋，地震数据处理[M]．北京：石油工业出版社，1994．
[31]赵永贵，围岩含水性的超前预报技术[J].地球与环境，2005，03．
[32]赵永贵，王超凡，陈燕民，等.地震CT及其地质解释[J].地质科学，1997，32(1)：96～102．
[33]李忠．TSP-202探测系统在新倮纳隧道地质超前预报中的应用研究[J].地质与勘探，2002，38(1)：86-89．
[34] Richard Otto, Edward Button, Helfried Bretterebner and Peter Schwab, The Application ofTRT-Ture Reflection Tomography-at the Unterwald Tunnel, Geophysics,2002,2:51-56．
[35]肖宽怀，赵永贵，隧道施工的地质超前预报方法与技术[C].地球物理学会年刊2006：666～667．
[36]赵永贵，王超凡，陈燕民，等．地震CT在寻找隐伏铜镍矿中的应用，地球物理学报，1996，39(2)：272～278．
[37]肖宽怀，赵永贵，刘浩，孙宇，等．公路隧道工程中的地质超前预报与无损检测技术[J].地球物理学进展，2004，1(04)：53～58．
[38]赵永贵，中国工程地球物理研究的进展与未来[J].地球物理学进展，2002，17(02)．
[39] Richard O.Edward B Helfried Bretterebner and Peter Schwab,The Application of TRT-TureReflection Tomography-at the Unterwald Tunnel2002．
[40] Quan Youli, Jerry M H. Seismic attenuation tomography using the frequency shift method.Geophysic,1997,62(3):895～905．
[41] Gustavsson M, Lvansson S, Moren P, et al. Seismic borehole tomography measurement systemand field studies. Proc IEEE,1986,74:339～346．
[42] Zhao Yonggui, Wang Chaofan, Chen Yanmin, et al. Seismic Tomography and its application inmining. Chinese Journal of Geophysics,1996,39(4):585～592．
[43] Zhao Yonggui, Jin Hongxiao, Wang Chaofan, et al. Modern seismic methods in engineeringinvestigation at a nuclear power plant site. Scientia Geologica Sinica,1996,5(4):409～417．
[44] Sandberg E V, Olsson O L, Falk L R. Combined interpretation of fracture zones in crystallinerock using single-hole, crosshole tomography and directional borehole radar data. The LogAnalyse,1991,32:108～119．
[45]赵永贵，蒋辉．隧道地质超前预报技术探讨[C].南水北调西线工程深埋、长大隧道关键技术及掘进机应用国际研讨会论文集，2005．
[46]赵永贵，刘浩，孙宇，肖宽怀，温树林,等．隧道超前预报与病害诊断技术[C].中国公路学会学术年会论文集,2003．
[47]杨荣华，牛瑞芳，曹轶之．地质超前预报技术及TSP203系统的应用探讨第七届全国矿山测量学术会议论文集，2007．
[48]赵永贵，蒋辉，赵晓鹏．TSP203超前预报技术的缺陷与TST技术的应用[J]，工程地球物理学报-2008-06-30．
[49]范涛．TEM虚拟波场三维连续速度分析及其在隧道超前预报中的应用长安大学硕士论文，2008．
[50]武科，马明月，李术才．高风险岩溶地区隧道的综合物探研究地下空间与工程学报，2011．
[51]段铮．瞬变电磁法在隧道超前地质预报中的应用及解译分析[D].成都理工大学硕士论文，2008
[52]赵永贵．隧道超前预报技术与应用研究进展[C].中国地球物理第二十一届年会论文集，2005．
[53]王跃飞，张志龙，罗卫华．深埋长大公路隧道超前地质预报技术方法研究现状[J].中南公路工程，2006．
[54]黄元元．深埋隧道中地震波场特征的数值模拟研究[D].西南交通大学硕士论文，2010．
[55]张彦龙．断层破碎带隧道施工地质灾害预报预警方法研究，北京交通大学硕士论文，2009．
[56]高翔．综合物探在隧洞穿越断裂带施工中的应用[J]，水电站设计，2010．
[57]由静，李川，张晨，赵永贵．地震CT、高密度电法对厂口隧洞地质构造、结构的联合诊断[J]，大坝与安全，2008．
[58]胡兴，包太，谢涛．地震CT技术在芹菜垭口隧道病害诊断中的应用[J]，贵州大学学报(自然科学版)，2010．
[59]梁颜忠，肖宽怀．隧道工程的无损检测与病害诊断技术[C].地球物理学会年刊2006：664～665．
[60]张奂欧，胡玉瑞．高密度电阻率法在厂口隧洞检测中的应用[J]，科技广场，2009．
[61]张奂欧，胡玉瑞，王旭，赵廷荣．高密度电阻率法在厂口隧洞检测中的应用[J]，工程质量，2010．
[62]朱光喜，地震CT勘探及应用实例[J]，发展，2009．
[63]温树林，吴世林．TSP在云南元磨高速公路隧道地质超前预报中的应用[J]．地球物理学进展，2003，18(3)：465～471．
[64]王齐仁.隧道地质灾害超前探测方法研究,中南大学博士论文,2007.
[65]张彦龙.断层破碎带隧道施工地质灾害预报预警方法研究,北京交通大学硕士论文,2009.
[66]肖宽怀.综合物探技术在隧道地质病害诊治中的应用[J]．工程勘察，2011（6）．
[67]赵永贵，蒋辉．隧道地震超前预报技术现状分析与新进展[J].公路隧道，2010（1）．
[2]周绪文，反射波地震勘探方法[M]．北京：石油工业出版社，1989．
[3]陈仲候，王兴泰，杜世汉．工程与环境物探教程[M]．北京：地质出版社，1993．
[4]赵永贵，王起凡，等．地震CT及其地质解释[J]．地质科学，1997，32(1)：96～102．
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[6]王兴泰．工程与环境物探新方法新技术[M]．北京：地质出版社，1996．
[7]孙宇，肖宽怀，赵永贵．地震CT勘探原理及其在公路隧道病害诊断中的应用[J]．工程地质学报，2003，11(4)：440～444．
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[11]肖宽怀，孙宇，范明外，等．地震CT技术在大风垭隧道地质病害诊治中的应用[J]．地球物理学进展，2004，19(3)：678～683．
[12]肖宽怀，物探方法在隧道地质超前预报中的应用[J]，吉林大学学报，2002，增刊：89～91．
[13]赵永贵，李勤，郭鸿，地震CT新技术及在工程地质中的应用[J]，工程地质学报，2000，(8)：482～486．
[14]温树林，吴世林．TSP在云南元磨高速公路隧道地质超前预报中的应用[J]．地球物理学进展，2003，18(3)：465～471．
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[24]詹正彬,姚姚.多波及横波地震勘探[M]．北京：地质出版社，1994．
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[26]交通部，公路隧道设计规范，JTJ026-90，北京：人民交通出版社，1990．
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[28]赵永贵，刘浩，孙宇，肖宽怀，隧道超前预报研究进展[J].地球物理学进展，2003，18(03)：460～464．
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[35]肖宽怀，赵永贵，隧道施工的地质超前预报方法与技术[C].地球物理学会年刊2006：666～667．
[36]赵永贵，王超凡，陈燕民，等．地震CT在寻找隐伏铜镍矿中的应用，地球物理学报，1996，39(2)：272～278．
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[47]杨荣华，牛瑞芳，曹轶之．地质超前预报技术及TSP203系统的应用探讨第七届全国矿山测量学术会议论文集，2007．
[48]赵永贵，蒋辉，赵晓鹏．TSP203超前预报技术的缺陷与TST技术的应用[J]，工程地球物理学报-2008-06-30．
[49]范涛．TEM虚拟波场三维连续速度分析及其在隧道超前预报中的应用长安大学硕士论文，2008．
[50]武科，马明月，李术才．高风险岩溶地区隧道的综合物探研究地下空间与工程学报，2011．
[51]段铮．瞬变电磁法在隧道超前地质预报中的应用及解译分析[D].成都理工大学硕士论文，2008
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[57]由静，李川，张晨，赵永贵．地震CT、高密度电法对厂口隧洞地质构造、结构的联合诊断[J]，大坝与安全，2008．
[58]胡兴，包太，谢涛．地震CT技术在芹菜垭口隧道病害诊断中的应用[J]，贵州大学学报(自然科学版)，2010．
[59]梁颜忠，肖宽怀．隧道工程的无损检测与病害诊断技术[C].地球物理学会年刊2006：664～665．
[60]张奂欧，胡玉瑞．高密度电阻率法在厂口隧洞检测中的应用[J]，科技广场，2009．
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[62]朱光喜，地震CT勘探及应用实例[J]，发展，2009．
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[65]张彦龙.断层破碎带隧道施工地质灾害预报预警方法研究,北京交通大学硕士论文,2009.
[66]肖宽怀.综合物探技术在隧道地质病害诊治中的应用[J]．工程勘察，2011（6）．
[67]赵永贵，蒋辉．隧道地震超前预报技术现状分析与新进展[J].公路隧道，2010（1）．