四、預報問題的探討

1、隧道地震波超前預報的概念解釋

隧道地震波超前預報技術翻譯成英語是“Tunnel Seismic Prediction”，簡稱“TSP”。在我國《客運專線鐵路隧道施工技術指南》的第5.0.8條使用了“TSP”縮寫詞。一般規程中使用縮寫英語字母表示某種技術是正常的事情，但是在隧道地質超前預報工作中卻出現被歪曲利用的現象，把“TSP技術”歪曲解釋成“TSP***儀器”。這種現象對隧道超前預報技術的應用，造成了不良的影響。在有的地方和部門的隧道施工招標和設備招標工作文件中也存在把“TSP技術”歪曲解釋成“TSP***儀器”的現象，這是對隧道地震波預報技術缺乏科學認識。

因此，正確認識：“TSP技術”即隧道地震波超前預報技術，有益于正確執行我國的現行隧道規程規范和法規，有益于隧道工程的招投標工作，有益于隧道地震波預報技術的進步，有益于誠實誠信的預報技術服務。

2、隧道地震波預報中的接收與激發問題

在隧道地震預報工作中，有的采用把接收與激發布置在隧道的洞壁上，這種做法不妥當。眾所周知，洞壁的表面波傳播較強，對地震反射波會形成不容忽視的干擾。同時鉆爆施工影響洞壁巖體松動，局部超欠挖使得洞壁巖體不平整和完整性差，接收檢波器和激發點受局部巖體影響大，地震波的傳播和衰減比較復雜，嚴重影響地震波記錄的一致性，大大降低有效波的信噪比。因此不宜采取在洞壁激發與接收的做法。

有關

在洞壁激發和接收中面波的干擾問題，原清華大學聲學教研室的沈建國教授曾經作過物理模型試驗，見圖（6）。模型設計在隧道前方有一個溶洞，洞徑與隧道斷面相當，分別在洞壁的4個深度布置接收排列。

圖（7）是洞壁采集的地震波記錄，圖（8）是在洞壁一定深度內采集的地震波記錄。圖中：藍色直線Vp表示直達縱波；藍色曲線Vp1表示溶洞的反射縱波；紅色直線Vr的后面表示面波。由圖（7）與圖（8）對照可以看到：圖（7）面波Vr幅度強，溶洞的反射波無法分辨；圖（8）的面波Vr幅度大大減弱，溶洞的反射波較清晰的表現出來。這個模型試驗的結果明確說明面波的干擾在鉆孔一定深度呈現減弱的趨勢。因此，在隧道地震波超前預報檢測工作中，采取孔中激發和接收技術措施壓制面波非常必要，是提高反射回波記錄信噪比質量的重要環節。

TGP隧道地震波預報系統的接收和激發，結合現場施工的方便性，要求鉆孔的深度為2.0米。鉆孔中采用炸藥爆炸產生震源，控制使用小藥量炸藥，在有條件的地方盡量使用高爆速炸藥，同時在孔中充水的條件下爆炸。在充水的條件下爆炸有以下好處：易于產生高頻地震波，提高分辨率；同時爆炸泄放到隧道內的爆炸聲音小，減弱隧道管波的干擾能量；爆炸時水由孔中噴出的過程有益于產生水平偏振，加強橫波的能量，有利于地震預報工作中實現采集高質量的多波信息，實現多波多參數的預報目的。鉆孔中接收，采用具有高指向性和高靈敏度的三分量接收探頭安置在鉆孔的底部，通過耦合劑實現與鉆孔壁的直接接觸，檢波器信號輸出采用軟電纜，和采用吸聲軟材料封堵鉆孔口等措施，對于高保真地接收地震有效波信號，減少產生干擾波環節等方面很有益處。

3、隧道地震波預報中的干擾波

在隧道地震波采集過程中，存在著多種干擾波，對此必須有明確地認識。例如：對頭隧道施工和鄰洞施工的干擾波；地表地形和來自其他方向的反射波干擾；洞內電磁波干擾；以及接收裝置設計不當產生的干擾波等等。正確認識干擾波和產生的原因，才會采取正確的措施獲得高質量的現場地震波記錄。下面重點討論隧道管波的干擾問題。

隧道管波由激發孔爆炸時聲波泄放到隧道中產生，被接收傳感器接收造成對記錄的干擾，見圖9。

圖中地震記錄50毫秒以下出現的呈斜線“黑點”，在右圖中斜線用 “紫線”表示，由記錄上的時距線計算“紫線”表示的速度為340m/s，該線以下的波（左半圖中黑色部分）為空氣中傳播的聲波，我定義這種波為“隧道管波”，“隧道管波”出現后覆蓋其后出現的地震反射波。“隧道管波”幅度的大小與激發和接收條件有關，“隧道管波”在地震記錄上出現的位置與采集偏移距離有關。該紫色線位置為偏移距離為20m的“隧道管波”出現位置。圖中藍色線表示速度為4500m/s的前行縱波和反射縱波，紅色線表示速度為2500m/s的前行橫波和反射橫波。上部的藍色線Vp和紅色線Vs分別表示由震源向前傳播的直達縱波與橫波。下部的多條藍色線Vp100、Vp150、Vp200分別表示掌子面前方100米、150米、200米距離處構造面的反射縱波，多條紅色線Vs100、Vs150分別表示掌子面前方100米、150米距離處構造面的反射橫波。由圖看出有30%地震道的反射縱波和50%以上地震道的反射橫波淹沒在“隧道管波”的干擾中。如果隧道圍巖的縱波速度低于4500米/秒、橫波速度低于2500米/秒，將會有更多的地震道淹沒在“隧道管波”的干擾中，其中影響橫波的程度更為嚴重，這種現象嚴重影響縱、橫波雙參數預報。

我提出隧道管波的嚴重干擾問題，希望引起足夠的重視，加強地震波檢測理論的學習，克服對有效波和干擾波不加區分，盲目按照流程進行處理的做法，才可以糾正成果中以夾雜干擾波假象進行預報的局面。

在京西梨園嶺隧道TGP206與TSP200在同一次預報中進行試驗對比，發現TSP200儀器采集的記錄中有嚴重的隧道管波，TGP206儀器采集的記錄中無隧道管波。兩臺儀器工作中使用同一批24炮震源和在同一位置接收，采集的地震波記錄出現如此之大的區別，關鍵在TSP200儀器的接收裝置設計不合理。我分析過近百個TSP203與TSP200儀器采集的記錄文件，記錄上普遍存在著“隧道管波”，檢查數據處理的過程中也未見對干擾波進行處理，而是作為地震反射波數據參與了處理，隧道管波干擾的假象混雜在預報成果圖中。近幾年，我看到的使用TSP203和TSP200資料發表的預報文章中，其現場采集的偏移距離（接收到最近激發炮之間的距離）普遍使用15米或者20米，炮孔之間的距離為1.5米至2米左右。在隧道管波干擾的情況下，這種布置采集的記錄見圖（9），記錄上的隧道管波是構成對有效波預報的嚴重干擾。我們對以如上參數采集的記錄作個初步的分析，假設巖體條件為完整的微風化硬巖，以巖體的縱波速度為4500米/秒，橫波速度為2500米/秒計算，未受隧道管波干擾的距離：縱波成果為120米左右，橫波成果為60米左右。以現行TSP200或者TSP203雙參數預報的做法評論，其未受隧道管波干擾的預報距離為60米左右。如果巖體條件降低，雙參數預報的距離還要大打折扣。如果按預報150米距離分析，其中有90米左右的距離中包含有隧道管波的假象資料。請有關使用者自己檢查已經處理過的文件，分析我的結論是否有道理。也不妨召開一個有代表性，而且能夠深度研究隧道地震波預報技術的會議，研討是否存在隧道管波干擾的問題和改進措施。

我提出一個不得已而為之的方法，供大家思考。根據各種波傳播路徑和速度差異的原理，即隧道管波在隧道內的空氣中傳播，其速度低，地震波在巖體中傳播其速度高，現場采用加大偏移距離進行預報數據的采集方法，利用巖體的地震波速度明顯高于空氣中聲波速度的條件，使隧道管波下移，延遲隧道管波在地震波記錄出現的時間，加大反射波接收的時間窗口，可以起到加大預報距離的目的。圖（10）下部標注有20、30、40的三條紫色線分別表示：偏移距離為20米、30米、40米情況下的隧道管波的出現位置。由圖可見，如果采用40米的偏移距離，隧道管波下移，反射波的時間窗口加大，在巖體為完整微風化硬巖的條件下，縱波反射基本上不受干預，橫波反射受影響的地震道約為30%。這種方法的不利點是偏移距離加大會影響到地震波頻率的降低和能量的衰減，但是權衡利弊，實現“隧道管波”下移的方法，避開隧道管波的干擾，無疑是一個不壞的辦法。

有關是否可以采取濾波方式處理“隧道管波”的問題。“隧道管波”的頻率與激發條件、接收裝置條件、以及隧道圍巖的性質等有關系，也存在接收裝置系統在受震條件下產生次生震蕩波，綜合起來的干擾波比較復雜。通過濾波方式處理不宜實現濾除目的，如果采用的濾波參數不合理，還會產生改變地震波信息造成其它成果假象的可能性。

4、隧道埋深與預報距離

有一位從事海底隧道地震波超前預報的工程師向我詢問有關預報距離的問題，海底隧道在基巖和海底的沉積地層中穿過，如果基巖面的起伏較大，這一類情況與地面上的淺埋隧道一樣。在隧道地震超前預報中，海底地形界面和起伏的基巖面同樣是地震波的反射面，因此，地形界面和土石界面產生的反射波，與地質構造面產生的反射波均會被儀器接收并疊加在一起，造成地震波記錄復雜化。所以，在海底隧道或者淺埋隧道進行超前預報時，要綜合考慮上述影響，合理確定預報的距離。一般在無法剔除地形等界面反射波影響的條件下，控制預報距離小于隧道埋藏深度為宜，對于大于埋深的距離預報要慎重。

5、關于圍巖參數的預報問題

關于隧道圍巖參數的預報問題，應該明確兩個問題：一是地震波預報方法獲得圍巖參數的原理和作用；二是利用圍巖參數變更隧道圍巖級別的合理性。

地震波預報方法獲得的基本參數是縱波速度和橫波速度，其他參數均是由此計算得到的二級參數。利用地震波方法求取速度參數計算的過程中，速度數值與介質本身和反射界面的角度兩個變量有關系。在地震波預報求取速度的過程中，以測量段（炮孔段）巖體速度為基本參考值，計算中同時考慮巖體反射界面的反射幅度強弱作為計算因素，帶有相關比較的性質，因此得到的速度數值稱為估算速度，利用估算速度曲線的分布作為分析相鄰巖體的定性比較具有一定的合理性。但是，它既不是常規地震波勘探中的均方根速度，也不是巖體的真速度。

地質界面與隧道的關系，地質界面正交隧道軸線的情況應該說是個別的，普遍存在的應該是與隧道存在夾角的情況，因此普遍存在的是地震反射波路徑與隧道軸線不重合，地質界面與隧道的夾角越小（以正交為90度），地震波路徑與隧道軸線的夾角越大，即地震波路徑偏離隧道越遠。因此，利用地震反射波路徑方向上的速度代表隧道圍巖，存在不合理性，因為地質巖體具有的非均質、非連續和各向異性是不容忽視的。

在明確地震波預報獲取的速度含義以后，我們來分析利用該速度進行“隧道圍巖彈性波分級法”和變更隧道圍巖級別的問題。“隧道圍巖彈性波分級法”顧名思義，是隧道圍巖彈性波的一個分級方法，而不是隧道圍巖地質分級的全部。勘察設計報告中圍巖級別的結論是綜合考慮：隧道通過地帶巖體的工程地質、水文地質、隧道埋深與地應力，以及隧道圍巖彈性波參數等多方面的資料做出的，僅僅利用預報獲得的巖體參數變更圍巖的級別存在著片面性。

舉例說明如下：圖（11）是TSP203儀器預報成果圖中的一部分，圖中上半部分三項參數的直方圖，由上而下為巖體分段的縱、橫波速度參數值；巖體的密度值；和巖體的彈性模量值。圖的下半部分為反射界面的分布圖。以圖中的反射界面線與隧道里程線的交點為序，統計反射界面與隧道軸線的夾角，匯總成表1。

序號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 里程 2084 2092 2104 2108 2109 2116 2136 2152 2164 2184 2188 夾角 45° 75° 70° 65° 75° 80° 80° 70° 90° 70° 80°

序號

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

里程

2084

2092

2104

2108

2109

2116

2136

2152

2164

2184

2188

夾角

45°

75°

70°

65°

75°

80°

80°

70°

90°

70°

80°

以表1中最后兩個界面的里程和夾角，根據隧道地震反射波傳播理論，采用作圖方法，繪制的地震反射波的射線路經，分別見圖（12）。

上圖的預報距離為100米：圖中序號11的界面在2188里程，構造面與隧道夾角80°，其地震射線與隧道夾角10°～15°，反射段偏離隧道距離32～37米；圖中序號10界面在2184里程，構造面與隧道夾角70°，其地震射線與隧道夾角20°～30°，反射段偏離隧道距離49～59米。如果以正常預報距離150米計算，反射段偏離隧道的距離達到70～80米。地震波射線與隧道軸線方向不同，射線路經與隧道軸線也不具備重合條件，而且偏離隧道50至80米多米以外，這樣的速度資料作為隧道掌子面前方圍巖的速度不具備代表性，以此變更隧道圍巖的分級則更無道理。至于圖中提供的其他巖體動參數，例如：動彈性模量、動剪切模量、動泊松比和巖體密度值等參數，皆由巖體縱波和橫波速度計算而來，擺在報告中也就是一堆動參數。況且在沒有具體巖體動靜參數對比資料的基礎上，如何使用也存在問題。

我認為隧道地震波超前預報，應該是以預報地質災害和不良地質條件為主，以估算速度參數定性評價圍巖地質條件為輔的方法。

五、結語

隨著我國基本建設規模的擴大，隧道工程已經成為鐵路、公路和水利水電等大型項目中的重要工程。根據國內外隧道施工的經驗和教訓，科學地開展隧道地質超前預報工作是非常重要和必要的。近幾年來隧道地震波預報技術已經成為工程界的熱門話題，自然也會出現各顯神通的局面，因此，圍繞預報中有關技術問題展開討論，進行必要的技術交流，對于促進應用技術的科學進步，促進隧道地震波預報技術的提高，是非常必要的。