新建沪昆铁路是我国交通网中“五纵五横”运输大通道的重要组成部分，是长三角、珠三角等沿海经济发达地区向西南内陆地区进行经济辐射的主要轴线，在区域综合交通运输体系中作用巨大。沪昆线西段主要位于云贵高原及其边缘过渡地带，区域范围内地质构造复杂，构造线密集，断层发育，有岩溶、煤层瓦斯和采空区、液化砂石、软质岩风化剥落等不良地质条件。
在隧道施工过程中超前地质预报技术对于查清隧道不利地质条件、预报掌子面前方的地质构造和含水性、保障施工安全具有重要作用,已成为隧道施工必要的技术环节。基于地震反射理论的隧道超前地质预报技术预报长度大，工作效率高，得到了较广泛的应用，但也存在一定的技术缺陷。对于大型断裂带和岩性分界面等地质对象，因其物性差异大故反射信号强，使用基于反射理论的地质超前预报技术开展工作，难度相对较小。对于岩溶、围岩裂隙等小型地质构造的预报基于反射理论的地质超前预报技术则难以发挥作用，误报率高。在我国西南的岩溶区，大部分岩溶是以构造裂隙岩溶为主，沿断裂与构造裂隙发育。由于溶蚀、崩塌、冲蚀作用，岩溶形态复杂，多有部分填充。管道岩溶也较发育，其埋深大，形成地下暗河。这些岩溶形态复杂，体积小，表面极不规则，展布规模小于地震波长，对地震波难于形成有效的反射，地震波主要以散射形式传播。针对岩溶区地震场波的特征，利用散射波进行地质超前预报势在必行。散射波的传播规律、波场特征与反射波不同，不能应用地震反射资料处理技术处理，需要应用针对散射波的专有的处理技术。TST地质超前预报系统就是基于散射地震成像技术的地质超前预报系统。本文利用基于散射理论的TST超前预报系统并综合地质雷达等其他预报方法成功解决了岩溶地区地质超前预报的难题。
散射扫描成像技术
超前预报时在隧道围岩中使用人工源激发地震波，地震波向四面八方传播，遇到岩性变化界面、地质构造、岩溶、地表面等波阻抗变化界面时发生反射、散射与折射。当地质界面尺度远大于地震波波长时，地震波传播遵从层状介质中的反射理论，反射波能量大，并沿着反射角等于入射角的方向传播。
当地质界面的尺度小于地震波长时，地震回波的传播遵从散射理论，散射波不再具有单一的方向，而是以散射点为中心向四面八方传播。与反射波相比，散射波的能量较弱，频率偏高。在实际地质条件下，既有像岩性界面、断层、地表面等这样的大尺度的反射界面，也有像岩溶、采空区、孤石等这样的小尺度离散地质体(图1)。
图1 隧道地质超前预报观测模型
图2 反射与散射混合理论模型
采用反射与散射的混合模型(图2),根据反射波以及散射波的传播规律，分别将散射波和反射波进行偏移归位，得到隧道掌子面前方的真实地质情况，这就是TST散射扫描技术的基本思想。关于TST地质超前预报系统数据处理的具体技术措施，如方向滤波、围岩速度分析、扫描成像等以及在数据采集时的观测系统要求赵永贵、蒋辉等已经多次论述。
TST数据处理结果的解释原理
TST 的波速图像与偏移图像的地质解释遵从如下原理：波速的分布可用于掌子面前方岩体的力学性状的推断,岩体波速高表示岩体结构完整致密,弹性模量高;波速低代表岩体破碎,裂隙含水;构造偏移图像表示地质结构的组合图像和地层性质的变化。构造偏移图像中反射条纹密集的地段，结构复杂、构造发育，在波速图像中对应位置为低波速带;构造条纹少的地段，围岩均匀致密，波速图像中对应高波速带。对岩体含水性的预报要结合水文地质资料，如果隧道标高在地下水位之下，则可判定断裂带和破碎岩体富含地下水，如果隧道标高在地下水位之上，则断裂带和破碎岩体仅可能含少量水或季节性含水。偏移图用色彩分明的蓝红分别表示软硬岩体界面，红色线条代表正的波速异常,表示波速由低变高、岩体由软变硬的界面;蓝色线条代表负的波速异常,表示波速由高变低、岩体由硬变软的界面;先蓝后红线条的组合代表存在一个断裂带。红蓝条纹密集出现区域代表地质现象中的断裂带或溶洞。断裂的展布范围大，体现在偏移图像上是较大范围的红蓝条纹延伸;溶洞的反射面不规则，在偏移图像上显示为红蓝条纹的延伸长度短。
不同于基于反射理论的TSP等技术，在岩溶发育等地质构造复杂地区,利用TST超前地质预报技术能够对掌子面前方地质情况有效、准确的进行预报。克服了基于反射方法的超前预报技术，如TSP技术造成的误报、漏报问题。但是值得注意的是在实践过程中TST技术处理手段多，方法灵活，需要较多实践经验，人机交互过程中人为因素会影响预报结果。进一步研究中应建立标准化的数据处理流程，减小人为因素对预报结果的影响。基于散射理论的超前预报技术应用实例较少，希望同行加强交流，不断丰富应用实例。
声明：
“TST隧道地质超前预报技术” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：北京同度工程物探技术有限公司
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2025年03月25日 ~ 27日 
