隧道施工地质地震波法超前探测技术研究
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技 术 与 市 场
第 加卷第 １ 期２ ０ １ ３ 年
技 术 研 发
隧 道 施 工 地 质 地 震 波 法 超 前 探 测 技 术 研 究
张 光波
（ 西藏云天工程建筑有限公 司， 西藏
摘
８ ５ ０ ０ ０ ０ ）
要： 随 着隧道里程 的快速增长 ， 隧道施 工的安全越来越重要 。地质地震波 法作 为一种主要 的超前探 测技术 ， 在 国内
２ ． ３ ． ２ 纵 波
不 同岩层 物理性质 的 差异 ， 导致 地震 波 在不 同岩 层 中的
传播速度 也不同 。
２ ． １ 地 震 波 探 测 的基 本 原 理
弹性介质 中质点 的振动方 向与波的传播方 向互相平 行的 波称为纵波 。纵波 中介质点受到交 变拉压应力 作用并产 生伸 缩变形 ， 故纵波亦称压缩波 （ 或 Ｐ波 ） 。而且 ， 由于纵波 中的质 点疏密相 间， 故又称为疏密波 。
随着我 国公路 、 铁路、 水利 、 矿 山及其 他 工程 建设 的 飞速
发展 ， 隧道工程也 大量 出 现。影响 隧道及 井 巷工 程掘 进安 全
的地质因素较 多 ， 其 中断层构 造 、 破碎 带 、 软 弱层 及含 水体 是 最主要 的异 常体 ， 因此必须对 此进行超 前探测 与预报 ， 为工 程 掘进提供 可靠的技术保 障。地震 波法超前探 测 的 目标是 要建 立和完善 一套 实 时 的巷 道前 方 地 质体 的动 态 监测 与 预报 系 统， 并可 以指导 隧道 地质施工过程 中的相关 问题 ， 保证工 程施 工安 全 ， 提 高经 济效益。
行性研 究阶段 、 勘察设计 阶段和施工 阶段 的探测 。
２ 地震波探测原理
根据弹性力学 理论 ， 面 波又分 为 勒夫 波和瑞 利波 。瑞 利 波是沿介质与大气 层接 触 的 自由表 面传播 的 面波 ， 具有 频率 低、 速度 接近于横波波速且衰减慢等 特点 ， 在一 般地震勘 探 中 是一种干扰波 。勒夫波使岩石质点运 动类似 Ｓ Ｈ波 ， 运动没有 垂 向位移 ， 岩石运动在垂直于传播方 向上 ， 在水 平面 内从 一边 到另一边 。由于勒 夫波 常具有很 大振 幅 ， 能在 建筑 物地基 之 下造成水平剪切 ， 是破坏性最强大的波 。
横波 又称 为切 变波。 ３ 地震波法超前探测工作方法 隧道地震波法超前探测工作 方法是建立在 经典 弹性 波理 论基础上 ， 形 成的反 射波 法超 前探 测技术 。图 １ 为 波反 射法 地质探测程序 。开 展隧 道地 质探测 工作 ， 首先 要对 所处 的地
解释 的原始数据 。
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ６ —８ ５ ５ ４ ． ２ ０ １ ３ ． ０ １ ． ０ １ ３ ０ 引 言
来自百度文库
论来研究 地震 波的传播问题 。研究表 明 ， 大 部分岩 、 煤 的机 制 在地震勘探中都可 以看 作各 向同性 介质 ， 从而 可 以利 用一 些 基本弹性理论来进行地震波研究 。 在隧道地 震 波勘 探 中 主要 是研 究 人工 激 发 的地震 波 在 岩、 煤介质 中的传 播规 律 ， 以探测前 方地质构造 和岩层 的分 布
２ ． ２ 弹 性 介 质 和 理 论 基 础
某物 体在外力作用下产 生形 变 ， 当外力 去掉之后 ， 物 体能
迅速恢 复到受力前 的形 态和大小 ， 物体这种 特性称 为弹性 ， 该
介 质称之为弹性介质 。 自然 界大部分物 质都可 以在一 定的外 力作 用下呈现 出弹性 的性 质。 在弹性理论 的研究 中 ， 根据 介质 的不 同特 征可 分 为各 向
１ 隧道地质超前探 测 隧道地质超前 探测 指根 据 隧道洞 内外 地 质调查 、 掌子 面
等 。研究的理论 中， 通 常把岩 、 煤介质 看作各 向同性 的弹性介
质， 把地震波看作弹性波 。
２ ． ３ 波 的 分 类
地震波分为面波和体波两大 类。面波又 可分为瑞利 波和
勒夫波两种 ， 体波 又可分 为纵 波和横 波两 种。现将 各种 波的
质点 的振动方 向与波的传播 方向垂直 ， 这样 的波称为 “ 横 波” 。横 波的特点是 质点 的振动 方 向与波 的传 播方 向相 互垂 直 。在横波 中波 长通 常是 指相 邻 两个 波 峰 或波谷 之 间 的距 离 。横波 中介质点 受到 剪切应 力 的作用 而产 生切变 形变 ， 故
２ ． ３ ． ３ 横波
震波勘探 是由震 源激 发 的地震 波在 向下 或 向前传 播 时 ， 遇到不 同的波阻抗界面时 ， 在界面 处发生反 射 、 透射（ 折射） 等 现象 ， 这些在不 同波 阻抗 界面发生 的反射 、 透射 （ 折射 ） 地 震波
可被排列 于震源 附近 的检 波器所 接收 ， 从 而形成 可用 于地 震
隧道 工程 中取 得 了诸 多成功应 用的探 测 实例。 同时在应用 中， 不 同探 测方法也存在不 少问题。文章主要 对超 前探 测 中 应 用较 为广泛的地震波探测技 术加 以阐明 ， 指 出隧道超前探 测 中地震 波的种 类， 并进 一步提 出地 震 波法超前探 测的工
作方 法。
关键词 ： 隧 道 施 工地 质 ； 地震波 法； 超 前探 测
特征分别进行 阐述 。 ２ ． ３ ． １ 面 波
素描及隧 道开挖揭 示 的洞身 围岩条 件变 化趋 势 的结果 ， 运 用 数学 、 概率论 、 逻辑学 、 物 理学 、 地质学、 计 算 机科 学等 各学 科 知识 ， 结合探测人员经 验 ， 对 隧道 施工可能 遇到 的各种不 良地 质体及 可能发生的各种地质灾 害的性质 、 分 布位置 、 规模 进行 判断 和探 测 ， 并根 据 判断 和探测 结果 提 出应采取 地质 灾 害预 防和处理 的措施 。因此 ， 隧 道地 质超 前探 测包括 隧 道工程 可
第 加卷第 １ 期２ ０ １ ３ 年
技 术 研 发
隧 道 施 工 地 质 地 震 波 法 超 前 探 测 技 术 研 究
张 光波
（ 西藏云天工程建筑有限公 司， 西藏
摘
８ ５ ０ ０ ０ ０ ）
要： 随 着隧道里程 的快速增长 ， 隧道施 工的安全越来越重要 。地质地震波 法作 为一种主要 的超前探 测技术 ， 在 国内
２ ． ３ ． ２ 纵 波
不 同岩层 物理性质 的 差异 ， 导致 地震 波 在不 同岩 层 中的
传播速度 也不同 。
２ ． １ 地 震 波 探 测 的基 本 原 理
弹性介质 中质点 的振动方 向与波的传播方 向互相平 行的 波称为纵波 。纵波 中介质点受到交 变拉压应力 作用并产 生伸 缩变形 ， 故纵波亦称压缩波 （ 或 Ｐ波 ） 。而且 ， 由于纵波 中的质 点疏密相 间， 故又称为疏密波 。
随着我 国公路 、 铁路、 水利 、 矿 山及其 他 工程 建设 的 飞速
发展 ， 隧道工程也 大量 出 现。影响 隧道及 井 巷工 程掘 进安 全
的地质因素较 多 ， 其 中断层构 造 、 破碎 带 、 软 弱层 及含 水体 是 最主要 的异 常体 ， 因此必须对 此进行超 前探测 与预报 ， 为工 程 掘进提供 可靠的技术保 障。地震 波法超前探 测 的 目标是 要建 立和完善 一套 实 时 的巷 道前 方 地 质体 的动 态 监测 与 预报 系 统， 并可 以指导 隧道 地质施工过程 中的相关 问题 ， 保证工 程施 工安 全 ， 提 高经 济效益。
行性研 究阶段 、 勘察设计 阶段和施工 阶段 的探测 。
２ 地震波探测原理
根据弹性力学 理论 ， 面 波又分 为 勒夫 波和瑞 利波 。瑞 利 波是沿介质与大气 层接 触 的 自由表 面传播 的 面波 ， 具有 频率 低、 速度 接近于横波波速且衰减慢等 特点 ， 在一 般地震勘 探 中 是一种干扰波 。勒夫波使岩石质点运 动类似 Ｓ Ｈ波 ， 运动没有 垂 向位移 ， 岩石运动在垂直于传播方 向上 ， 在水 平面 内从 一边 到另一边 。由于勒 夫波 常具有很 大振 幅 ， 能在 建筑 物地基 之 下造成水平剪切 ， 是破坏性最强大的波 。
横波 又称 为切 变波。 ３ 地震波法超前探测工作方法 隧道地震波法超前探测工作 方法是建立在 经典 弹性 波理 论基础上 ， 形 成的反 射波 法超 前探 测技术 。图 １ 为 波反 射法 地质探测程序 。开 展隧 道地 质探测 工作 ， 首先 要对 所处 的地
解释 的原始数据 。
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ６ —８ ５ ５ ４ ． ２ ０ １ ３ ． ０ １ ． ０ １ ３ ０ 引 言
来自百度文库
论来研究 地震 波的传播问题 。研究表 明 ， 大 部分岩 、 煤 的机 制 在地震勘探中都可 以看 作各 向同性 介质 ， 从而 可 以利 用一 些 基本弹性理论来进行地震波研究 。 在隧道地 震 波勘 探 中 主要 是研 究 人工 激 发 的地震 波 在 岩、 煤介质 中的传 播规 律 ， 以探测前 方地质构造 和岩层 的分 布
２ ． ２ 弹 性 介 质 和 理 论 基 础
某物 体在外力作用下产 生形 变 ， 当外力 去掉之后 ， 物 体能
迅速恢 复到受力前 的形 态和大小 ， 物体这种 特性称 为弹性 ， 该
介 质称之为弹性介质 。 自然 界大部分物 质都可 以在一 定的外 力作 用下呈现 出弹性 的性 质。 在弹性理论 的研究 中 ， 根据 介质 的不 同特 征可 分 为各 向
１ 隧道地质超前探 测 隧道地质超前 探测 指根 据 隧道洞 内外 地 质调查 、 掌子 面
等 。研究的理论 中， 通 常把岩 、 煤介质 看作各 向同性 的弹性介
质， 把地震波看作弹性波 。
２ ． ３ 波 的 分 类
地震波分为面波和体波两大 类。面波又 可分为瑞利 波和
勒夫波两种 ， 体波 又可分 为纵 波和横 波两 种。现将 各种 波的
质点 的振动方 向与波的传播 方向垂直 ， 这样 的波称为 “ 横 波” 。横 波的特点是 质点 的振动 方 向与波 的传 播方 向相 互垂 直 。在横波 中波 长通 常是 指相 邻 两个 波 峰 或波谷 之 间 的距 离 。横波 中介质点 受到 剪切应 力 的作用 而产 生切变 形变 ， 故
２ ． ３ ． ３ 横波
震波勘探 是由震 源激 发 的地震 波在 向下 或 向前传 播 时 ， 遇到不 同的波阻抗界面时 ， 在界面 处发生反 射 、 透射（ 折射） 等 现象 ， 这些在不 同波 阻抗 界面发生 的反射 、 透射 （ 折射 ） 地 震波
可被排列 于震源 附近 的检 波器所 接收 ， 从 而形成 可用 于地 震
隧道 工程 中取 得 了诸 多成功应 用的探 测 实例。 同时在应用 中， 不 同探 测方法也存在不 少问题。文章主要 对超 前探 测 中 应 用较 为广泛的地震波探测技 术加 以阐明 ， 指 出隧道超前探 测 中地震 波的种 类， 并进 一步提 出地 震 波法超前探 测的工
作方 法。
关键词 ： 隧 道 施 工地 质 ； 地震波 法； 超 前探 测
特征分别进行 阐述 。 ２ ． ３ ． １ 面 波
素描及隧 道开挖揭 示 的洞身 围岩条 件变 化趋 势 的结果 ， 运 用 数学 、 概率论 、 逻辑学 、 物 理学 、 地质学、 计 算 机科 学等 各学 科 知识 ， 结合探测人员经 验 ， 对 隧道 施工可能 遇到 的各种不 良地 质体及 可能发生的各种地质灾 害的性质 、 分 布位置 、 规模 进行 判断 和探 测 ， 并根 据 判断 和探测 结果 提 出应采取 地质 灾 害预 防和处理 的措施 。因此 ， 隧 道地 质超 前探 测包括 隧 道工程 可