新建滬昆鐵路是我國交通網(wǎng)中“五縱五橫”運輸大通道的重要組成部分，是長三角、珠三角等沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)向西南內(nèi)陸地區(qū)進行經(jīng)濟輻射的主要軸線，在區(qū)域綜合交通運輸體系中作用巨大。滬昆線西段主要位于云貴高原及其邊緣過渡地帶，區(qū)域范圍內(nèi)地質(zhì)構造復雜，構造線密集，斷層發(fā)育，有巖溶、煤層瓦斯和采空區(qū)、液化砂石、軟質(zhì)巖風化剝落等不良地質(zhì)條件。

在隧道施工過程中超前地質(zhì)預報技術對于查清隧道不利地質(zhì)條件、預報掌子面前方的地質(zhì)構造和含水性、保障施工安全具有重要作用,已成為隧道施工必要的技術環(huán)節(jié)。基于地震反射理論的隧道超前地質(zhì)預報技術預報長度大，工作效率高，得到了較廣泛的應用，但也存在一定的技術缺陷。對于大型斷裂帶和巖性分界面等地質(zhì)對象，因其物性差異大故反射信號強，使用基于反射理論的地質(zhì)超前預報技術開展工作，難度相對較小。對于巖溶、圍巖裂隙等小型地質(zhì)構造的預報基于反射理論的地質(zhì)超前預報技術則難以發(fā)揮作用，誤報率高。在我國西南的巖溶區(qū)，大部分巖溶是以構造裂隙巖溶為主，沿斷裂與構造裂隙發(fā)育。由于溶蝕、崩塌、沖蝕作用，巖溶形態(tài)復雜，多有部分填充。管道巖溶也較發(fā)育，其埋深大，形成地下暗河。這些巖溶形態(tài)復雜，體積小，表面極不規(guī)則，展布規(guī)模小于地震波長，對地震波難于形成有效的反射，地震波主要以散射形式傳播。針對巖溶區(qū)地震場波的特征，利用散射波進行地質(zhì)超前預報勢在必行。散射波的傳播規(guī)律、波場特征與反射波不同，不能應用地震反射資料處理技術處理，需要應用針對散射波的專有的處理技術。TST地質(zhì)超前預報系統(tǒng)就是基于散射地震成像技術的地質(zhì)超前預報系統(tǒng)。本文利用基于散射理論的TST超前預報系統(tǒng)并綜合地質(zhì)雷達等其他預報方法成功解決了巖溶地區(qū)地質(zhì)超前預報的難題。

散射掃描成像技術

超前預報時在隧道圍巖中使用人工源激發(fā)地震波，地震波向四面八方傳播，遇到巖性變化界面、地質(zhì)構造、巖溶、地表面等波阻抗變化界面時發(fā)生反射、散射與折射。當?shù)刭|(zhì)界面尺度遠大于地震波波長時，地震波傳播遵從層狀介質(zhì)中的反射理論，反射波能量大，并沿著反射角等于入射角的方向傳播。

當?shù)刭|(zhì)界面的尺度小于地震波長時，地震回波的傳播遵從散射理論，散射波不再具有單一的方向，而是以散射點為中心向四面八方傳播。與反射波相比，散射波的能量較弱，頻率偏高。在實際地質(zhì)條件下，既有像巖性界面、斷層、地表面等這樣的大尺度的反射界面，也有像巖溶、采空區(qū)、孤石等這樣的小尺度離散地質(zhì)體(圖1)。

圖1 隧道地質(zhì)超前預報觀測模型

圖2 反射與散射混合理論模型

采用反射與散射的混合模型(圖2),根據(jù)反射波以及散射波的傳播規(guī)律，分別將散射波和反射波進行偏移歸位，得到隧道掌子面前方的真實地質(zhì)情況，這就是TST散射掃描技術的基本思想。關于TST地質(zhì)超前預報系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的具體技術措施，如方向濾波、圍巖速度分析、掃描成像等以及在數(shù)據(jù)采集時的觀測系統(tǒng)要求趙永貴、蔣輝等已經(jīng)多次論述。

TST數(shù)據(jù)處理結果的解釋原理

TST 的波速圖像與偏移圖像的地質(zhì)解釋遵從如下原理：波速的分布可用于掌子面前方巖體的力學性狀的推斷,巖體波速高表示巖體結構完整致密,彈性模量高;波速低代表巖體破碎,裂隙含水;構造偏移圖像表示地質(zhì)結構的組合圖像和地層性質(zhì)的變化。構造偏移圖像中反射條紋密集的地段，結構復雜、構造發(fā)育，在波速圖像中對應位置為低波速帶;構造條紋少的地段，圍巖均勻致密，波速圖像中對應高波速帶。對巖體含水性的預報要結合水文地質(zhì)資料，如果隧道標高在地下水位之下，則可判定斷裂帶和破碎巖體富含地下水，如果隧道標高在地下水位之上，則斷裂帶和破碎巖體僅可能含少量水或季節(jié)性含水。偏移圖用色彩分明的藍紅分別表示軟硬巖體界面，紅色線條代表正的波速異常,表示波速由低變高、巖體由軟變硬的界面;藍色線條代表負的波速異常,表示波速由高變低、巖體由硬變軟的界面;先藍后紅線條的組合代表存在一個斷裂帶。紅藍條紋密集出現(xiàn)區(qū)域代表地質(zhì)現(xiàn)象中的斷裂帶或溶洞。斷裂的展布范圍大，體現(xiàn)在偏移圖像上是較大范圍的紅藍條紋延伸;溶洞的反射面不規(guī)則，在偏移圖像上顯示為紅藍條紋的延伸長度短。

不同于基于反射理論的TSP等技術，在巖溶發(fā)育等地質(zhì)構造復雜地區(qū),利用TST超前地質(zhì)預報技術能夠?qū)φ谱用媲胺降刭|(zhì)情況有效、準確的進行預報?？朔嘶诜瓷浞椒ǖ某邦A報技術，如TSP技術造成的誤報、漏報問題。但是值得注意的是在實踐過程中TST技術處理手段多，方法靈活，需要較多實踐經(jīng)驗，人機交互過程中人為因素會影響預報結果。進一步研究中應建立標準化的數(shù)據(jù)處理流程，減小人為因素對預報結果的影響?；谏⑸淅碚摰某邦A報技術應用實例較少，希望同行加強交流，不斷豐富應用實例。