隧道掘进机施工期三维地震波超前探测理论研究

During the TBM tunnel construction, disasters and serious accidents are easily evoked such as water inrush, mud outburst, landslides, TBM (Tunnel Boring Machine) cards and so on。The main reason is that the TBM environment is extremely complex and there is no effective theories and methods in TBM tunnel. The three-dimensional seismic advanced detection method in TBM tunnel is proposed to solve this issue. Taking the 3D space-class observation modes, effective imaging methods and 3D seismic wave filed response characteristics as the starting point, systematic studies were carried out in this project. First, the 3D space-class observation modes in TBM tunnel environment and its data processing and imaging method were proposed. Through systematic forward modeling and imaging test, the seismic wave filed response pattern and imaging characteristics of typical adverse geologies were revealed. Second, in order to suppress the multiply solutions problem derived from a single advanced detection method, a comprehensive advanced detection method ahead of tunnel face for adverse geologies based on 3D seismic waves with prior constraint information was proposed. Eventually, a complete set of methods with integrated prediction and joint interpretation method of TBM tunnel 3D seismic wave advanced detection based on 3D space-class observation modes was formed.

TBM施工隧道经常发生突水突泥、塌方及卡机甚至机毁人亡等灾害事故，其主要原因是TBM环境极为复杂，尚没有适合TBM隧道不良地质超前探测的理论和方法。针对该难题，提出适用于隧道掘进机的三维地震波超前探测方法，用于探明前方存在的断层破碎带等不良地质。由于TBM隧道环境十分复杂，现有地震波超前探测方法存在许多问题。本项目以TBM隧道地震三维空间观测模式、有效的成像方法、TBM隧道三维地震波场响应特征等为切入点开展系统的理论研究，提出TBM隧道环境下地震波超前探测的三维空间观测方式及其数据处理与成像方法，通过系统的正演模拟与成像试验，揭示典型不良地质体的TBM隧道环境下地震波探测响应规律与成像特征。同时针对单一超前探测方法多解性的问题，提出基于三维地震先验约束信息的TBM隧道不良地质综合超前探测方法。最终形成基于三维空间观测方式的TBM隧道地震波超前探测的成套方法及综合预报与联合解释方法。

TBM隧道施工中经常会遇到多种复杂的地质条件和不良地质，极易诱发突水突泥、塌方、TBM(Tunnel Boring Machine)卡机等严重灾害和事故，常常会导致施工工期延误、TBM损毁、严重的经济损失乃至重大人员伤亡。因此，提前探明工作面前方存在的断层破碎带、含水溶洞等不良地质，对于保证TBM隧道工程建设安全和灾害预防与控制极为重要。.地震波超前探测方法以其较远的探测距离与较好的界面识别效果，成为TBM隧道超前探测中最常用的地球物理方法，但由于TBM隧道环境十分复杂，现有隧道地震波超前探测方法仍存在许多问题：①对TBM隧道环境下地震波传播特性的认识不够清楚，缺少针对典型不良地质三维地震波场响应特征的系统研究；②现有地震波超前探测方法多采用直线类观测方式，无法准确获得前方岩体地震波波速分布，导致前方不良地质体的定位效果和识别效果难以保证；③三维空间类观测方式有利于获得更加准确的波速估计，但是TBM隧道环境下空间类观测方式的布置形式研究不够深入，尚缺乏适用于三维空间类观测方式的合理的数据处理与成像方法。针对上述问题，本项目以三维空间观测模式、有效的成像方法、三维地震波场响应特征等为切入点开展了系统的研究，研究并提出了TBM隧道环境下地震波超前探测的三维空间观测方式及其数据处理与成像方法，通过系统的正演模拟与成像试验，揭示了典型不良地质体的地震波探测响应规律与成像特征。同时针对单一超前探测方法多解性的问题，提出了基于三维地震先验约束信息的TBM隧道不良地质综合超前探测方法。最终形成了基于三维空间观测方式的TBM隧道地震波超前探测的成套方法及综合预报与联合解释方法，在三维波场分离、三维速度分析及成像、多解性压制等方面有显著改进，并将其技术成果在现场探测工作中进行了应用并取得了成功。.