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隧道地震超前预报是在隧道开挖阶段利用地震方法对掌子面前方约150m区段地质条件进行预报，指导施工降低风险。该方法由于探测距离长且对地质界面敏感，是目前隧道中应用最普遍的地球物理方法，但还存在几点不足：全空间隧道复杂边界条件下地震波场复杂难以识别；观测系统设计原理不清晰；动圈式速度型传感器难以满足隧道地震宽频带高灵敏度的信号采集需求；检波器与隧道围岩耦合困难；隧道小孔径偏移成像绕射明显、分辨率较低。本文针对上述问题，对隧道地震超前预报进行了系统研究，主要研究成果如下：
①利用有限差分法进行了隧道全空间、全波场正演模拟，研究了基于隧道空气边界条件的正演方法。将隧道壁和掌子面设置为自由边界、应力设置为0得到更符合实际情况的隧道全波场，主要包括直达波、Rayleigh波、掌子面高能RS波以及不同地质界面产生的反射纵波、转换横波等。对这些波场的走时和振幅特性分析可以为传感器设计、观测系统设置以及信号处理提供理论依据。
②研究了隧道观测系统设计原理并提出了新的适用于隧道工程实际的二维不规则观测系统。研究表明水平方向（隧道开挖方向）偏移距增大可以减少成像画弧，垂向方向偏移距增大可以压制镜像假象，隧道空间垂向偏移距有限，可充分利用隧道高度采集更丰富的垂向偏移距地震数据压制镜像假象，根据该结论提出了新的二维不规则观测系统并应用于隧道实际工程。
③基于振动台测试、隧道炸药爆破对比实验研究了隧道地震信号采集的加速度传感器。传感器灵敏度为2.8V/g高于目前国外顶尖仪器设备1V/g，为目前文献及考察调研的最高水平，传感器频宽范围为10Hz-5kHz远宽于常规速度型传感器。爆破实验也首次发现隧道地震信号频谱可高达1500Hz，说明宽频带加速度传感器可以大大拓宽传统速度型传感器的采集频率，进而提高成像分辨率。
④基于加速度传感器研发了直耦合检波器。利用滑轮和硬质弹簧的机械结构设计使检波器和隧道钻孔壁牢牢的贴合在一起，首次实现了检波器和隧道钻孔围岩介质的直接硬耦合。直耦合检波器比常规检波器保真度更高，高频信息更丰富，将常规检波器安装时间从约半小时减少至1分钟，缩短了隧道恶劣环境下的工作时间，安装过程节省成本。
⑤研究了基于波动方程的小孔径逆时偏移成像方法。正演模拟表明逆时偏移画弧明显小于常规等走时面偏移，说明波动方程偏移方法更接近地震波真实传播规律，成像分辨率更高。将两种方法同时用于工程实际，逆时偏移剖面中地质异常体的区域比常规等走时面偏移剖面更收敛，分辨率更高，说明该方法可以用于隧道小孔径地震成像。
⑥研发了TETSP隧道地震超前预报系统。以实际工程应用为导向，设计了简洁高效的隧道地震信号采集软件，根据隧道地震波全空间传播规律，设计了隧道地震资料处理流程，编制了数据处理软件。结合上文研究形成了TETSP隧道地震超前预报系统。该系统打破国外系统垄断，在国内铁路、水利、地铁等隧道进行了大量应用，探测结果稳定可靠，可为隧道施工提供安全参考。
①利用有限差分法进行了隧道全空间、全波场正演模拟，研究了基于隧道空气边界条件的正演方法。将隧道壁和掌子面设置为自由边界、应力设置为0得到更符合实际情况的隧道全波场，主要包括直达波、Rayleigh波、掌子面高能RS波以及不同地质界面产生的反射纵波、转换横波等。对这些波场的走时和振幅特性分析可以为传感器设计、观测系统设置以及信号处理提供理论依据。
②研究了隧道观测系统设计原理并提出了新的适用于隧道工程实际的二维不规则观测系统。研究表明水平方向（隧道开挖方向）偏移距增大可以减少成像画弧，垂向方向偏移距增大可以压制镜像假象，隧道空间垂向偏移距有限，可充分利用隧道高度采集更丰富的垂向偏移距地震数据压制镜像假象，根据该结论提出了新的二维不规则观测系统并应用于隧道实际工程。
③基于振动台测试、隧道炸药爆破对比实验研究了隧道地震信号采集的加速度传感器。传感器灵敏度为2.8V/g高于目前国外顶尖仪器设备1V/g，为目前文献及考察调研的最高水平，传感器频宽范围为10Hz-5kHz远宽于常规速度型传感器。爆破实验也首次发现隧道地震信号频谱可高达1500Hz，说明宽频带加速度传感器可以大大拓宽传统速度型传感器的采集频率，进而提高成像分辨率。
④基于加速度传感器研发了直耦合检波器。利用滑轮和硬质弹簧的机械结构设计使检波器和隧道钻孔壁牢牢的贴合在一起，首次实现了检波器和隧道钻孔围岩介质的直接硬耦合。直耦合检波器比常规检波器保真度更高，高频信息更丰富，将常规检波器安装时间从约半小时减少至1分钟，缩短了隧道恶劣环境下的工作时间，安装过程节省成本。
⑤研究了基于波动方程的小孔径逆时偏移成像方法。正演模拟表明逆时偏移画弧明显小于常规等走时面偏移，说明波动方程偏移方法更接近地震波真实传播规律，成像分辨率更高。将两种方法同时用于工程实际，逆时偏移剖面中地质异常体的区域比常规等走时面偏移剖面更收敛，分辨率更高，说明该方法可以用于隧道小孔径地震成像。
⑥研发了TETSP隧道地震超前预报系统。以实际工程应用为导向，设计了简洁高效的隧道地震信号采集软件，根据隧道地震波全空间传播规律，设计了隧道地震资料处理流程，编制了数据处理软件。结合上文研究形成了TETSP隧道地震超前预报系统。该系统打破国外系统垄断，在国内铁路、水利、地铁等隧道进行了大量应用，探测结果稳定可靠，可为隧道施工提供安全参考。