1. 引言
隧道地质超前预报技术是一个国际前沿课题，各国都在研究之中。欧洲开始得较早(1980年代)，美洲稍晚些(1990年代)，中国在1990年代初也开始了超前预报技术研究，在2001年中国工程地球物理年会上被定为工程检测五大难题之一。伴随着大量隧道工程的建设，地质超前预报作为隧道施工中的一个重要环节，发挥着越来越重要的作用。隧道地质超前预报技术能够从时间和距离上提前了解隧道围岩地质情况，以便对后续施工提供可靠的指导，减少施工的盲目性，降低施工的风险性。无线分布式三维隧道地质超前预报技术主要有以下用途：不良地质预报及灾害地质预报、水文地质预报、断层及其破碎带的预报以及围岩类别及其稳定性预报等 [1] [2] 。
应用无线分布式三维隧道地质超前预报技术能够更为准确的预报出工作面前方地质情况，对不良地质体的空间定位更准确、精度更高、成果也更加直观。该技术作为当前一种比较先进的探测技术将在我国铁路、公路、水利、水电、煤炭等系统的各类隧洞或地下洞室工程中得到应用，同时对我国国防地下工程的安全高效建设也能够起到积极的指导作用。
2. 关键技术研究
目前，以TSP和TRT为代表的地震反射波法是当前地下工程超前预报中的主导方法 [3] 。TSP是基于二维观测和一维成像的方式，无法准确推断地质构造和不良地质体在工作面前方的具体位置和空间分布情况；TRT虽然采用三维观测方式和三维成像方法，但只能进行单分量检波，无法利用纵横波进行综合解释，直接影响了成像结果的准确性和实际应用价值。无线分布式三维隧道地质超前预报技术综合了TSP和TRT两种方法技术所具有的特点，并且在许多方面取得了创新成果。项目组应用数值仿真分析，研发了三维信号观测系统，利用三分量检波器实现了空间三维信号快速高效率采集 [4] ；根据负速度原理，提出了应用“F-K”二维滤波有效提取掌子面前方回波信号，提高了三维成像的精度和准确度 [5] [6] ；基于共反射面元偏移成像和计算机三维绘图技术，研发了无线分布式三维隧道地质超前预报仪器系统 [7] 。
无线分布式三维隧道地质超前预报主要工作原理是在隧道内使用锤击(或炸药)震源激发弹性波，弹性波沿掌子面前方传播过程中，遇到断层面、岩溶等不良地质体，会产生反射与散射回波信号，然后被安置在隧道内的传感器所接收，根据回波信号走时和能量大小，应用三维成像技术分析得出不良地质体空间分布位置和类型 [8] 。
2.1. 三维观测系统设计
研究利用大型动力有限元程序模拟工程内地震波的传播过程，对不同工况下的地质超前预报观测系统进行分析研究，为设计最优观测系统提供理论依据 [9] 。在分析中不考虑整个山体的应力变化及重力影响，只考虑工作面前方存在的含水体等不良地质体对地震波的影响，即地震波在隧道前方遇到弹性分界面时的反射情况，与隧道方向正交的水平方向和竖直方向视为均匀无限，在四个侧面边界施加无反射边界条件。计算分析模型结构对称，应力条件对称，属于对称问题。实际建立的模型为沿对称面取1/2模型。建立的三维立体模型，尺寸稍小一些对计算结果不会产生明显的影响，但却可以节省大量计算时间及存储空间，方便计算分析，进而针对不同工况进行计算分析，弹性波传播云图如图1所示 [10] 。
根据弹性波传播理论和三维仿真分析结果，同时考虑到现场工作特点和信号去噪要求，设计现场信号采集观测系统如图2所示。作为一种具体实现方式，在开挖的隧道中，确定工程开挖方向与X轴方向一致，工作面纵向为Y轴方向，工作面横向为Z轴方向。设定在距离工作面35 m处的隧道断面上安置检波器，且定义左侧壁地面为零点坐标(0, 0, 0)。在隧道左右两侧壁距离地面1 m的位置标记两条测线，其中左边线(L1)的起始和终止坐标分别为(0, 1, 0)和(35, 1, 0)，右边线(L2)的起始和终止坐标分别为(0, 1, Z)和(35, 1, Z) (Z为隧道断面宽度)。1号和2号检波器分别安置在测线L1和L2起点，3号检波器安置在断面顶点(0, Y, Z/2) (Y为隧道断面高度)，同时在附近用带钩膨胀螺丝安置并开启无线数据采集装置。最后打开控制终端(PC)，运行信号采集软件，点击采集按钮，在锤击(或炮震)之后，即可通过无线数据采集装置自动采集地震波信号 [11] 。
2.2. 波场分离与回波提取
早期的超前预报技术缺乏理论指导，普遍存在的技术缺陷是未考虑波场分离问题。而对于三维隧道地质超前预报系统，提取前方有效回波(反射波或散射波)是基础，提取回波的质量直接影响到后续数据的处理，关系到三维成像质量的高低。由于地震波场非常复杂，而掌子面前方的地质构造信息完全体现在反射波里面，因此有效提取反射波是关键技术之一，也是区别于常规地震反射法的关键技术所在 [12] - [14] 。
波场分离是依据不同方向、不同类型地震波的视速度不同，采用相应的方式方法对不同的地震波进行区分、提取。本系统应用F-K变换的方法来进行波场分离，从而能够更有效的提取出回波信号。在地震勘探中，一条测线记录的信号可表示为测线距离x和时间t的二元函数。对该函数作二维傅氏变换，可得到基于F、K的二维谱，其中K为对应于x的波数；F为对应于时间t的频率。F-K变换亦可称为F-K滤波方法，主要是根据各种波在视速度上的差异提取不同类型的波。反映在F-K平面上直达波和反射波位于不同的区域，通过给定速度域的滤波门限，就可确定滤波的范围。本系统根据直达波和回波信号的频率、视速度规律，设计出不同的滤波器，滤除或保留不同视速度、不同频率的信号，实现二维信号滤波，应用效果如图3所示。
2.3. 波速扫描对比分析法
掌子面前方围岩的回波速度是地震资料处理和成像过程中非常重要的参数，同时也是划分围岩等级和类别的重要依据。三维成像质量依赖于地震波速度，并且对速度的误差具有很强的敏感性。在以往的地震波速度的求取过程中，需要丰富的实践经验才能得到较为准确的速度，但误差仍然较大。精确的求出工程掌子面前方的地质体速度分布，是提高三维成像精度的关键所在。
三维隧道地质超前预报系统基于自主研发的波速扫描对比分析法，通过分析波速扫描图上能量团与迭加信号的对应关系，当波速扫描分析图上的能量团拟合点和迭加信号拟合相对较好时，能量团上的拟合点对应的波速就是地震波在隧道围岩中传播的准确速度，如图4所示。该扫描分析方法有效提高了波速扫描的准确性，解决了波速扫描分析问题，从而进一步提高了三维成像的精度。
Figure 1. The elastic wave propagation diagram
图1. 弹性波传播云图
Figure 3. The schematic diagram of F-K application effect
图3. F-K应用效果示意图
3. 仪器系统简介(AGI-T3)
项目组在解决了上述关键技术问题的基础上研发出了无线分布式三维隧道地质超前预报系统，并获得发明专利(ZL201310048090.7)。如图5所示，该系统主要由计算机终端、无线采集器、三分量检波器、锤击震源、信号触发计时传感器、信号采集与处理软件及辅助器材等组成，其主要创新特点如下。
1) 采集器轻便节能，四通道独立采样，超长待机。支持Wi-Fi无线数据传输，根据应用需求，信号触发可选择有线或无线等多种方式，实现无线分布式多测点同时采集。
2) 采用传感器震动信号触发计时方式，一方面可有效解决触发延时所带来的计时误差，另一方面可根据探测距离要求，选择锤击或炸药不同激震方式。
3) 使用平板电脑(Win 8/10)作为控制终端，操作方便快捷。同时承担实时信号采集、保存、数据处理、成果报告等一系列工作。
Figure 4. Analysis map of wave velocity scanning
图4. 波速扫描分析图
Figure 5. The composition of instrument system
图5. 仪器系统组成示意图
4) 基于无线采集器和无线触发器设计，信号采集完全实现了无线观测系统。一方面可提高探测工作效率；另一方面施工车辆可正常通过，保证了施工进度。
4. 应用实例对比分析
在系统设计完成并应用模型数据分析验证正确之后，结合工程实例对系统进行了大量应用，并与TSP系统进行了对比分析验证。如图6、图7所示，TSP和AGI-T3两者成像结果表明：一方面两者图中显示的可能存在缺陷的位置大致吻合；另一方面AGI-T3在成果直观性上远超TSP系统，具有更高的成像精度。通过对现场施工跟踪验证，成像结果与工程实际开挖情况相一致，进一步验证了其实用性和先进性。
5. 结语
目前我国国防地下工程、交通、水利等隧道工程的建设越来越多，市场越来越大，对于超前地质预报技术的要求和需要也越来越高。研究成果与初步应用表明，应用无线分布式三维隧道地质超前预报系统能够大大提高不良地质体位置、规模、形态等等的预测准确性，有效避免开挖过程中地质灾害的发生，
Figure 6. Imaging diagram of TSP system
图6. TSP系统成像图
Figure 7. Imaging diagram of 3D tunnel geological prediction system
图7. 三维地质预测系统成像图
确保施工安全，并为隧道工程动态设计和信息化施工提供可靠依据，具有重大的社会经济效益。
无线分布式三维隧道地质超前预报系统采用三分量检波器，基于三维观测方式，相对于其它方法具有独特的优越性。与其它设备相比，其探测准确率和探测精度已有明显提高，必将在工程上得到广泛的应用，产生重要的军事和经济价值。