随着我国的大力发展,交通建设成为了基础建设中浓墨重彩的一笔。在交通建设中时常需要修建隧道。隧道属于地下工程,围岩经常发生塌方,涌泥沙等灾害。为了减少灾害,保证施工和人员安全,需要详细地了解隧道前方的地质条件,即隧道超前地质预报。其中,TSP(Tunnel Seismic Prediction)地震反射波法因其显著的优点,得到了广泛应用,然而目前的TSP技术还不够完善。研究不同地质现象的TSP响应特征,可以更为准确地判别掌子面前方的地质条件,进一步指导观测系统布设、数据处理和地质解译,从而提高TSP地质预报的准确性和可靠性,避免经济损失。本文主要介绍了TSP法的基本原理、数据采集和处理过程,进而研究了交错网格有限差分原理,以及边界条件的处理方法。基于以上原理,对不同的地质现象进行了3D-TSP正演模拟。对比分析得到的波场快照和地震记录,提取出了不同地质现象的TSP响应特征。然后将对典型断层模型模拟得到的地震记录导入反演软件中,验证了本文正演模拟的正确性以及不同走向的断层响应特征。最后结合工程实例,总结出了典型隧道病害的解译标志。本文的主要研究内容和研究成果如下:1.研究了TSP方法的基本原理以及发展现状。对比分析各种隧道超前地质预报的方法,TSP对隧道前方的地质异常体,例如断层,岩溶等具有良好的勘探效果。2.研究了有限差分法以及边界条件的处理方法,并基于高阶交错网格有限差分法进行不同地质现象的3D-TSP数值模拟。建立了一些断层和溶洞的模型,其中包括其中包括不同产状的断层以及位置、规模不同的溶洞,并对其进行模拟。通过得到的波场快照和地震记录,清楚地了解地震波在该地质现象中的传播方式。3.对比分析波场快照和地震记录,研究不同因素对断层、溶洞的TSP响应的影响,进而提取出了不同地质现象的TSP响应特征:(1)走向与隧道轴向的夹角等于90度的断层的TSP响应最强,反射波能量强,干扰波较少,地震记录中反射波同相轴易于识别。而以90度为界,夹角继续增大或减小时,波场会越来越复杂,干扰波较多。断层的TSP响应越来越弱,反射波的能量减弱,视速度增大。而又因为TSP技术为单侧激发地震波,存在左右的不对称性,所以走向夹角小的断层的响应强于走向夹角较大的断层响应。(2)倾角为90度的TSP响应最明显,倾角增大或减小的断层都不如垂直断层的响应明显,但是它们的地震记录上的反射波信号相对提前,能量较弱,波场也较为复杂一些,干扰波多。但是倾角较大的120度断层的响应要强于倾角较小的60度断层的响应。(3)模拟与隧道等大的溶洞得到的地震记录上有多条能量微弱的地震波同相轴,没有明显的反射波。TSP响应不明显。而比隧道直径大3倍的溶洞对应的地震记录上存在较多的同相轴,其中有几条较为明显,都比小型溶洞的能量强。而直径再大一些(5倍)的溶洞的地震记录则较为明朗,有较为分明的几条反射波同相轴。中等溶洞引起的绕射波最严重,直径越大的溶洞的TSP响应越明显。(4)溶洞异常与隧道轴向的相对位置的不同也会引起TSP响应的不同。位于隧道轴线上的溶洞的地震反射波能量较强,但是它引起的绕射波多,干扰波较多。而位于左右侧的溶洞的地震记录中,绕射波相对较少,但左侧的反射波较弱,右侧反射波的能量较强。所以右侧溶洞的TSP响应强,且干扰波少。(5)多层介质的TSP响应明显,但是波场较单一断层的复杂一些,干扰波多。溶洞断层复合模型中断层的TSP响应强,但是溶洞的响应则比较弱。复合模型存在多个异常体,相较于单一模型,波场和地震记录较为复杂。4.结合数值模拟和工程实例,总结出了典型隧道病害的解译标志:(1)断层破碎带:各岩性参数均呈现高低震荡的现象,存在多组反射层,正负反射相间。反射层越密集杂乱,则围岩越破碎。(2)溶洞:地震波速度无明显变化,速度比和泊松比骤增,且杨氏模量减小。存在多组反射层,但没有破碎带的繁多密集,且以负反射为主。5.通过对不同地质现象的TSP响应研究,总结了他们的响应特征,并且结合工程实例,归纳了典型异常体的解译标志,对TSP技术在实际工程的应用具有指导意义。