图6-14弹性波纵波(压缩波)、横波(剪切波)的传播图

在某介质表面采用震源激发弹性波，其弹性波除一部分以直达波(纵波、横波、面波)形式沿该表面传播外，大部分弹性波向下传播，当遇到不同波阻抗(岩体密度与弹性波速的乘积)介面时，产生反射波(纵波、横波)、透射波(纵波、横波)和折射波(纵波、横波)，如图6-15所示。弹性波(反射波)的反射系数K按下式计算：

K=(ρ2·V2-ρ1·V1)/(ρ2·V2+ρ1·V1) (6-4)

式中：ρ2、ρ1、V2、V1分别为两种介质的密度、弹性波速度。

例如当较完整的岩体前方有较破碎的岩体时，较破碎的岩体ρ2、V2分别为2.5g/cm3、3 500m/s，较完整的岩体ρ1、V1分别为2.6 g/cm3、5 000m/s，弹性波(反射波)的反射系数K=-0.195，负号代表反射波与直达波反向(相位差180°)。

图6-15弹性波的反射与折射

(二)掌子面单点反射法应用

图6-16地震单点反射法(单点)布置示意图

掌子面单点反射法使用的仪器为地震仪(或测桩仪)一台及配套电缆、检波器等，有效预报距离约为50～80m。

根据弹性波的传播和反射原理，在隧道施工掌子面上采用地震单点反射法，其数据采集工作是将多个地震检波器埋置在掌子面上，在不同位置用大锤锤击或使用小药量炸药激发产生向掌子面前方传播的弹性波，当弹性波遇到不同波阻抗介面时，产生反射波(纵波、横波)，利用埋置在掌子面的检波器接收反射波(单点方式)，如图6-16中5#为激发点，其他为接收点。掌子面单点反射法反映出溶洞等不良地质体的异常特点为：溶洞出现较强的反射波弧形异常，且反射波频率变低;断层出现强反射波异常。

掌子面单点反射法的另一种方式是地震映像方式，如图6-17所示，激发点与检波点采用相同的偏移距，向同一方向移动进行数据采集。

将接收的反射波信号通过检波电缆传给地震仪，通过处理软件进行谱分析及滤波处理后，分别得到各接收点破碎带(或岩溶)两侧的反射波信号并读取反射时间(见图6-18中的11.7ms和15.1ms)。

图6-17地震单点反射法(映像)布置示意图

图6-18掌子面单点反射处理后记录图

破碎带到掌子面的距离D按下式计算：

根据同一接收点破碎带两侧的反射时间来确定掌子面距第一反射面的距离及破碎带的厚度。

D=(T×V1)/2 (6-5)

D=11.7×4 500/2/1 000=26.3(m)，其中V1为较完整岩体的弹性波(纵波)速度，这里取4 500m/s。

破碎带的宽度F按下式计算：

F=(T2-T1)×V2/2 (6-6)

F=(15.1-11.7)×2 500/2 000=4.3(m)，其中V2为破碎带的弹性波(纵波)速度，这里取2 500m/s。

此外，由两接收点之间的水平距离及时差可确定破碎带走向，由两接收点的高差及时差可确定破碎带的倾向及倾角，并可据此结果绘制平剖面图及纵剖面图。

(三)掌子面单点反射法适用性

掌子面单点反射法适应于掌子面前方近直立的平面状不良地质异常体和掌子面前方较大溶腔(一般大于洞身断面)异常体的超前探测，有效超前探测距离为50～80m(较完整岩体取大值，否则取小值)。

掌子面单点反射法数据采集、处理及资料解译需物探专门人员进行。

(四)掌子面单点反射法实例分析

图6-19DK363+685掌子面单点反射法布置图

在齐岳山隧道的平导PDK363+685掌子面进行单点反射法应用。采用地震仪进行数据采集，接收选用100Hz高频检波器。在掌子面四周从右到左环形布置单点反射法接收器，计测点37个，中部为激发点(锤击点)，如图6-19所示。

采集数据经信号录入、格式转换、抽道集、数字滤波、增益调整、道均衡对比处理后得DK363+685掌子面地震映像记录，如图6-20所示。

经分析推断掌子面前方4～14m(DK363+682～+671)为溶洞异常，位置如图6-20中的阴影部分(为溶洞异常投影到掌子面上的分布情况)。

图6-20DK363+685掌子面地震映像记录

三、地震波负视速度法

(一)地震波负视速度法原理

地震波负视速度法是在隧道侧壁上沿隧道轴线方向进行激发，在隧道侧壁上接收，对掌子面前方地质情况进行探测的一种弹性波反射法。

地震波负视速度法原理同TSP203，如图6-21、图6-22所示。