地震波反射法实施细则
地球物理勘探 1-4地震波的反射、透射和折射
V2 T
e
T f
：入射角（入射线和界面法线的夹角）
：反射角（反射线和界面法线的夹角） 1
：透射角（透射线和界面法线的夹角）
2
4.1 平面波的反射和透射
▪ 从图中可看出： AS BQ V1 T，
▪
ABQ ASQ 90
▪
共边 AQ
▪ 可证明：
14
15
▪ 2、 透射波的能量转换极其特征
• 透射波的波函数：
i ( t x sin 1 z cos 1 )
U P12 a P12 e
V P1 2
aB e i ( t kx sin 1 kz cos 1 ) PP
其中，k ( 园波数）
VP2
▪ ② i pp， / 2 ，s属in正 常1透射情况。 ▪ ③ ipp， / 2 sin ，1数学上不成立，可得
x
,
y
,
z
,
t
0
(
z
)ei
(
kx
wt
)
▪ ▪
式将中上式k 代 V入wR (波面动波方的程圆：波数），VR：面波速度
。（3-4-1）
2
t 2
V p2 2
0
2
t 2
Vs2
2
0
（3-4-2）
27
4.4 地震面波
▪ 就得到常微分方程
20
t 2
w1R w2R
6
4.2 在弹性分界面上波的转换， 能量分配，法向入射和倾斜入射
4.2.2 波的转换
在介质W1和W2中存在四种不同的传播速度(见书（1-4-3） P波入射时，将 产生四种不同 的波，它们分别是 反射纵波 P11 反射横波 P12 透射纵波 P1S1 透射横波 P1S 2
2023年公路隧道超前地质预报技术规程标准DB45T 2525—2022
公路隧道超前地质预报技术规程1范围本文件规定了公路隧道超前地质预报的术语和定义、一般规定、超前地质预报设计、超前地质预报实施、地质调查法、物探法、超前钻探法、超前导坑法和复杂地质条件的超前地质预报。
本文件适用于公路隧道超前地质预报工作，其它地下工程的超前地质预报可参照使用。
2规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。
3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。
隧道超前地质预报geological predication in tunnel在分析既有地质资料的基础上，采用地质调查、物探、超前地质钻探、超前导坑等手段，对隧道开挖工作面前方的工程地质与水文地质条件及不良地质体的工程性质、位置、产状、规模等进行探测及分析判释，并提出技术措施建议。
综合超前地质预报comprehensive geological prediction根据预报对象的地质特点，采取两种或两种以上有效的预报手段进行相互比较印证的超前地质预报方法。
地质复杂程度分级classification of geological factors by intricacy综合考虑隧道工程地质与水文地质条件、可能发生的地质灾害对隧道施工及环境的影响程度，对隧道所处地质条件复杂程度进行的分级，包括复杂、较复杂、中等复杂和简单四级，对应着隧道地质灾害分级的：严重、较严重、一般、轻微。
地质调查法geological survey method根据隧道已有勘察资料、地表补充地质调查资料和隧道内地质素描，通过地层层序对比、地层分界线及构造线地下和地表相关性分析、断层要素与隧道几何参数的相关性分析、临近隧道内不良地质体的前兆分析等，利用常规地质理论、地质作图和趋势分析等，推测开挖工作面前方可能揭示地质情况的一种超前地质预报方法。
包括隧道地表补充地质调查和隧道内地质素描等。
隧道内地质素描geological sketch of the inside of tunnel将隧道所揭露的地层岩性、地质构造、结构面产状、地下水出露点位置及出水状态、出水量、煤层、溶洞等准确记录下来并绘制成图表的一种超前地质预报方法。
地球物理勘探 1-4地震波的反射、透射和折射
r
r
▪ 式中正负号的确定方法为：r 的x分量沿x轴增大为正，反之为负；
▪
r 的z分量沿z轴增大为正，反之为负.
▪ 根据P波和s波的质点振动特性，可得5个位移矢量各自在x,z方向得 位移分量u和w为（见书图1-12 和（1.4-5)式)
▪ 将位移分量代入位移边界条件：（见书（1.4-6)式)
▪ 及应力边界条件： （见书（1.4-7)式)
Q
V2 T
e
T f
：入射角（入射线和界面法线的夹角）
：反射角（反射线和界面法线的夹角） 1
：透射角（透射线和界面法线的夹角）
2
4.1 平面波的反射和透射
▪ 从图中可看出： AS BQ V1 T，
▪
ABQ ASQ 90
▪
共边 AQ
▪ 可证明：
• 另一类是一定的密度比和速度比条件下，反射系数 与入射角的关系。（见书P24）
21
22
4.4 地震面波
一、面波的分类
在三维空间中,凡是能量向整个空间中传播的波,都称为 体波。例如在弹性分界面上形成的反射、折射、透射波，它 们随着时间的增加，在整个弹性空间的介质内传播。
能量只分配在弹性界面附近的波称为面波（ 在Z方向振 幅呈指数衰减）。常见的面波有三类：
12
4.2 在弹性分界面上波的转换，
能量分配，法向入射和倾斜入射
4.2.5 倾斜入射、折射波的形成
1、 非法向入射的情况（称为倾斜入射）。
设 有
Vp,i1，入Vp射,i 角和透射角分别为 和 ，根 据斯 奈尔定律，
sin VP,i sin
VP,i1
总能找到一个入射角 i，pp使
地震反射波法
（2）接收
地震波的接收除观测系统和地震仪的仪器因素 选择外，主要涉及如下三个方面的问题。 (1)检波器的选择：一般认为采用自然频率较高 的检波器，有助于扩展记录信号的宽高频，从而有 助于提高地震记录的分辨率，压制低频干扰。此外， 在陆地勘探中，选用速度检波器，而在水中接收时， 采用压力检波器。 (2)埋臵条件的选择：根据仪器的响应与波的振 动方向之间的关系，采用垂直检波器接收地面位移 的垂直分量，可得到最大的灵敏度。因此检波器要 埋直。此外为使得检波器与大地耦合好，应埋臵在 潮湿、致密的土壤或岩石中。
SN v x 2n
3、地震波的激发与接收
1、P波的激发与接收 2、SH波的激发与接收
1、P波的激发与接收
激发 接收
（1）激发
激发震源分为两类：一为炸药震源，另一为非炸 药震源。对于激发纵波而言，两类方式均可选择，一 般以实现地质目的为准。相比而言，炸药震源激发的 勘探深度的选择范围要大得多。在激发时，对震源一 般有两个要求：①激发力要竖直向下；①激发装臵或 药包与大地耦合要好。 若采用炸药震源激发，一般在浅井或浅坑中埋臵 药包，且药包的体积要小、成点或球状，以保证激发 效果。此外，在潮湿的土层或浅水面以下激发比在松 散的干土层中激发效果要好。 为提高勘探的分辨率，希望激发信号的频带宽、 主频高。实践表明，在浅层地震勘探中，小药量高爆 速的炸药震源和枪击震源等都能获得比较好的效果。
在反射波法勘探中，我们根据 各种环境、激发以及传播因素产生 的干扰的动力学和运动学特点，将 干扰波分为两类： 其一是规则干扰波 其二是不规则干扰波
下面分述其主要特点。
规则干扰波主要有：声波、面 波、工业电干扰、多次反射波、侧 面波以及绕射波等。
其主要特点为在时间或空间上表现 出一定的规律性，能量一般较强。与有 效波的差异主要表现在频率、视速度和 到达时间三个方面，并且大部分干扰主 要表现出视速度和到达时间两个方面与 有效波存在差异。如面波、声波和多次 反射波等。
西南科技大学地震反射波法实验报告
西南科技大学地震反射波法实验报告实验目的：（一）地震仪器认识实验1.了解地震勘探所需的仪器及装备2.认识仪器及装备的作用及功能3.了解地震仪工作原理4.学会地震仪的操作使用5.编写地震仪实验实习报告（二）地震资料野外采集实验1.了解地震资料采集的工作过程2.了解地震野外观测测线布置的原则3.了解地震波的激发方式和地震波的类型4.了解地震资料采集观测系统的类型和选择5.观察所采集的共炮点记录的特点6.编写地震资料采集实验报告主要仪器设备：震源（大锤），大线电缆，检波器，数字地震仪。
实验内容：（一）地震仪的认识地震勘探工作步骤：①.在地表或地壳的表层内，应用人工的方法激发地震波②.测量（接收）和记录地震波③.解释地震记录为了完成上述三个阶段任务而专门设计的一套电子仪器即地震勘探仪器。
一般包括：震源，大线电缆，检波器和地震仪。
1.数字地震仪组成及工作原理任务：将地震检波器输出的地震信号转换成数字形式的信息并记录下来组成：记录系统和回放系统。
记录系统组成：前置放大器、模拟滤波器、多路采样开关、增益控制放大器、模数转换器、磁记录器。
（1）.前置放大器：提高信噪比。
（2）.滤波器：消除干扰。
（3）.多路采样开关：①把随时间连续变化的模拟信号进行离散采样②把“多路并行”的地震信号变成“单路串行”的子样脉冲（4）.瞬时浮点增益放大器：不畸变地放大能量悬殊很大的地震信号。
（5）.模数转换器（A/D）：把从放大系统接收到的离散模拟信号转换为二进制的数字信号。
（6）.磁记录器：将数字信号通过磁头记录在磁带上。
回放系统：记录系统的逆过程。
把数字磁带记录中见不到的数字信号在野外及时转换成可见的模拟波形记录（也叫监视记录）。
2.地震仪其它装备——检波器及电缆（1）.地震检波器：一种将地面的机械振动变为电信号的机电转换装置。
主要作用：把微弱的地面振动接收下来，并进行机电转换，把机械振动变成电信时将其放大并送入前置放大器。
（二）观测系统的布置(1).地震勘探的测线布置原则（1）.测线应尽量为直线。
工程与环境物探_第1.2节_工程地震勘察_反射波法
（华东）
地震测线布置的基本要求
+
（华东）
2. 现场试验工作
• 试验工作的目的是选择正确的施工方案，内容包括： 干扰波调查、激发方式和接收条件的选择，以及观测 系统和仪器因素的确定。如在老工区开展工作，应该 全面收集和分析原有资料，对存在的问题进行补充试 验，加以解决。 • 试验阶段的工作
– – – – – 干扰波调查 测定地层的波速 激发、接收条件的选择 观测系统选择 使用仪器的选择
（华东）
1. 水平界面共炮点时距曲线
-2000 -1000 0 1000 2000
x
已知水平界面模型第 一层介质的厚度和波 速，求 t – x 关系。
2 2 x t ( x) h v 2
2
0.5
1.0
O
t
x
1 4h 2 x 2 v
2 0
h=500m v=2500m/s
反射点/段 震源相对于界面的 对称点称为虚震源
– – – – – – 地震测线的布臵 现场试验工作 干扰波调查与识别 观测系统选择 激发方式选择 接收参数设计
（华东）
1. 地震测线布置
• 地震测线是指沿着地面进行地震勘探野外数据采集工 作的路线。 • 沿测线观测的地震数据经处理之后的成果是反映地下 地质结构的地震剖面（时间剖面或深度剖面），是地 震资料地质解释的基本依据。因而，测线的布臵与了 解地下地质结构的关系很大。 • 石油地震勘探早已从二维发展到三维，以及高分辨率 三维，甚至是时移地震；工程地震勘探一般还是二维 测网的方式。
• 好的条件：构造简单，断层较少，岩层倾角不大，岩 性稳定，基岩埋深不大等。
（华东）
表层地震地质条件
• 影响地震勘探效果的表层介质和地形地貌等条件
2-5.2反射波的现场工作方法技术(二)
多路转换开关的作用示意图
2.地震检波器: 地震检波器是安置在地面、水中获井下以拾取地层振动的地 震探测器和接收器，它实质上是一种将机械振动转换为电电信 号的一种传感器。现代地震检波器几乎完全都是动圈电磁式 （用于陆地上工作）也有压电式检波器（用于水面上工作。 一）关于动圈式检波器： 1）动圈式检波器的工作原理和构造: 因为工程地震勘察使用的人工震源产生地震波，引起的地表 面的振动、位移很微弱，振幅是仅有几微米的数量级的。因此 工程勘察使用的检波器必须是高灵敏度的机电转换装置，检波 器可分为变磁通式，变磁阻式，和压电式三大类。我们使用的 是第一类，较适应陆地勘察，另外两类用于水域的工程勘察.。 检波器主要由强磁铁和线圈和弹簧片组成的，强磁铁是一个圆 柱形磁铁固定在外壳的底部，磁铁外面套着圆形有机玻璃很轻 的框架，框架上缠绕细漆包线。
设备管理使用较复杂，费用成本上升。 3、人工冲击源： 用这种方法激发的地震波的强度和频率成分与前两种 震源相比都要差一些，但由于安全方便、经济适用、操 作简便、对环境没有干扰和破坏，在城市工程地震勘察 中是经常采用的。人工激发地震波的冲击源可分为两类， 大锤冲击源和重物下落冲击源。 A）大锤冲击源： 包括纵波和横波两种。 1) 纵波的锤击震源： 在城市建筑物比较密集的居住区域开展工程地震勘察的 工作，这种激发方式是经常地被广泛采用的震源。大锤 冲击源使用的设备比较简单，它由大锤（10~20磅）、金 属垫板（其它垫板）、锤击开关、和连结电缆组成。这 种激发方式，地表岩层性质对锤击震源的激发效果影响
二、最佳接收条件的选择 最佳的接收技术，是可以提高记录的信噪比,得到清晰可靠 的地震波记录。主要从工程地震仪器的性能和接收地震波信 号的检波器谈起。 1、工程地震勘察使用的地震仪器： 工程勘察的深度范围较大，可以从几米到几百米的深度， 现场工作的环境又很复杂.，要完成较高精度的地震勘察则对 工程地震仪器的要求是很高的。这种仪器要求较高的分辨率， 较宽的通频带，放大器具有信号增强功能,，由于场地条件限 制，在加上工作周期短流动性较大等特点，对仪器设备性能 的要求较高。仪器本身要轻、便易于携带，操作简便。高性 能的工程地震仪器应该具备哪些基本功能？ (1)仪器的动态范围要大： 是指整套地震仪器能够线性(正常)记录地震信号的最大 电压值和最小信号电压的比值,其表达式可记为：
地震波的反射投射和折射
§1.4 地震波的反射、透射和折射序：在§1.3中讨论了无限均匀完全弹性介质中波的传播情况。
当地震波遇到岩层界面时，波的动力学特点会发生变化。
地震勘探利用界面上的反射、透射和折射波。
一、平面波的反射及透射同光线在非均匀介质中传播一样，地震波在遇到弹性分界面时，也要发生反射和透射。
首先讨论平面波的反射与透射。
（一）斯奈尔（snell）定律1．费马原理（最小时间原理）波从一点传播到另一点，以所需时间最小来取传播路径。
如图，波从P1点传到P2点。
速度均匀时，走路径①，直线，t最小,s也最小。
速度变化时，走路径②，曲线，t最小,s不最小。
注意:时间最小,不一定路程最小(取决于速度)。
P 1 P2路径①路径②例1:人要去火车站(见图)。
方法①从A步行到B，路程短，用时却多。
方法②从A步行到C，再坐车到B，路程长，用时却少。
步行速度V1V2 >>V1汽车速度V2例2：尽快地将信从A送到B① 傻瓜路径 ② 经验路径③ 最小时间路径，满足透射定律：21sin sin VV βα=②A2．反射定律、透射定律、斯奈尔定律波遇到两种介质的分界面，就发生反射和透射（注：地震透射、物理折射）。
（1） 反射定律：反射波位于法平面内，反射角=入射角。
注：法平面——入射线与界面法线构成的平面，也叫入射平面或射线平面。
O S地面 入射角=反射角与下式等价：111sin sin V V αα= （1）（2） 透射定律透射线位于法平面内，入射角与透射角满足下列关系：221sin sin VV αα= （2）（3） 斯奈尔定律综合（1）和(2)式，有PVVV ===22111sin sin sin ααα这就是斯奈尔定律，P 叫射线参数．．．．。
推广到水平层状介质有：PVVV nn====αααsin ......sin sin 2211 （6.1-65）注：斯奈尔定律满足费马原理，上例2中把信由A 送到B 路径③是最小时间路径，它满足透射定律（用高等数学求极值可证明）。
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地震波反射法（简称TSP）实施细则
1 检测原理
地震波反射法（TSP法）是利用地震波反射回波方法测量的原理。
地震波震源采用小药量炸药激发产生，炸药激发在隧道边墙的风钻孔中，通常24个炮孔布置成一条直线。
地震波的接收器也安置在孔中，一般左右洞壁各布置一个。
地震波在岩石中以球面波形式传播，当地震波遇到弹性波阻抗差异界面时，例如断层、岩体破碎带、岩性变化或岩溶发育带等，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质继续传播。
反射的地震信号被高灵敏度的地震检波器接收，反射信号的传播时间与传播距离成正比，与传播速度成反比，因此通过测量直达波速度、反射回波的时间、波形和强度，可以达到预报隧道掌子面前方地质条件的目的。
在一定间隔距离内连续采用上述方法，结合施工地质调查，可以得到隧道围岩的地质力学参数，如-动弹性模量、动剪切模量和动泊松比参数等。
工作中结合相关的地质资料和施工地质工作，总结预报经验可以提高预报的准确性。
2 检测仪器简介
采用地震波反射法（TSP）技术进行预报中，使用的仪器为TGP206隧道地质超前预报系统，TGP206（Tunnel geology Prediction )由北京市水电物探研究所研制，已经经过国内著名隧道专家组评审，鉴定为具有国际先进技术水平。
TGP206隧道超前地质预报系统包括仪器主机、配件和处理软件三部分组成。
下图为TGP206隧道超前地质预报系统实物照片。
图TGP206隧道超前地质预报系统
3 探测方法
采用黄油耦合，定向安置孔中三分量检波器；记录接收器孔、距离接收器最近的炮孔和隧道掌子面的里程桩号，以及各炮孔间的距离，以上数据填写在《TGP 现场数据记录表》中；爆破孔药量一般控制在50～70克，采用计时线炸断的触发方式，在孔中灌满水的条件下激发，按序依次起爆和进行数据采集。
工作中对测线布置段至隧道掌子面间的隧道围岩进行地质描述，以利于资料解释。
4 测线布置
在隧道左或右壁的同一水平线上从里向外布置24个炮孔，炮孔间距2.0m，炮孔高度1.1m；与接收孔的最近距离一般为20m。
下图为工作布置示意图和钻孔布置平面示意图。
图工作布置示意图
5 上一次预报的施工验证情况及原因分析
在实际施工中，对预报的结果进行验证，总结经验，以利于下次预报，下表为超前地质预报施工验证表。
表超前地质预报施工验证表
采集的地震波数据，通过TGPwin软件进行处理、获得P波、SH波、SV波
的时间剖面、相关偏移归位剖面等成果。
在成果分析中：以P波、SH波、SV
波的原始记录分析测段岩体的地质条件；以相关偏移归位剖面预报前方岩体地质条件，预报分析推断以P波剖面资料为主，结合横波资料综合解释。
解释中遵循以下准则：
①正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层。
②若S波反射较P波强，则表明岩层含水。
○3左右洞壁对比，以激发和接收在同一侧的资料为主的原则。
○4纵横波资料对比，以纵波资料为主的原则。
7 成果图表
TGP206进行超前地质预报后，得要如下成果：检测记录与检测段岩体参数表，纵波p、横波s分离原始波形图、纵波p、横波s 回波分离分析图，激发与接收同侧壁P、SH、SV波的相关偏移图、激发与接收对侧壁P、SH、SV波的相关偏移图、激发与接收同侧壁P、SH、SV波的相关衰减图、激发与接收对侧壁P、SH、SV波的相关衰减图，根据这些成果，对测量段地质情况做出预报，样例图、表如下：
注：检测段指已经开挖段，表中数据为利用TGP206地质超前预报系统对该
段准确勘测的岩体参数，为本次超前预报基础数据。
p 波 sh 波 sv 波
图5 纵波p 、横波s 分离原始波形图
p 波回波 sh 波回波 sv 波回波
图 纵波p 、横波s 回波分离分析图
图激发与接收同侧壁P、SH、SV波的相关偏移图
图激发与接收对侧壁P、SH、SV波的相关偏移图
图激发与接收同侧壁P、SH、SV波的相关衰减图
图激发与接收对侧壁P、SH、SV波的相关衰减图
8 TGP206隧道地质预报系统数据采集前期准备工作
8.1 现场准备工作
TGP206隧道地质预报系统现场主要准备工作——布置接收孔和激发孔。
布孔平面图如下（从隧道洞顶方向向下看）：
说明：
按如图方式在隧道内布置接收孔和激发孔，布孔要求如下：
1、接收孔一对，在隧道左右侧壁对称布设。
接收孔要求如下：
（1）孔高距离地面（台阶法开挖时，距开挖台阶底面）高度为1.1m，孔深2m，孔径50mm（用Φ50的钻头钻孔即可）；
（2）钻孔要求水平，不能向上或向下倾斜，钻孔笔直，不能弯曲。
（3）钻孔时用干钻，即不能用水冲洗钻孔。
（4）孔内干净，无碎石、泥土、水等杂物（成孔后用风管把孔吹干净）。
2、激发孔24个，在隧道一侧壁布设。
接收孔要求如下：
（1）激发孔最好布置在没有风管和高压电线的一侧。
（从安全角度出发）（2）激发孔间距2m，第一个激发孔距离接收孔20m，最后一个激发孔距离掌子面约3~6m
（3）孔高距离地面（台阶法开挖时，距开挖台阶底面）高度为1.1m，孔深1.8m，孔径40mm（用Φ42的钻头钻孔即可）；
（4）钻孔要求向下略倾斜，倾斜角度15度左右，钻孔笔直，不能弯曲。
8.2 现场需要准备的物资
（1）乳化炸药2包。
（约20管）
（2）电雷管48发。
（注：预报2次的用量）
8.3 现场人员辅助
现场需要5~6个监控工作人员的辅助。
另外，事先通知施工单位，把水管接至掌子面处。