非炸药震源在隧道超前预报中的技术探索与实践评估

非炸药震源在隧道超前预报中的技术探索与实践评估

近年来，随着我国隧道及地下工程规模的不断扩大，施工安全的重要性日益凸显。超前地质预报作为保障工程安全的核心技术，其发展对信息化施工与风险防控具有关键作用。在众多物探手段中，地震波法因其对地质异常体的高灵敏度，成为探测断层、岩溶等不良地质现象的主流方法。该方法的核心要素之一——震源技术，直接影响信号质量与探测距离，其选择需结合施工环境与地质条件进行综合考量。

震源分类与波场特性解析

当前超前预报震源主要分为膨胀点源（如炸药、电火花）和表面撞击源（如锤击、可控冲击）两大类。两者激发的纵波与横波辐射场存在显著差异，需根据波场特性匹配探测需求。从能量强度看，炸药震源虽效能突出，但受限于严格管控；锤击震源因能量弱、稳定性差逐渐被替代；而电火花震源凭借环保性与安全性，在工程勘探中崭露头角，尤其适用于城市物探与复杂地层调查。可控冲击震源则通过频率与能量可控的优势，成为替代炸药的潜力选项。

波场传播规律
表面撞击源激发的波场具有方向性差异：纵波沿作用力方向传播最强，横波则在垂直方向能量集中。隧道侧壁激发时，横波向前方传播更优，可增强反射信号。因此，采用此类震源时需优先选择横波进行探测，并调整检波器布置方向以匹配波场特征（如图1、2所示）。这一发现突破了传统炸药震源的技术框架，为新型震源应用提供了理论支撑。

图1 撞击震源产生的纵波和横波位移分布

图2 撞击震源激发波场的方向

电火花震源的工程验证：以宝林隧洞为例

工程背景
宝林隧洞位于湖北省鄂北水资源配置工程带，穿越混合片麻岩地层，存在断层F30、F31及背斜构造，岩体破碎带分布广泛。该隧洞采用钻爆与TBM复合工法，为非炸药震源研究提供了理想场景。

实验设计与成果
通过对比电火花震源与炸药的激发效果（图3-6），发现两者在充水良好的岩孔中能量表现接近，但电火花震源对围岩仅产生弹性形变，可重复激发且稳定性高。实验采用40kJ能量配置，探测距离达100m，偏移成像结果（图7）与开挖地质素描高度吻合。然而，激发孔内水量不足会导致信号衰减，需通过优化注水工艺提升可靠性。

图3 电火花震源适用性实验观测布置方式

图4 电火花震源能量和炸药震源能量对比

图5 稳定性实验初至时间统计

图6 不同激发能量的电火花震源与乳化炸药地震记录对比

图7 地震波偏移图像（上）、波速图像（中）和地质素描结果（下）

可控冲击震源的适应性研究

可控冲击震源通过编码叠加技术增强信噪比，其无需钻孔、便于运输的特点适用于TBM隧道。在宝林隧洞出口段实验中（图8-9），该震源以横波模式探测断层F31-1破碎带，预报结果（图10）与实况一致，验证了其在完整围岩（III级）中100m探测能力。但初支表面激发易受空腔干扰，需结合裸岩条件优化使用。

图8

图9

图10

技术总结与前景展望

电火花震源：适用于常规岩层隧道，但需保障激发孔充水条件，并解决电磁干扰问题；

可控冲击震源：与TBM设备集成潜力大，可推动超前预报自动化发展；

应用场景拓展：特殊地层（如岩溶、黄土）的震源适配性仍需深入研究。

未来，非炸药震源技术需结合工程实际，通过设备创新与工艺优化，进一步提升预报精度与适用范围，为隧道安全施工提供更高效的技术保障。