TBM施工方法以“掘进速度快、成洞质量高、综合经济效益高、施工安全文明”等显著优势,已经成为我国隧道(洞)工程建设的重要趋势和发展方向,极有可能占据主导地位。与此同时,复杂的地质条件和频发的地质灾害给TBM施工带来了巨大挑战,容易导致TBM刀具异常磨损、刀盘损坏,影响掘进效率,严重时可能造成TBM卡机、报废甚至人员伤亡等重大事故,如何提前探明TBM隧道前方的不良地质情况,从而能够预先制定合理的处置措施和施工预案,对于TBM安全高效掘进和灾害事故防控极为重要。但现有TBM施工隧道超前预报方法和技术并不成熟,已经成为国内外公认的难题,TBM施工隧道掘进机电磁环境复杂、观测空间狭小,给传统地球物理超前探测方法的应用带来了困难,另外,TBM施工机械化程度高、掘进速度快,也对超前探测方法的一体化集成和自动化实时探测提出了较高的要求。TBM破岩震源地震波超前探测思想为上述问题解决提供了较好参考,该方法可在刀盘掘进过程中实时探测掘进面前方地质情况、不干扰施工,且不需要对TBM结构进行大量改造,更加适用于TBM环境、且具有良好的研究价值和应用前景。相比于传统的主动震源(如炸药、锤击等),TBM破岩产生的震动具有随机性、不可控性和时间持续性的特有问题,得到的原始地震记录无法直接进行识别和解释,对此,国内外已经开展了相应的研究,但并不完善:①目前对地震记录重构方法总结分析并不全面,重构后的地震记录信噪比较低,给有效反射信息的识别以及后续的处理解释带来困难;②在针对重构地震记录的后续处理及偏移成像中,现有研究仍继续采用石油勘探领域的VSP处理方法,尚未引入隧道超前预报领域的研究成果,没能考虑隧道环境的特殊性和复杂性对探测效果的影响;③对TBM破岩震源特性认识不清,尚没有适合TBM隧道复杂环境的破岩震源正演模拟方法,缺少针对TBM可能遭遇的典型不良地质体的正演模拟和处理成像效果的理论验证。针对TBM破岩震源地震波超前探测的难题,采用理论分析、数值计算与现场试验等方法,以适用于TBM施工隧道的不良地质破岩震源地震波超前探测方法研究为核心,本文重点开展了 TBM破岩震源波场特征及正演模拟方法、基于互相关干涉的地震记录重构方法、基于接收阵列的TBM破岩震源地震波束形成方法的理论研究,在此基础上,针对TBM隧道施工过程中可能遭遇的典型不良地质,系统开展了数值正演模拟及处理成像研究,总结归纳了其偏移成像特征,验证了本文方法的有效性及可靠性,为现场探测资料的处理解释提供了理论支撑。在此基础上,开发并完成了自主产权程序,形成了 TBM破岩震源地震波超前探测数据采集、处理及解释的整套方法。本文的主要研究工作及成果如下:(1)TBM破岩震源波场特征及正演模拟方法。与传统的主动震源(如炸药、锤击等)相比,TBM破岩产生的震源具有随机性、不可控性和时间持续性的特有问题,本文通过现场实测获取了大量第一手的TBM掘进破岩震源数据,研究了实测破岩震动数据的时域和频域特性;在此基础上开展了正演模拟研究,将掌子面上的所有网格点均设置为震源,每个震源点采用多个不同振幅、不同频率的正弦波合成的连续随机信号,各个震源点同时激发连续随机信号,相互作用下形成破岩震源地震波信号,通过正演模拟,研究了破岩震源地震波场传播规律,为后续TBM破岩震源数据重构方法的研究提供了可靠的理论数据。(2)基于互相关干涉的TBM破岩震源地震记录重构方法。本文针对TBM破岩震源地震记录无法直接处理和解释这一难题,总结提出了一套适用于TBM破岩震源的地震记录重构方法,该方法以先导信号与接收传感器信号互相关干涉方法核心,实现等效脉冲信号的提取,辅助以单道地震记录归一化、长时间连续地震记录分段叠加等处理手段,压制干扰噪声,共同实现TBM破岩震源地震记录的“常规化”,得到类似于脉冲震源激励下的常规地震记录。(3)基于接收阵列的TBM破岩震源地震波束向前定向方法。由于TBM掘进破岩震源本身的特殊性和非常规性,再加上TBM隧道全空间复杂环境对地震波场的影响,导致TBM破岩震源重构地震记录中仍存在着大量的干扰波、地震记录信噪比较低,给后续的数据处理带来极大干扰,本文结合破岩震源探测过程中TBM不断向前掘进的特点,利用震源和检波器的互易性原理,从共炮点道集CSP和共检波器点道集CRP两方面出发,分别采用基于接收阵列的波束形成方法实现了 TBM破岩震动地震波场的向前定向传播,来自于掌子面前方的有效反射波能量得到增强,提高了重构地震记录的信噪比,合成的共炮点和共检波器点地震记录可以用于对比分析、综合解释,为后续处理提供更加丰富的地震数据。(4)典型不良地质体TBM破岩震源数值正演及成像特征研究。借鉴常规地震波超前探测方法,对破岩震源重构地震记录进行数据处理及偏移成像研究,考虑了隧道空腔对探测效果的影响,针对TBM施工过程中可能遭遇的典型不良地质体,建立了岩性分界面、断层破碎带、溶洞以及复合地层等地质模型,开展了TBM破岩震源地震波超前探测正演模拟,分析并总结了典型不良地质体的偏移成像特征,为实际工程典型不良地质体的探测奠定理论基础。在上述研究基础上,研制了 TBM破岩震源地震波超前探测专用仪器,在吉林引松供水工程四标段进行了搭载与现场试验验证,预报结果与实际开挖揭露情况基本一致,从现场应用的角度验证了其有效性和可靠性。