隧道、地铁等地下工程属于隐蔽工程,由于地下地质构造复杂,所以隧道施工常常面临着各种安全隐患,如隧道开挖会遇到溶洞、破碎带、瓦斯等情况,这些都严重威胁着隧道施工人员的生命安全。所以有必要在施工之前对隧道掌子面前方的地质情况进行超前预报。多道隧道地震反射波法由于操作简单,具有坚实的理论基础,地震记录处理流程科学合理,能保证预报的可靠性,所以在隧道地质预报中逐渐被推广使用。本文采用多道隧道地震反射波法对三维隧道溶洞模型进行分析,从地震道数据、三维波场快照、纵横波波场分离三个方面对不同尺度溶洞的X、Z、Y三个分量进行研究。研究的主要内容如下:(1)由于横波的横向分辨率为最小分辨率,本文依据横波的菲涅尔带半径R做了相关研究,建立溶洞直径为∞R、5R、2R、1R、0.667R、0R的三维隧道溶洞模型,研究不同尺度溶洞的地震波传播规律。用数值模拟提取地震道数据,用surfer软件绘制波场快照图形,用τ-p变换进行波场分离,研究分析反射波的振幅及能量随溶洞尺度变化的规律。(2)对数值模拟提取出的三分量地震道记录的振幅进行研究,结合三维波场快照图形中各分量反射波能量团强弱关系,比较X、Z、Y三个分量反射波振幅大小及能量强弱,从而得出各分量纵横波在隧道地震超前预报中的适用性。(3)由于不同填充物的溶洞危害程度不一样,所以本文对这空气、水、软弱土三种填充物的溶洞进行详细的研究,分析了不同溶洞填充物各分量反射纵横波振幅的大小关系。(4)采用多道隧道地震反射波法对实际工程进行地震资料的处理,详细阐述了数据处理的流程,比较了X、Z、Y三个分量地震道记录中有效信号的强弱关系,研究了地震波的波场分离特征,进行解释和预报并评价预报结果的合理性。从上述研究中,得到了以下结论:(1)在隧道溶洞超前预报中横波波速越小,地震波主频越大,溶洞到掌子面的距离越近,则越容易识别尺度较小的溶洞,越有利于小溶洞的准确预报。另外,当溶洞直径等于D=5R时,反射波振幅能达到同位置断层反射波振幅的60%,此时的反射波振幅较强,能够对该溶洞进行准确识别和预报;而当溶洞直径等于D=0.667R时,反射波振幅只能达到同位置断层的15%,已经处于不能识别的边缘,可知当溶洞直径小于0.667R时几乎不能进行预报。(2)X分量的反射纵波振幅最大,要大于Y、Z分量,Z分量的反射横波振幅最大,Y分量的反射纵横波振幅均最小。所以一般采用X方向进行反射纵波的研究,而采用Z方向进行反射横波的研究,对地震道数据进行分析可知,相对于纵波来说,横波拥有更强的能量与信噪比,所以一般采用横波进行预报效果较好。(3)溶洞填充物分别为软弱土、水、空气时反射波的振幅不相同,根据研究可得不同材质溶洞填充物的反射波振幅空气最大,软弱土最小,水介于空气和软弱土之间。实际工程中,由于空气和水的反射横波振幅远大于软弱土,所以采用反射横波能快速确定溶洞填充物是否是软弱土,而空气的反射纵波振幅远大于水,可以采用反射纵波进一步确定溶洞填充物是水还是空气。(4)实际工程中通过数据对比分析可得Z分量的有效信号要强于X分量及Y分量,所以主要采用Z分量的数据进行波场分离、反演分析及解释预报。同时对预报开挖结果与理论计算进行数据对比,验证了理论计算的正确性。