4．2．1 断层参数预测法
断层是隧道施工过程中最常见的不良地质体，断层破碎带是隧道围岩最不稳定的区段。断层及其破碎带又是溶岩发育地区溶洞水、地下暗河和淤泥带的最主要储存场所，封闭条件好的断层及其破碎带与节理带，同时也是煤系地层中高压、过量瓦斯的主要聚集地带，所以，断层及其破碎带是隧道施工中隐藏地质灾害的最主要区段。
由断层及其破碎带引起的隧道塌方事故约占塌方事故总数的90%以上，赋存于断层及其破碎带中的溶洞、暗河、淤泥带是隧道施工中突泥突水等地质灾害发生的最主要源泉，断层破碎带也是诱发瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出等地质灾害的最主要地质因素之一，断层破碎带与岩爆的发生、产生位置密切相关。可以说，隧道施工中发生的地质灾害几乎都与断层有关。
由此可见，隧道掌子面前方隐伏断层及破碎带规模的准确定位和评价，是隧道超前地质预报的主要内容。
断层参数预测法是预报断层存在的新方法，其原理的提出是基于苏联著名矿井地质学家И．C．葛尔比耳在《煤层断裂》中提出的断层影响带理论［49］。本研究在该理论的启发下，以李四光教授建立的地质力学理论为前提，并在多年隧道施工地质科研实践的基础上，总结出了隧道超前地质预报中的断层参数预测法。
4．2．1．1 断层影响带的界定范围与内容
断层影响带在工程地质界始终是一个模糊的概念，对于它的界定范围和包含的内容至今众说不一。葛氏（И．C．葛尔比耳，下同）从多年对煤层断裂的研究入手，把断层影响带的边界确定为：与断层形成密切相关、由断层伴生和派生的褶皱；11节理的始见点。断层影响带的内容则包括断层相关构造带、煤岩（或岩石）强度降低带、煤的化学性质与工艺性质变化带共3种异常带。
4．2．1．2 断层影响带的地质力学解释
葛氏提出的断层影响带中的前两种异常，即断层相关构造带和煤岩（或岩石）强度降低带，可以用地质力学的观点作出解释［19］。
1）断层相关构造带
葛氏提出的断层相关构造带主要包括断层相关褶曲、褶皱和断层相关节理（小断层）。
（1）断层相关褶曲、褶皱。从地质力学观点上看，葛氏所述的断层相关褶曲、褶皱，主要包括断层活动位移派生的牵引褶曲或牵引褶皱以及与断层形成密切伴生的褶皱。
断层位移活动派生的牵引褶曲或牵引褶皱：这是一种在断层两盘位移的作用下、在局部应力场中形成的第二序次构造，属于低序次压性结构面。它们曲率半径（ρ）很小，大多小于5m，为特小褶皱或小褶曲。剖面上的牵引褶曲可为正、逆断层所共有，剖面上的牵引褶皱则为逆断层所特有，平移断层不存在剖面上牵引褶曲或牵引褶皱。牵引褶曲和牵引褶皱的分布范围是紧靠断层面或临近断层面地段，对长距离超前地质预报无意义，但可以作为短距离定性超前预报的依据。它的出现，说明离断层已经很近了。
与断层形成密切伴生的褶皱：这是一种平移—逆断层特有的断层相关构造。它与断层同时生成，密切相伴，属于同序次构造，全部以剖面上的褶皱出现。据葛氏统计，这类褶皱的曲率半径（ρ）一般小于100m，属于小型褶皱。
这种小型褶皱分布于断层影响带的最外带，它的始见点为断层影响带的边界，对长距离超前预报具有实际意义，因此也称为前兆褶皱（见图4－1）。
图4－1 平移—逆断层的牵引褶皱（左）和前兆褶皱（右）
实践证明，不是所有断层都存在这种褶皱，它为平移—逆断层所特有。所以，在进行超前预报时，如果隧道内出现这种小型褶皱，说明在前方一定距离内存在断层，且为平移—逆断层。若隧道内没有发现这类小型褶皱，不一定说明前方无断层。
（2）断层相关节理（小断层）。从地质力学角度来看，葛氏提出的断层影响带中的相关节理（小断层），即10、11、12、20、21、22节理（小断层）和30、31、32节理等，主要是与断层活动密切相关、在局部应力场中产生的各期低序次的节理（小断层），统称为派生节理（小断层）。除此之外，还有一种在断层影响带中存在的但葛氏没有注意到的节理（小断层），它们与断层形成密切相关，是在区域应力场条件下产生的、与断层为同序次、低级别的节理（小断层），称为伴生节理（小断层）。
派生节理或小断层：主要包括葛氏所称的10、11、12、20、21、22节理（小断层）和30、31、32节理等（见图4－2）。地质力学认为，上述这些节理都属于断层两盘位移活动过程中依次派生出来的低序次构造（见图4－3）。
图4－2 断裂相关裂隙形成略图（图中分别相当于我国通用的
（a）在形成节理条件下应力轴的分布；（b）水平断面上的直立平推断层及其断裂相关裂隙；（c）断层面倾斜条件下圆周图解上的应力轴和裂隙极点投影分布
10、11、12节理（小断层）：它们属于主断层活动派生的第一序次构造，包括张节理（10）和两组剪节理（11、12）。其中，11节理（小断层）最为发育，它既可以分布在断层面上（羽状节理），又可以分布在断层附近，更可以分布在离断层很远的区段。10节理和12节理大多分布在断层面上或其附近。
图4－3 断层旁侧派生节理
上述3组节理中，对超前预报最有意义的是11节理（小断层），所以11又称为前兆节理（见图4－4）。
图4－4 与断层相关的11节理
它具有如下特点：①与主断层产状接近，甚至平行于主断层分布。②它既可以以羽状节理形态分布在断层面上，又可以分布在断层附近，更可以分布在离开主断层很远的地方。③它常常集中成带分布，一般可划分为四个带，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ带。各带的节理强度（间距、长度、数量）不同，总的趋势是向着断层的方向增加。④节理长度大而明显、产状稳定，有些节理带，特别是第Ⅲ、Ⅳ带常常出现小断层，因而，有些11节理面可见擦痕和小错距。
20、21、22节理（小断层）：它们属于10、11、12小断层的位移活动派生出的低序次节理，其中20为张节理（小断层），21和22为两组剪节理（小断层）。它们的突出特点是：分布的位置离断层较近，产状与主断层在倾向、倾角上有很大不同，如图4－3所示。
30、31、32节理：它们属于20、21、22小断层的位移活动派生出的更低序次节理。其中，30为张节理（小断层），31和32为两组剪节理。它们的特点是：分布在距断层较近的位置，产状与10、11、12节理（小断层）一致或接近，如图4－3所示。
大多数断层没有40、41和42节理。
断层位移活动派生的节理（小断层）除了葛氏所确定的类型外，有时还可以见到葛氏没有注意到的反倾节理（小断层）和旋卷节理（小断层）。
反倾节理（小断层）：它是由断层位移活动的同一岩层相对差异位移造成的，即岩层靠近断层的部分位移幅度大，较远的部分位移幅度小，这种差异位移在同一盘岩层中的效应实际上相当于一种对扭直扭外力作用，它在同一盘岩层中产生局部应力场，进而形成反倾节理（小断层）。这类节理（小断层）的特点是：产生于主干断层的附近区域，但不与其相交，走向与主断层一致，但倾向相反，而且断层性质和位移均与主干断层相反，即主干断层为正断层，它则为逆断层；主干断层为逆断层，它则为正断层，如图4－5所示。
图4－5 反倾节理及其成因示意
旋卷节理（小断层）：它是主干断层旁侧的小型旋卷构造，当主断层旁侧某一盘内存在较硬的岩块或小岩体时，就形成了一个主动或被动的砥柱，周围岩体则在断层位移活动的作用下形成了一系列围绕砥柱展布的节理（小断层）。它的突出特点是：全部为弧形节理或小断层，其分布位置也是在断层附近的区域，如图4－6所示。
图4－6 断层旁侧小型旋卷构造
伴生节理或小断层：是葛氏没有注意到的、与断层形成密切相关的、在区域应力场条件下产生的、与断层为同序次低级别的节理或小断层。它们是断层形成的基础，断层就是在这种密集节理带的基础上形成的，如图4－4所示。因此，它具有如下特点：①平行于断层，与断层产状一致；②只分布在断层及其破碎带两侧的狭窄范围内；③节理面（小断层面）上常见擦痕；④常见与主断层位移一致的小错距。
地质力学理论认为，这类节理（小断层）与主断层属于同序次、低级别构造。由于它的特点与葛氏所述的11节理或小断层极为相似，所以，我们也将其称为11节理或小断层，在工程地质意义上将其划为一类。
2）岩石强度降低带
岩石强度降低带是葛氏提出的断层影响带中的另一个异常带。实践证明，在断层影响带内，都存在着一个面向断层方向的、岩石强度降低的岩石物理力学性质变化带。这个变化带的存在，从地质力学的观点看，其力学机制是［19］：在断层成生过程中，两盘岩石的瞬间强烈位移必然在盘内产生局部应力场，在强大的内应力作用下，不但可以在断层影响带内形成褶皱、节理（小断层）等宏观构造，而且会在断层附近一定宽度的岩体中形成大量的显微构造，特别是形成大量的显微裂隙，而后者是断层两侧一定范围内岩石强度降低的根本原因。
由于这个异常带的始见点离断层较远，而且所有断层都存在此异常带，所以岩石强度降低带的始见点就成了预报掌子面前方是否隐伏断层的重要前兆，其位置（里程）就成了断层预报的重要参数。
这个岩石强度降低带的出露宽度和开始点的位置，在煤矿井下是通过对断层两侧同一煤层中的煤的强度测试来确定的。对于隧道中的岩石强度降低带开始点的确定，将通过另一种办法来进行（见后述内容）。
4．2．1．3 断层影响带的划分
葛氏从研究煤层断裂的角度出发，首先将断层影响带的种类划分为断层相关构造带、煤岩强度降低带、煤的化学性质与工艺性质变化带三种异常带。然后，将每一种异常带的组分，依照其距离断层的远近程度再作进一步的划分，最后根据所有异常带组分距离断层面的远近程度进行综合划分。当然，葛氏也遗漏了一些构造现象。现应用地质力学观点，结合葛氏理论对断层影响带的划分综合陈述如下。
1）断层相关构造带的划分
与断层形成密切相伴的小型褶皱，分布在断层相关构造带的最外带，出现得最早，其始见点距断层面的距离大约相当于50～60倍的断层破碎带厚度（B碎）。以断层断距N＝6m或破碎带厚度B碎≈6m的平移—逆断层为例，始见的位置大约距断层250～300m。
11节理（小断层）常常集中成带，以密集节理（小断层）带的形式出现，它展布于与断层伴生的小型褶皱之后的断层相关构造带内。在其分布区段内，可以明显划分出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个节理（小断层）密集带或Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个节理（小断层）密集带，其中Ⅰ带的始见点离断层的距离大约相当于断层断距（N）或破碎带厚度（B碎）的38倍。同样，以前述的N＝6m或B碎≈6m的断层为例，其11节理的始见点则在大约距断层面230m处出现。
10、12、20、21、22节理（小断层）和30、31、32、40、41、42等节理则主要分布在断层附近的区段内，一般分布在11节理（小断层）第Ⅳ带或第Ⅲ带以内的区域。
至于比较少见的葛氏没有注意到的由断层位移活动派生的反倾节理（小断层）和旋卷节理（小断层），几乎与10、12，20、21、22节理（小断层）和30、31、32，40、41、42等节理一样，都分布在断层附近的区域内。
2）煤岩（岩石）强度降低带的划分
葛氏将煤岩（岩石）强度降低带划分为逐渐降低带和急剧降低带两部分。大量测试实践证明，葛氏的划分是正确的（见图4－7）。
图4－7 煤岩强度降低带的两个拐点
f—煤岩强度（MPa）；B强—强度降低带厚度（m）
煤岩（岩石）强度急剧降低带几乎位于断层破碎带范围内，对长短距离超前预报均无意义。
煤岩（岩石）强度缓慢降低带的开始点则距主干断层较远，而且与11节理（小断层）的4个（或3个）密集带分布有一定关系（后述），所以其成为实现断层超前预报的重要参数之一。
对于煤的化学性质和工艺性质变化带，葛氏也进行了划分。由于该带极其靠近断层，只能作为煤系地层中存在断层的前兆，可用于短期预报煤系地层中断层的存在。对于无煤系地层的隧道来说无意义。
3）综合划分
将断层影响带内的所有组分综合起来，并按它们的始见点（开始点）到断层面的距离从远到近的顺序是：与断层伴生的小型褶皱（即前兆褶皱）→11节理（小断层）第Ⅰ带始见点→煤岩（岩石）强度逐渐降低带的开始点→10、12，20、21、22节理（小断层）和30、31、32，40、41、42等节理，反倾、旋卷节理（小断层）以及牵引褶曲、牵引褶皱主体分布区域→煤的化学性质和工艺性质变化带→成生断层的密集节理带（一组特殊的11节理或小断层）→羽状节理（小断层）→主干断层面，如图4－8所示。
图4－8 断层影响带的组分及其位置
4．2．1．4 断层参数预测法原理的提出
1）断层预报的一般原理
在自然应力状态下，地下岩体一般处于三维挤压的应力状态（σ1＞σ2＞σ3），少数处于两维挤压、一维引张的应力状态，即σ3为最大张应力状态（负值）［19］。岩石作为一种弹性物质，具有积累应力的本能。当岩体内的主应力差（σ1－σ3）产生的剪应力τ大于岩体本身的抗剪强度时，岩体将产生剪切破坏，剪切破坏面（剪切隙或剪切节理）将基本沿着（有一定夹角）最大剪应力作用面发生，并常常在岩体内的薄弱环节（缺陷）形成密集剪切面（密集节理带）。密集节理带的产生又为地应力的集中创造了条件，导致密集节理中更加薄弱的节理面上剪应力急剧增加，并造成该节理面两盘岩石的瞬时的强烈位移，形成断层。断层的形成伴随着巨大的冲击波而引发地震。因此，地震与断层的产生密切相伴。
断层作为强大地应力能量的释放对象，其能量的释放形式主要有4种：①断层两盘的位移（上冲、下滑或平移），动能转化为势能；②形成摩擦热，动能转化为热能；③形成断层破碎带和各种形变的断层影响带，动能转化为形变能；④产生冲击波动能，转化为波动能。
其原始能量积累的大小，同样也有4个表征方法：断层两盘位移的幅度，用断层断距来表征；产生摩擦热的多少，用两盘岩石变质程度和厚度来表征；形变能的大小，用断层影响带及其组分的强度、宽度来表征；冲击波的强度，用地震的破坏性来表征。
断层形成的力学机制和地应力能量释放形式的基本理论告诉我们：断层断距、断层破碎带的厚度（统称断层规模）必然与断层影响带和其所有组分展布的宽度、强度有事物本质上的联系——它们的相互关系可以用数学公式加以表达。
2）煤层巷道断层预报原理
断层参数预测法是从煤层巷道隐伏断层的超前预报开始的，隧道断层的预报借鉴了前者的经验又有所创新。
作为煤矿井田，大断层都已经基本查清（勘探精度较高），煤层巷道中遇到的断层多是破碎带很窄（小于20cm）、断层断距（落差）小于5m的小断层，它是超前预报的重点。所以，煤矿巷道断层的预报主要涉及3个参数：断层断距（一般应用地层断距N）、11节理（小断层）展布的厚度（B节）和煤岩强度降低带展布的厚度（B），其基本原理如下［49］。
（1）同一条断层（地层断距N固定），其11节理（小断层）展布厚度（B节）与煤岩强度逐渐降低带展布的厚度（B强）不等，即B节＞B强。
（2）不同断层（地层断距N不同），各自的、相同类型的异常带的展布厚度亦不等，即B1节≠B2节或B1强≠B2强。断距大的断层，其异常带的展布厚度亦大；断距小的断层，异常带的展布厚度亦小。
（3）断层断距与前述两个异常带的展布厚度具有数学本质上的联系，可以用一定的函数形式来表达；同一条断层的两个异常带的展布厚度也具有一定比例关系，也可以用数学公式来表达。
在上述原理指导下，通过大量的、各种类型的、不同方位的断层的调查，总结出经验公式，然后应用经验公式即可实现超前预报煤层巷道工作面前方隐伏断层的位置和规模。这是预报煤矿巷道断层的基本原理。
3）山岭隧道断层预报原理
隧道断层预报的原理同煤层巷道一样，同样遵循一般断层超前预报的基本原理，但它与煤层巷道断层的预报又有很大区别。
第一，预报的目的不同。煤矿巷道主要是预报断层的位置和断距，隧道断层预报的目的则是断层的位置、破碎带的宽度（厚度）及影响隧道的长度。
第二，地质条件不同。煤层巷道多沿近水平或缓倾的煤层掘进，而山岭隧道多穿切倾斜岩层甚至陡倾斜岩层，因而，由于断层影响带的岩性不同，很难确定岩石强度降低带展布厚度（宽度）和开始点的位置，即隧道超前地质预报必须寻找另一个参数来取代B强。
上述现实情况的出现，迫使我们必须对煤层巷道采用的预报断层方法进行创新，有所突破，只有这样才能将断层参数预测法应用于山岭隧道。经过艰苦的科研实践，本研究依据断层预报的一般原理，探索出了预报隧道断层的新路。
（1）研究发现，断层破碎带厚度（宽度）同断层断距一样，也与断层影响带内的两个异常带的展布厚度（宽度）具有数学本质上的联系，也可以用一定函数形式来表达。
（2）为了寻找可以替代煤岩强度降低带厚度（B强）的参数，在大量煤层断裂影响带的调研中，发现11节理（小断层）的第Ⅲ带始见点与煤岩强度逐渐降低的始见点一致或接近（见图4－9），这一发现终于使断层参数预测法应用于山岭隧道断层预报成为可能。因为，11节理（小断层）带展布的位置主要受地应力状态的控制，而受岩性影响很小。
图4－9 煤岩强度降低带拐点与11节理带关系
因此，在隧道断层破碎带厚度（宽度）与两个异常带展布厚度（宽度）关系的经验公式确定以后，应用该公式就可以超前预报隧道工作面前方隐伏断层的位置和破碎带厚度（宽度），并通过断层产状、隧道走向、隧道断面高度和宽度等相关资料预测断层影响隧道的长度。
以上是断层参数预测法预报隧道断层的基本原理。
4．2．1．5 隧道断层参数预测法
应用断层参数预测法预报隧道断层，首先要获取经验公式，这是应用断层参数预测法实施断层超前预报的最重要一步，也是最艰难的一步。通过多年的科研实践，在统计了数百条断层资料的基础上取得了以下公式。
1）断层参数预测法基础公式Ⅰ
由于煤层巷道断层预报是隧道断层预报的基础，所以经验公式的基础部分——基础公式是从煤层巷道断层的统计资料中得出的。这里先介绍煤层巷道断层预报经验公式的获取方法。
（1）断层的观测和有关参数的确定：①测量实见断层的产状、视落差（H0，下同），确定断层形式（性质）；②分别在断层上盘（或下盘，最好上、下盘都观测）观测11节理，测试煤岩强度，确定11节理始见点和煤岩强度降低带开始点。
确定11节理始见点：在对每条断层的11节理进行观测时，首先应根据11节理的特点来判断11节理，然后根据11节理展布特征划分11节理密集带。与断层相关的11节理常常集中成带，一般断层都可以找出3～4个11节理集中带。在划分出11节理集中带的基础上，着重确定第Ⅰ带的始见点和第Ⅲ带的始见点。
确定煤岩强度降低带开始点：断层两侧的煤岩强度的一个总趋势是向着断层降低，这个降低曲线常有两个拐点，如图4－9所示。第一个拐点是煤岩强度逐渐降低点，距断层较远；第二个拐点是煤岩强度急剧降低点，距断层很近。对于超前预报来说，最有意义的是第一个拐点的确定。
实践证明，大多数断层的11节理集中带都能划分出来，而且第Ⅲ带的始见点常常与煤岩强度逐渐降低带开始点一致或相近（见图4．9），所以，对于绝大多数断层来说，我们完全可以用11节理第Ⅲ带的始见点作为煤岩强度逐渐降低带的开始点，而不必采用取样、测试手段来确定煤岩强度降低开始点，这就极大地减轻了预测的劳动强度。有时，为了更准确地确定这个拐点的位置，只需要在第Ⅲ带始见点附近用回弹仪进行简单井下测试就可以达到目的。
断距换算公式：
式中，N为地层断距；H0为断层视落差；β为断层真倾角；θ为断层倾向与巷道方位夹角；α为煤层真倾角；φ为煤层倾角与巷道方位夹角。
应用以上公式将断层视落差换算成地层断距。
分别实测11节理第Ⅰ带的始见点和煤岩强度降低带开始点到达断层的巷道距离（B″节和B″强）以及两点之间的巷道距离（B″节－B″强），应用公式：
B＝B″sinωsinβcosλ （4．2）
式中，B″为巷道距离；B为垂直断层面的法向距离（厚度）；ω为断层走向与巷道方位之间的夹角；β为断层真倾角；λ为巷道坡度。
将巷道距离换算成断层面的法向距离（厚度），就获得了每条断层的4个参数：N、B节、B强和B节－B强。
（2）断层参数预测法基础公式Ⅰ的确定：①在大量断层观测的基础上，将大量的断层参数进行回归统计，编制断层影响带参数总表，总表的内容包括断层编号、实测地点、巷道产状、断层产状、煤层产状、断层断距（H0、N）、11节理带总宽度与厚度（B″节，B节）、煤岩强度降低带总宽度与厚度（B″强，B强）、两个始见点之间的距离与法向距离（B″节－B″强，B节－B强）等内容。②在直角坐标系中，以N为纵坐标，B节、B强、B节－B强为横坐标，分类编制不同走向断层上盘或下盘的直角坐标系散点图。③根据离散点的大致分布特征，初步确定能代表散点分布规律的逼近曲线的函数方程类型，应用数据拟合法把初步确定的曲线方程与其他类型的曲线方程进行反复比较，得出最优曲线方程。依据多年工作经验可知，当地层断距N＜5m时，散点图中的散点大致呈直线分布，其最优曲线是直线，最优函数方程为一元一次直线方程。④应用最小二乘法原理确定最优曲线方程的系数和常数，最终确定经验公式和模式曲线，其求解过程如下：
函数方程的表达式为：
f（x）＝a0＋a1x＋a2x2＋…＋anxn （4．3）
在xi点处函数值与测量值yi之差为：
ri＝f（xi）－yi （4．4）
式中，ri为残差。
各测量点的残差平方和：
残差平方和应降至最小。若把s看成是多项式常系数的函数，则由数学分析中函数值的原理，要使s最小，必须满足：
即
由上式可得到下列线性方程组：
根据上式求得的a0，a1，a2，a3，…，an即为最优曲线方程的常系数。
若最优曲线方程为一元一次直线方程，则一般表达式为y＝a0＋a1x，因＝0，得，所以
式中，
为了与超前地质预报相结合，将一次直线方程表达式改写为B＝a1N＋a0，则
根据最优曲线方程，编制模式曲线。
以上公式在工程预报实践中进行应用，其精度可以满足工程施工要求。
2）断层参数预测法基础公式Ⅱ
由于应用基础公式Ⅰ时仍存在一定误差，我们用资料统计方法又得到另外一套基础公式——基础公式Ⅱ。
具体公式如下：
（1）走向20°断层经验公式：
B节＝34．815N
B强＝15．771 3N （4．12）
B节－B强＝19．043N
（2）走向340°断层经验公式：
B节＝32．042 5N
B强＝14．817 5N （4．13）
B节－B强＝17．225N
（3）走向0°断层经验公式：
B节＝34．884N
B强＝14．867N （4．14）
B节－B强＝20．017N
（4）断层上盘经验公式：
B节＝34．994 3N
B强＝16．215 7N （4．15）
B节－B强＝18．778 6N
（5）断层下盘经验公式：
B节＝34．369 2N
B强＝14．867 7N （4．16）
B节－B强＝19．501 5N
大量的预测实践证明，如果将基础公式Ⅰ和基础公式Ⅱ所得的结果加权平均，其结论更符合实际，精度比单纯应用一种公式更高。
3）隧道断层参数预测法公式
（1）隧道断层位置预报公式。预报隧道断层位置的公式是由基础公式Ⅰ和基础公式Ⅱ演变而来的。虽然煤巷断层预报经验公式也可以应用于隧道断层的预报，但由于在隧道断层的预报中无法测定岩石强度降低带开始点（B强）这个重要的参数，需要用节理异常带第Ⅲ带的开始点（BⅢ）取代之，所以需要改变参数，即用BⅢ取代B强。
这样，隧道断层的预报参数实质上就变成了11节理第Ⅲ带和第Ⅰ带的始见里程。为了统一和直观，用BⅠ取代B节，用BⅠ－Ⅲ取代B节－B强。
将煤巷断层预报的经验公式用于隧道，同样可以求得断层位置和断层断距两个参数，但由于断层断距（N）对隧道施工无工程意义，所以有工程意义的就只剩下断层位置这一项。
从而得出预报隧道断层位置的公式：
上盘公式之一：
BⅠ＝37．737 9N－4．850 1
BⅢ＝17．553 6N－2．827 2 （4．17）
BⅠ－Ⅲ＝20．184 3N－2．022 9
下盘公式之一：
BⅠ＝34．497 4N－0．807 1
BⅢ＝15．853 2N－1．685 3 （4．18）
BⅠ－Ⅲ＝18．644 2N＋0．878 2
上盘公式之二：
BⅠ＝34．994 3N
BⅢ＝16．215 7N （4．19）
BⅠ－Ⅲ＝18．778 6N
下盘公式之二：
BⅠ＝34．369 2N
BⅢ＝14．867 7N （4．20）
BⅠ－Ⅲ＝19．501 5N
（2）隧道断层破碎带规模预报公式。对隧道断层的预报来说，断层破碎带的规模（厚度或宽度）是个重要的参数和主要预报目的，因为它是引起施工塌方的最主要地质因素。断层参数预测法的基本原理告诉我们：断层破碎带的厚度同断层断距一样，作为地应力能量的一种释放形式，也必然与断层影响带及组分的厚度有数学本质上的联系，可以用一定的数学公式予以表达。下面探讨求解断层破碎带厚度（宽度）的经验公式。
将断层位置预报公式之二转化为各影响带厚度比例：
上盘：BⅢ∶BⅠ－Ⅲ∶BⅠ＝0．463 4∶0．536 6∶1
下盘：BⅢ∶BⅠ－Ⅲ∶BⅠ＝0．432 6∶0．567 4∶1
厚度与单壁宽度转化公式为：
B＝B′sinωsinβcosλ （4．21）
B′＝B/sinωsinβcosλ （4．22）
式中，B为厚度；B′为单壁宽度；ω为断层走向与隧道方位夹角；β为断层真倾角；λ为隧道坡度，由于隧道坡度很小，所以公式中cosλ项可忽略不计。
统计断层破碎带宽度（B′碎）与11节理宽度（B′Ⅰ）的资料得出一个重要结论：
B′碎∶B′Ⅰ＝0．026∶1
从而得出求解破碎带宽度（B′碎）的经验公式：
断层上盘公式：
B′碎∶B′Ⅲ∶B′Ⅰ－Ⅲ∶B′Ⅰ＝0．026∶0．463 4∶0．536 6∶1（4．23）
断层下盘公式：
B′碎∶B′Ⅲ∶B′Ⅰ－Ⅲ∶B′Ⅰ＝0．026∶0．432 6∶0．567 4∶1（4．24）
4．2．1．6 隧道断层参数预测法的技术关键
断层参数预测法预报隧道断层的技术关键是“前兆褶皱”的识别和11节理的鉴别。如前所述，岩石强度降低带的开始点恰好与11节理第Ⅲ个密集带的开始点相吻合或位置相近，所以，11节理鉴别的主要内容是11节理第Ⅲ带的辨认和始见点的确定。
1）“前兆褶皱”曲率半径计算与识别
（1）曲率半径的计算。数学解析公式如下：由（R-H）2+ （L/2）2＝R2得
R＝（L－4H2）/8H （4．25）
式中，R为褶曲的曲率半径；L为弦长；H为弦高。
L和H可以在巷道中直接量测，或参照水管、风管等直线型物体量测。
（2）“前兆褶皱”识别。在空间分布上，与断层有伴生关系的相关褶皱是断层出现的主要前兆之一。它们的出现说明掌子面前方有隐伏断层存在，而且距离不会太远，因而称它们为“前兆褶皱”。
“前兆褶皱”同区域上分布的、与断层无关的褶皱的主要区别在于曲率半径的大小，曲率半径小于100m者属于我们所说的“前兆褶皱”。
“前兆褶皱”与层间小褶皱或层间揉皱之间的区别是：“前兆褶皱”是由几个岩层共同弯曲而形成的协调褶皱，而层间滑动褶皱或层间揉皱只是本层岩层发生褶皱而上、下岩层不发生褶皱所形成的不协调褶皱，如图4－10所示。
图4－10 层间褶皱（左）与“前兆褶皱”（右）
“前兆褶皱”同断层在成因上相关的牵引褶皱的区别主要在于距离断层的远近，断层“前兆褶皱”常常处于断层影响带的边缘，断层牵引褶皱则紧靠断层展布。
2）11节理（小断层）的鉴别
11节理（小断层）的鉴别是断层预报的最重要的基本功，主要包括：能在纷杂的节理中区别出哪些属于11节理（小断层）；区别哪些是与预报断层相关的11节理（小断层），哪些属于其他断层相关的11节理（小断层）。
（1）11节理（小断层）特点：①斜切层理；②长度大而明显，产状稳定；③比断层影响带中其他节理在距离断层更远的地方出现；④产状与断层一致或接近；⑤有时可形成小断层，而且位错与断层一致，性质相同；⑥节理面有时可见擦痕。
（2）11节理（小断层）与背景节理的区分。这应该重点加以区分。因为除了属于其他断层的11节理（小断层）外，与预报断层共存的还有背景节理，而剩余节理多分布于断层影响带内圈（一般在11节理第Ⅳ带或第Ⅲ带以内）。11节理与背景节理主要从以下几方面进行区分：①背景节理是岩层处于水平条件下，第一序次平面形变的产物，即地应力处于σ1、σ3水平而σ2直立的状态下的产物，所以背景节理全部为垂直层理的垂直交切型（图4－11）。而11节理是断层派生的，是第二序次产物，其产状与断层相近。断层本身是在岩层褶皱或倾斜以后，地应力σ1、σ3处于水平且σ2直立条件下，继背景节理之后形成的第一序次构造，它本身就斜交岩层，所以11节理全部为斜切层理的斜切型（见图4－11）。11节理首先以斜交层理区别于垂直交切层理的背景节理。②背景节理在岩层中的分布相对比较均匀、普遍，11节理常常集中成带，呈有规律展布（图4－11）。③背景节理大多长度较小（个别例外），在隧道中虽然随时可见，但不十分明显，很少形成断层。而11节理大多长度较大且产状稳定，在隧道中表现异常明显，有些可发育形成小断层，并具有小错距，在节理面上有时能见擦痕。④背景节理在断层影响带内外均有分布，而11节理只在断层影响带内展布。
图4－11 背景节理与断层相关节理
（3）11节理（小断层）与属于其他断层的11节理的区分。在隧道内，有时可见与两条断层各自相关的11节理混杂共存，它们的区分可分为以下两种情况：①两条断层分别位于观测点的前后。在这种情况下，观测点后方的断层则为已揭露断层。如果两条断层产状不同，则依据断层产状很容易将两者区分开；如果两条断层的产状相近，则很难区分，然而这种情况十分罕见，这时断层的预报只有与其他手段相配合（如仪器探测、地面地质调查等）才能实现。②两条断层均位于观测点的前方。在这种情况下，两条断层均为隐伏断层。如果两条断层的产状不同，不用区分，只是分别统计各自的11节理即可；如果两条断层的产状相近，它们的11节理就很难区分，但这种情况也不多见，这类断层的预报也只有与其他手段相配合（如仪器探测、地面地质调查等）才能实现。
（4）11节理（小断层）与断层影响带内同一条断层的其他相关节理的区分。这点很容易做到，因为其他节理都分布在断层影响带的内带（11节理第Ⅳ带或第Ⅲ带以内），而且11节理的产状与断层相近，凭这一独特的性质即可同其他节理相区分。
（5）11节理（小断层）与褶皱相关节理的区分。褶皱相关节理只发生在较紧闭褶皱（两翼倾角一般大于30°）的核部，而11节理在褶皱的两翼和核部均可以出现；褶皱相关节理分布均匀，11节理则集中成带，呈有规律分布。上述两点是11节理与褶皱相关节理的区分标志。
（6）11节理（小断层）与零星出现的斜切型节理的区分。零星出现的斜切型节理属于与成生断层的密集节理带同时生成的但未形成断层的节理。它们与断层产状完全一致，与11节理从产状上尚难区分。唯一的区分方法是：11节理常作有规律的分布，而零星斜切型节理则无任何规律，只是随意、偶尔出现。
（7）11节理与在剖面上呈X形节理的区分。在这种情况下，如果X形节理呈随意分布，则其很容易与11节理相区别；如果这种节理亦呈有规律分布，则它即属于产状不同、与另一条断层相关的11节理，区分方法同（3）。
3）11节理第Ⅲ带的辨认和始见点的确定
11节理第Ⅲ带的辨认和始见点的确定主要是通过隧道壁的11节理的系统编录来完成的。
（1）11节理第Ⅲ带的辨认：①11节理第Ⅲ带是所有11节理集中带中最明显的一个带，它距第Ⅱ带和第Ⅳ带都有一段较长的距离，孤立出现，它的强度（数量、间距和长度等）明显大于第Ⅱ带。②第Ⅲ带的中间，常有小断层（仍属于11节理第Ⅲ带的组分）出现，而第Ⅰ带和Ⅱ带基本无小断层。③与第Ⅱ带相比，它常按比例出现在固定的位置上，而第Ⅱ带的位置常是变化的。④有些断层可以没有第Ⅳ带，但决不会没有第Ⅲ带。⑤在个别情况下，某些断层的11节理集中带在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四带中都可以以小断层的形式出现，如图4－12所示。
图4－12 新倮纳隧道F5－1断层11节理
（2）始见点的确定：①若第Ⅲ带中出现小断层（一般只有一条），则以小断层所对应的位置作为始见点的里程。②在11节理第Ⅲ带中，若无小断层出现，则以第Ⅲ带中首次见到的第1条节理所对应的位置作为第Ⅲ带始见点的里程。③有时第Ⅲ带的第1条节理规模非常小（与第Ⅲ带中其他的节理相比较），只有20～30cm长，且不十分明显，这时，则以第Ⅲ带内很明显的、至少长度大于1m的、首先见到的11节理所对应的位置作为始见点的里程。
4．2．1．7 断层参数预测法预报隧道断层的方法和步骤
1）预测预报过程
在取得了经验公式之后，即可以进行实际预测。其步骤如下：
（1）依据背景节理的特点，首先把隧道中背景节理鉴别出来。
（2）当隧道的岩层产状近于水平或缓倾、倾斜时，在测量岩层产状时，注意有无曲率半径小于100m的前兆褶皱。如果有，就预示着工作面前方的一定距离内会出现断层，而且属于走向逆断层。
（3）注意观测已揭露断层11节理的产状和分布特征，同时仔细寻找与已揭露的11节理产状不同的、斜交层理的、长大、明显的另一组11节理。如果出现了这组节理，那么在工作面推进的反方向上，再仔细搜寻类似的节理，直到发现第一条为止（其规模可能小一些），并记录第一条节理的里程。
（4）从以上第一条11节理开始，仔细编录前方隧道两壁出现的所有节理，特别注意编录与第一条11节理产状相似的节理，记录出现的里程和条数。
（5）通过绘图，划分11节理的密集带，确定Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ带，当Ⅰ、Ⅱ带确定之后，要特别注意第Ⅲ带开始点的位置，记录其里程。
（6）依据以上11节理的产状，确定观测区段是位于预报断层上盘还是下盘。
（7）测量11节理Ⅰ、Ⅲ带始见点的距离（B′Ⅰ－Ⅲ）。
（8）应用公式B＝B′sinωsinβ将B′Ⅰ－Ⅲ换算成BⅠ－Ⅲ，其中，B为垂直断层面的厚度，B′为隧道中测量的距离，ω为断层（或11节理）走向与隧道走向的夹角，β为断层（或11节理）的真倾角。
（9）将BⅠ－Ⅲ分别代入断层位置预报公式之一和之二：若为上盘，则代入上盘公式；若为下盘，则代入下盘公式，求解N。
（10）再将N代入断层位置预报公式之一和之二，计算BⅢ。
（11）应用公式B′＝B/sinωsinβ，将BⅢ换算成B′Ⅲ。
（12）B′Ⅲ与第Ⅲ带始见点里程相加（大里程）或相减（小里程），即为断层中心线里程位置。
（13）由于以上计算过程中分别应用了断层位置预报公式之一和之二进行计算，因而可以得出两个断层中心线里程，对这两个结果再加权平均，即为用断层参数预测法求得的预报断层的里程位置。
（14）再用断层规模预报公式计算断层中心里程，以对前述计算结果予以验证和校正。
（15）应用断层规模预报公式计算断层破碎带的宽度（B′碎）。
（16）以断层中心线里程为对称，求解断层破碎带在隧道一个壁下部出现和消失的里程。
（17）依据11节理走向（即断层走向）和隧道底宽，求解破碎带在另一壁下部出现和消失的里程（应用作图法或数学解析法）。
（18）应用公式tanβ′＝tanβsinω计算断层视倾角，其中，β′为视倾角，β为真倾角，ω为断层走向与隧道方位的夹角。
（19）依据隧道断面的宽度和高度，求解断层在隧道拱顶或两壁上部出现和消失的里程（应用作图法或数学解析法）。
（20）利用公式B＝B′sinωsinβ求解断层破碎带的厚度（B碎）。
2）应注意的几个问题
（1）断层参数预测法预报隧道断层的方法只适用于岩层倾角小于30°的近水平—倾斜岩层分布区。
（2）在古生界和前古生界地层分布区，大多数背景节理为纬向系或经向系的产物，因此，背景节理的走向一般为310°～320°和40°～50°两组，倾角大多大于70°～80°。在中生界地层中大多数背景节理为新华夏系的产物，这类地层多数倾角较缓，其背景节理的走向一般为340°±和70°±两组，倾角大多小于70°。以上原则仅作为一般情况下鉴别背景节理时参考，要注意具体情况具体分析。还要注意，在古生界和前古生界节理地层中的背景节理，因其形成较早，常常伴随地层的褶皱作用，其倾向和倾角会发生变化。
（3）前兆褶皱有时存在，有时不存在，千万不能把前兆褶皱的有无作为判断断层存在与否的唯一标志。而11节理是所有断层所拥有的，可以作为判断前方是否存在断层的可靠标志。
（4）编录节理要伴随隧道的掘进而展开，尽量在导洞的两壁或掌子面上编录，要注意将导洞内确定的断层里程透射到主洞隧道壁上。
（5）当发现11节理的始见点后，可以利用设计图纸中确定的断层里程（常常不准确）和11节理始见点的里程，计算出B′Ⅰ，再依据断层规模预报公式粗略地推断出11节理第Ⅲ带的可能出现位置，以进行有目标的观测，这不失为一种11节理编录的捷径。
4．2．1．8 实例
新倮纳隧道预报实践。
1）进口工区F5断层
（1）11节理带特征和基本参数。该断层11节理除Ⅰ带外，Ⅱ、Ⅲ带均为小断层。第Ⅰ带始见点DK174＋518，第Ⅱ带始见点DK174＋410，第Ⅲ带始见点DK174＋354。11节理产状：40°/310°∠80°，ω＝85°，β＝80°。影响带位于上盘，预测的断层在小里程方向，如图4－13所示。
图4－13 新倮纳隧道F5断层预报
（2）预测断层产状：40°/310°∠80°。
（3）预测11节理第Ⅲ带到达断层距离（B′Ⅲ）和断层中心线位置。
B′Ⅰ－Ⅲ＝164（m）。
将B′Ⅰ－Ⅲ代入公式（4．21）得BⅠ－Ⅲ＝160．89（m）。
将BⅠ－Ⅲ代入公式（4．17）得N1＝8．07（m）。
将BⅠ－Ⅲ代入公式（4．19）得N2＝8．567 7（m）。
将N1、N2加权平均有N≈8．32（m）。
将N1代入公式（4．17）得BⅢ1＝138．856（m）。
将N2代入公式（4．19）得BⅢ2≈138．9（m）。
将BⅢ1、BⅢ2加权平均得BⅢ≈138．9（m）。
将BⅢ代入公式（4．22），得B′Ⅲ≈142（m）。
断层中心线位置＝第Ⅲ带始见点里程－B′Ⅲ，得DK174＋212。
（4）预测断层破碎带宽度（B′碎）和厚度（B碎）。
B′Ⅰ＝306（m）。
将B′Ⅰ代入公式（4．24）得B′碎＝306×0．026≈7．96（m）。
将B′碎代入公式（4．21）得B碎≈7．8（m）。
（5）预测值与实际值对比如表4－1所示。
表4－1 新倮纳隧道F5断层预测值与实际值对比
2）进口工区F5－1断层
（1）11节理带特征和基本参数。该断层11节理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ带均为小断层。第Ⅰ带始见点DK174＋258，第Ⅱ带始见点DK174＋310，第Ⅲ带始见点DK174＋434。预测的断层在大里程方向。小断层产状：75°/345°∠70°，ω＝60°，β＝70°，影响带位于下盘（图4－14）。
图4－14 新倮纳隧道F5－1断层预报
（2）预测断层产状：75°/345°∠70°。
（3）预测11节理第Ⅲ带到达断层距离（B′Ⅲ）和断层中心线位置。
B′Ⅰ－Ⅲ＝176（m）。
将B′Ⅰ－Ⅲ代入公式（4．21）得BⅠ－Ⅲ＝143．23（m）。
将BⅠ－Ⅲ代入公式（4．18）得N1＝7．635（m）。
将BⅠ－Ⅲ代入公式（4．20）得N2＝7．34（m）。
将N1、N2加权平均得N≈7．5（m）。
将N1代入公式（4．18）得BⅢ1＝119．4（m）。
将N2代入公式（4．20）得BⅢ2＝109（m）。
将BⅢ1、BⅢ2加权平均得BⅢ≈114．2（m）。
将BⅢ代入公式（4．22）得B′Ⅲ＝140．33m≈140（m）。
断层中心线位置＝第Ⅲ带始见点里程＋B′Ⅲ，得DK174＋574。
（4）预测断层破碎带宽度（B′碎）和厚度（B碎）。
B′Ⅰ＝316（m）。
将B′Ⅰ代入公式（4．24）得B′碎＝316×0．026≈8．22（m）。
将B′碎代入公式（4．21）得B碎＝65（m）。
（5）预测值与实际值对比如表4－2所示。
表4－2 新倮纳隧道F5－1断层预测值与实际值对比
3）进口工区F5－3断层
（1）11节理带特征和基本参数。
该断层11节理的第Ⅰ、Ⅱ带为节理，第Ⅲ带为小断层。第Ⅰ带始见点DK174＋510，第Ⅱ带始见点DK174＋502，第Ⅲ带始见点DK174＋444。预测的断层在小里程方向。11节理产状：20°/290°∠60°，ω＝65°，β＝60°，影响带位于上盘（图4－15）。
图4－15 新倮纳隧道F5－3断层预报
（2）预测断层产状：20°/290°∠60°。
（3）预测11节理第Ⅲ带到达断层距离（B′Ⅲ）和断层中心线位置。
B′Ⅰ－Ⅲ＝66（m）。
将B′Ⅰ－Ⅲ代入公式（4．21）得BⅠ－Ⅲ＝51．0（m）。
将BⅠ－Ⅲ代入公式（4．17）得N1＝2．67（m）。
将BⅠ－Ⅲ代入公式（4．19）得N2＝2．758（m）。
将N1、N2加权平均得N＝2．72（m）。
将N1代入公式（4．17）得BⅢ1＝43．98（m）。
将N2代入公式（4．19）得BⅢ2＝44．73（m）。
将BⅢ1、BⅢ2加权平均得BⅢ＝44．36（m）。
将BⅢ代入公式（4．22）得B′Ⅲ＝56．5（m）。
断层中心线位置＝第Ⅲ带始见点里程－B′Ⅲ，得DK174＋387．5。
（4）预测断层破碎带宽度（B′碎）和厚度（B碎）。
B′Ⅰ＝122．5（m）。
将B′Ⅰ代入公式（4．23）得B′碎＝122．5×0．026≈3．2（m）。
将B′碎代入公式（4．21）得B碎≈2．5（m）。
（5）预测值与实际值对比见表4－3。
表4－3 新倮纳隧道F5－3断层预测值与实际值对比
4）进口工区F2断层
（1）11节理带特征和基本参数。该断层11节理全部由11节理组成。第Ⅰ带始见点DK174＋720，第Ⅱ带始见点DK174＋731，第Ⅲ带始见点DK174＋767。预测的断层位于大里程方向。11节理产状：70°/340°∠70°，ω＝65°，β＝70°，影响带位于下盘（图4－16）。
图4－16 新倮纳隧道F2断层预报
（2）预测断层产状：70°/340°∠70°。
（3）预测11节理第Ⅲ带到达断层距离（B′Ⅲ）和断层中心线位置。
B′Ⅰ－Ⅲ＝47（m）。
将B′Ⅰ－Ⅲ代入公式（4．21）得BⅠ－Ⅲ＝40．05（m）。
将BⅠ－Ⅲ代入公式（4．18）得N1＝2．1（m）。
将BⅠ－Ⅲ代入公式（4．20）得N2＝2．05（m）。
将N1、N2加权平均得N＝2．08（m）。
将N1代入公式（4．18）得BⅢ1＝31．6（m）。
将N2代入公式（4．20）得BⅢ2＝30．5（m）。
将BⅢ1、BⅢ2加权平均得BⅢ＝31．05（m）。
将BⅢ代入公式（4．22）得B′Ⅲ＝36．46（m）。
将第Ⅲ带始见点里程加上B′Ⅲ得断层中心线位置：DK174＋803。
（4）预测断层破碎带宽度（B′碎）和厚度（B碎）。
B′Ⅰ＝83（m）。
将B′Ⅰ代入公式（4．24）得B′碎＝83×0．026≈2．16（m）
将B′碎代入公式（4．21）得B碎≈1．88（m）
（5）预测值与实际值对比见表4－4。
表4－4 新倮纳隧道F2断层预测值与实际值对比
5）出口工区F4断层
（1）11节理带特征和基本参数。11节理全部为11节理密集带。第Ⅰ带始见点DK176＋225，第Ⅱ带始见点DK176＋208，第Ⅲ带始见点DK176＋163。断层位于小里程方向上。11节理产状：290°/20°∠88°，观测点位于上盘ω＝25°，β＝88°（图4－17）。
图4－17 新倮纳隧道F4断层预报
（2）预测断层产状：290°/20°∠88°。
（3）预测11节理第Ⅲ带到达断层距离（B′Ⅲ）和断层中心线位置。
B′Ⅰ－Ⅲ＝62（m）。
将B′Ⅰ－Ⅲ代入公式（4．21）得BⅠ－Ⅲ＝26．186（m）。
将BⅠ－Ⅲ代入公式（4．17）得N1＝1．4（m）。
将BⅠ－Ⅲ代入公式（4．19）得N2＝1．4（m）。
将N1、N2加权平均得N＝1．4（m）。
将N1代入公式（4．17）得BⅢ1＝21．7（m）。
将N2代入公式（4．19）得BⅢ2＝22．6（m）。
将BⅢ1、BⅢ2加权平均得BⅢ＝22．15（m）。
将BⅢ代入公式（4．22）得B′Ⅲ＝52．44（m）。
将第Ⅲ带始见点里程减去B′Ⅲ得断层中心线位置：DK176＋110．6。
（4）预测断层破碎带宽度（B′碎）和厚度（B碎）。
B′Ⅰ＝114．4（m）。
将B′Ⅰ代入公式（4．23）得B′碎＝114．4×0．026＝2．97≈3（m）。
将B′碎代入公式（4．21）得B碎＝1．26（m）。
（5）预测值与实际值对比见表4－5。
表4－5 新倮纳隧道F4断层预测值与实际值对比
6）出口工区F新1断层
（1）11节理带特征和基本参数。为新发现断层之一，其11节理带均由11节理组成。第Ⅰ带始见点DK176＋215，第Ⅱ带始见点DK176＋163，第Ⅲ带始见点DK176＋108。预测断层位于小里程方向。11节理产状：290°/200°∠75°，观测区段位于断层下盘ω＝25°，β＝75°（图4－18）。
图4－18 新倮纳隧道F新1断层预报
（2）预测断层产状：290°/200°∠75°。
（3）预测11节理第Ⅲ带到达断层距离（B′Ⅲ）和断层中心线位置。
B′Ⅰ－Ⅲ＝107（m）。
将B′Ⅰ－Ⅲ代入公式（4．21）得BⅠ－Ⅲ＝43．68（m）。
将BⅠ－Ⅲ代入公式（4．18）得N1＝2．3（m）。
将BⅠ－Ⅲ代入公式（4．20）得N2＝2．3（m）。
将N1、N2加权平均得N＝2．32（m）。
将N1代入公式（4．18）得BⅢ1＝34．7（m）。
将N2代入公式（4．20）得BⅢ2＝34．58（m）。
将BⅢ1、BⅢ2加权平均得BⅢ≈34．64（m）。
将BⅢ代入公式（4．22）得B′Ⅲ≈85（m）。
将第Ⅲ带始见点里程减去B′Ⅲ得断层中心线位置：DK176＋023。
（4）预测断层破碎带宽度（B′碎）和厚度（B碎）。
B′Ⅰ＝192（m）。
将B′Ⅰ代入公式（4．24）得B′碎＝192×0．026≈5（m）。
将B′碎代入公式（4．21）得B碎≈2．04（m）。
（5）预测值与实际值对比见表4－6。
表4－6 新倮纳隧道F新1断层预测值与实际值对比
4．2．1．9 断层参数预测法评价
大量的预报实践证明，断层参数预测法预报断层的精度已达到相当高的水平。如在新倮纳隧道断层预报实践中：①预报断层产状是准确的。②预报断层位置：平均精度达到98%，最低精度达到96%；绝对误差平均为1．2m，最大为2．6m。③预报断层破碎带宽度：平均精度达到97%，最低精度达到92%；绝对误差平均只有0．17m，最大为0．3m（表4－7）。
表4－7 断层参数预测法的预报误差统计
1）断层参数预测法的优点
（1）精度高：实践证明，单独采用该方法预报隧道断层的产状、位置、破碎带宽度的精度，均超过仪器探测的精度。
（2）单解性：断层参数预测法预报断层的基础是断层影响带和断层前兆，所以它具有单解性。该优点一方面仪器探测无法做到，另一方面该方法可以成为仪器探测和地面地质调查方法的最好搭档，如果它与其他超前预报方法有效地配合，将极大地提高预报精度。
（3）多功能：由于溶洞、暗河、淤泥带、高压过量瓦斯的聚集都与断层有关，在应用断层参数预测法预报隧道断层的过程中，结合岩溶地质和瓦斯地质的知识，能达到超前预报这些不良地质的目的。
（4）距离远：造成塌方的断层，其破碎带宽度一般大于5m，而应用断层参数预测法预报这类断层的预报距离一般大于100m，完全能满足施工要求。
（5）适应性强：断层参数预测法是一种只需导洞两壁的地质编录就能达到超前预报目的的预报方法，简便易行。同时，该方法不要求特殊工作环境与条件，不受洞内施工干扰，可以伴随施工同时进行或选择施工间隙进行，因而它不影响施工。
上述特点决定了该方法既适用于长大隧道的超前地质预报工作，同时也适用于大量存在的、仪器探测无法广泛应用的中型或中小型隧道的超前预报工作，具有随时可以操作的优点，所以具有广泛的适应性。
2）断层参数预测法的缺点
（1）不适于预报陡倾岩层中开挖的隧道断层。
（2）使用该方法要求工作人员必须具备扎实的地质理论知识和丰富的地质工作经验。
4．2．2 地面地质体投射预报法
地面地质调查或复查是隧道不良地质分析和宏观预报的基础，在地面地质调查或复查的基础上产生的地面地质体投射预报法，是长期隧道超前地质预报的一种方法［19］。
4．2．2．1 地面地质体投射预报法基本原理的建立
要把地面地质调查的成果进一步转化为隧道洞体不良地质体超前预报的方法和技术手段，就要把地面实见的地质界面或地质体准确地投射到隧道的剖面上，确定出其在隧道上的位置和规模，以达到预报的目的。为此，提出并建立以下地质界面和地质体投射公式。
1）求解地质界面投射角公式
由于在大多数情况下，隧道走向与地质界面、地质体走向斜交，而在野外实测的地质界面和地质体产状中的倾角实为真倾角，如果用真倾角直接向隧道投射，必然对地表地质界面和地质体在隧道中的位置和规模造成歪曲，所以，要得到它们在隧道中的准确位置和规模，就要将实测的真倾角换算为视倾角（即地质界面投射角），其换算公式是：
tanβ′＝tanβsinω （4．26）
式中，β′为地质界面（包括岩层层面、断层面等）投射角（视倾角）；β为地质界面真倾角；ω为地质界面走向与隧道轴线走向的夹角。
注意，这时的投射角公式必须是在隧道地质剖面图的水平比例尺与垂直比例尺相同条件下才能使用。
2）求解特殊情况下的地质界面投射角公式
设计院提交的隧道剖面图，有时水平比例尺与垂直比例尺不一致，例如，水平比例尺为1∶5 000，而垂直比例尺为1∶2 000，在这种情况下，投射角公式就转化为如下的形式。
式中，β″为在这种特殊情况下的地质界面和地质体投射角。
3）求解地表地质界面投射公式
式中，A为地质界面在隧道中的位置；A′为地质界面与隧道地表中心线交点的位置；h′为地质界面A′A的地表界线与隧道之间的高程差。
如图4－19所示。
图4－19 投射公式示意
4）求解地表地质体投射公式
即求解等厚、倾斜地质体在隧道中水平距的公式。由于隧道隧洞大多数近于水平（坡度很小），所以，地质体投射法的关键是求得等厚倾斜地质体在隧道剖面上的水平距。在求得这个水平距之后，只要用隧道中实见的、等厚倾斜地质体前一个界面的里程，加上（大里程方向）或减去（小里程方向）等厚倾斜地质体的水平距，就可求得该地质体在隧道中的位置和规模。
投射公式：
式中，l为等厚倾斜地质体在隧道剖面上的水平距；L为等厚倾斜地质体两个地表界线的水平距；h为等厚倾斜地质体两个地表界线之间的高程差；β′为等厚倾斜地质体的视倾角。
4．2．2．2 地面地质体投射预报法的应用方法与步骤
1）投射地质界面
确定地质界面与隧道地表中心线交点的里程→测量产状并确定代表性产状→应用公式（4．26）或（4．27）将真倾角换算成投射角→在隧道剖面图上确定该地质界面的位置→在隧道剖面图上用投射角向隧道投射，然后应用公式（4．28）或公式（4．29）即可预报地质界面在隧道中的位置。
2）投射地质体
确定地质体两个界面与隧道地表中心线交点的里程→求得两点高程差→求得其中一个点标高上的水平距→应用公式（4．30）求得地质体在隧道中的水平距→应用地质界面投射法求得该点在隧道中的里程→在隧道剖面图上，从该点开始加（减）地质体在隧道中的水平距，即可预报地质体在隧道中的位置和规模。
4．2．3 TSP探测解译法
TSP（Tunnel Seismic Prediction，隧道地震波勘探）设备是由瑞士Amberg测量技术公司开发、生产的，是当前国内外最先进的隧道长期超前地质预报设备，也是当前超前地质预报技术中的最重要手段。它与其他超前地质预报的设备相比，最大优点是：探测距离远（可达隧道掌子面前方300～500m），分辨率高（最高分辨率为1m），抗干扰能力强（基本不受干扰），对施工影响小（钻孔和测试在侧壁进行，洞内探测时间仅需45min左右）［50－61］。
4．2．3．1 TSP探测的基本原理
在隧道内，首先由人工制造一系列规则排列的轻微震源，震源发出的地震波遇到地层界面、节理面，特别是断层破碎带、溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等不良地质界面时，将产生反射波，它的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向等均与相关界面的性质以及产状密切相关，并通过不同数据表现出来。通过设备设置的震源反射波的数据采集系统（传感器和记录仪），将这些递增数据经计算机处理后储存起来，如图4－20所示；然后，将数据输入带有特制软件的计算机，经过复杂数学计算之后，最后形成反射波（纵波）波形图（见图4－21）、反映相关界面或地质体反射能量的影像图（图4－22）和隧道平面图（图4－23上）剖面图（图4－23下），以供工程技术人员解译。
4．2．3．2 TSP探测的理论基础
要确定反射界面的位置，就必须知道地震波的传播速度（VP）和反射波的传播时间（T2），即：
T2＝（X2＋X3）/VP （4．31）
图4－20 TSP探测原理示意
图4－21 TSP探测波形
图4－22 TSP影像图的一般特征
图4－23 平面（上）剖面（下）影像
当反射界面与隧道轴线的夹角很大（接近90°）时，可以近似写做：
T2＝（X2＋X3）/VP＝（2 X2＋X1）/VP （4．32）
以上两式中，X1为爆破孔与传感器的距离；X2为爆破孔与反射界面的距离；X3为传感器与反射界面的距离；T2为反射波的传播时间；VP为地震波的传播速度。
1）地震波传播速度VP的确定
由于微型爆破引发的地震信号分别沿不同的路径以直达波和反射波的形式到达传感器，而与反射波相比直达波需要的传播时间明显偏小，因此很容易根据直达波换算出地震波的传播速度VP：
VP＝X1/T1 （4．33）
式中，T1为直达纵波的传播时间。
地震波的传播速度因地质条件不同而异，因此我们在此用直达波的传播速度来代替反射波的传播速度只是一种近似。
2）反射波传播时间T2的确定
确定反射界面位置的关键，是在准确判定反射界面的基础上给出反射波的传播时间，而准确判定反射界面的前提是通过某种方式将反射波从含有直达波和其他干扰信号的总体混合信号中将其清楚地分离出来。
与直达波相比，反射波的振幅非常小，它一方面取决于反射界面与传感器的距离，另一方面取决于地震波在反射面上的反射系数。
Ar/Ad＝RX1/（X2＋X3） （4．34）
R＝（ρ2VP2－ρ1VP1）/（ρ2VP2＋ρ1VP1） （4．35）
式中，Ar为反射波振幅；Ad为直达波振幅；R为反射系数；ρ1、ρ2分别为反射界面内、外侧的岩石密度；VP1、VP2分别为反射界面内、外侧的地震波传播速度。
在TSP测量系统中，通过使用高敏的具有良好动态相应特性的传感器和一对13位的模数转换器保证该测量系统具有很宽的地震波记录范围，这正是TSP测量系统能够在很大范围内预报地质条件变化的根本原因。
4．2．3．3 TSP仪器系列及主要技术指标
TSP探测已成为国内外最先进的长期超前地质预报手段，目前，通用的TSP设备有TSP—202和TSP—203两个系列。TSP—202和TSP—203的最主要区别在于成果的解译手段和精度。
TSP—202为人工解译型，在基本解译原理的指导下，通过解译人员扎实的地质学知识和基本功，依据各种不良地质体的成因特征和前兆标志，对成果图反映的不良地质体的性质、类型、位置和规模进行解译。所以，一般来说，在有地质专家使用和解译的前提下，TSP—202解译效果相对较好，预报的精度较高。由于它的解译技术要求高，较适合地质技术水平较高的人员使用，所以又称专家型。
TSP—203为智能解译型，即首先通过设备软件求得各种不良地质体的不同物理参数，然后通过解译人员对各种不良地质体物理参数的理解，对成果图反映的不良地质体的性质、类型、位置和规模进行解译。由于物理参数不可能完全反映不良地质体的性质、类型，所以，一般来说，TSP—203解译效果一般，预报精度也相对偏低。但它具有解译技术要求低的优点，较适合解译水平一般的技术人员使用，所以又称普及型。因为便于推广应用，所以TSP—203目前成为厂家主要生产型号，并且又推出了TSP—203增益型新型号。
TSP主要用于超前预报隧道掌子面前方断层破碎带、溶洞、暗河、岩溶淤泥带、岩溶陷落柱、软岩、煤层等不良地质体的性质、位置和规模，最大探测距离可达掌子面前方300～500m，但设备限定的有效预报距离为掌子面前方100m，最高分辨率为1m。
4．2．3．4 TSP探测过程
1）TSP探测涉及的主要仪器设备和材料
（1）TSP超前地质预报系统。TSP预报系统主要由爆破系统、接收系统和记录系统3大系统组成。其中，爆破系统包括传统的爆破装置和启动箱两部分，主要用来引爆炸药，激发地震波；接收系统的作用是接收反射波信号；记录系统则是由一个能完成震波信号模拟数据转化的电子部分和一个操作该装置、标出记录和储存数据的HUSKY数据记录器系统组成。
（2）炸药。在近几年的不断探索和实践验证下，建议使用爆速大于6 000m/s的高爆速炸药“黑索金”为最好。若有困难，也可以采用一级岩石乳化炸药或二级岩石乳化炸药。每孔装药量20～30g，每次测量大约用药600g。
（3）雷管及导线。建议使用电爆破雷管，延期时间越短越好。最好选用瞬发电雷管，也可以选用一段第一系列或第二系列毫秒延期电雷管，约30个。引爆导线大约60m。
（4）接收器套管。由瑞士安伯格测量技术公司提供，每次使用1～2根。
2）钻孔布置与埋设套管
（1）TSP探测分区。TSP超前地质预报系统将隧道隧洞掌子面前方方向划分为4个区，即：
1A：靠隧道隧洞掌子面左侧上部（左侧上1/2）。
1B：靠隧道隧洞掌子面左侧下部（左侧下1/2）。
2A：靠隧道隧洞掌子面右侧上部（右侧上1/2）。
2B：靠隧道隧洞掌子面右侧下部（右侧下1/2）。
（2）爆破钻孔布置。建议根据施工隧道隧洞的地质情况和主要结构面的产状，来决定爆破孔布置在隧道隧洞的哪一侧壁比较合适，即如果探测的主要结构面首先在隧道隧洞掌子面的左侧始见，就应选择1A或1B作为主要的研究区，将爆破孔布置在隧道隧洞的左侧壁。同理，如果探测的主要结构面首先在隧道隧洞掌子面的右侧始见，就应选择2A或2B作为主要的研究区，将爆破孔布置在隧道的右壁。
具体要求如下：
钻孔位置：第一个爆破孔约距接收器20m，接续爆破孔的间距约1．5m。
数量：一般18～20个。
直径/深度：38mm（19～45mm）/1．5m（最小0．8m，最大2m）。
孔向：垂直于隧道轴向或向前与掌子面成10°夹角，并向地面倾10°～20°。
高度：距底面以上1．0m。
（3）接收器钻孔布置：如果地质结构不太复杂，主要结构面相对明显，可以采用单接收器（A型结构），此时接收器孔与爆破孔布置在同一侧；如果地质结构复杂，结构面产状不明，可以采用双接收器（B型结构），此时隧道两侧分别布置一接收器孔。
具体要求如下：
位置：距掌子面约50m，距第一个爆破孔20m处。
数量：A型一个，与爆破孔同壁；B型两个，隧道隧洞两壁。
直径/深度：38mm（32～45mm）/2．4m。
孔向：向下、向洞口倾斜15°。
高度：距底面之上1．0m。
（4）爆破孔的保护与接收器套管的埋设。爆破孔钻好后，为防止钻孔在不稳定围岩中坍塌，可用薄壁塑料管（直径30mm，长约1．5m）插入孔中，实测时取出。
接收器套管的埋设工作至关重要，关系到接收器所收集到的震波信息的准确性，因此，要确保套管与围岩间紧密接触，无缝隙存在。钻孔完成后，用水泥砂浆或锚固剂注满钻孔，然后将套管插入孔中，固化24h后备用。放置套筒时，应注意使带有箭头“→”符号的一端指向隧道的掌子面方向，以便于放置传感器，接收信号波。
3）实测前的准备工作
（1）基本工程数据的输入。启动HUSKY测量程序，在主菜单中选择基本工程数据项（Info），将下列内容按HUSKY的要求格式输入：工程名称、工程日期、备注、掌子面位置、基准位置（接收器RCV1/RCV2的位置里程）。
此外，确定隧道隧洞轴线位置：
轴到左边墙的位置：负值。
轴到右边墙的位置：正值。
轴到顶部的位置：正值。
轴到底部的位置：负值。
其中，隧道隧洞轴线的标高应与接收器钻孔和爆破孔断面的平均标高一致。
（2）测量参数的输入。在“HUSKY”主菜单选择“COORDS”项，逐页按要求输入接收器孔及爆破孔的坐标参数。
接收器1：
X： 0．0
Y： －1．5（接收器断面中线深度，在左侧为负。注意：虽然接收器孔深为2．4m，但传感器的位置在1．5m深处，因此此处不应填写－2．4）
Z： 0．0
接收器2（如果使用两个接收器）：
X： 0．0
Y： 1．5（接收器断面中线深度，在右侧为正）
Z： 0．0
爆破孔的坐标：
SHOT 1：
X： 20．0（距离RCV1或RCV2的距离）
Y： －1．5（在左侧为负）
Z： 0．0
SHOT 2：
X： 21．5
Y： －1．5
Z： 0．0
┇ ┇
SHOT 20：
X： 54．5
Y： －1．5
Z： 0．0
在“HUSKY”菜单下选择“CONFIG”项，按要求输入震波参数：
采样间隔（μs）40或80
采样数目 4096
通道 1：状态 ON
接收器 1
接收单元 X
极性 正常
通道 2：状态 ON
接收器 1
接收单元 Z
极性 正常
如果使用第二个接收器，则填写：
通道 3：状态 ON
接收器 2
接收单元 X
极性 正常
通道 4：状态 ON
接收器 2
接收单元 Z
极性 正常
4）现场测试
当接收器套管与围岩固结牢固、成为一体后，即可开始进行现场测试。
（1）安装接收传感器：①将清洁棒上的清洁器（毡盘）喷上清洁液，对接收器套管内部进行清洁和润滑。②将接收器连接好，将其小心插入接收器套管内。安装时应注意使接收器尾部带有“Face”字样的一面朝上，箭头“→”符号指向隧道的掌子面方向。②用电缆将各部分连接好。通过“Receiving Cable”电缆将接收器与主机相连；通过“Triggering Cable”电缆将启动箱与主机相连；启动箱和爆破装置通过启动箱自身的连接线连接；连接主机和HUSKY数据记录仪。
（3）启动HUSKY数据记录仪电脑。进入测试记录程序，此时出现菜单：
ERASE CONFIG
REPLAY COORDS
TEST INFO
NOISE
RECORD QUIT
（4）噪声检查“NOISE”。将光标移至“NOISE”处，点击“↙”，此时主机箱上的橙色灯（“BUSY”）闪亮，同时屏幕上显示出两条活动的噪声柱，表示在RS232接口上记录仪与HUSKY数据记录仪之间联络正确。
（5）线路检测“TEST”。通过“试验电阻”（代替雷管）将启动箱的两个插孔相连，然后选中“TEST”，点击“↙”，此时显示：“Waiting for star．．．”，同时主机箱上绿灯（READY）亮，说明可以起爆。打开起爆器，进行起爆测试，此时绿灯熄灭，橙色灯亮，表示正在记录数据，记录完毕时，橙色灯灭，红灯亮，此时屏幕上会出现一些不规则的噪声信号，表明测试成功，按“ESC”键返回主菜单。
（6）炮眼装药。将电雷管与炸药连接牢固，塞入爆破孔，然后用水封闭炮眼。将电雷管的两根引线引出孔外与起爆线相连。若使用的炸药不防水，则必须密封炸药使之两端防水，每孔装药20～30g。
（7）地震波测试（正式测试前，应关掉风枪、水管等产生较大噪声的设施）。炮孔装好炸药后，拔掉启动箱插入的实验电阻，接上两根起爆线。选中显示屏上的“RECORD”，点击“↙”，此时显示爆破孔的信息：
Shot point 1 X：－－－ Y：－－－ Z：－－－
RECORD：－
Waiting for shot－－－－
表示将要起爆第一个爆破孔，此时主机箱和启动箱上的绿灯亮，表明仪器已作好记录的准备。若各项工作已全部准备完毕，可打开起爆器起爆雷管。起爆时，记录仪同时启动并开始记录地震波信号，此时主机箱上橙色灯（Busy）亮，显示屏显示“读数据”，记录完毕后，显示屏出现收集到的地震波信号，点击“↙”，数据将会自动保存，进入下一个炮孔的测试。
（8）测试结束。当所有炮孔都测试完毕后，将显示屏上光标移至“QUIT”处，点击“↙”，退出。
（9）数据传输。完成现场测试以后，要把记录器中记录的信息传输到计算机中，以便进行计算分析。
打开计算机，在“TSP”目录下为新收集的信息建立一个目录名，然后启动TSP数据处理系统。
将记录器与计算机的COM1插口用导线连接。
在计算机上选择“SETUP”下拉菜单中的“Data transfer”，选择传输接口（Interface）和波特率（Baud rate），一般情况下选“COM1”和“38 400”。
打开“File”下拉菜单中的“Project new/change”菜单，选定建立的目录名。
打开“File”下拉菜单中的“new survey”菜单，此时屏幕出现：
Please confirm to open the now survey no．x
No Yes
其中“no．x”表示此目录中由记录器传输来的测量次数，它会自动按1的次序递增。
如果确定记录器已与计算机连接好，点“Yes”，则屏幕显示：
Read survey data from HUSKY．
－Connect this Pc（com1）and the HUSKY（com1）with a serial cable．
－Enter the following command on the HUSKY，＼HCOM/BX．
－Wait until the HUSKY displays；
HUSKY file transfer utility．．．
Proceed（Y/N）？No Yes
其中，“＼HCOM/BX”中X可为1、2、3、4、5，其值根据波特率的不同而不同，不过一定要注意使记录器与计算机上的波特率一致。
启动记录器，然后键入“＼HCOM/BX”并点击“↙”。
将计算机显示屏上光标移至“Yes”处，点击“↙”，则屏幕将出现具有工作（job）信息（HUSKY数据记录器共有4个数据记录区，即JOB A、JOB B、JOB C、JOB D）的逻辑对话框。
Job Project Date Remark Face TM
JOB A：
JOB B：
JOB C：
JOB D：
选择要传输数据的目录名称（JOB X），点击“↙”，此时显示屏将显示出传递的记录数据信息，数据传输完毕后，即可进行计算分析。
4．2．3．5 TSP解译原理及方法
解译技术是TSP超前地质预报系统进行有效工作的关键，也是我们在地质预报过程中需要重点研究和掌握的核心部分。对TSP图像的准确解译，一方面，要求解译人员有雄厚的地质力学理论基础和丰富的地质工作经验，因为只有这样，解译人员才能充分认识各类不良地质在实践中的成因及形式，继而准确掌握这些不良地质在TSP图像中的表现特征，同时有效区分在TSP图像中表现类似的各类不良地质体［62－77］；另一方面要求解译人员熟练掌握TSP的成像规律，并在实践中逐渐积累解译经验。
1）波域数据处理（WFP，wave field processing）
在利用绕射重叠法（DS）或像点法（IP）进行事例计算之前，必须获得来自记录的原始信号（原始数据）中的反射信号，这也正是波域数据处理的目的所在。
首先，选中需要进行数据处理的测量，然后在下拉菜单“计算（EVALU ATION）”中选择“波域数据处理（wave field processing）”，并点击“↘”确认，出现相应的逻辑对话框，在逻辑对话框中选择待处理区段（1A，1B，2A，2B，可同时处理4个区段），然后“开始数据处理”，即可进入震动记录道的绘图菜单。
（1）P0（Process 0）阶段：数据检查、首次间断选择（见图4－24）。
在震动记录道菜单中有多个绘图设置参数，下面对其作一简要介绍。
“Display”，显示震动信号记录道的原始图像。在此状态下，通过功能键F1～F8可对记录道图像进行必要的处理，此处重点介绍与解译密切相关的F1、F2、F6、F9/F10。
F1：对于原始数据的记录道显示，通过移动十字准线并按F1可提取首次间断，从而获取该记录道的有关信息，如爆破点数、偏移和选取的行进时间等。
F2：如果一个信号记录道的首次间断明显延迟（1ms或更长时间）或与临近记录道相比表现出明显较弱的振幅，则是由于拒爆或瞎炮引起的，将十字准线移至不良记录道并按F2即可消除该不良记录道。
根据一条理想化的直线（穿过首次间断的曲线），如果确认邻近记录道的首次间断的位移时间偏差较大（大于0．5ms，小于1ms），那么，有可能在选择首次间断时间时发生了错误。在这种情况下，必须重新选择特别记录道或多个记录道的首次间断；也有可能是爆破点位置的输入发生错误，此时必须进入“数据库（DATA－BASE）”进行几何形状校正。
图4－24 波域数据处理P0阶段
如果记录道的首次间断仅有一小段时间延迟（小于1ms），脱离了行进时间线，此时可以在数据处理P1阶段用指令“Force alignment（强迫对齐）”平衡这一轻微偏移。这是由于这一轻微偏移是由爆破孔之间的不同地质条件造成的。
F6：在震动信号记录道原始数据图像中，行进时间线的可逆坡度即为纵坡的坡度VP，可通过“F6”获得（硬岩层中VP应在4 000～6 000m/s范围内）。
F9/F10：放大图像和取消图像放大。
以下几项为绘图参数的设定，其中数值为绘图参数。
－“Dataset”＝0（数据设定，确定需要的数据处理阶段显示，可选值为0～9，默认值为最后完成的数据处理阶段）。
－“Select component”＝1（选择元件，1表示X方向的记录道显示，3表示Z方向）。
－“Width”＝10（记录道宽度，默认值＝8mm）。
—“Mode”＝Cross－normalize traces？Y/N（询问是否格式化记录道，默认值＝N，此处选N）。
－“Tscale”＝Start time：0；Units：cm/s；time scale：250cm/s（垂直比例，包括开始时间、单位和时间比例）。
－“Xscale”＝Plot against shot point number：N；Offset scale：500；Max offset：60（水平比例，询问“绘出爆破点数图”，默认值为“是”，在默认值状态下，用爆破点数绘制记录道；若选“否”，出现用偏移即接收器与爆破孔之间的距离来显示记录道的方案）。
根据以上绘图参数的设定，显示震动记录道图像，此处震动记录道显示为偏移的函数，连接首次间断点通常为一近似直线，它在接收器位置与水平轴相交。
如果完成震动原始数据的检查，用“Quit”退出绘图菜单，则出现WFP控制菜单屏幕。
（2）波域数据处理P1～P9阶段。在波域数据处理（WFP）控制菜单屏幕上，可以通过移动光标设置需要的数据处理参数。
通过控制菜单屏幕上的“Run”功能键，可一次处理阶段P1～P7（运行菜单的缺席设定为从P1～P7）。数据处理完成后，通过设定“Dataset”，可以显示每一单独数据处理的结果。首次用新的数据设定时，为了优化数据处理参数，最好一个阶段接一个阶段地处理。首先，将光标移入“Run”菜单并按F1，则数据处理阶段将一个接一个地增加。需要特别注意的是，在进行数据处理时，绘图滤波器（Plot filter）必须被设定在“Out”上。
下面对波域数据处理的P1～P9阶段逐一予以介绍，并给出各个处理阶段的注意事项和参数设置原则。
图4－25 波域数据处理P1阶段
P1－预处理阶段（见图4－25）：一般来说，在预处理阶段采用默认缺省参数设定即可取得良好的效果。预处理阶段完成后，震动记录道图像的质量检查应遵循以下几点：①成功地应用一球面散射方案后，地震记录道显示应包括全部显示范围内震动信号，否则应增大散射指数（Divergence exponent）。②除了现在显示较弱的直达波的首次间断以及以一半P波速度传播的剪波外，不会产生很高振幅的单向信号，否则需要变更滤波器的频率。滤波器的缺省参数设定为：120 150 2500 3500，表示角频率为150Hz和2 500Hz零相带滤波器，以及低于120Hz和高于3 500Hz的频率信号将完全被抑制。③不会产生很高的噪声信号或信号高峰。
如果不满足这些条件，那么需变更数据处理参数，重复数据处理。
P2、P3、P4－波域分离（见图4－26、图4－27）阶段。其中，P2为增强直达波域；P3为从总波域中减除直达波域；P4为从总波域中减除二次波域。
图4－26 波域数据处理P2阶段
图4－27 波域数据处理P3阶段
在数据处理阶段P2中，首先将来自隧道后部地区的首次间断和不需要的反射信号水平地排成一条直线，然后通过一个中等滤波器加强水平对齐的信号。为了质量控制，必须遵照以下几点：首次间断在所有记录道中应是主要的信号，否则必须增大滤波器的点数（通常情况下，滤波器的点数设置为7）；在震动记录道图像中，随着行进时间的增加，信号应变弱，否则应减小散射指数（P1参数）。
通过P3阶段的处理，剩余波域大体包括前方区域的反射信号和仍存在的“不需要”的二次波域和其他噪声信号。在进行此阶段的处理时，参数“Residue（剩余）”应设置为“Yes”。
P4阶段的主要目的是从整个剩余波域中减除二次波域。二次波域是指以清晰的较低速度VS（约为0．5VP）行进的剪切波。在P3阶段处理完后的震动记录图中，首先应确定二次波到达的时间，这可以通过移动十字准线到具有最大和最小偏移的记录道上，并降到二次到达，同时按F1确认来实现。此操作完成后，屏幕上将出现一条连接二次到达的红线，按F6可显示剪切波速度VS和压缩波速度VP，岩石比重可以通过岩石试样测出，从而获得岩层模量和泊松比：
泊松比：
抗剪弹性模量：
压缩模量：
杨氏模量：
E＝3×K（1－2P） （4．39）
岩石力学参数的获得使我们能够更清楚地了解地质的特性，从而为工程施工的顺利实施奠定基础。
在P4处理阶段中，数据处理参数“Subtract”应设置为“Yes”，中等滤波器“Median”设置为5。见图4－28。
P5—解褶积阶段：地震波在传播、接收和记录过程中，由于仪器性能等的变化使地震信号改变了原来的形状，对于这种自然因素引起的滤波效应，往往会降低反射波的分辨率，为了消除滤波效应，则需要进行反滤波（解褶积）。但是，如果首次间断在数据处理P0或P1阶段为很明显的脉冲（宽带信号），最好不应用解褶积。
P6—反射波域的加强（见图4－29）阶段：反射波域的加强通过一个DME（谷值移出增强）滤波器进行，将以双向行进时间（TWT）形式排列的反射信号水平对齐或双曲线形式对齐，同时抑制了随机噪声和任何与可能的反射双曲线无关的对齐信号。
DME的增强是相对于由最小搜索角（Delta min）和最大搜索角（Delta max）确定的搜索角范围而言的，因此，如何准确地确定出搜索角范围对于P6数据处理阶段结果的可靠性有着重要的意义。
本研究提出了优选搜索角和调谐角的方法（见本章后续内容）。
搜索角可以通过下列公式加以确定：
δ＝90°－ω （4．40）
式中，δ为搜索角；ω为调谐角，即构造面与隧道轴线的夹角。
例如，对于歌乐山隧道来说，ω应为95°左右，因此，δ应为5°左右，此处取0～15°。
图4－28 波域数据处理P4/P5阶段
图4－29 波域数据处理P6阶段
在TSP超前预报的实践中，技术人员可以根据预报区域的地质特征和地质力学的相关理论，首先确定调谐角的范围，继而得到搜索角的范围。
在P6阶段的数据处理参数中，应设置为“Yes”，“Median”设置为5，根据相关经验和地质力学内容确定“Delta min”和“Delta max”。
此外，在P6阶段，还需要注意以下几点：
如果输入的“Delta max”小于10°，预计的事例几乎垂直于隧道轴线，则此时仅有与TWT（双向行进时间）显示十分对齐的反射信号被加强。该方案还可用于检测位于隧道轴线附近、几乎与隧道轴线垂直相交的较小事例。
如果预计的事例几乎平行于隧道轴线且事例接近隧道轴线，此时，波域加强P6阶段不能加强首次间断线附近的陡峭倾斜反射双曲线，在这种情况下，建议不要进行波域加强，数据处理参数设置为“No”。
P7—滤波和输出（见图4－30）阶段：
在此阶段，通过应用带通滤波器，感兴趣的频率范围之外的信号将被抑制，部分产生于阶段P6中DME中值滤波器的高频噪声信号也将被抑制。在数据处理参数中，“滤波器”（Filter）应设置为120 150 1800 2500，“相位旋转”（Phase Rotate）设置为0。
数据处理阶段完成后，在WFP控制菜单上，选中“Plot”，即出现绘图菜单；选中“Display”，即可自动显示出震动记录道图像。通过P0～P7阶段的处理，从原始数据分离出的反射信号的质量特征可归纳为：①反射间断线沿水平或稍成双曲线的形状线分布。②反射间断线应在几乎全部震动记录道上明显地显示。③反射信号间断应明显（大的带宽），并不应显示为环形（小的带宽）。
图4－30 波域数据处理P7阶段
如果原始数据质量良好，采用不同数据处理阶段的默认参数，可取得符合上述质量标准的良好结果，否则，需改变参数重新进行数据处理。
完成波域数据处理后，通过“Quit”退出WFP程序，将处理过的数据保存并用于绕射重叠法或像点法的进一步计算。
P8、P9—特别数据处理阶段：通常不使用特别数据处理，但可用于帮助整理、分析。
以上完成波域数据处理的整个过程，退出WFP程序。接下来将对这些数据利用绕射（衍射）重叠法或像点法进行进一步的分析计算。
2）数据分析
震动波域数据处理完成后，为了获得相应事例的几何形状和与隧道轴线的相交点，需把不同震动记录道的反射行进时间转变为前方区域及隧道工作面附近的事例坐标，这可以通过以下两个程序组件来完成：一是绕射重叠法计算组件；二是像点法计算组件。
在通常情况下，两种方法会取得相同的结果。但在分析数据时，两种方法都使用，目的是两种方法互相验证，从而提高预报的准确性。
如有下列情况，通常会优先采用绕射重叠法：①应获得前方区域周围及区域内事例的首次观察（即对前方事例不能预见时）。②不同事例密度带应分类并区分开。③非平面型边界的事例或以散射传输为特点的事例被测出。
如有下列情况，应优先采用像点法来进行数据处理：①调查前方或周围区域内明显出现事例时，即根据工程设计时的勘探或地质力学等方面的知识可以大致推测前方存在不良地质体时。②出现具有明显边界的事例，如岩性分界面、溶洞、淤泥带等。
在数据处理完成之后，进入衍射重叠法事例编辑界面。
（1）对衍射重叠法的理解。波动遇到障碍物而改变传播方向并绕过障碍物的现象叫做波的衍射。根据惠更斯原理，媒质中任一波阵面上的各点，都可以看做是发射子波的波源，其后任一时刻，这些波的包迹就是新的波阵面。衍射重叠法是指这些小波源的叠加，接受器收到这些小波源的能量信号，这些信号的能量大小与图像上的圆形点一一对应，通过衍射波的能量大小来反映前方不良地质体情况。能量点越大表明介质的间断缝隙越大，如果能量点多且较大，那么可能是不良地质体较为发育的地带。
（2）图像认识。图像上有两种信息，一是衍射面，二是衍射点。从图像和实际经验分析可以看出，此衍射面是平面（即XOY平面），因为光标在平面上移动时，X、Y坐标显示在右上角。对于衍射点，它不在衍射平面上，同时它也不是空间点，而是空间衍射点在衍射平面上的投影点。可以通过反证法来证明：第一，假设这些点在衍射平面，那么衍射点就直接反映了前方事例，这些事例的位置、规模在图上表达直观，一目了然。如果是这样，即使是没有地质经验的用户也可以直接解译。但事实上，根据实际经验，前方事例不能像上述方法那样简单地确定，也就是说事例的位置、规模并不是图上所简单表示的情况。由此可以判断衍射点不在衍射平面上。第二，它也不是空间点。如果是空间点，那么当用“pick”选择事例时，出现的两点连线不一定与隧道轴线相交；同时，由确定事例时在图中出现的直线推知，如果直线在平面上，点在直线上，那么点在平面上。但这些点的Z坐标隐含在R中（因为只有知道了Z坐标才能确定事例的空间位置，从而得出事例的位置和规模），所以它也不是空间点。
（3）波形图与衍射点图的联系。衍射点法的计算图像上还有波形图，在确定事例时，在波形图上也出现对应的事例线条，因此在确定事例时，要上下照应，使事例线条尽量出现在波峰或波谷相对较大的位置上。
在利用像点法计算事例时，通常由一个平面间断（边界）代表一个事例，使接收器Q1通过事例（R1）成像。
在像点法原理图中，Q1为接收器，IP（Q1）为接收器的像点，A1、A2、A3为震源（爆破点），R1为事例平面，X代表隧道轴线前进方向，Y指向隧道侧壁方向，Z代表隧道顶部方向，如图4－31所示。
图4－31 像点法原理
首先，确定波源A1、A2、A3到达接收器Q1的行进路线，根据光的可逆性，同时也就确定了Q1到达的路线，此时，可把像点IP（Q1）看做波源，A1、A2、A3看做接收器，从而构成了像点法的计算基础。
设IP（Q1）坐标为（x，y，z），同时Q1、A1、A2、A3坐标已知，可得方程：
︱IP（Q1）A1︱＝t1v1
︱IP（Q1）A2︱＝t2v2 （4．41）
︱IP（Q1）A3︱＝t3v3
式中，t1、t2、t3可由反射波到达接收器的时间直接获得；v1、v2、v3可用震源与接收器的距离除以直达波到达接收器的时间获得的速度近似代替。
由方程组求解出IP（Q1）的坐标后，就可以获得事例的位置［Q1与IP（Q1）的中垂面］。进一步可求出不良地质界面与隧道轴线的交点和隧道轴线与不良地质界面的交角即空间角γ（此角不是不良地质体界面的真倾角）。
3）数据图形解译
如前所述，事例计算的方法有两种，即衍射重叠法和像点法。与此相适应，影像点图的解译也分为衍射重叠法和像点法。对于同一种地质现象，通过衍射重叠法和像点法获得的影像点图并不完全相同，也应该采用不同的方法来对其进行解译。
（1）图像点的一般特征。两种图像点图主要表现为由不同能量点圆组成的弧形带，分为红色点圆带和黄色点圆带，彼此相间出现。
能量大的红色点圆带反映围岩由硬到软的突变，是硬岩突变为软岩的界面标志；反之，能量大的黄色点圆带反映围岩由软到硬的突变，是软岩突变为硬岩的界面标志。能量小的小红圆、红点，或者能量小的小黄圆、黄点，则表示无明显突变、无明显界面、岩石强度差别很小的均匀地质体。每一个弧形带，不是绝对的、均匀的弧形，而是由走向接近、夹角较小的不同界面系列的直线能量点圆组成。多数点圆弧形带反映2～3个系列界面。每一个直线状界面系列表现为带内由小圆到大圆，再到小圆的过程。
（2）衍射重叠法的事例确定。对某一衍射点组，首先应找到最大信号能量衍射点，假设其能量为E，求出60%E的能量域。排除零散的、个别的大于等于60%E的衍射点，确定主要的衍射点群带。在主要衍射点群带两端找出能量等于60%E的衍射点，连线即可确定事例（不良地质界面），如图4－32所示。
图4－32 影像点图
（3）像点法的事例确定。对像点图解译，与衍射点图不同。在衍射点图中，主要找寻60%E的点，而在像点图中，主要找寻的是最大反射能量点。在地质界面明显的情况下，通过操作指令“Auto”产生备选择的10个具有最高反射能量的像点，从而可以自动地确定事例。一般情况下，为了获得最佳效果，可以采用手工定点的方法，确定最高反射能量点。通常状态下，在某像点组中，红色或黄色圆圈所形成的弧线对称于具有最高反射能量的像点，可以根据圆圈的大小和显示在像点平面右上角的能量来选择最高反射能量像点。选中后，在像点法计算屏幕上将自动出现确定的事例。
（4）解译效果的判定。无论是衍射重叠法还是像点法，在影像点图的下方总有一震动记录道图像与之对应。在影像点图中，当确定事例的时候，震动记录道图中也会同时出现行进时间双曲线，利用此双曲线可以判断所选事例是否合适。如果50%以上的震动记录道不显示行进时间双曲线范围内的信号振幅，那么应删除该事例［78］。
4．2．3．6 TSP超前预报的技术关键
成果解译人员如何依据TSP的基本原理，通过成果图分析，在判断不良地质体存在的基础上进一步分析、判断不良地质体的性质、位置和规模，是应用TSP进行超前地质预报技术关键。对于TSP探测成果图的解译，不同的解译水平，直接关系到预报的精度和效果，而成果解译人员的水平又与其地质工作的业务水平和经验密切相关。换句话说，如果成果解译人员不具备雄厚的地质力学理论基础和丰富的地质工作经验，不了解各类隧道不良地质体的成因特征及形式，或理解得不够深入，那么，他就不能准确地掌握这些不良地质体在TSP图像中的表现特征，就会出现分析判断失误，从而得出错误的结论，降低预报水平。总之，深入研究和探讨TSP的探测解译方法，已成为应用TSP进行超前地质预报的当务之急。
4．2．3．7 TSP探测解译方法深入研究
本研究在近几年的TSP预报应用研究中，经过不断探索，总结出TSP探测解译的新做法，其主要内容是：
1）各种不良地质体或结构面影像点图的一般特征
断层破碎带：左侧红色大圆带与右侧黄色小圆带彼此相邻，且相互呈直线状平行；两者之间全部为红色点或夹有少量黄色点。
节理：孤立的、大大小小的、直线状的红圆带。
特殊硬岩层：明显、孤立的很大黄色圆带。
特殊软岩带：孤立或系列红点、很小的红圆组成的像带。
溶洞、暗河、淤泥带：不规则或规则黑洞。
充水地质体（富水断层破碎带、水化软岩带等）：表现为黑洞与小红点混杂区域。
2）TSP探测解译的创新性做法
（1）依据宏观地质构造分析，优选搜索角和调谐角。本研究基于地质力学理论，在几年的应用实践基础上，提出了优选搜索角和调谐角的方法。搜索角和调谐角的正确选择会直接影响成果图的准确性，设定不同的搜索角和调谐角，会显示不同的成果图，有时会有很大差别。如果不能正确设定搜索角和调谐角，就不能显示反映实际情况的成果图。所以，从某种意义上说，正确设定搜索角和调谐角是直接关系到每次探测成败的重要环节。
搜索角：探测对象的走向与隧道方位之间夹角的余角，即
δ＝90°－ω （4．42）
式中，δ为搜索角；ω为地质体走向与隧道中线方位的夹角，即调谐角。
对设计图中已经标明产状的不良地质体来说，搜索角的确定是件很容易的事，但是，对于设计阶段没有发现或没有查明的新断层和与断层密切相关的溶洞、暗河、突泥突水带、煤与瓦斯突出带等来说，搜索角的确定要取决于未知断层的走向。而未知断层的走向可以通过隧道所在地区存在的构造体系的准确认定来完成，因为一个构造体系的断层走向是固定的。
仍以歌乐山隧道为例，如前所述，隧道所在地区主要构造面是南北走向的逆断层（0°）、陡立的岩层层面与层间滑动断层（0°）和北东走向的平移断层（45°）。隧道方位为95°，则搜索角为δ＝5°～40°，因为调谐角ω分别（设定）为50°和95°。由于优选了搜索角和调谐角，可将TSP有效预报距离提高0．5～1倍，即由原来的100m可以扩展到150～200m。
（2）依据宏观地质构造分析正确选择传感器布设位置。正确选择传感器布设位置是TSP探测至关重要的一步。在应用传感器时，究竟将其布置在隧道的哪一壁比较合适呢？经过大量的研究发现，以传感器尽量平行主要构造面或与主要构造面小角度相交、避免垂直或大角度相交为最适宜的布置原则，否则将影响信号接收效果和探测效果，甚至造成探测失败。
由地质力学理论可知，一个地区的主要构造面走向取决于该地区存在的构造体系和构造型式，所以，只有正确掌握隧道所在地区的构造体系和构造型式，才能确定主要构造面的走向，也才能正确选择传感器的布设位置。以歌乐山隧道为例，如前所述，依据宏观地质构造分析，隧道所在地区主要构造面是南北走向的逆断层（0°）、陡立的岩层层面与层间滑动断层和北东走向的平移断层（45°）。由于隧道方位95°，如果在隧道进口探测，应用一个传感器时，根据传感器布置原则，显然应当将其布置在隧道的右壁，如图4－33所示。
图4－33 歌乐山隧道进口传感器布设位置示意
（3）依据成因特征判断不良地质体的性质。只有把成果图解译的基本原则与不良地质体的成因标志解译原则紧密结合，即物探法必须与地质法相结合，才能正确地判断TSP成果图所显示的不良地质体的性质。
如TSP成果图中的大小红圆和红点分布代表软岩带，但是，这个软岩带究竟代表软岩层还是断层破碎带？这就要充分考虑两个不良地质体的成因特征标志。软岩层，如泥岩、煤层，内部结构质密、均匀，所以，TSP成果图中主要表现为大红圆带之后的均匀的红点带；而断层破碎带主要由疏松的断层角砾岩组成，所以，在成果图中主要表现为大红圆带之后的红点与黄点的混杂带，并且在红点与黄点的混杂带之后还出现系列小黄圆带。另外，断层影响带中，按比例、集中成带分布的11节理在成果图中也有反映。
又如，在TSP成果图中，溶洞、暗河、稀性岩溶淤泥带、稠性岩溶淤泥带、湿性岩溶陷落柱、断层富水带、湿性软岩等不良地质体，均以“黑洞”的影像出现，那么如何分辩它们呢？最主要的分辩方法就是熟练掌握上述不良地质体的成因特征，在成果图中寻找这些特征的标志。在泥岩、砂岩地层中，“黑洞”常常代表断层水或被地下水浸湿的泥岩；而在灰岩、白云岩地层中，它却代表溶洞、暗河或岩溶淤泥带等岩溶不良地质体。
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