一种隧道三维超前地质预报系统和方法

技术领域

本发明实施例涉及测量技术领域，尤其涉及一种超前地质预报系统和方法。

背景技术

在隧道施工过程中，超前地质预报是一种采用地质、物探和其它勘探手段分析和预测掌子面前方工程地质、水文地质和不良地质体情况的地质勘察方法。常用的方法包括地质素描法、超前钻探法、超前导坑法和物探法，其中物探法是进行超前地质预报的主要手段，具体的包括地质雷达法、地震反射波法和瞬变电磁法等，这些方法均需要在隧道的掌子面或隧周采用一定的观测方式进行数据采集，而后进行数据分析达到超前地质预报的目的。

发明内容

本发明实施例提供一种超前地质预报系统和方法。

本公开实施例第一方面提供一种超前地质预报系统，包括：炮点，位于隧道掌子面两侧的第一边墙和第二边墙上，与所述隧道掌子面之间存在有第一预设距离；其中，多个所述炮点在所述第一边墙上呈阵列排布，且多个所述炮点在所述第二边墙上呈阵列式排布；检波点，位于隧道的内侧壁，多个所述检波点在与隧道的横截面平行的方向上形成检波点排布环，距离所述隧道掌子面最近的所述检波点排布环和距离所述隧道掌子面最远的所述炮点之间存在第二预设距离；其中，不同的所述检波点排布环与所述隧道掌子面之间的距离不同；炮点激发模组，用于激发所述炮点产生振动波；数据采集模组，与所述检波点对应设置，用于检测所述炮点被激发产生的振动波，采集所述检波点的振动信号。

在一个实施例中，所述数据处理系统还包括：数据处理器，与所述数据采集模组连接，用于根据所述数据采集模组采集的振动信号，确定所述检波点的位移信息；以及，将所述位移信息进行转换，得到预设格式的数据。

在一个实施例中，所述数据处理系统还包括：预报结果生成平台，与所述数据处理器连接，用于根据所述预设格式的数据，生成预报结果。

在一个实施例中，隧道内排布有N个所述检波点排布环，N的表达式为：N＝(L-7)/5+1

其中，L为隧道掌子面与仰拱之间的距离。

在一个实施例中，每个所述检波点排布环至少排布有4个所述检波点，其中，所述检波点排布环对应的隧道顶部、隧道底部、所述第一边墙和所述第二边墙上分别至少排布有1个所述检波点；相邻的所述检波点排布环中排布的所述检波点，错开排布。

在一个实施例中，与隧道掌子面相邻的所述炮点与隧道掌子面之间存在所述第一预设距离，所述第一预设距离包括1米至10米中的任一距离；所述炮点呈X行和Y列的形式排布在所述第一边墙和所述第二边墙上，行间距为R，列间距为K；其中，所述X和Y分别包括2至10中的任一数值，所述R和K分别包括0.5至10米中的任一距离。

在一个实施例中，所述第二预设距离为10米至50米中的任一距离。

在一个实施例中，所述数据采集模组包括：多通道激光测振模组，所述通道与所述检波点一一对应，各通道所发射的激光照射至与所述通道对应的所述检波点。

本公开实施例第二方面提供一种隧道三维超前地质预报方法，包括：激发炮点，其中，所述炮点被激发后产生振动波；检测检波点的所述振动波，得到所述检波点的振动信号，其中，所述振动信号，用于生成预报结果。

在一个实施例中，所述方法还包括：根据所述数据采集模组采集的振动信号，确定所述检波点的位移信息；将所述位移信息进行转换，得到预设格式的数据；根据所述预设格式的数据，生成预报结果。

在一个实施例中，所述炮点，位于隧道掌子面两侧的第一边墙和第二边墙上，与所述隧道掌子面之间存在有第一预设距离；其中，多个所述炮点在所述第一边墙上呈阵列排布，且多个所述炮点在所述第二边墙上呈阵列式排布；检波点，位于隧道的内侧壁，多个所述检波点在与隧道的横截面平行的方向上形成检波点排布环，距离所述隧道掌子面最近的所述检波点排布环和距离所述隧道掌子面最远的所述炮点之间存在第二预设距离；其中，不同的所述检波点排布环与所述隧道掌子面之间的距离不同；数据采集模组，与所述检波点对应设置。

本公开实施例的系统中的炮点，位于隧道掌子面两侧的第一边墙和第二边墙上，与隧道掌子面之间存在有第一预设距离；其中，多个所述炮点分别在第一边墙和第二边墙上呈阵列式排布。检波点位于隧道的内侧壁，多个检波点在与隧道的横截面平行的方向上形成检波点排布环，距离隧道掌子面最近的检波点排布环和距离隧道掌子面最远的炮点之间存在第二预设距离；不同的检波点排布环与隧道掌子面之间的距离不同。炮点激发模组用于激发炮点产生振动波；数据采集模组与检波点对应设置，用于检测炮点被激发产生的振动波，采集检波点的振动信号。

通过在隧道掌子面两侧的边墙上呈阵列式排布炮点，以及在隧道的内侧壁排布检波点，并且检波点在隧道的内侧壁与隧道的横截面平行的方向上形成检波点排布环。这样就实现了在隧道的内侧壁的多个面上排布检波点，例如在隧道的顶部、底部和两侧的边墙上都可以排布检波点，从而可以采集隧道的多个位置振动信号，并且隧道的顶部、底部和两侧的边墙上排布的检波点在整体上呈立体排布，具有良好的空间属性，可以更好的便于对隧道掌子面前方的地质异常进行预报，进而提高了预报的准确度。

另外，本方案在排布好检波点后，通过数据采集模组在隧道内与检波点对应设置即可采集检波点的振动信号，例如通过激光测振仪等发射激光至检波点即可采集检波点的振动信号，操作简单，信号采集效率较高。本方案中不需要使用传统的检波器，减少了传统的接触式检波器需要固定在相应的位置，与相应的位置紧密贴合才能有效的采集振动信号，导致的耦合难度较高的问题。同时，也减少了在实际应用中隧道顶部和底部不便于布置传统的接触式检波器，导致布置繁琐，效率低下的问题。

附图说明

图1为本公开实施例提供的一种超前地质预报系统的结构示意图；

图2为本公开实施例提供的一种检波点排布环中检波点的排布位置示意图；

图3为本公开实施例提供的一种炮点的排布示意图；

图4为本公开实施例提供的一种超前地质预报的数据处理方法的流程示意图；

图5为本公开实施例提供的另一种超前地质预报的数据处理方法的流程示意图；

图6为本公开实施例提供的一种采集的各个检波点的振动信号的示意图；

图7为本公开实施例提供的一种预报结果的示意图；

图8为本公开实施例提供的一种得到偏移结果的示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图及具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细阐述。

通常情况下，由于隧道的施工环境、人员配置、工序协调等问题异常复杂，在超前地质预报的数据采集时，多以二维数据采集为主。通过该方式采集数据，对隧道掌子面前方的异常位置识别不够精准，容易受到隧道掌子面后方或浅埋隧道地表反射波的干扰，影响对掌子面前方异常的确定。

通常的数据采集设备均采用传统的接触式检波器，接触式检波器与接收点位置要紧密贴合固定，其耦合要求高。由于隧道底部多为渣土，基本难以有效布置接触式检波器，而隧道拱顶需要移动施工台架、挖机等设备辅助施工，在顶部排布接触式检波器的实施难度大。因此通常情况下会在隧道的边墙布置检波器，而且缺少隧道底部和拱顶的检波器，检波器布置不均匀，这样不能有效采集全空间的振动信号，严重影响不同维度的数据质量，影响超前地质预报的准确性。

参考图1，为本方案的实施例提供的一种超前地质预报系统的结构示意图，该系统包括：

炮点1，位于隧道掌子面2两侧的第一边墙3和第二边墙4上，与隧道掌子面2之间存在有第一预设距离；其中，多个炮点1在第一边墙3上呈阵列排布，且多个炮点在第二边墙4上呈阵列式排布。

检波点5，位于隧道的内侧壁，多个检波点1在与隧道的横截面6平行的方向上形成检波点排布环，距离隧道掌子面2最近的检波点排布环和距离隧道掌子面2最远的炮点1之间存在第二预设距离；其中，不同的检波点排布环与隧道掌子面2之间的距离不同。检波点排布环与隧道掌子面2之间的距离大于炮点1与隧道掌子面2之间的距离，即检波点排布环位于炮点1远离隧道掌子面2的一侧。

炮点激发模组(图中未示出)，用于激发炮点1产生振动波。

数据采集模组(图中未示出)，与检波点5对应设置，用于检测炮点1被激发产生的振动波，采集检波点5的振动信号。

对于炮点1，位于隧道掌子面2两侧的边墙上，在水平方向上，将隧道掌子面2一侧的边墙作为第一边墙3，另一侧的边墙作为第二边墙4，通常情况下，边墙为竖直方向的边墙。第一边墙3和第二边墙4上均排布有阵列式的炮点1，炮点1的数量可以根据实际的需求进行设定，阵列可以为三行两列的矩形阵列等。

该实施例中的一个炮点即为一个位置点，通过呈阵列式排布在第一边墙3和第二边墙4上的炮点，可以在边墙的不同炮点产生振动波，不同位置的炮点产生的振动波不同，多个不同位置的炮点产生振动波，可以便于采集检波点的振动信号，便于提高预报的效果，如准确性等等。

隧道掌子面2和与隧道掌子面2相距最近的炮点1之间存在有第一预设距离，该第一预设距离可以根据具体的施工情况进行确定。通过存在该第一预设距离，可以在激发炮点1时，减少隧道掌子面2出现崩塌等情况的发生，提高了安全性。

对于检波点5，在平行与隧道的横截面6的方向上，位于隧道的内侧壁排布有多个检波点5，多个检波点5形成检波点排布环。即在隧道内侧壁上排布有多个检波点排布环，每个检波点排布环包括多个检波点5，每个检波点排布环所在的平面与隧道的横截面6平行。不同的检波点排布环与隧道掌子面2之间的距离不同。

参考图1，距离隧道掌子面2最近的检波点排布环，即M1和距离隧道掌子面2最远的炮点1之间存在第二预设距离，第二预设距离为10米至50米中的任一距离，当然还可以是其他根据施工需要设定任一距离，在该实施例中第二预设距离为20米。不同的检波点排布环与隧道掌子面2之间的距离不同。

检波点排布环可以包括第一检波点排布环M1、第二检波点排布环M2、第三检波点排布环M3···、第N检波点排布环Mn。相邻检波点排布环之间间隔有第三预设距离，该第三预设距离可以根据实际需求进行设定，正是存在该第三预设距离，减少了检波点排布环排布过于密集或者过于稀疏等导致的检波点5排布不合理，从而导致的采集到的检波点的振动信号不能很好对隧道掌子面前方的地质进行预报，或者预报的准确性较低的情况的发生。这样排布检波点可以更好的采集不同位置的检波点的振动信息，可以更好的反应不同位置的检波点对于炮点被激发后生成的振动波的反馈信号，便于提高预报的准确性。

对于炮点激发模组(图中未示出)，可以是机械式的炮点激发模组，典型的炮点激发模组可为敲击设备。示例性地，该敲击设备可包括：基于电驱动进行摆动的大锤等。该炮点激发模组，用于激发炮点1产生振动波。炮点激发模组的位置可以与炮点对应，例如在激发炮点时，与炮点对齐。

对于数据采集模组(图中未示出)，与检波点5对应设置，用于检测炮点1被激发产生的振动波，采集检波点5的振动信号。

该数据采集模组可以与炮点激发模组连接，在炮点激发模组激发炮点后，采集检波点的振动信号。例如，炮点激发装置为机械激发模组，在机械激发模组激发炮点时，通过机械激发模组中的控制器等将激发信号发送至数据采集模组，数据采集模组采集检波点的振动信号。

该实施例中的数据采集模组可是多通道激光测振模组，例如多通道激光测振仪，通道与检波点一一对应，各通道所发射的激光照射至与该通道对应的检波点。即多通道激光测振模组中包括多个激光发射通道，每个激光发射通道对准一个检波点发射激光。在炮点激发模组激发炮点后，采集各个检波点的振动信号，该振动信号可以用于对隧道掌子面前方的地质进行预报。

激光测振模组的位置并不限定，只要各个通道发射的激光信号能够发射至对应的检波点即可，在该实施例中，各个通道发射的激光信号可以对准对应的检波点。激光测振模组的通道数量与检波点的数量相同，便于采集每个检波点的振动信号，提高了对检波点的振动信号的采集效率。

多通道激光测振模组的具体结构，以及具体的采集原理这里并不限定，例如，根据每个激光发射通道发射的激光信号以及接收的对应检波点反射的信号，确定检波点的振动信号。

通过在隧道掌子面两侧的边墙上呈阵列式排布炮点，以及在隧道的内侧壁排布检波点，并且检波点在隧道的内侧壁与隧道的横截面平行的方向上形成检波点排布环。这样就实现了在隧道的内侧壁的多个面上排布检波点，例如在隧道的顶部、底部和两侧的边墙上都可以排布检波点，从而可以采集隧道的多个位置振动信号，并且隧道的顶部、底部和两侧的边墙上排布的检波点在整体上呈立体排布，具有良好的空间属性，可以更好的便于对隧道掌子面前方的地质异常进行预报，进而提高了预报的准确度。

另外，本方案在排布好检波点后，通过数据采集模组在隧道内与检波点对应设置即可采集检波点的振动信号，例如通过激光测振仪等发射激光至检波点即可采集检波点的振动信号，操作简单，信号采集效率较高。本方案中不需要使用传统的检波器，减少了传统的接触式检波器需要固定在相应的位置，与相应的位置紧密贴合才能采集振动信号，导致的耦合难度较高的问题。同时，也减少了在实际应用中隧道顶部和底部不便于布置传统的接触式检波器，导致布置繁琐，效率低下的问题。

在另一实施例中，系统还包括：

数据处理器，与数据采集模组连接，用于根据数据采集模组采集的振动信号，确定检波点的位移信息；以及，将位移信息进行转换，得到预设格式的数据。

数据处理器接收数据采集模组采集的振动信号，然后对振动信息进行处理，通过振动信号可以确定检波点的位移等信息，然后再将得到的检波点的位移信息进行转换，转换成预设格式的数据，便于后续对该数据进行进一步处理。预设格式可以包括SEG2或者SGY格式的地震数据格式。具体的转换过程，以及根据振动信号确定位移信息的过程，这里不再限定，可以通过相应的转换算法等进行确定和转换。

在另一实施例中，系统还包括：预报结果生成平台，与所述数据处理器连接，用于根据所述预设格式的数据，生成预报结果。

具体可以对预设格式的数据进行滤波和增益等处理，还可以通过预设算法得到预报结果，例如克希霍夫偏移成像算法得到最终预报成果图。

在数据处理器得到预设格式的数据之后，预报结果生成平台接收该预设格式的数据，并对预设格式的数据进行进一步处理，生成预报结果。该预报结果可以是以图像的形式呈现。

该预报结果生成平台可以是具有地震数据处理应用的终端等，通过地震数据处理应用对预设格式的数据进行处理，生成预报结果。

在另一实施例中，系统还包括：全站仪，与数据处理系统和/或预报结果生成平台连接，用于采集多通道激光测振模组中各个通道发射激光点的位置，如坐标等。各个通道发射激光点的位置可以用于生成预报结果。

在另一实施例中，隧道内排布有N个检波点排布环，N的表达式为：

N＝(L-7)/5+1 (1)；

其中，L为隧道掌子面与仰拱之间的距离。

在该实施例中，根据隧道掌子面与仰拱之间的距离，确定检波点排布环的数量，隧道掌子面与仰拱之间的距离越大，检波点排布环的数量越多，隧道掌子面与仰拱之间的距离越小，检波点排布环的数量越小。N为正整数，在公式(1)为分数时，四舍五入取整数即可。

当然，还可以根据实际情况，通过其他方式确定N的数量。

在另一实施例中，参考图2，为一种检波点排布环中检波点的排布位置示意图。

在该实施例中，每个检波点排布环所在的环数，为从隧道掌子面的一侧算起的检波点排布环的数量。参考图2的(a)部分，为检波点排布环所在的环数为奇数时检波点排布的隧道横截面示意图，图2的(b)部分，为检波点排布环所在的环数为偶数时检波点排布的隧道横截面示意图。

检波点排布环可以是：多个检波点在与隧道的横截面6平行的方向上，沿隧道内侧壁形成闭环式的环状。每个检波点排布环至少排布有4个检波点，检波点排布环对应的隧道顶部7、隧道底部8、第一边墙3和第二边墙4上分别至少排布有1个检波点。隧道一般包括四个面，即两个边墙、顶部和底部，隧道顶部7、隧道底部8、第一边墙3和第二边墙4都排布有至少一个检波点5，这样可以采集不同位置的检波点的振动信号，由于隧道顶部7、隧道底部8、第一边墙3和第二边墙4中检波点的三维地理坐标不同，所以采集到的检波点的振动信息更加全面，进而可以更有利于对隧道掌子面前方的地质进行预测。

当然，隧道顶部7、隧道底部8、第一边墙3和第二边墙4中排布的检波点的数量可以根据实际情况进行设定，该实施例中为隧道顶部7、隧道底部8、第一边墙3和第二边墙4中各排布有一个检波点5。

在另一实施例中，相邻的检波点排布环中排布的检波点，错开排布。参考图2的(a)部分和(b)部分，图2的(a)部分中排布有4个检波点，包括A1、A2、A3和A4，A1位于第一边墙3与隧道顶部7的交汇处，即第一边墙3的顶部，第一边墙高为H。第一边墙3与第二边墙4之间的距离为B，A2位于隧道顶部7，具体位置为：与第二边墙4距离B/3的处对应的位置。A3位于第二边墙4上，A3与隧道底部8相距H/3。A4位于隧道底部8上，A4与第一边墙3相距B/3。

检波点排布环所在的环数为奇数时，检波点5位于图2的(a)部分所示的检波点的位置。

图2的(b)部分中排布有4个检波点，包括A5、A6、A7和A8，A5位于第一边墙3上，A5与隧道底部8相距H/3。A6位于隧道顶部7，具体位置为：与第一边墙3距离B/3的处对应的位置。A7位于第二边墙4与隧道顶部7的交汇处，即第二边墙4的顶部，第二边墙高为H。A8位于隧道底部8上，A8与第二边墙4相距B/3。

在该实施例中，相邻检波点排布环中的检波点在隧道顶部7、隧道底部8、第一边墙3和第二边墙4中的对应的排布位置不重复即可。这样也可以提高采集检波点的振动信息的效率和质量，减少了由于相邻检波点排布环中在隧道对应位置相同而导致的采集到的振动信号相同的可能。

参考图1，检波点排布环M3可以还可以包括A9、A10、A11和A12，排布方式和M1一致。

在另一实施例中，所述炮点呈X行和Y列的形式排布在第一边墙3和第二边墙4上，行间距为R，列间距为K；X和Y分别包括2至10中的任一数值，R和K分别包括0.5至10米中的任一距离。

当然，X、Y、R和K可以根据实际施工情况进行确定，这里并不进行限定。

参考图3，为一种炮点的排布示意图，图3的(a)部分为炮点排布位置对应的隧道横截面示意图，图3的(b)部分为炮点排布位置对应的隧道俯视图。

参考图3的(b)部分，与隧道掌子面2相邻的炮点5与隧道掌子面2之间存在第一预设距离，该第一预设距离包括1米至10米中的任一距离。在该实施例中，第一预设距离为5米。由图3的(b)部分可以看出，第一边墙3和第一边墙4上均排布有两列炮点，相邻两列之间相距2米。由图3的(a)部分可以看出，第一边墙3和第一边墙4上均排布有3行炮点，相邻两行之间相距2米，与隧道底部相邻的一行与隧道底部相距1米。

在另一实施例中，还提供了一种超前地质预报的数据处理方法，参考图4，为该方法的流程示意图，该方法包括：

步骤S100，激发炮点，其中，炮点被激发后产生振动波。

可以通过炮点激发模组激发炮点，例如通过机械炮点激发模组激发炮点等。

步骤S200，检测检波点的所述振动波，得到所述检波点的振动信号，其中，所述振动信号，用于生成预报结果。

可以通过数据采集模组在炮点激发模组激发炮点之后，采集检波点的振动信号。数据采集模组可以是多通道激光测振仪，通过各个激光发射通道检测对应检波点的振动信号。

其中，炮点位于隧道掌子面两侧的第一边墙和第二边墙上，与隧道掌子面之间存在有第一预设距离；其中，多个炮点在第一边墙上呈阵列排布，且多个炮点在第二边墙上呈阵列式排布。

检波点位于隧道的内侧壁，多个检波点在与隧道的横截面平行的方向上形成检波点排布环，距离隧道掌子面最近的检波点排布环和距离隧道掌子面最远的炮点之间存在第二预设距离；不同的检波点排布环与隧道掌子面之间的距离不同。

数据采集模组，与检波点对应设置。

在另一实施例中，还提供了另一种超前地质预报的数据处理方法，参考图5，为该方法的流程示意图，该方法还包括：

步骤S300，根据所述数据采集模组采集的振动信号，确定所述检波点的位移信息。

步骤S400，将所述位移信息进行转换，得到预设格式的数据。

步骤S500，根据所述预设格式的数据，生成预报结果。

然后通过数据处理器处理振动信号，确定检波点的位移信息；以及，将位移信息进行转换，得到预设格式的数据。

在数据处理器得到预设格式的数据之后，预报结果生成平台接收该预设格式的数据，并对预设格式的数据进行进一步处理，生成预报结果。该预报结果可以是以图像的形式呈现。

预设格式可以包括SEG2或者SGY格式的地震数据格式。

参考图6，为一种采集的各个检波点的振动信号的示意图，图中的道号即为不同检波点的标号。

图7为预报结果的示意图，图7中左侧矩形为隧道的示意图，矩形中的左侧的点为检波点，右侧的点为炮点，图7中隧道的右侧为隧道掌子面前方的地质预报示意图，表示该处的地质状况。

在另一实施例中，隧道地震反射波法超前地质预报，由于隧道施工环境、人员配置、工序协调等问题异常复杂，现阶段多以二维数据采集为主。二维采集局限于其观测系统，对掌子面前方的异常位置识别不够精准，容易受到掌子面后方或浅埋隧道地表反射波的干扰，影响对掌子面前方异常的判释。随着科技的发展，国家对隧道施工安全的要求越来越高，三维地震反射波法数据采集的需求越来越强烈，三维数据采集技术越发重要。

三维地震反射波法观测方式目前只有极少数国外设备厂商涉及。现有的设备均采用传统的接触式检波器，其耦合要求高，隧底多为渣土基本难以有效布置，而拱顶需要移动施工台架、挖机等设备辅助施工，现场实施难度大。因此现有的三维地震反射波法数据观测方式多在隧道边墙布置检波器，施工效率不高，而且缺少隧底和拱顶的检波器，这对有效接收全空间的信号不利，严重影响三维数据的质量，影响超前地质预报偏移成像成果的准确性。

接触式检波器，需要手动布置在岩壁表面，耦合条件高，施工效率低下，需要大量的人力物力配合，现场实施难度大，一般仅布置于隧洞边墙。需要提出一种新的地震波信号接收方式，不受耦合条件影响，方便现场施工，可以在全空间均匀布置测点。

现有的三维观测方式多只在隧道边墙布置检波器，而拱顶和隧底基本没有检波器，检波器在三维全空间的布置不均匀，难以接收到全空间的所有有效信号。需要提出一种新的三维观测方式，兼顾有效性、施工效率、生产成本，实现地震反射波法真三维数据的高效采集。

本发明公开了基于激光测振的隧道地震反射波法超前地质预报的三维数据采集方式，技术方案为：利用激光测振技术代替传统的接触式检波器进行地震数据的采集；具体检波点的位置，采用交错环形布置，具体环数根据隧道施工现场掌子面距仰拱的距离灵活确定。具体包括如下步骤：

1)现场测量：不同的隧道和施工工艺，隧道内施工参数不同。需准确测量隧道洞径B、边墙高H、掌子面距仰拱距离L等数据。

2)观测系统设计：根据测量的隧道参数L，计算出检波器安装环数N，然后按照图1、图2、图3所示分奇数环和偶数环分别进行炮点和检波点布置。

1)不同的隧道和施工工艺，隧道内施工参数不同。需准确测量隧道洞径B、边墙高H、掌子面距仰拱距离L等数据。

2)根据测量的隧道参数L，计算出检波器安装环数N，然后按照图1、图2、图3所示分奇数环和偶数环分别进行炮点和检波点布置。

炮点布置：根据隧道施工情况，考虑施工安全性等因素，炮点距掌子面5米，左右边墙两侧各布置6个炮点，三排两列，垂直间距2米、水平间距2米。具体可根据现场情况灵活调整。

检波点布置：距近炮点20米，沿隧洞横截面按环形剖面布置检波点，考虑到有效性和现场施工效率，每环检波点4个，每环与相邻环检波点错开布置。环数N根据隧道现场掌子面距仰拱的距离L决定：

N＝(L-7)/5+1

3)采集系统布置：采用多通道激光测振技术，各激光点对准各检波点位置，同时采用全站仪测量各激光点的具体坐标，用于后期数据处理；炮点处的大锤采用计时线与激光测振系统连接，用于触发信号。

4)数据采集：在炮点处依次锤击激发地震波，在锤击的瞬间，触发多通道激光测振主机系统，开始同步记录各个通道的振动信号。

5)数据解编：激光测振所测信号为激光点处物理表面的法向位移，可通过求导得到速度或加速度量，为后续地震处理软件所使用。采用解编软件对采集的位移信号数据进行转换，转换为主流的地震数据格式SGY或SEG2，如图6，为后续地震数据处理软件使用。

6)数据处理：对前述所得地震记录，经过滤波、增益等处理，采用克希霍夫偏移成像算法得到最终预报成果图，如图7。

上述技术方案中，所述步骤2)中，由于隧道实际施工现场复杂，施工条件不确定，根据现场情况确定环数N，提高现场可操作性，有利于最大程度利用现场空间资源。

上述技术方案中，所述步骤3)中，所采用的自混合干涉型多通道激光测振可在金属、非金属、复合材料、沙子、土壤、岩石等表面材料上直接测量，位移分辨率可达到皮米级别。震源激发后各通道同时触发、操作方便、施工效率高，满足超前地质预报三维数据采集的需求。

上述技术方案中，所述步骤4)中，地震波震源可采用锤击震源或其它机械震源，炸药震源施工繁琐、效率较低，不建议采用。

上述技术方案中，所述步骤6)中，可采用但不限于克希霍夫偏移成像算法，所有能保证稳定的成像结果的算法均可采用。

三维地震反射波法超前地质预报是获取隧道掌子面前方的地质异常在空间的位置分布，影响成果的因素有两个：首先是有效的三维观测方式，能够最大程度的获取全空间的有效数据，能探测并提取出异常体信号；其次是现场可实施性，不能只能在理论上可行而在实际环境中无法实现，本方法采用激光测振技术代替传统的接触式检波器，施工简单，操作方便，不依赖于隧道施工方的配合，较大的提高了超前地质预报的施工效率。

在另一实施例中，

生成预报结果的原理包括：通过克希霍夫偏移成像算法得到。克希霍夫偏移成像算法是地震反射波法常用的偏移成像方法，是一种绕射求和偏移方法，根据求格林函数，对克希霍夫偏移成像算法的数学表达式进行了推导：

上式中

式中，△x、△y、△z为三个坐标方向的网格间距，P

具体的，如图8所示，在震源R处激发，在检波点S处将接收到一个旅行时间为T(对应隧道前方反射点M)的反射波。根据旅行时间T与围岩速度v可确定反射点M到震源R与检波点S的旅行距离为L(L＝vT)，也就是说，所有到震源R与检波点S的旅行距离为L的点均可能是反射点M。而所有震源与检波器组成的椭圆的公切线记为反射体所在位置。在三维探测空间中，反射点M的轨迹是整个三维空间中到震源R与检波点S的旅行距为L的点的集合，为一个椭球体。

具体步骤：

第一步，对隧道掌子面前方需要探测的空间进行网格剖分，得到每个网格节点的坐标。

第二步，利用速度分析得到的每个网格节点的速度v，利用外业采集时的炮点坐标、检波点坐标，依次计算每一个网格节点对应的所有震源检波器对所用的旅行时间t。

t＝(RM+SM)/v (4)

第三步，按照对应的旅行时t，找到对应道集记录上的瞬时振幅值。

第四步，对每一个瞬时振幅值利用公式4计算输出P

第五步，根据所有地震道记录对应的瞬时振幅计算得到的P

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理模块中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

在一些情况下，上述任一两个技术特征不冲突的情况下，可以组合成新的方法技术方案。

在一些情况下，上述任一两个技术特征不冲突的情况下，可以组合成新的设备技术方案。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。