一种全断面观测系统的隧道超前地质探测方法
【专利摘要】本发明公开了一种全断面观测系统的隧道超前地质探测方法，将隧道左边墙、右边墙和掌子面连成一个全断面观测系统，在隧道左边墙、右边墙分别距离隧底0.8～1.5m的位置，按1.0～2.0m间距分别均布设置15～45个接收传感器，在掌子面上距离隧底0.8～1.5m的位置，按1.0～2.0m间距均布设置10～30个接收传感器；在隧道左边墙、右边墙上和掌子面两侧分别布置有炮点并放炮激发地震波信号，隧道左边墙、右边墙上、掌子面上的接收传感器可以获取来自隧道空间不同位置的反射信号，分次测试并获得相应的隧道地震波场记录剖面，计算机对采集地震波信号进行处理，提取包括不同角度界面在内的多种不良地质体反射信息，对隧道不良地质体进行探测和预报的方法。
【专利说明】一种全断面观测系统的隧道超前地质探测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于应用地球物理学地震波法探测【技术领域】，涉及地震波反射法技术用于复杂地质条件下隧道施工进程中的一种隧道不良地质体超前探测方法，具体地说涉及一种全断面观测系统的隧道超前地质探测方法。
【背景技术】
[0002]目前，国内外隧道超前地质探测采用的地球物理方法主要分为地震法和电磁法两大类。地震法以人工激发的的地震波在岩体中的传播理论为基础，当不良地质体与围岩存在弹性差异时，通过获取和分析地震波的运动学波传播时间和空间的关系和动力学波的振幅、频率、相位的特征，推断不良地质体的分布、几何形态和产状等构造特征。常用地震类方法主要包括:水平声波剖面法、隧道垂直剖面法、面波法、陆地声纳法、隧道地质超前预报系统、隧道地震超前预报系统、隧道真反射成像技术、隧道地震成像技术等。
[0003]我们发现在隧道不良地质体超前探测中的观测系统和地震波场特征分析方面还存在着一些问题。在复杂隧道内开展超前地质探测工作具有工作场地狭小、试验干扰因素多、探测目标体情况复杂和探测精度要求高等特点。如果仅仅是将地面的物探方法简单的应用到隧道当中就会在观测系统和地震波场特征分析等方面出现一些问题。常规隧道超前地质探测地震法中的观测系统由于不良地质体界面是在全空间任意分布的，而地震波激发和接收装置仅是布置在一个固定的方向上，地震波射线是否具有全部覆盖的条件很难确定，特别是当不良地质体界面在隧道掌子面前方呈90度垂直于隧道轴线时，其反射波信息受观测系统线状布置的限制很难被准确探测到。
[0004]现有技术有隧道超前地质预报方法，有的预报仅在掌子面范围，利用地质分析、描述，水文描述的经验预报方法，出现地质灾害体预报的时间不及时，采取防护措施受到限制，有的受水平钻孔深度限制，预报距离范围相对较短，采用的方法预报流程的组合，再结合超前水平孔验证，还是没有明确提出长距离预报采用的方法。
[0005]因此，针对目前因隧道超前地质探测地震法观测系统覆盖不全而导致的不良地质体反射信息缺失和探测结果准确性问题，需要研究和开发一种适用于复杂隧道不良地质体超前探测的方法。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是为了解决因隧道超前地质探测地震法观测系统覆盖不全而导致的探测结果准确性降低的问题，提供一种全断面观测系统的隧道超前地质探测方法，以地震波场反射层特征为依据，通过利用隧道边墙和掌子面空间来布置全断面观测系统，进行地震波场特征计算与分析，最终提取包括不同角度界面在内的多种不良地质体反射信息，以对隧道不良地质体进行探测和预报的方法。
[0007]本发明解决其技术问题采用以下技术方案:一种全断面观测系统的隧道超前地质探测方法，具体步骤如下:[0008]I)隧道全断面观测系统布置:将隧道左边墙、右边墙和掌子面连成一个全断面观测系统，在隧道左边墙、右边墙分别距离隧底0.8?1.5m的位置，按1.0?2.0m间距分别均布设置15?45个接收传感器，在掌子面上距离隧底0.8?1.5m的位置，按1.0?2.0m间距均布设置10?30个接收传感器，接收传感器可以获取来自隧道空间不同位置的反射信号；在隧道左边墙、右边墙上分别布置有炮点，在隧道掌子面两侧分别布置有炮点；
[0009]2)隧道地震波信号激发和采集:按顺序依次将隧道左边墙上、右边墙上和掌子面两侧炮点分别放炮激发地震波信号，每一个炮点激发后隧道左边墙、右边墙、掌子面上的接收传感器同时接收，分次测试并获得相应的隧道地震波场记录剖面；
[0010]3)隧道地震波信号处理:计算机对采集地震记录进行数据长度设置，调零和平均振幅谱处理，使波形信号处于同一量级水平，进行波形对比和频谱分析；利用噪音信号与有效信号频带响应值差异，设定带通滤波的上限和下限值，采用振幅补偿等非线性放大技术对信号进行处理；利用速度分析结果进行地震剖面的时深转换，获得偏移处理后的偏移结果;
[0011]4)隧道不良地质体探测结果判定:分析实际地震波场记录和偏移剖面，提取反射层，输出隧道不良地质体位置和分布范围判别结果。
[0012]所述步骤2)掌子面处炮点的地震波场记录可以包含90度垂直界面不良地质体的反射信息。
[0013]本发明具有以下的优点和积极效果:
[0014]1、本发明采用隧道全断面观测系统和系统化的地震信号处理方法和步骤，有效采集到包括90度垂直不良界面在内的各种反射波信号，并能从采集到的复杂信号识别和提取出代表不良地质层面的有效反射波信号；根据反射波到达时间、反射波能量以及反射波相位和入射波相位的关系，可以快速判别不良地质体位置和分布范围，提供准确地隧道超前地质预报结果。
[0015]2、本发明隧道全断面观测系统，充分利用了隧道边墙和掌子面空间，通过安装接收传感器，保证接收来自不同方向不良地质体的反射信号；在掌子面上的炮点激发可以有效避免线状观测系统对隧道前方90度垂直界面无法接收的问题，通过接收来自界面上两点以上的反射射线，确定该不良界面的分布范围。
[0016]3、本发明对采集地震记录进行数据长度设置，调零和平均振幅谱处理，使波形信号处于同一量级水平，通过进行数据格式改编，转变为用户可以读取的数据格式，在数据中读取最大数据，时序曲线的每一个数据除以最大值，做振幅归一化处理，以减少激发条件和激发能量对检测波形的影响，使能量处于统一量级水平上，有利于不良地质界面反射层的提取。
[0017]4、本发明偏移成果采用逆时偏移成像，逆时偏移通过在时间方向上的逆推来提取成像剖面的，而不是在常规的深度方向上，根据激发时间成像条件提取相应节点的波场值得到偏移结果。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明的隧道全断面观测系统布置示意图。
[0019]图2是本发明的一种全断面观测系统的隧道超前地质探测方法过程方框图。[0020]图3是隧道左边墙1-15炮点数据记录图。
[0021]图4是隧道左边墙9-23炮点数据处理的成像结果图。
[0022]隧道左边墙1，隧道右边墙2，隧道掌子面3，接收传感器4，炮点5。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0024]如图1、2所示，一种全断面观测系统的隧道超前地质探测方法，主要是定量计算不良地质体位置和分布范围，对隧道不良地质体进行探测和预报。隧道全断面观测系统布置，将隧道左边墙、右边墙和掌子面连成一个全断面观测系统，在隧道左边墙距离隧底
0.8?1.5m的位置，右边墙距离隧底0.8?1.5m的位置，按1.0?2.0m间距分别均布设置至少15?45个接收传感器，在掌子面上距离隧底0.8?1.5m的位置，按1.0?2.0m间距均布设置至少10?30个接收传感器，接收传感器可以获取来自隧道空间不同位置的反射信号；在隧道左边墙上、右边墙上分别布置有炮点，在隧道掌子面两侧分别布置有炮点；按顺序依次将隧道左边墙上、右边墙上炮点和道掌子面两侧炮点分别放炮激发地震波信号，每一个炮点激发后隧道左边、右边墙上、掌子面上的接收传感器同时接收，分次测试并获得相应的隧道地震波场记录剖面。
[0025]隧道全断面观测系统布置，将隧道左边墙、右边墙和掌子面连成一个全断面观测系统，在隧道左边墙、右边墙距离隧底Im的位置，按间距1.5m分别均匀布置35个接收传感器，在左边墙依次均布设置从第I个?第35个，在掌子面上距离隧底Im的位置，按间距
1.5m均匀布置13个接收传感器，在掌子面依次均布设置从第36个?第48个，再在右边墙依次均布设置从第49个?第83个，这样设置使接收传感器可以获取来自隧道空间不同位置的反射信号；左边墙、右边墙上分别各布置I个炮点、在掌子面两侧分别各布置一个炮点；按顺序依次在4个炮点分别放炮激发地震波信号，每一个炮点激发后83道接收传感器同时接收，每次测试并获得4个相应的隧道地震波场记录剖面，而且掌子面处炮点的地震波场记录可以包含90度垂直界面不良地质体的反射信息，完成隧道地震波信号激发和采集；将采集到隧道地震波场剖面记录输入计算机，计算机进行隧道地震波信号处理过程，对采集地震记录进行数据长度设置，调零和平均振幅谱处理，使波形信号处于同一量级水平，进行波形对比和频谱分析；利用噪音信号与有效信号频带响应值差异，设定带通滤波的上限和下限值，采用振幅补偿等非线性放大技术对信号进行处理，利用速度分析结果进行地震剖面的时深转换，获得偏移处理后的偏移结果；计算机分析实际地震波场记录和偏移剖面，提取反射层，并输出隧道不良地质体位置和分布范围判别结果，完成隧道不良地质体探测结果判定。
[0026]如图3所示，经过基本数据处理的某隧道左边墙1-15炮数据记录图，用于后面的偏移数据处理，在对全断面超前预报地震数据进行逆时偏移之前，对数据做了基本处理，包括消除直达波、道内均衡。
[0027]如图4所示，对某隧道左边墙的9-23炮的数据进行偏移成像，获得下台阶的成像结果，分析成像结果可知位于空间X = 48.5m、X = 80m处聚集能量较强；图4中标注的区域为隔壁隧道的偏移结果，两隧道相距30米。通过实际资料对比，可以表明实际数据偏移结果是正确的。图4中坐标位置位于隧道左侧70m至80m段、IOOm处、150m处有反射层位，其中100m、150m处能量相对集中。
[0028]由此，我们推断位于掌子面前方29m、79m处是岩层分界面或破碎带。在近距离上地质雷达、偏移成像、水平叠加法效果明显，能相互印证。
【权利要求】
1.一种全断面观测系统的隧道超前地质探测方法，具体步骤如下: 1)隧道全断面观测系统布置:将隧道左边墙、右边墙和掌子面连成一个全断面观测系统，在隧道左边墙、右边墙分别距离隧底0.8?1.5m的位置，按1.0?2.0m间距分别均布设置15?45个接收传感器，在掌子面上距离隧底0.8?1.5m的位置，按1.0?2.0m间距均布设置10?30个接收传感器，接收传感器可以获取来自隧道空间不同位置的反射信号；在隧道左边墙、右边墙上分别布置有炮点，在隧道掌子面两侧分别布置有炮点； 2)隧道地震波信号激发和采集:按顺序依次将隧道左边墙上、右边墙上和掌子面两侧炮点分别放炮激发地震波信号，每一个炮点激发后隧道左边墙、右边墙、掌子面上的接收传感器同时接收，分次测试并获得相应的隧道地震波场记录剖面； 3)隧道地震波信号处理:计算机对采集地震记录进行数据长度设置，调零和平均振幅谱处理，使波形信号处于同一量级水平，进行波形对比和频谱分析；利用噪音信号与有效信号频带响应值差异，设定带通滤波的上限和下限值，采用振幅补偿等非线性放大技术对信号进行处理；利用速度分析结果进行地震剖面的时深转换，获得偏移处理后的偏移结果； 4)隧道不良地质体探测结果判定:分析实际地震波场记录和偏移剖面，提取反射层，输出隧道不良地质体位置和分布范围判别结果。
2.根据权利要求1所述的一种全断面观测系统的隧道超前地质探测方法，其特征在于:所述步骤2)掌子面处炮点的地震波场记录可以包含90度垂直界面不良地质体的反射信息。
【文档编号】G01V1/00GK103984006SQ201410244258
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年6月4日 优先权日:2014年6月4日
【发明者】周黎明, 肖国强, 王法刚, 张奇华, 付代光, 侯炳绅, 袁东, 罗荣, 李玉婕, 余美万, 杨君 申请人:长江水利委员会长江科学院