三维隧道地震超前探测方法与流程

本发明属于地球物理勘探中的超前地质预报，具体涉及一种三维隧道地震超前探测方法。

背景技术：

现有隧道(巷道)的超前地质预报技术主要包括掌子面素面法、钻探法和地球物理勘探法三类，其中地球物理勘探法由于其成本低、效率高等特点被广泛应用并写入隧道施工相关规范中。在地球物理勘探技术中，地震反射波法由于其场地适应性、探测距离和有效性均能较好满足工程实际需求，成为常规超前地质预报中必不可少的一项工作，地震反射波法超前地质预报技术细分又存在二维和三维勘探技术的区别。

在二维地震反射波法超前地质预报技术中，最常见的为以瑞士安伯格公司研制TSP200和TSP300系列设备为代表的线型观测方法，该类方法被广泛应用于隧道超前地质预报工作中，其物理点全部布置在掌子面后方的左右边墙中。另一类方法是由山东大学与钟世航教授合作研发的隧道极小偏移距地震超前探测技术，该方法在部分隧道施工中也有应用，其物理点按照线性规律布置在掌子面上，实现小偏移距的单点地震反射波勘探，数据采集和处理均较为简单。

在三维地震反射波法超前地质预报技术中，目前只有美国NSA(national security agency)研发的TRT技术采用三维观测和处理技术；此外，北京市水电物探研究所研制的TST(tunnel seismic tomography)技术数据采集类似于TSP200系列设备技术，但采用二维滤波技术解决了三维波场的识别分离和滤波问题，部分实现了三维勘探效果。目前的三维地震反射波法超前地质预报技术均是在掌子面后方的隧道洞身空间内进行物理点的布置，没有覆盖掌子面区域。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种三维隧道地震超前探测方法，有效获取掌子面前方的三维地震反射波数据，并通过数据处理达到分析掌子面前方地质异常的目的。

本发明提供了一种三维隧道地震超前探测方法，其特征在于：它包括以下步骤：

a.在隧道掌子面边缘均匀布置多个激发点，在掌子面中心布置1个激发点；在隧道掌子面边缘与中心位置的中点轨迹线上均匀布置多个接收点，各激发点与接收点与数字地震仪连接；

b.多个激发点依次激发信号，所有检波点同时接收地震波信号，采用数字地震仪进行数据采集，形成多组地震波反射记录；

c.从数字地震仪中抽取共激发点道集的数据传输至地震数据分析软件；

d.地震数据分析软件对数据进行预处理；

e.地震数据分析软件对数据进行速度分析；

f.地震数据分析软件通过时深转换模式或深度偏移模式获得深度数据；

g.通过步骤f两种模式的计算结果给出异常的解释依据，再结合钻孔和地质雷达资料进行综合解释。

所述步骤a中激发点、接收点具体数量和位置可根据隧道掌子面开挖情况做调整。

所述步骤b中接收点和激发点均按顺时针方向依次编号，按激发点顺序依次激发信号。

所述步骤b中数字地震仪测量激发点、接收点坐标；激发点为M个，接收点为N个，形成M*N组地震波反射记录。

所述步骤c中不同道集在空间上反映隧道掌子面不同区域的地质信息。

所述步骤d中预处理包括噪声压制、坏道处理、滤波、增益补偿。

所述步骤e包括根据多组地震反射波记录的直达波时间和炮检距值拟合计算直达波速度，该速度为掌子面岩层近似速度。

所述步骤f中的时深转换模式为以步骤e中获得的纵波速度对步骤e的数据体进行时深转换得到深度域数据，该数据分布于掌子面前的三维空间内。

所述步骤f中的深度偏移模式是以步骤e中获得的纵波速度作为成像速度，进行三维叠前深度偏移，得到三维深度域数据。

本发明公开了一种高密度的三维隧道地震超前探测技术。地震观测装置，包括接收点、激发点和数字地震仪，直接在隧道掌子面全空间三维布置，受隧道侧向的干扰(地表回波等)影响小，使得观测数据的信噪比相对能够得到提高；另一方面，掌子面是距离前方异常最近的隧道空间，完全在掌子面进行测点布置和数据采集，在避免洞身干扰的同时又增强了前方地质异常的信噪比。观测结果在掌子面形成若干个共激发点道集，全面反映掌子面前方的不良地质体的三维形态。在铁路或公路隧道、煤田矿产巷道中的超前地质预报中，相比常用的地震线性观测装置，本发明地震观测装置直接在隧道掌子面全空间三维布置，观测结果在掌子面形成多个共激发点道集，全面反映掌子面前方的不良地质体的三维形态。本发明操作简单，成果直观，填补了隧道掌子面范围内作业的三维地震波法技术空白。

附图说明

图1是本发明流程图；

图2是掌子面测点布置示意图

图3是共激发点道集空间位置图

其中，1-掌子面边缘，2-掌子面中心，S1-S7为激发点，R1-R12为接收点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明提供了一种三维隧道地震超前探测方法，包括以下步骤：

步骤1：三维地震观测装置布置；首先在隧道掌子面边缘1均匀布置6个激发点(孔)，在掌子面中心2布置1个激发点(孔)。然后在隧道掌子面边缘与中心位置的中点轨迹线上均匀布置12个接收点(检波点)，共在隧道掌子面上布置7个激发点S1-S7和12个接收点R1-R12，接收点和激发点均按顺时针方向依次编号，采用全站仪测量激发点、接收点坐标。激发点、接收点具体数量和位置可根据隧道掌子面开挖情况做调整。上述激发点与接收点与数字地震仪电连接并进行数据传递。

步骤2：采用数字地震仪进行数据采集，按激发点顺序依次激发信号，所有检波点同时接收地震波信号，形成84组地震波反射记录。

步骤3：地震数据分析软件抽取数字地震仪中共激发点(共炮点)道集的数据，不同道集在空间上反映隧道掌子面不同区域的地质信息。

步骤4：地震数据分析软件对抽取的数据进行预处理，包含噪声压制、坏道处理、滤波、增益补偿等；

步骤5：地震数据分析软件对抽取的数据进行速度分析，根据84组地震反射波记录的直达波时间和炮检距值拟合计算直达波速度，该速度为掌子面岩层近似速度；

步骤6：，地震数据分析软件对抽取的数据进行时深转换模式和深度偏移模式计算，获得深度数据；

其中，时深转换模式：以步骤5中获得的纵波速度对步骤5的数据体进行时深转换得到深度域数据，该数据分布于掌子面前的三维空间内；

深度偏移模式：以步骤5中获得的纵波速度作为成像速度，进行三维叠前深度偏移，得到三维深度域数据。

步骤7：通过步骤6两种模式的成果可从不同方面给出异常的解释依据，再结合钻孔和地质雷达资料进行综合解释。

本发明公开了一种高密度三维隧道地震超前探测技术。地震观测装置直接在隧道掌子面全空间三维布置，受隧道侧向的干扰(地表回波等)影响小，使得观测数据的信噪比相对能够得到提高；另一方面，掌子面是距离前方异常最近的隧道空间，完全在掌子面进行测点布置和数据采集，在避免洞身干扰的同时又增强了前方地质异常的信噪比。观测结果在掌子面形成若干个共激发点道集，全面反映掌子面前方的不良地质体的三维形态。

本发明主要由隧道掌子面三维地震观测装置和数据处理解释组成，最终可得到隧道掌子面前方三维空间的深度数据，达到隧道超前地质预报的效果，原理和实现过程简易。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。