用于地铁盾构隧道前方孤石探测的声波装置及方法与流程

本发明涉及孤石探测，具体涉及用于地铁盾构隧道前方孤石探测的声波装置及方法。

背景技术：

随着城市化建设步伐的加快，中心城市不断向周边辐射，轨道交通建设的紧迫性逐步增加。未来的几十年，我国的轨道交通建设将迎来其发展的繁盛时期，地铁轨道交通的建设已经成为时代发展的必然需求。在地铁轨道交通建设过程中，盾构法施工得到了越来越多的应用，相比于其他方法，盾构法施工对周边环境的影响小、能有效控制土层沉降、组织管理方便、施工速度快。盾构法施工适用于松软地层和相对均质的地质条件，而我国不同区域的地质情况差异很大，在广州、深圳、长沙等地铁盾构法施工过程中常遇到单轴抗压强度极高的孤石，易导致刀盘刀具严重磨损并产生卡刀、斜刀、掉刀、刀具偏磨等情况，严重影响施工的进度，严重时还可能导致工作面喷涌、塌方，引起突发地质灾害。因此，提前探明地铁盾构待掘区域内孤石的赋存状态，是地铁盾构工程施工过程中亟需解决的难题。

现有的孤石探测方法以地表钻探或物探为主。其中，地质钻探法直接取岩芯进行观察，可以直观地判断孤石的存在，但所需钻孔数量多、施工成本较高、花费时间较长，且存在着“一孔之见”的局限，因此通过钻探能揭露到的孤石十分有限。地表工程物探方法利用孤石与围岩的物性差异对孤石进行探测，常用的物探方法有地震反射波法、二维微动剖面法、跨孔电阻率CT法和跨孔地震CT法等，但由于城市路面硬化、建筑物阻碍和交通活动频发等原因，使得地表物探方法布置存在困难，而且地震反射波法、二维微动剖面法等地表探测方法的精度及分辨率有限，地表跨孔方法虽然分辨率较高，但需要多个钻孔，探测过程繁琐、成本也较高，因此，地表探测技术在孤石探测实践中效果不佳，难以推广。

整体上而言，地表孤石探测方法容易受到地表环境限制，因此现有孤石探测方法正逐渐向洞内探测发展。SSP(sonic soft-ground probing)是一种集成于盾构机上的孤石探测方法，其将激震装置和接收传感器固定在刀盘上，并利用盾构机工作期间与掌子面岩体接触进行声波的激发与接收，因此SSP的观测空间局限于掌子面、采集到的信号也容易受到掘进过程中机械噪声的干扰，在处理方法上，SSP未能很好的解决高频信号吸收衰减速度快的问题，导致孤石定位不准确、空间分辨率也不理想，目前SSP技术的应用较少。同时，国内有关学者通过在盾构机刀盘上布设的钻孔通道钻取多个探测孔，利用超声波检测仪在孔中前后移动进行孤石探测，该方法需要在掌子面上打多个钻孔，不仅探测成本高，时间长，而且受到盾构机内空间的限制，操作不便。

综上所述，现有盾构施工中孤石探测方法存在的主要问题总结如下：

(1)现有地表孤石探测方法容易受到城市路面硬化、建筑物阻碍和交通活动频发等因素的限制，部分段落难以进行地面探测工作，城市噪音、工业电流等因素也会对地震法、电磁法等物探方法产生较大干扰，地质钻探和跨孔方法所需探测孔数量较多，探测过程繁琐、成本也较高，影响施工进度。

(2)受到盾构隧道电磁干扰严重、观测空间狭小、掘进速度快等条件的影响，现有洞内孤石探测方法对孤石位置、形态和规模的判断效果并不理想，洞内跨孔方法在探测精度上具有优势，但时间和经济成本较高，难以得到大规模推广应用，总的来说，洞内孤石探测方法还并不成熟，亟需设计一种适应于盾构施工复杂环境的快速、高效的装置及方法。

技术实现要素：

针对上述问题，为了解决现有技术的不足，本发明的第一目的是提供用于地铁盾构隧道前方孤石探测的声波装置，该装置利用已有超前钻孔在隧道岩体中发射声波，并在后方已有的锚杆端部安装接收传感器采集反射回来的声波信号，其充分利用盾构隧道施工环境、操作简单、探测时间短、成本低。

本发明的第二目的是提供一种用于地铁盾构隧道前方孤石探测的方法，该方法采用上述的声波装置用于测定孤石的存在，简单可靠。

本发明的第三目的是提供一种用于地铁盾构隧道前方孤石探测的方法，该方法给出了具体测定过程，并且针对孤石这类小尺寸地质异常体引入高分辨率数据处理方法和散射成像手段，从而能够方便、快速、准确的对地铁盾构隧道前方孤石进行探测。

本发明提供的第一个方案是：

用于地铁盾构隧道前方孤石探测的声波装置，包括声波发射系统与声波接收系统，声波发射系统包括设于隧道钻孔内的用于发射声波信号的声波换能器，声波接收系统包括设于隧道围岩内锚杆端部的声波接收传感器，以避免管片与围岩接触面上产生的强反射干扰，声波换能器与声波接收传感器分别与控制系统单独连接，控制系统处理由声波接收传感器采集的声波数据以判断隧道前方孤石的有无。

通过上述声波装置的设置，声波发射系统设于隧道围岩的钻孔内，再通过设于声波发射系统后方的声波接收传感器接收声波信息并反馈给控制系统，由控制系统对采集到的声波信息进行处理，得到盾构工作面前方的地质情况，布置声波换能器、声波接收传感器快速，有效避开掌子面前方泥水区对声波激发的衰减作用、提高探测效果。

其中，为了保护声波换能器，所述声波换能器置于推送杆一端，推送杆的另一端与压入机构连接以将推送杆带动声波换能器推入钻孔内。压入机构为常规用于压入锚杆的设备或者是电动推缸，能将推送杆送入钻孔内。

为了充分利用现场条件实现传感器的快速安装，所述声波接收传感器通过连接器与锚杆连接，实现拆卸方便。

具体地，所述连接器包括固定管，固定管内通过隔板分为两空腔，所述声波接收传感器设于固定管的一空腔内并通过旋盖可旋紧，空腔内设置螺纹实现与旋盖拧紧，固定管另一空腔与锚杆的端部固定，可通过空腔内部的螺纹拧在锚杆出露的端部进行固定。

为了便于对声波发射系统的支撑，所述压力机构设于盾构机的主梁上，压力机构的动力源与所述的控制系统连接，由控制系统控制压力机构的动作。

所述声波接收系统沿着隧道空腔纵向截面、横向截面均匀布设，可以在隧道空腔的横向截面内设置四处或者更多处的声波接收系统。

本发明提供的第二个方案是：

一种用于地铁盾构隧道前方孤石探测的方法，采用所述的声波装置。

本发明提供的第三个方案是：

一种用于地铁盾构隧道前方孤石探测的方法，具体步骤如下：

1)固定声波换能器于推送杆中；

2)通过压入机构将推送杆压入隧道钻孔内；

3)在连接器内设置声波接收传感器，并将连接器固定于锚杆的端部；

4)将声波换能器和声波接收传感器连接到带控制系统的控制仪，由控制仪控制声波换能器发射声波，并同时开始控制声波接收传感器接收声波信息，声波接收传感器采集到的声波信号传输到控制仪，并进行存储；

5)控制系统对采集到的声波信息进行处理，得到盾构工作面前方的地质情况，判断孤石是否存在。

其中，所述步骤5)中，控制系统对采集到的声波信息进行处理的方法如下：在常规的声波处理方法的基础上加入反褶积和反Q滤波高分辨率数据处理方法，一方面补偿声波信号在软土地层中能量和频率的衰减，另一方面，能够压缩所得声波信号的子波、提高探测分辨率。

具体地，所述步骤5)中控制系统对采集到的声波信息进行处理的方法具体如下：

2-1)道集处理：将坏道切除和并截取有效数据长度；

2-2)几何扩散真振幅补偿：补偿声波因几何扩散造成的振幅损失，使其保持相对真振幅；

2-3)频谱分析及带通滤波；

2-4)初至波拾取；

2-5)反Q滤波：补偿由于地层非弹性体导致的能量和频率的衰减，校正子波相位的拉伸效应；

本发明使用的反Q滤波的具体方法为：

将观测得到的声波信号数据乘上地层吸收补偿因子h(t，τ)：

y(t)＝x(t)*h(t，τ)

$h(t,\mathrm{\τ})={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}{e}^{\frac{\mathrm{\π}t}{Q}G\left(f\right)}{e}^{i2\mathrm{\π}f\mathrm{\τ}}df$

其中，y(t)是经过反Q滤波后的声波数据；

x(t)未经反Q滤波处理的声波数据；

Q是品质因子，用于描述声波的衰减；

G(f)＝f+iH(f)，符号H(·)表示Hilbert变换，f代表声波频率；

τ为激发点到接收点的声波旅行时；

2-6)反褶积：压缩所得声波数据的子波，可以明显提高时间分辨率；

本发明使用的反褶积的具体方法为：

为了更有效的提高声波记录的时间分辨率，在叠前和叠后对声波信号数据各进行一次反褶积处理。

首先对数据进行预白化处理，即在声波信号的功率谱中从低频到高频统一加白噪声，一般取0.5％～5％，可以增加方程组求解的稳定性；然后声波信号子波w(t)做时间延迟m的自相关得到函数r_ww(m)，对子波w(t)和期望输出d(t)做时间延迟m的互相关；下一步通过下式求得反滤波器的滤波因子a(t)：

实际处理中，反射系数和子波均为未知，设反射系数是白噪序列，则声波记录的自相关就是声波子波的自相关，即计算中用声波记录的自相关来代替声波子波的自相关进行计算。

最后再让观测得到的声波信号与滤波因子相乘，即可完成反褶积。

2-7)速度分析：建立盾构机前方岩体的纵横波速度模型；

2-8)深度偏移：对采集到的声波数据进行偏移成像处理，展示声波阻抗界面的位置和形态。

本发明的有益效果是：

1)本发明提出的声波装置，充分利用现场已有钻孔、锚杆，实现声波发射和接收装置的布置，成本低、安装迅速、对施工影响小。

2)本发明利用盾构施工隧道中已有的超前地质钻孔，进行声波发射系统的快速布置，能够有效避开掌子面前方泥水区对声波激发的衰减作用、提高探测效果；另一方面，本发明利用已有支护锚杆安装接收传感器，能够更好的接收来自岩体内部的声波信号，避开了管片和围岩接触面上所产生的强反射干扰。

3)本发明在常规声波数据处理方法的基础上，加入反褶积及反Q滤波的信号处理方法，能够有效补偿声波在软土地层中的能量和频率衰减，提高了探测结果分辨率；同时特别引入了散射成像技术，更适用于孤石这类小尺度地质异常体的成像，与常规反射声波偏移成像方法能够互相补充、互相印证，大大提高了孤石探测结果的可靠性。

附图说明

图1为地铁盾构施工声波法孤石探测装置整体图；

图2地铁盾构施工声波法孤石探测装置换能器装置仓示意图；

图3地铁盾构施工声波法孤石探测装置锚杆与接收传感器的连接器示意图。

其中，1.声波发射系统，2.声波采集系统，3.控制仪，4.推送杆，5.换能器装置仓，6.压入机构，7.超前地质钻孔，8.连接器，9.锚杆，10.隧道空腔，11.围岩，12.管片，13.掌子面，14.护盾，15.主梁，16.声波换能器，17.耦合剂，18.声波接收传感器，19.旋盖，20.出线孔，21.中隔板。

具体实施方式

下面结合说明书附图具体实施例对本发明作进一步的描述：

实施例1

盾构机用于盾构隧道，形成隧道空腔10，并设置管片12进行支撑围岩11，用于地铁盾构隧道前方孤石探测的声波装置，如图1所示，包括声波发射系统1、声波收集系统2、控制仪3。工作时，控制仪3控制声波换能器16发射声波信号，同时控制声波接收传感器18采集数据，并将所采集的数据实时传输给控制仪3中的控制系统。

声波发射系统1包括声波换能器16、推送杆4和压入机构6。声波换能器16用于发射声波信号，可通过控制仪3按照需要实时调整发射频率，声波换能器16置于换能器装置仓5内，换能器装置仓5置于推送杆4的一端。推送杆4长1.5m，采用中空设计，用于将放置声波换能器16放置在钻孔深1m处，在压入机构6的控制下可以伸入已有的超前地质钻孔7中，在声波激发完成后可以被整体拔出。压入机构6采用常见的压入锚杆9的设备，用于将便携推送杆4压入到超前地质钻孔7中，因超前地质钻孔7相对于隧道水平面倾斜且朝向隧道待开挖方向，推送杆4相对于护盾14倾斜设置。超前地质钻孔7的位置一般在掌子面13后方约6m的位置。

所述压入机构6设于盾构机的主梁15上。

声波收集系统2包括锚杆9、声波接收传感器18、连接器8。锚杆9可以利用现场已安装完毕的锚杆，选取8个以上具有水平、竖直、隧道轴线这三个方向偏移距的锚杆9，且锚杆9需露出管片3cm以上，如图1所示。然后利用连接器8将锚杆9外露的部分与声波接收传感器18连接在一起。连接时注意保持连接器8、锚杆9和声波接收传感器18互相之间的良好耦合，连接器8包括固定管，固定管内通过中隔板21分为两空腔，所述声波接收传感器18设于固定管的一空腔内并通过旋盖19可旋紧，空腔内设置螺纹实现与旋盖19拧紧，固定管另一空腔内设有螺纹，可拧在锚杆9的端部进行固定，并将声波接收传感器18的线从出线孔20中穿出。

控制仪3连接声波换能器16和声波接收传感器18，用于在激发声波的同时控制声波接收传感器18开始记录声波信号，并对声波信息进行实时采集、存储与处理。

实施例2

一种用于地铁盾构隧道前方孤石探测的方法，采用实施例1所述的声波装置。

实施例3

本发明还提出一种用于地铁盾构隧道前方孤石探测的方法，主要包括以下步骤：

步骤1)将换能器装置仓从推送杆上拧下，将声波换能器放置在换能器装置仓中，并向换能器装置仓中充满耦合剂17，然后将换能器装置仓仓盖与推送杆拧紧；将声波接收传感器放置在连接器中，在声波接收传感器与隔板间涂抹耦合剂，将旋盖旋紧，使接收传感器与隔板紧贴。

步骤2)利用已有的超前地质钻孔，使用压入机构将推送杆压入超前钻孔中；

步骤3)将已连接声波接收传感器的连接器拧在锚杆外露的部分，直至锚杆顶部紧贴连接器的隔板；

步骤4)将声波换能器和声波接收传感器连接到控制仪，由控制仪控制声波换能器激发声波，并同时开始控制接收传感器接收声波信息，声波接收传感器采集到的声波信号经由连接线快速传输到控制仪，并进行存储；

步骤5)控制仪对采集到的声波信息进行处理，得到盾构工作面前方的地质情况。

本发明在常规的声波处理方法的基础上特别加入了反褶积和反Q滤波的过程，处理方法包括：

2-1)道集处理：将坏道切除和并截取有效数据长度；

2-2)几何扩散真振幅补偿：补偿声波因几何扩散造成的振幅损失，使其保持相对真振幅；

2-3)频谱分析及带通滤波；采用傅里叶变换将声波信号从时间域变换到频率域，根据有效波与干扰波在频谱上的差异来达到滤波的效果；

2-4)初至波拾取：确定纵横波初至到达时间；

2-5)静校正：将声波发射点及声波接收点校正到同一参考面上；

2-6)道内均衡：压缩各道浅层能量较强的波、增大深部能量较弱的波，使振幅控制在一定动态范围内；

2-7)反Q滤波：补偿由于地层非弹性体导致的能量和频率的衰减，校正子波相位的拉伸效应。

本发明使用的反Q滤波的具体方法为：

将观测得到的声波信号数据乘上地层吸收补偿因子h(t，τ)：

y(t)＝x(t)*h(t，τ)

$h(t,\mathrm{\τ})={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}{e}^{\frac{\mathrm{\π}t}{Q}G\left(f\right)}{e}^{i2\mathrm{\π}f\mathrm{\τ}}df$

其中，y(t)是经过反Q滤波后的声波数据；

x(t)未经反Q滤波处理的声波数据；

Q是品质因子，用于描述声波的衰减；

G(f)＝f+iH(f)，符号H(·)表示Hilbert变换，f代表声波频率；

τ为激发点到接收点的旅行时。

2-8)反褶积：压缩所得声波数据的子波，可以明显提高时间分辨率。

本发明使用的反褶积的具体方法为：

为了更有效的提高声波记录的时间分辨率，在叠前和叠后对声波信号数据各进行一次反褶积处理。

首先对数据进行预白化处理，即在声波信号的功率谱中从低频到高频统一加白噪声，一般取0.5％～5％，可以增加方程组求解的稳定性；然后声波信号子波w(t)做时间延迟m的自相关得到函数r_ww(m)，对子波w(t)和期望输出d(t)做时间延迟m的互相关；下一步通过下式求得反滤波器的滤波因子a(t)：

实际处理中，反射系数和子波均为未知，设反射系数是白噪序列，则声波记录的自相关就是声波子波的自相关，即计算中用声波记录的自相关来代替声波子波的自相关进行计算。

最后再让观测得到的声波信号与滤波因子相乘，即可完成反褶积。

2-9)速度分析：建立盾构机前方岩体的纵横波速度模型；

2-10)深度偏移：对采集到的声波数据进行偏移成像处理，展示声波阻抗界面的位置和形态。

本发明提出的声波信息处理的方法在常规的声波处理方法的基础上加入反褶积和反Q滤波的过程，提高了声波信号记录的分辨率，对于孤石的探测具有良好的成像效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不是本发明的全部实施例，不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

除说明书所述技术特征外，其余技术特征均为本领域技术人员已知技术，为了突出本发明的创新特点，上述技术特征在此不再赘述。