专利名称：一种采用水平声波剖面测试进行隧道超前地质预报的方法
技术领域：
本发明涉及超前地质预报技术领域，特别涉及应用声波进行超前地质预报的方法。
背景技术：
隧道开挖过程中经常遇到构造、岩溶、地下水等不良地质，严重威胁施工安全，因此在隧道施工中必需进行超前地质预报工作以保证隧道施工安全。目前地质预报方法主要有地震波反射法、电磁波反射法、红外探水和电法(参见 “复杂地质条件下长大隧道超前地质预报技术”，《铁道勘查》2009年第5期)。地震波反射法是目前应用较多的超前地质预报方法，其中TSP(隧道地震预报)方法是其中的代表。地震波反射法的观测系统是在隧道的一侧边墙上打孔布置检波器和炮点，检波器和炮点布置在一条平行隧道轴的直线上，利用走时反演或深度偏移成像方法来确定前方不良地质体位置。该类方法的缺点是观测系统直线布置，横向展布空间小，不利于波速分析、定位精度差， 该方法可以对和隧道轴线大角度相交的大型断层进行大致定位，难以对其它不规则或不连续的不良地质体进行预报，即存在定位精度差，信息模糊，对岩溶洞穴等不规则不良地质体界面难以探测的缺点，同时该类方法都需要爆破产生地震波，需施工单位配合施作爆破深孔，耽误施工时间长，测试程序复杂。地质雷达法应用电磁波反射原理，对断层、岩溶和破碎带登等不良地质体有较高的识别精度，但探测距离短，探测距离一般在20m左右，很难满足现场施工要求。另外测试时受洞内金属网架干扰严重，有效信号识别复杂，因此地质雷达法在地质预报方面作用有限。红外探水仅用于对隧道工作面前方岩层是否含水进行定性判断，无法判断含水位置和水量大小，且受洞内温度干扰明显，效果较差，仅能预报是否含水的单一功能难以满足隧道施工的超前地质预报的要求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种简便易行，准确率高的采用水平声波剖面测试进行隧道超前地质预报的方法。本发明方法包括以下步骤(1)、沿隧道轴线自工作面向后方在隧道的一侧壁上等距水平布置N个声波激发孔，在隧道另一侧壁上对应于声波激发孔布置N个声波接收孔，激发孔和接收孔构成一个水平声波测试剖面，激发孔从一端、接收孔从另一端开始两两对应构成第一组至第N组水平声波测试组，O)、将连接于声波仪的用于激发声波信号的声波激发器和接收声波信号的接收检波器依序放入各组声波激发孔和接收孔中，逐组完成各组声波信号的激发和接收，所接收到的声波信号储存在声波仪中，(3)、将声波仪接收到的声波信号送入内置有专门的水平声波剖面信号分析处理软件的处理器处理，给出地质预报结果。
本发明方法的原理如下根据惠更斯-菲涅尔原理和费马原理，声波在岩土体中的传播速度及幅度等参数和岩土体的组成成分、密度、弹性模量及岩体的结构状态等有关，不良地质体(带)如断层、 风化破碎带、岩溶洞穴、地下水富集带等与周边地质体存在明显的声学特性差异，当声波传播遇到两种不同介质之间的界面时，声波将发生折射、反射和波形转换。测试时，将声波激发器和接收检波器放入第一组声波发射孔和接收孔，由声波激发器激发出声波信号，声波信号以球面波的形式向各方面传播。声波信号一路以直达波的形式经接收孔中的接收检波器接收后传输给声波仪，另一路沿岩体向工作面前方传播，遇到各种地质界面时形成各种不同的反射波。这些反射波经接收孔中的接收检波器接收后也传输给声波仪，完成一组声波信号的激发和接收。然后取出声波激发器和接收检波器放入第二组声波发射孔和接收孔，按上述方法完成第二组信号的接收，依次类推，完成整个水平测试剖面内的全部测试组的测试。测试组的数量、测试点间的距离都可以视需要确定。测试点的高度以取在隧道高度的中部为宜。将声波仪接收到的声波信号送入内置有专门的水平声波剖面信号分析处理软件的处理器处理，处理器按测试组序号分别在时间域和频率域进行排列，我们知道，根据水平声波测试剖面的布置特点，各测试组中声波信号的直达波时间走时和各测试组声波发射点和声波接收点间距离成正比，因此第一组和最后一组声波信号中的直达波走时最长且相等，最中间的组的直达波走时最短，其余各组由两端向中间其直达波走时递减，即各测试组直达波在时间域上和频率域上的波形排列呈双曲线；同理，反射波的时间走时与声波发射点到前方地质界面和声波接收点到前方地质界面的距离之和成正比，因此反射波时间走时仅决定于前方地质界面的位置，而和其组所在位置无关，因此反射波在时间域上和频率域上排列的形态和前方地质界面的形态、方位一致。本方法通过反射波走时来计算前方地质界面的位置，通过反射波排列的形态推测前方地质界面的形态、方位，通过反射波的幅值、极性判断前方地质界面的物理性质，给出地质预报结果。可以利用施工时向掌子面前方钻的爆破孔，来放置声波激发器和接收检波器，测试时按照要求的间距移动声波激发器和接收检波器，同样可以完成上述测试过程，这是水平测试剖面的另一种布置方式。水平声波测试剖面是相对于水平轴线的一般隧道而言的， 对于轴线非水平的隧道，将其轴线视为水平则是同样适用的。本方法也不限于只布置一个测试剖面，可以根据需要，在隧道不同高度布置多个测试剖面，这样做的好处是可加强预报结果的层次性和立体性，提高预报的准确率。与现有的方法相比，本发明的主要优点如下(1)、采用空间布置多组测试点，采集信息量大，横向展布空间大，对地质体空间位置和走向的定位更精确、更直观。(2)、测试点的布置方式使反射波位于直达波相位之外，因而反射波不受直达波干扰，反射波信号清晰，实现了把直达波和反射波分别排列并形态区分，有利于后期波形的分析处理。(3)、记录的直达波排列呈规律性的双曲线形态，反射波排列形态和前方界面形态一致，图像形象更直观。
、测试结果不受现场的台架、钢拱架等隧道内金属的影响，也不用装药爆破作震源，安全性高，操作简便快速，一次10组测试点的测试仅需约30分钟。(5)、预报距离较远，一次可预报70 100m，完全满足施工需要。(6)、由于声波信号比一般地震波信号频率高，分辨率高，因而本方法对大型断层和其它不规则或不连续的不良地质体探测分辨率均较高。(7)、适应面广，能适应各种工程地质条件的隧道的超前地质预报。本发明结合以下实施例作进一步说明，但本发明的内容不限于实施例中所涉及的内容。
图1是本发明的应用实例示意图
具体实施例方式参见图1。(1)、沿隧道轴线自工作面1向后方在隧道的一边侧壁上等距水平布置12个声波激发孔，孔间距lm，编号依次为S1、S2. . . S12 ；在另一侧壁上对应于声波激发孔布置12个声波接收孔，自工作面1向后方依次编号为R12. . . R2、R1，构成水平声波测试剖面。其中，距工作面最近的声波激发孔Sl与距工作面最远的声波接收孔Rl构成第一测试组，依序S2与 R2构成第二测试组，......S12与R12构成第十二测试组。(2)、将声波激发器2、接收检波器3与声波仪4连接，将声波激发器2放入声波发射孔Si,将接收检波器3放入声波接收孔Rl，启动声波仪4，激发Sl孔中的声波激发器2激发出声波信号，声波信号一路经隧道空间传播以直达波的形式经Rl孔中的接收检波器3接收后传输给声波仪4，另一路沿岩体5向工作面前方传播，遇到不同的地质界面6、7时，形成不同的反射波，这些反射波经Rl孔中的接收检波器3接收后传输给声波仪4，完成第一组声波测试。然后再将声波激发器2放入声波发射孔S2，将接收检波器3放入声波接收孔R2， 按上述方法完成第二组测试，依次类推，直至完成全部十二组测试，现场测试完成。也可以不按照从第一组到第十二组的次序按序测试，只要完成十二组的测试即可。(3)、将声波仪接收到的声波信号送入内置有专门的水平声波剖面信号分析处理软件的处理器处理8，处理器8可以内置在声波仪中。也可以用U盘、数据线或其它方式把储存在声波仪中的声波信号发送给数据处理中心处理。处理器8把接收到的声波信号按测试组序号分别在时间域和频率域进行排列，直达波的排列形态呈双曲线，反射波排列的形态和前方地质界面的形态、方位一致。通过反射波走时来计算前方地质界面的位置，通过反射波排列形态推测前方地质界面的形态、方位，通过反射波的幅值、极性判断前方地质界面的物理性质。得出地质预报结果如下目前工作面前方40 5 !存在溶洞；工作面前方65 70m存在断层破碎带，其余区段岩体较完整。实际开挖显示在工作面前方43 52m为溶洞出露范围；工作面前方63 68m有5m宽的断层破碎带；其余区段为中厚层状较完整岩体。综合分析预报结果和实际开挖验证情况，采用本方法预报准确率达到95%，准确率较高，较以往预报方法准确率提高10%以上，完全满足现场施工对地质预报的要求。
权利要求
1. 一种采用水平声波剖面测试进行隧道超前地质预报的方法，其特征是所述的方法包括以下步骤(1)、沿隧道轴线自工作面向后方在隧道的一侧壁上等距水平布置N个声波激发孔，在隧道另一侧壁上对应于声波激发孔布置N个声波接收孔，激发孔和接收孔构成一个水平声波测试剖面，激发孔从一端、接收孔从另一端开始两两对应构成第一组至第N组水平声波测试组，O)、将连接于声波仪的用于激发声波信号的声波激发器和接收声波信号的接收检波器依序放入各组声波激发孔和接收孔中，逐组完成各组声波信号的激发和接收，所接收到的声波信号储存在声波仪中，(3)、将声波仪接收到的声波信号送入内置有专门的水平声波剖面信号分析处理软件的处理器处理，给出地质预报结果。
全文摘要
一种采用水平声波剖面测试进行隧道超前地质预报的方法，属地质预报技术领域。所述的方法包括以下步骤(1)沿隧道轴线自工作面向后方在隧道的侧壁上等距水平对应布置N个声波激发孔和声波接收孔，激发孔从一端、接收孔从另一端开始两两对应构成第一组至第N组水平声波测试组，(2)逐组完成各组声波信号的激发和接收，所接收到的声波信号储存在声波仪中，(3)将接收到的声波信号送入内置有专门的水平声波剖面信号分析处理软件的处理器处理，给出地质预报结果。优点是对地质体空间位置和走向的定位更精确、更直观。能适应各种工程地质条件的隧道的超前地质预报。
文档编号G01C7/06GK102540258SQ20101058885
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者王石春, 粟健 申请人:中铁西南科学研究院有限公司