一种地下管廊探测方法与流程

本发明涉及工程地球物理勘探技术领域，具体涉及一种城市地下管廊探测方法。

背景技术：

城市地下管廊是城市建设和发展的瓶颈，是现代化城市正常运行的基本保证。随着城市化进程的不断加快，在我国现使用的城市地下管廊中，不论是在管线材质、铺设手段、还是管线数量上都发生着翻天覆地的变化。由于地理因素和历史等原因，城市地下管廊“老”、“密”、“乱”的状况越来越严重，落后的管廊管理手段以及现有管廊探测技术和城市高速发展之间的矛盾也日益尖锐。而另一方面，在城市化高速发展的今天，城市管线探测的环境越来越苛刻。地面建筑物越来越多，地下设施越来越密集。空间、地面及地下的各类干扰多而严重，各类干扰体(源)形式多样。

常见的城市地下管廊探测方法包括电磁感应法、地质雷达法、瞬态瑞雷面波法、地震映像法、高密度电法等。但这些方法都存在着各自的缺点：电磁感应法和地质雷达法对金属管线探测效果较好，对非金属管线特别是现在广泛采用的pe管探测效果较差，瞬态瑞雷面波法和地震映像法容易受周边人为活动影响，高密度电法容易受地下环境影响，均难以获取较为准确的管廊位置信息，不能满足实际生产需要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种城市地下管廊探测方法，该方法能简便高效的对城市地下管廊进行探测。

为解决上述技术问题，本发明公开的一种城市地下管廊探测方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：根据已有的城市地下管廊信息，确定待探测城市地下管廊的走向方向，在城市地下管廊的待探测区域上方的地面上沿管廊走向均匀布置多个地震波采集装置组，每个地震波采集装置组的设置位置作为一个采集区域，每个地震波采集装置组中的多个地震波采集装置在地面上沿管廊走向的垂直方向均匀布置，地震波采集装置组中的每个地震波采集装置为采集区域一个采样点；

步骤2：开启地震波采集装置，采集每个采集区域各采集点的地震波采集装置组所接收的地震波信号；

步骤3：利用每个采集区域各采集点的地震波信号进行互相关计算，计算每个采集区域中一个最侧面采集点与第n个采集点之间的地震波互相关函数，具体公式如下：

其中，a1(t)表示一个最侧面采集点的地震波信号，an(t)表示第n个采集点的地震波信号，n由一个最侧面采集点外的第二个采集点算起，n为a1(t)和an(t)两个地震波信号的离散数据点的点数个数之和，m表示变数，表示将式中m从1取到n-1，然后求和，t表示时刻，地震波信号为离散信号，a1(m)表示一个最侧面采集点地震波信号的第m个离散点的数值，an(m+t)表示第n个采集点地震波信号的第m+t个离散点的数值；

步骤4：利用步骤3中得到的地震波互相关函数，计算对应的经验格林函数，具体操作如下：

每个采集区域中一个最侧面采集点与第n个采集点之间的地震波互相关函数a1n(t)、经验格林函数和真实格林函数g1n(t)之间的关系表示为：

其中，其中，表示最侧面采集点的检波器作为震源，第n个采集点的检波器接收信号时的经验格林函数，g1n(t)表示最侧面采集点的检波器作为震源，第n个采集点的检波器接收信号时的真实格林函数，表示第n个采集点的检波器作为震源，最侧面采集点的检波器接收信号时的经验格林函数，gn1(t)表示第n个采集点的检波器作为震源，最侧面采集点的检波器接收信号时的真实格林函数；

由地震波互相关函数对时间微分即可得到经验格林函数；

an1(-t)表示每个采集区域中第n个采集点与一个最侧面采集点之间的地震波互相关函数；

an(m)表示第n个采集点地震波信号的第m个离散点的数值，a1(m+t)表示一个最侧面采集点地震波信号的第m+t个离散点的数值；

步骤5：利用步骤4获得的经验格林函数，提取面波频散曲线，其操作如下：

将步骤4得到的组合成起来：

并对进行二维傅里叶变换，得到频率波数谱f(f,k)，其中f表示频率，k表示波数；

根据波数的定义

其中，vs为横波波速；

将频率波数域记录变换到频率波速域：对频率波数域记录利用：

重新采样，得到频率波速谱，在频率波速域上的任意频率，从频率波速谱中取得的极值点，即可得到该频率对应相速度值，从而得到该面波记录的频散曲线；

步骤6：由于待探测地下存在管廊，所以步骤5获得的频散曲线具有多模性，对频散曲线的基模和高阶模进行分解，可以得到频散曲线的基模部分和各高阶模部分；

步骤7：由于面波的特性，各个不同波长波的速度对应着地下相应深度位置的波速，于是根据步骤6所得的若干组频散曲线，可以得到相应的待探测区域的速度剖面图；

步骤8：对城市地下管廊的待探测区域进行探测，并与步骤7中得到的几幅剖面图进行对比分析，舍去不一致的剖面图，留下一致的剖面图，从剖面图中找出地下波速异常区，该地下波速异常区即对应地下管廊位置。

本发明的有益效果：

本发明采用的地震波方法，所以能分辨出电法，如电磁感应法和地质雷达法等难以分辨的pe管；同时，采用被动源方法，便不会有主动源法，如瞬态瑞雷面波法和地震映像法等，会有的受人工活动干扰较大的问题；另一方面，在本方法最后一步中，用传统的地质雷达或瞬态瑞雷面波法对本方法结果进行修正和佐证，便可以准确获取地下管廊的位置和深度。

附图说明

图1为本发明的管廊探测方法流程图

图2为采集装置布置的主视示意图；

图3为采集装置布置的侧视示意图；

图4为采集到的地震波信号图；

图5为基模处理得到的剖面图。

图5是基模处理的结果，从图中可以看到高速异常区(圈出来的深色部分)，即是管廊的准确位置。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

一种城市地下管廊探测方法，如图1～5所示，它包括如下步骤：

步骤1：根据已有的城市地下管廊信息，确定待探测城市地下管廊的走向方向，在城市地下管廊的待探测区域上方的地面上沿管廊走向均匀布置多个地震波采集装置组，每个地震波采集装置组的设置位置作为一个采集区域，每个地震波采集装置组中的多个地震波采集装置在地面上沿管廊走向的垂直方向均匀布置，地震波采集装置组中的每个地震波采集装置为采集区域一个采样点；

步骤2：开启地震波采集装置，采集每个采集区域各采集点的地震波采集装置组所接收的地震波信号；

步骤3：利用每个采集区域各采集点的地震波信号进行互相关计算，计算每个采集区域中一个最侧面采集点与第n个采集点之间的地震波互相关函数(相当于在最侧面采集装置处布置了一个震源，在其它采集装置出布置了接收器，提高后续计算的准确性)，具体公式如下：

其中，a1(t)表示一个最侧面采集点的地震波信号，an(t)表示第n个采集点的地震波信号，n由一个最侧面采集点外的第二个采集点算起，n为a1(t)和an(t)两个地震波信号的离散数据点的点数个数之和，m表示变数，表示将式中m从1取到n-1，然后求和，t表示时刻，地震波信号为离散信号，a1(m)表示一个最侧面采集点地震波信号的第m个离散点的数值，an(m+t)表示第n个采集点地震波信号的第m+t个离散点的数值；

步骤4：利用步骤3中得到的地震波互相关函数，计算对应的经验格林函数(真实格林函数很难直接获取，在这里可以用经验格林函数来代替真实格林函数进行运算和处理)，具体操作如下：

每个采集区域中一个最侧面采集点与第n个采集点之间的地震波互相关函数a1n(t)、经验格林函数和真实格林函数g1n(t)之间的关系表示为：

其中，其中，表示最侧面采集点的检波器作为震源，第n个采集点的检波器接收信号时的经验格林函数，g1n(t)表示最侧面采集点的检波器作为震源，第n个采集点的检波器接收信号时的真实格林函数，表示第n个采集点的检波器作为震源，最侧面采集点的检波器接收信号时的经验格林函数，gn1(t)表示第n个采集点的检波器作为震源，最侧面采集点的检波器接收信号时的真实格林函数；

由地震波互相关函数对时间微分即可得到经验格林函数；

an1(-t)表示每个采集区域中第n个采集点与一个最侧面采集点之间的地震波互相关函数；

an(m)表示第n个采集点地震波信号的第m个离散点的数值，a1(m+t)表示一个最侧面采集点地震波信号的第m+t个离散点的数值；

步骤5：利用步骤4获得的经验格林函数，提取面波频散曲线，其操作如下：

将步骤4得到的组合成起来：

并对进行二维傅里叶变换，得到频率波数谱f(f,k)，其中f表示频率，k表示波数；

根据波数的定义

其中，vs为横波波速；

将频率波数域记录变换到频率波速域：对频率波数域记录利用：

重新采样(即通过公式把频率波数域转化到频率波速域)，得到频率波速谱，在频率波速域上的任意频率，从频率波速谱中取得的极值点，即可得到该频率对应相速度值，从而得到该面波记录的频散曲线；

步骤6：由于待探测地下存在管廊，所以步骤5获得的频散曲线具有多模性，对频散曲线的基模和高阶模进行分解，可以得到频散曲线的基模部分和各高阶模部分；

步骤7：由于面波的特性，各个不同波长波的速度对应着地下相应深度位置的波速，于是根据步骤6所得的若干组频散曲线，可以得到相应的待探测区域的速度剖面图；

步骤8：对城市地下管廊的待探测区域进行探测，并与步骤7中得到的几幅剖面图进行对比分析，舍去不一致的剖面图，留下一致的剖面图，从剖面图中找出地下波速异常区，该地下波速异常区即对应地下管廊位置。

所述步骤8中，通过地质雷达或瞬态瑞雷面波法对城市地下管廊的待探测区域进行探测。

步骤8中，地下波速异常区表示波速高于周围波速的区域。

所述最侧面采集点为最左侧采集点或最右侧采集点。

相邻两个地震波采集装置组之间的距离范围为50～200米(在直线行进区域，在这个距离内有两个准确的端点，就可以确定管廊的具体位置)。

每个地震波采集装置组中相邻两个地震波采集装置之间的距离范围为0.15～2米(距离越小，测量精度越高，但需要考虑使用成本和效率问题)。

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。