地下工程地质灾害注浆效果实时监测方法与流程

本公开属于地下工程地质灾害研究领域，具体涉及一种地下工程地质灾害注浆效果实时监测方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

注浆技术分为陶瓷工艺注浆和建筑工程注浆，此处指的是建筑工程注浆，即：用适当的方法将某些能固化的浆液注入岩土地基的裂缝或孔隙中，通过置换、充填、挤压等方式以改善其物理力学性质的方法。在大部分的地质灾害处理方案中，注浆都是第一选择。但注浆时的实时监测和注浆后的效果检测存在一定难度，目前为止仍是基于经验判断，没有一种特别有效的方法来检测注浆效果。

如果注浆效果达不到要求，则无法实现加固地层的目的，而且极可能导致地层稳定性破坏，不可避免地发生路基路面塌陷、路面出现空洞等灾害。因此，完成注浆工作只是开始，针对注浆工作的效果验证才是关键。据发明人了解，专利申请(如工作面底板跨孔成像装置及注浆效果监测方法(201610838457.9)、岩土体注浆效果检测的装置及方法(201810595507.4)等)均是采用在注浆体周围布设多个钻孔来进行注浆效果检测。但大部分情况下钻孔位置的选择易受城市环境影响，并不能任意布设，从而给检测和监测工作带来一定难度。同时，多个钻孔施工费时且效率低。

技术实现要素：

本公开为了解决上述问题，提出了一种地下工程地质灾害注浆效果实时监测方法，本公开基于弹性波法，能够准确、高效、有效的准确判断注浆效果。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种地下工程地质灾害注浆效果实时监测方法，包括以下步骤：

(1)针对已有确定的地质灾害区域做注浆孔，对获取的钻孔取芯岩样获取地层速度；

(2)对揭露的空腔地质灾害进行三维激光扫描以获取真实三维地质模型及空间边界点云坐标信息；

(3)对空腔实施注浆充填处理；

(4)在地面布设多条经过钻孔的弹性波法测线，获取地下介质变化情况；

(5)基于纵、横波速度建立地球物理模型并利用正演模拟来拟合弹性波，获取最优化地质模型，引入偏移成像技术对地下构造正确归位处理；

(6)提取测线正下方的三维激光扫描点云信息绘制二维断面图，与偏移成像结果对比分析，确定注浆充填治理效果。

上述技术方案中，通过注浆孔采用三维激光扫描数字化技术获取地质灾害(空腔类)的真实形态、发育规模与点云信息，收集对比样本初始信息；注浆后，在地表完成弹性波法数据获取所有工作，然后通过偏移技术对注浆后获取的弹性波数据进行地质构造归位和成像，成果图示直观简单且易于辨识。经过对比分析注浆前后地质情况的变化和发展趋势，可更准确判断注浆效果的有效性。

作为可选择的实施方式，通过前期物探资料及工程地质与水文地质资料初步确定地质灾害在地面的投影位置，钻孔验证过程中保留钻孔取芯岩样用于ct扫描反演地层速度参数。

作为可选择的实施方式，针对前期钻探过程中揭露地质灾害情况下，无岩样进行ct扫描获取速度参数，利用声波测井获取地层速度参数，进而推算得到密度参数。

作为可选择的实施方式，根据地下目标体在地面的投影范围确定测线布置方案，包括多条垂直和平行于地质体走向的代表性测线。

作为可选择的实施方式，弹性波法的观测系统布置为零偏移距自激自收形式，将各点记录汇成一整条测线的时间剖面图。

作为另一种可选择的实施方式，采用一发多收的观测系统来观测各点。

作为可选择的实施方式，根据获取的研究区域地层参数构建地球物理模型，采用有限差分方法进行正演模拟，获取最优化地质模型，利用偏移技术对地质构造准确归位和成像。

作为可选择的实施方式，在地球物理模型建立过程中，根据实时的速度和密度介质物理参数进行建模；

或，近似假定密度参数保持不变，以速度界面代替波阻抗界面。

作为可选择的实施方式，基于三维激光扫描获取的三维点云数据，提取弹性波法测线正下方断面的二维切片，同偏移成像结果进行差异性辨识。

作为可选择的实施方式，利用偏移成像结果判断注浆活动对地层稳定性的影响，判断周围地层的塌陷活动，从而对注浆有效性做出综合评判，以指导后续工作有序开展。

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的方法中的步骤(5)-(6)。

一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的方法中的步骤(5)-(6)。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开所有检测和实时监测工作均可在地表和已有钻孔中完成，无需在注浆区域周边布设多个钻孔，兼具高效、经济的优点；

本公开采用三维激光扫描成像数字化技术能够有效地获取注浆前灾害体三维信息，构建真实精确的数字地质模型，为灾害处理效果对比奠定良好基础；

本公开采用高分辨率弹性波法得到准确地质资料是本发明能够有效实施的关键，引入偏移成像技术使得后期注浆效果成像更准确，同注浆前三维激光扫描获取的点云信息二维断面图对比更简单，结果更直观。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本实施例的流程图；

图2是本实施例的三维激光扫描获取的三维点云信息数据图；

图3(a)、图3(b)是本实施例的所用地质模型示意；

图4(a)、图4(b)是本实施例的弹性波法结果图；

图5(a)、图5(b)是本实施例的弹性波法偏移成像结果示意；

图6是本实施例的注浆前后对比示意图；

图7是本实施例的所用弹性波法观测系统示意图；

图8是本实施例的弹性波法测线布置示意图；

其中：1、注浆孔；2、岩样；3、三维激光扫描；4、三维点云信息数据成图；5、注浆充填；6、弹性波法测线；7、偏移成像结果图；8、点云信息二维断面图；9、弹性波法观测系统。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

基于弹性波法的地下工程地质灾害注浆效果快速检测与实时监测方法，如图1所示，具体包括：

步骤1：利用前期获取的水文地质资料或地球物理探测资料确定地下溶洞和采空区等地质灾害的确切位置，在地表施做注浆用钻孔1，钻孔深度至揭露溶洞为宜；

步骤2：对钻孔取芯岩样2利用岩石介质力学参数ct扫描技术开展试验获取有效数据，进而反演钻孔周围地层纵波、横波速度，或利用声波测井技术获取速度参数，通过密度测井获取密度或利用经验公式推导得到密度参数；

步骤3：将三维激光扫描仪器3通过吊绳放入揭露的空区内，从正北方位开始，旋转360°完成采集空区边界的三维点云信息并生成空区的三维立体模型4；

步骤4：对空区实施充填注浆处理，使得浆液5基本充满空区(如图6所示)；

步骤5：地面布设两条穿过钻孔的测线6，采用弹性波法观测系统9进行数据采集，获取地表附近介质的振动信息；

步骤6：基于弹性波纵、横波速度和地层密度信息建立地球物理模型，并通过正演模拟来拟合弹性波数据，不断优化地球物理模型使其尽可能接近真实数据，引入便宜成像技术对地下构造正确归位并精确成像7；

步骤7：提取测线正下方的三维激光扫描点云信息绘制二维断面图8，与偏移成像结果7对比分析，评定注浆充填效果；

步骤8：如效果不好则返回步骤5，依次按照顺序重新采集数据并分析，直至达到满意的测量结果，做出充填注浆综合评定。

通过前期物探资料及工程地质、水文地质资料可初步确定地质灾害在地面的投影位置，钻孔验证过程中保留钻孔取芯岩样用于ct扫描反演地层速度参数。如图3所示，为本实施例选择的地质模型。

针对前期钻探过程中揭露地质灾害情况下，无岩样进行ct扫描获取速度参数，可利用声波测井获取地层速度参数；

密度参数可由速度推算得到，公式如下：

ρ＝0.23v^0.25(速度单位:英尺/秒)或ρ＝0.31v^0.25(速度单位:米/秒)；

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继gps技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地质模型；

如图8所示，弹性波法是通过人工激发地震波向地下传播来研究地震波的传播规律，来分辨存在波阻抗差异的地质界面和构造，是一种高分辨率的地球物理方法，其测线布置应根据地下目标体在地面的投影范围来确定，原则是布设多条垂直和平行于地质体走向的代表性测线。

如图7所示，弹性波法的观测系统布置为零偏移距自激自收形式，然后将各点记录汇成一整条测线的时间剖面图；

上述观测系统同样可以采用一发多收的观测系统形式；

基于获取的研究区域地层参数(速度、密度)构建地球物理模型，采用有限差分方法进行正演模拟，获取最优化地质模型，利用偏移技术对地质构造准确归位和成像；

地球物理模型建立过程中，对于速度和密度参数的选取都至关重要，尽量使用精确的介质物理参数进行建模，特殊情况下，可近似假定密度参数保持不变，以速度界面代替波阻抗界面。

偏移技术是基于弹性波反射法获取的地下介质振动数据对地质变化情况进行成像的经典方法，其具有理论推导严密、成果精确可靠等优点，对灾害体充填注浆效果成像直观，对注浆体边界辨识度高。

基于三维激光扫描获取的三维点云数据，提取弹性波法测线正下方断面的二维切片，同偏移成像结果进行差异性辨识；

偏移成像结果还可用来判断注浆活动对地层稳定性的影响，判断周围地层的塌陷活动，从而对注浆有效性做出综合评判，以指导后续工作有序开展。

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。