基于地质钻孔的盾构隧道孔间噪声层析成像方法及系统

本发明属于地球物理勘探领域，尤其涉及一种基于地质钻孔的盾构隧道孔间噪声层析成像方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、盾构掘进机施工具有“自动化程度高、掘进速度快、对地面建筑物影响小综合经济效益高”等优势，成为城市轨道交通(地铁)等建设的主导工法。然而，城市地下地质条件复杂，赋存的孤石、岩溶、复合地层等不良地质均给盾构施工安全带来了严重威胁，在盾构机掘进过程中，若未能提前探明隧道前方的不良地质情况并进行科学应对，极易诱发突涌水、地层失稳、机器损毁、地表塌陷等灾害。因此，在盾构隧道建设中，如何利用超前预报技术，提高盾构机掘进效率，降低施工成本，增强工程的安全性，成为了隧道工程建设中需要解决的重要技术问题。

3、发明人发现，盾构隧道探测主要存在以下问题：1)由于盾构隧道空间有限，大大增加了洞内探测的难度。盾构隧道中护盾和管片占据了掌子面后方大部分空间，隧道内空间狭小、观测孔径不足，可用于布置震源和检波器的位置大大受限，同时盾构机噪声干扰较大，这样导致现有隧道地震波勘探方法不适用于盾构隧道。2)钻探方法可以较为直观地揭露盾构掘进区域内不同深度地质构造情况，但钻孔探测方法存在“一孔之见”问题，受地表密集建筑及地下管线等影响，无法覆盖工程全线，仅能作为局部探测的辅助手段。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种基于地质钻孔的盾构隧道孔间噪声层析成像方法及系统，其以地质钻机作业震动为震源，在地表和孔中分别接收先导传感器信号和地震波信号数据，通过和互相关干涉，获得虚源地震记录，提出地震波初至走时进行层析成像波速反演，获得探测目标区的波速分布。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一个方面提供一种基于地质钻孔的盾构隧道孔间噪声层析成像方法。

4、一种基于地质钻孔的盾构隧道孔间噪声层析成像方法，其包括：

5、以地质钻机作业时产生的噪声为震源，获取预设接收孔内的地震数据；

6、对地面先导信号与接收孔内的地震信号进行互相关干涉，获得重构虚源地震记录并拾取初至波走时，即观测走时；

7、基于初始速度模型及已知震源，利用射线追踪正演计算从震源至每个接收孔的射线路径的理论走时，进而获得观测走时与理论走时的走时残差；

8、利用走时残差构建层析成像反演方程，通过反演迭代求解得到更新后的速度模型，重复上述射线追踪正演与反演迭代过程，直至走时残差满足精度要求或达到最大迭代次数，最终获得探测目标区的波速分布。

9、本发明的第二个方面提供一种基于地质钻孔的盾构隧道孔间噪声层析成像系统。

10、在一个或多个实施例中，一种基于地质钻孔的盾构隧道孔间噪声层析成像系统，其包括：

11、地震数据接收模块，其用于以地质钻机作业时产生的噪声为震源，获取预设接收孔内的地震数据；

12、观测走时获取模块，其用于对地面先导信号与接收孔内的地震信号进行互相关干涉，获得重构虚源地震记录并拾取初至波走时，即观测走时；

13、走时残差计算模块，其用于基于初始速度模型及已知震源，利用射线追踪正演计算从震源至每个接收孔的射线路径的理论走时，进而获得观测走时与理论走时的走时残差；

14、噪声层析成像模块，其用于利用走时残差构建层析成像反演方程，通过反演迭代求解得到更新后的速度模型，重复上述射线追踪正演与反演迭代过程，直至走时残差满足精度要求或达到最大迭代次数，最终获得探测目标区的波速分布。

15、在一些其他实施例中，一种基于地质钻孔的盾构隧道孔间噪声层析成像系统，其包括：

16、检波器、先导信号检波器台站和主机；

17、所述检波器布设在接收孔内，用于当地质钻机作业时产生的噪声作为震源时，检测接收孔内的地震数据并传送至主机；

18、所述先导信号检波器台站布设在沿钻机与接收孔之间，用于检测地面先导信号并传送至主机；

19、所述主机用于：

20、对地面先导信号与接收孔内的地震信号进行互相关干涉，获得重构虚源地震记录并拾取初至波走时，即观测走时；

21、基于初始速度模型及已知震源，利用射线追踪正演计算从震源至每个接收孔的射线路径的理论走时，进而获得观测走时与理论走时的走时残差；

22、利用走时残差构建层析成像反演方程，通过反演迭代求解得到更新后的速度模型，重复上述射线追踪正演与反演迭代过程，直至走时残差满足精度要求或达到最大迭代次数，最终获得探测目标区的波速分布。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

24、(1)本发明设计了一种基于地质钻机的孔间噪声层析成像方法，利用地质钻机作业时产生的噪声作为震源，实现了噪声的有效利用，避免了洞内探测震源激发问题及盾构机噪声干扰问题，而且还在其他孔内放入与主机连接的检波器串来接收地震数据，与地表先导传感器信号互相关获得虚源地震记录并拾取初至走时，最后通过层析成像进行波速反演，充分发挥了盾构隧道地质钻孔的作用的同时，避免了传统地震波法洞内观测系统布设受限的问题。

25、(2)本发明以地质钻机作业震动为震源，在地表和孔中分别接收先导传感器信号和地震波信号数据，通过和互相关干涉，获得虚源地震记录，基于地震波初至走时进行层析成像波速反演，获得探测目标区的波速分布，解决了现有钻探方法仅能作为局部探测辅助的缺陷，实现了盾构隧道前方不良地质超前探测。

26、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种基于地质钻孔的盾构隧道孔间噪声层析成像方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的基于地质钻孔的盾构隧道孔间噪声层析成像方法，其特征在于，获得观测走时与理论走时的走时残差的过程为：

3.如权利要求1所述的基于地质钻孔的盾构隧道孔间噪声层析成像方法，其特征在于，利用走时残差构建层析成像反演方程为：

4.如权利要求1所述的基于地质钻孔的盾构隧道孔间噪声层析成像方法，其特征在于，利用线性插值射线追踪正演，计算每条射线路径及射线路径理论走时。

5.如权利要求1所述的基于地质钻孔的盾构隧道孔间噪声层析成像方法，其特征在于，对地面先导信号与接收孔内的地震信号进行互相关干涉之前还包括：

6.如权利要求5所述的基于地质钻孔的盾构隧道孔间噪声层析成像方法，其特征在于，所述预处理包括重采样、去除仪器响应、去均值、去线性趋势、带通滤波、时间域归一化以及谱白化操作。

7.一种基于地质钻孔的盾构隧道孔间噪声层析成像系统，其特征在于，包括：

8.如权利要求7所述的基于地质钻孔的盾构隧道孔间噪声层析成像系统，其特征在于，在所述观测走时获取模块中，获得观测走时与理论走时的走时残差的过程为：

9.一种基于地质钻孔的盾构隧道孔间噪声层析成像系统，其特征在于，包括：

10.如权利要求9所述的基于地质钻孔的盾构隧道孔间噪声层析成像系统，其特征在于，获得观测走时与理论走时的走时残差的过程为：

技术总结
本发明属于地球物理勘探领域，提供了一种基于地质钻孔的盾构隧道孔间噪声层析成像方法及系统。其中，该成像方法利用地质钻机作业时产生的噪声作为震源，在其他孔内放入与主机连接的检波器串来接收地震数据，与地表先导传感器信号互相关获得虚源地震记录并拾取初至走时，最后通过层析成像进行波速反演。其充分发挥了盾构隧道地质钻孔的作用的同时，避免了传统地震波法洞内观测系统布设受限的问题。最后通过数据处理与反演成像，实现盾构隧道前方不良地质超前探测。

技术研发人员：陈磊,李开元,赵阳,任玉晓,许新骥,曹弘毅
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/5