CN104181581A - 基于任意排布的地震波地下工程空间观测的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于任意排布的地震波地下工程空间观测的系统及方法，属一种地下工程的地质勘察方法，所述的系统包括地震波触发器与地震波接收器，所述地震波触发器与地震波接收器均接入数据采集仪，所述数据采集仪还接入计算机，其中：所述地震波触发器中包括多种地震波激发装置，所述地震波激发装置上均设有各自的启动开关；所述地震波接收器中包括用于埋置于地下与地面检测不同地震波检波器串；本发明通过将地震波接收器中的每个震波传感器作为一个基本单元，进行位置及方向的描述，通过位置偏移和角度偏移对接收到的透射波及反射波进行射线追踪及归位成像，实现地震数据校正、处理和标准的波谱显示。

Description

基于任意排布的地震波地下工程空间观测的系统及方法

技术领域

本发明涉及一种地下工程的地质勘察方法，更具体的说，本发明主要涉及一种基于任意排布的地震波地下工程空间观测的系统及方法。

背景技术

目前城市地下空间的发展任务非常繁重，工程规模甚大，施工安全问题突出。一方面是由于施工前期的地质勘察资料往往难以满足地下工程施工的技术要求，同时施工过程中还面临现场条件受限、开挖面不规则且范围小等问题，另一方面常规的超前探测技术自身也面临许多的问题，使得局部的岩溶、采空区、软岩、漂石、空穴、水囊等不良地质体及部分人工构筑物难以提前预报，大大增加了地下工程的开挖风险。

地震超前地质预报观测系统有多种，根据工作环境的不同，可以分为隧道洞内预报、洞外面积型勘探、测孔及孔-地方式三种排布方式，其中隧道洞内预报方法主要有TSP（隧道地震勘探）、TGP（隧道地质）、TST（岩溶地区隧道超前预报）、VSP（垂直地震剖面）、HSP（地震反射）、陆地声纳法和TRT（反射层析成像）法。各类的预报方法观测系统及地震波接收器类型较为单一，存在一定的技术缺陷，例如：TSP法预报溶洞等点状地质体（如小溶洞等）时反应不明显；TGP法不能准确地确定围岩波速及断层位置、预报图像不真实，位置不准确等；TST法对于岩溶隧道的形状体探测效果不佳；VSP法仅适合简单的地质条件、规模较大地质体的预报，对于构造复杂地质条件难于应用；HSP法不能分析速度，无法精确确定断层的位置；陆地声纳法面波干扰严重，反应深度有限；TRT法对于岩溶隧道的形状体探测效果不佳。

真正适合城市暗挖隧道施工及地下工程超前地质预报的实用方法还比较少，大部分的方法仍处于试用和推广阶段，同时随着地下工程进一步向深部、大空间发展，地面及测孔的许多方法会受到条件的限制。

发明内容

本发明的目的之一在于解决针对不足，提供一种基于任意排布的地震波地下工程空间观测的系统及方法，以期望解决现有技术中地震波测试方式单一，复杂场地探测受限，且误差率较大等技术问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明一方面提供了一种基于任意排布的地震波地下工程空间观测的系统，所述的系统包括地震波触发器与地震波接收器，所述地震波触发器与地震波接收器均接入数据采集仪，所述数据采集仪还接入计算机，其中：所述地震波触发器中包括多种地震波激发装置，所述地震波激发装置上均设有各自的启动开关；所述地震波接收器中包括用于埋置于地下与地面检测不同地震波的单向检波器串、陆地三分量检波器串、孔中三分量检波器串与半球地震波接收器；所述计算机用于通过上层处理分析软件对数据采集仪采集并生成的地震标准数据文件进行数据处理分析。

作为优选，进一步的技术方案是：所述地震波激发装置为人工锤击激发装置、炸药激发装置、电火花震源发生器激发装置当中的任意一种或几种。

更进一步的技术方案是：所述人工锤击激发装置为将震动开关嵌于铁板内；所述炸药激发装置的起爆器连接瞬发电子雷管来控制爆炸，或者将震动开关焊接于速度检波器内并固定于炮点附近；电火花震源的地震波触发器是将电火花探头伸入注水孔中发射声波。

更进一步的技术方案是：所述计算机通过上层处理分析软件对地震标准数据文件进行数据分析处理的方式为各种校正、频谱分析、带通滤波、速度分析、波场分离、绕射叠加、深度偏移与岩土力学参数分析当中的任意一种或几种，并根据分析处理后的数据生成图像显示。

更进一步的技术方案是：所述系统中的地震波触发器与地震波接收器为多个，且分别设置于隧道的洞内与洞外，以及地面与地下。

更进一步的技术方案是：所述单向检波器串是由多个纵向检波器串接而成，每个纵向检波器串的航空插头均连至信号电缆上；所述陆地三分量检波器串是由多个陆地三分量检波器串接而成，每个陆地三分量检波器的航空插头均连至信号电缆上；所述孔中三分量检波器串是由多个单个三分量检波器串接而成；所述单个三分量检波器包括三个纵向检波器，所述纵向检波器两两互相垂直且使用导线焊接至信号电缆，信号电缆与钢丝绳居中穿过PVC管，检波器注蜡固定于PVC管内侧中部，PVC管上下两端盖有管帽，PVC管外侧上下两端部之间通过螺丝固定有滑轮，滑轮与护壁管内壁紧贴，相邻的三分量检波器通过信号电缆和钢丝绳串接成为一体，组成孔中三分量检波器串；所述半球地震波接收器为多分量地震波空间接收装置。

本发明另一方面还提供了一种上述系统的地震波地下工程空间探测方法，其特征在于所述的方法包括如下步骤：

步骤A、根据地下工程现场情况及任务要求，选择设置系统中震源的激发方式以及地震波触发器与地震波接收器的具体位置；

步骤B、埋置不同类型的地震波接收器，并设置不同类型的地震波触发器；

步骤C、将现场资料输入计算机，所述现场资料至少包括工程概况简介、接收器空间位置描述、震源点空间位置描述；并进行参数配置与数据采集，所述参数至少包括传输方式、触发方式、采样描述、叠加次数；

步骤D、暂停各种机械振动，启动震源，系统触发，开始地震数据采集、传输工作，完成地震数据采集后，所述数据采集仪采集数据所形成地震标准数据文件；

步骤E、通过计算机对地震标准数据文件进行数据处理分析，并通过分析后的地震标准数据文件生成图像进行显示。

作为优选，进一步的技术方案是：所述步骤C与步骤D之间还通过计算机测试系统连接情况，正常后，系统进入准备就绪状态。

更进一步的技术方案是：所述步骤D中，当震源点为多点时，重复步骤C与步骤D，且所述数据采集仪采集数据所形成文件格式为*.segy的地震标准数据文件。

更进一步的技术方案是：所述步骤E中计算机对地震标准数据文件进行的数据分析处理包括各种校正、频谱分析、带通滤波、速度分析、波场分离、绕射叠加、深度偏移、岩土力学参数分析当中的任意一种或几种；所述的方法还包括步骤F、根据步骤D与E的处理分析及显示，进行探测区域地震资料的解释、判读、分析，并对地质情况进行预报。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：

1、通过将地震波接收器中的每个震波传感器作为一个基本单元，进行位置及方向的描述，通过位置偏移和角度偏移对接收到的透射波及反射波进行射线追踪及归位成像，实现地震数据校正、处理和标准的波谱显示。

2、通过不同类型、维数地震接收器的线性组合，能有效的解决检波器大地耦合的问题，实现地震波的全空间采集。克服了现有地震超前地质预报方法的观测系统及地震波接收器类型较为单一的问题，实现地震观测系统的全空间、任意排布，可用于解决各种地质问题，发现和了解前方地质情况变化及不良地质体的空间位置、范围、性质和相互关系等。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构示意图；

图2至6为本发明另一个实施例的空间排布示意图；

图7为本发明在一个实施例中的孔中三分量检波器的纵剖面构造图；

图中，1为电火花震源、2为透射波、3为反射波、4为70mm测斜管、5为地层界面、6为孔中三分量检波器串、7为接收点、8为激发点、9为多芯信号电缆、10为2mm钢丝绳、11为Φ2mm螺丝及螺母、12为导轮、13为100Hz检波器、14为Φ40mmPVC、15为Φ40mm管帽、16为铝套、17为万向钩、18为多芯航空插头、19为导槽、20为填土、21为陆地三分量检波器、22为半球地震波接收器、23为电火花震源、24为孔中三分量检波器、25为单向检波器、26为炮点、27为单向检波器串、28为掌子面、29为地面、30为激发孔、31为接收孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

参考图1所示，本发明的一个实施例是一种基于任意排布的地震波地下工程空间观测的系统，所述的系统包括地震波触发器与地震波接收器，所述地震波触发器与地震波接收器均接入数据采集仪，所述数据采集仪还接入计算机，该数据采集仪可直接采用MHHC数据采集仪，其中：

上述地震波触发器中包括多种地震波激发装置，所述地震波激发装置上均设有各自的启动开关；优选的是，发明人根据地震波的来源与类型，保证后期观测结果的准确性，认为前述的地震波激发装置可在人工锤击激发装置、炸药激发装置、电火花震源发生器激发装置当中进行选择。

而上述地震波激发装置的具体安装方式可以参考发明人在一次优选的实验中采用的方式，即将人工锤击激发装置为将震动开关嵌于铁板内；将炸药激发装置的起爆器连接瞬发电子雷管来控制爆炸，或者将震动开关焊接于速度检波器内并固定于炮点附近；将电火花震源的地震波触发器是将电火花探头伸入注水孔中发射声波。

上述地震波接收器中包括用于埋置于地下与地面检测不同地震波的单向检波器串、陆地三分量检波器串、孔中三分量检波器串与半球地震波接收器；

上述计算机用于通过上层处理分析软件对数据采集仪采集并生成的地震标准数据文件进行数据处理分析。考虑到数据采集仪提交的数据存在较多的干扰信息，因而前述的数据分析处理为地下工程空间探测中必需要进行的一个重要步骤，具体分析方法可以在为各种校正、频谱分析、带通滤波、速度分析、波场分离、绕射叠加、深度偏移与岩土力学参数分析当中的任意一种或几种，并根据分析处理后的数据生成图像显示，例如一维图像、二维图像、三维图像等。

正如上述所提到的，为提高地震波地下工程空间观测的准确性，需要针对隧道的各个结构均进行探测， 因而在上述实施例所述系统在实际应用的过程中，需要将系统中的地震波触发器与地震波接收器设置为多个，且分别设置于隧道的洞内与洞外，地面及地下，具体的可参考图3至图6所示的系统中地震波触发器与地震波接收器的排布方式示意图。

结合图3与7所示，在本发明用于解决技术问题更加优选的一个实施例中，单向检波器串是由多个纵向检波器串接而成，每个纵向检波器串的航空插头均连至多芯信号电缆9上；所述陆地三分量检波器串是由多个陆地三分量检波器串接而成，每个陆地三分量检波器的航空插头均连至多芯信号电缆9上；所述孔中三分量检波器串是由多个单个三分量检波器串接而成；所述三分量检波器包括三个纵向检波器，所述纵向检波器13两两互相垂直且使用导线焊接至多芯信号电缆9，信号电缆与钢丝绳居中穿过PVC管14，检波器注蜡固定于PVC管14内侧中部，PVC管14上下两端盖有管帽15，PVC管14外侧上下两端部之间通过螺丝固定有导轮12，导轮12与护壁管内壁紧贴，相邻的三分量检波器通过信号电缆和钢丝绳串接成为一体，组成孔中三分量检波器串；所述半球地震波接收器为多分量地震波空间接收装置。

在本发明上述的实施例中，通过将地震波接收器中的每个震波传感器作为一个基本单元，进行位置及方向的描述，通过位置偏移和角度偏移对接收到的透射波及反射波进行射线追踪及归位成像，实现地震数据校正、处理和标准的波谱显示。再通过不同类型、维数地震接收器的线性组合，能有效的解决检波器大地耦合的问题，实现地震波的全空间采集。克服了现有地震超前地质预报方法的观测系统及地震波接收器类型较为单一的问题，实现地震观测系统的全空间、任意排布，可用于解决各种地质问题，发现和了解前方地质情况变化及不良地质体的空间位置、范围、性质和相互关系等。

参考图2至图6所示，基于上述实施例所述的系统，本发明的另一实施例是利用上述实施例所述系统的地震波地下工程空间探测方法，所述的方法包括并优选按照如下步骤操作：

步骤A、根据地下工程现场情况及任务要求，选择设置系统中震源的激发方式以及地震波触发器与地震波接收器的具体位置；

步骤B、埋置不同类型的地震波接收器，并设置不同类型的地震波触发器；

步骤C、将现场资料输入计算机，所述现场资料至少包括工程概况简介、接收器空间位置描述、震源点空间位置描述；并进行参数配置与数据采集，所述参数至少包括传输方式、触发方式、采样描述、叠加次数；

步骤D、暂停各种机械振动，启动震源，系统触发，开始地震数据采集、传输工作，完成地震数据采集后，所述数据采集仪采集数据所形成地震标准数据文件；在本步骤中，当震源点为多点时，可循环重复步骤C与步骤D，且所述数据采集仪采集数据所形成文件格式为*.segy的地震标准数据文件。

步骤E、通过计算机对地震标准数据文件进行数据处理分析，并通过分析后的地震标准数据文件生成图像进行显示。正如上述所提到的，上述步骤E中计算机对地震标准数据文件进行的数据分析处理包括各种校正、频谱分析、带通滤波、速度分析、波场分离、绕射叠加、深度偏移、岩土力学参数分析当中的任意一种或几种；

步骤F、根据步骤D与E的处理分析及显示，进行探测区域地震资料的解释、判读、分析，并对地质情况进行预报。

优选的是，为减少系统探测误差，在上述步骤C与步骤D之间还通过计算机测试系统连接情况，正常后，系统进入准备就绪状态。即单向检波器串、陆地三分量检波器串、孔中三分量检波器串、半球地震波接收器启动等待测量地震波，人工锤击激发装置等待进行人工锤击操作，电火花震源的地震波触发器等待被控制发射声波，炸药激发装置等待启动爆炸，而正如上述所提到的，炸药激发装置可采用两种方式进行启动，一种是起爆器连接瞬发电子雷管来控制爆炸，另一种是将震动开关焊接于速度检波器内并固定于炮点附近。当地震波发生后，则检波器的传感功能可被实现，并传输至数据采集仪中。

将震动开关嵌于铁板内；将起爆器连接瞬发电子雷管来控制爆炸，或者将震动开关焊接于速度检波器内并固定于炮点附近；将电火花震源的地震波触发器是将电火花探头伸入注水孔中发射声波。

本发明利用电火花震源发生器激发、炸药激发或锤子人工激发产生地震波，同时通过外触发的方式同步到数据采集仪，通过单向检波器串、陆地三分量检波器串、孔中三分量检波器串、半球地震波接收器接收透射波或者反射波，并记录到数据采集仪上，利用射线追踪及归位成像，实现地震数据校正、处理和标准的波谱显示。从而实现各种地质问题的地质预报。

除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (10)

1.一种基于任意排布的地震波地下工程空间观测的系统，其特征在于所述的系统包括地震波触发器与地震波接收器，所述地震波触发器与地震波接收器均接入数据采集仪，所述数据采集仪还接入计算机，其中：

所述地震波触发器中包括多种地震波激发装置，所述地震波激发装置上均设有各自的启动开关；

所述地震波接收器中包括用于埋置于地下与地面检测不同地震波的单向检波器串、陆地三分量检波器串、孔中三分量检波器串与半球地震波接收器；

所述计算机用于通过上层处理分析软件对数据采集仪采集并生成的地震标准数据文件进行数据处理分析。

2.根据权利要求1所述的基于任意排布的地震波地下工程空间观测的系统，其特征在于：所述地震波激发装置为人工锤击激发装置、炸药激发装置、电火花震源发生器激发装置当中的任意一种或几种。

3.根据权利要求2所述的基于任意排布的地震波地下工程空间观测的系统，其特征在于：所述人工锤击激发装置为将震动开关嵌于铁板内；所述炸药激发装置的起爆器连接瞬发电子雷管来控制爆炸，或者将震动开关焊接于速度检波器内并固定于炮点附近；电火花震源的地震波触发器是将电火花探头伸入注水孔中发射声波。

4.根据权利要求1所述的基于任意排布的地震波地下工程空间观测的系统，其特征在于：所述计算机通过上层处理分析软件对地震标准数据文件进行数据分析处理的方式为各种校正、频谱分析、带通滤波、速度分析、波场分离、绕射叠加、深度偏移与岩土力学参数分析当中的任意一种或几种，并根据分析处理后的数据生成图像显示。

5.根据权利要求1所述的基于任意排布的地震波地下工程空间观测的系统，其特征在于：所述系统中的地震波触发器与地震波接收器为多个，且分别设置于隧道的洞内与洞外，以及地面与地下。

6.根据权利要求1或5所述的基于任意排布的地震波地下工程空间观测的系统，其特征在于：所述单向检波器串是由多个纵向检波器串接而成，每个纵向检波器串的航空插头均连至信号电缆上；所述陆地三分量检波器串是由多个陆地三分量检波器串接而成，每个陆地三分量检波器的航空插头均连至信号电缆上；所述孔中三分量检波器串是由多个单个三分量检波器串接而成；所述三分量检波器包括三个纵向检波器，所述纵向检波器两两互相垂直且使用导线焊接至信号电缆，信号电缆与钢丝绳居中穿过PVC管，检波器注蜡固定于PVC管内侧中部，PVC管上下两端盖有管帽，PVC管外侧上下两端部之间通过螺丝固定有滑轮，滑轮与护壁管内壁紧贴，相邻的三分量检波器通过信号电缆和钢丝绳串接成为一体，组成孔中三分量检波器串；所述半球地震波接收器为多分量地震波空间接收装置。

7.一种权利要求1至6任意一项所述系统的地震波地下工程空间探测方法，其特征在于所述的方法包括如下步骤：

步骤A、根据地下工程现场情况及任务要求，选择设置系统中震源的激发方式以及地震波触发器与地震波接收器的具体位置；

步骤B、埋置不同类型的地震波接收器，并设置不同类型的地震波触发器；

步骤C、将现场资料输入计算机，所述现场资料至少包括工程概况简介、接收器空间位置描述、震源点空间位置描述；并进行参数配置与数据采集，所述参数至少包括传输方式、触发方式、采样描述、叠加次数；

步骤D、暂停各种机械振动，启动震源，系统触发，开始地震数据采集、传输工作，完成地震数据采集后，所述数据采集仪采集数据所形成地震标准数据文件；

步骤E、通过计算机对地震标准数据文件进行数据处理分析，并通过分析后的地震标准数据文件生成图像进行显示。

8.根据权利要求7所述的地震波地下工程空间探测方法，其特征在于：所述步骤C与步骤D之间还通过计算机测试系统连接情况，正常后，系统进入准备就绪状态。

9.根据权利要求7或8所述的地震波地下工程空间探测方法，其特征在于：所述步骤D中，当震源点为多点时，重复步骤C与步骤D，且所述数据采集仪采集数据所形成文件格式为*.segy的地震标准数据文件。

10.根据权利要求7或8所述的地震波地下工程空间探测方法，其特征在于：所述步骤E中计算机对地震标准数据文件进行的数据分析处理包括各种校正、频谱分析、带通滤波、速度分析、波场分离、绕射叠加、深度偏移、岩土力学参数分析当中的任意一种或几种；

所述的方法还包括步骤F、根据步骤D与E的处理分析及显示，进行探测区域地震资料的解释、判读、分析，并对地质情况进行预报。