CN104747184B - 隧道掌子面前方岩体三维波速成像的随钻测量方法与装置 - Google Patents

隧道掌子面前方岩体三维波速成像的随钻测量方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种隧道掌子面前方岩体三维波速成像的随钻测量方法与装置，在超前地质钻机工作前，在隧道掌子面及隧道侧面快速布置地震波接收传感器，采用环线组合的三维观测方式，根据钻进深度传感器实时反馈的数据，通过钻机控制系统，对超前钻机的钻杆运行方式和钻头钻进模式进行自动适时切换；先导传感器对震源信号进行实时采集，噪声传感器对噪声信号进行实时采集，地震波接收传感器对地震波进行实时采集本装置能够获得超前钻机钻进前方及隧道周围不良地质体的分布情况，以及对钻进前方岩体质量做出较精确评估，可以对钻进前方岩体质量等级进行预报并及时发现掌子面前方的不良地质体，可据此优化施工方案，为保障隧道施工安全提供借鉴。

Description

隧道掌子面前方岩体三维波速成像的随钻测量方法与装置
技术领域
本发明针对隧道地震勘探领域中随钻勘探新技术的开发，涉及隧道施工过程中的超前地质探测领域，尤其涉及一种隧道掌子面前方岩体三维波速成像的随钻测量方法与装置。
背景技术
隧道超前地质预报是利用钻探和地球物理探测等手段探测隧道开挖面前方的地质情况，在施工前掌握开挖面前方岩体的结构与性质，以及溶洞、暗河、断层等不良地质构造的情况，为进一步的施工提供指导，以避免施突水突泥、塌方、大变形等地质灾害，保证施工的安全。
现有的超前地质钻探法使用超前地质钻机在隧道断面的若干个部位进行钻探，依据钻孔揭露的岩土结构、构造及水文地质情况判定前方岩体的性质。优点是：可以直接揭露岩体情况，解释起来简单直观；缺点是：易造成因一孔之见，造成不良地质体的误报、漏报；在超前地质钻探方法的基础上，岳中琦等提出的钻孔过程监测系统(DPM)，通过对钻进过程中推力、扭矩、转速等数据的实时监测和处理，得到岩体的抗钻强度，进而对钻进轨迹上的岩体质量进行评价，但是该方法的缺点是不能对即将开挖的全断面岩体质量进行评价，且不能对钻进前方的不良地质体进行超前预报，没能够解决一孔之见的问题。在石油测井中有一种随钻地震(SeismicWhileDrilling)技术，能够利用钻头冲击旋转破岩震动作震源，在地面或井中放置地震波接收传感器记录地震信号并进行地下目标体成像，并且已经在石油钻探中得到了应用和发展。
若将随钻地震方法运用到隧道的超前预报工作中，可以对掌子面前方较大范围的岩体地震波速成像，从而推断相应的岩体质量，同时，还可以采用地震方法对掌子面前方不良地质体进行预报，解决一孔之见的难题。由于隧道超前预报的特殊性，不能将石油测井中的随钻地震方法直接照搬运用到隧道的超前预报中。就目前的技术水平来看，将随钻地震方法运用到隧道的超前预报工作中，存在着以下几个问题：
①观测方法不适用：石油测井随钻地震方法中，地面可利用的观测空间比较大，可以在较大的区域内布置地震波接收传感器阵列，从而获取深部异常体的反射地震信息；但在隧道中，由于隧道掌子面大小的限制，不能在同一平面进行大范围地震波接收传感器阵列的布置，观测空间受限；如何在不影响隧道正常施工的情况下，提出合理的观测方式并进行地震波接收传感器的快速布置，是急需解决的问题；
②纵横波能量不足：在石油钻井中，由于其探测精确度要求较低，探测范围较大，通过利用钻头破岩震源产生的纵波或利用安装于钻头上地震波发生器装置发出的地震波即可进行不良地质体的探测；但在隧道中，超前地质钻机钻杆及钻头体积较小，不能安装相应地震波发生器装置，且要达到岩体质量的精细评价和不良地质体的精确探测，需要对足够大能量的纵、横波进行采集和处理。超前地质钻机在钻进的过程中，由于钻头种类的限制，一个钻头只能进行一种特定的钻进方式(冲击方式、研磨方式、以冲击为主、旋转为辅方式或者以旋转为主、冲击为辅方式)，纵波能量和横波能量不能在钻孔过程中同时达到地震波接收传感器采集数据的要；
③噪声环境不同：在石油测井随钻地震方法中，其井架处噪声是远场噪声，对有效地震信息干扰较小，因此噪声可以忽视，不做处理；不同于测井随钻地震方法，隧道超前钻探法钻进深度约为30m～50m，这样隧道内的噪声(如电机工作噪声、环形链条拉伸或收缩噪声、泥浆泵工作噪声等)就属于近场噪声，近场噪声对有效地震信息干扰较大。如何准确的采集噪声信号，对地震信号进行去噪处理，存在难度；
④震源外接先导传感器布置方式不同：在测井随钻地震方法中，其钻头、钻杆的尺寸规模较大，可以进行多设备(如电池仓、震源外接先导传感器仓、无线传输设备)的安装，但隧道超前地质钻机的钻杆与钻头直径较小，如果在钻杆上设置电池仓等装置，将不能够保证钻杆有足够的抗压和抗扭强度，提出一种方便快捷的震源外接先导传感器布置方式与装置，是急需解决的问题。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种隧道掌子面前方岩体三维波速成像的随钻测量方法与装置，本装置能够获得超前地质钻机钻进前方及隧道周围不良地质体的分布情况，以及对钻进前方岩体质量做出较精确评估，可以对钻进前方岩体质量等级进行预报并及时发现掌子面前方的不良地质体，可据此优化施工方案，为保障隧道施工安全提供借鉴。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种隧道掌子面前方岩体三维波速成像的随钻测量装置，包括震源外接先导传感器装置、地震波接收传感器、快速布置装置、噪声传感器、多通道地震波数据采集仪和超前地质钻机控制系统，其中，所述震源外接先导传感器装置布置在超前地质钻机钻杆的前端、钻头的后方，记录钻头破岩震动信号，所述地震波接收传感器设置于快速布置装置上，快速布置装置位于隧道掌子面及隧道侧面，所述噪声传感器安装在超前地质钻机的噪声源处，记录噪声源的噪声信号；
所述超前地质钻机控制系统，包括钻进深度传感器和钻进控制系统，钻进深度传感器安装在钻机的滑行主梁上，通过已使用钻杆的数量和钻机回转钻盘动力头的位置来确定钻进深度，实时将钻进深度数据采集并传输给钻进控制系统，钻进控制系统根据钻进深度所处区间位置，控制钻进钻杆的运行方式。
所述震源外接先导传感器装置布置在超前地质钻机钻杆的前端、钻头的后方，震源外接先导传感器装置是包括卡槽、电池组、无线传输装置和传感器系统，电池组、无线传输装置和传感器系统安装在卡槽中，相互之间通过线缆连接；卡槽卡在钻杆上，通过卡箍将其紧密固定在钻杆上，电池组提供电源，并将卡槽外层的铁壳滑至卡槽下方，并扣紧，震源外接先导传感器记录的称为震源信号，所述震源信号的有效信号为钻头破岩震动信号。
所述传感器系统包括至少3个单分量地震波接收传感器组，并以掌子面水平方向为x方向，呈x、y、z正交方式排列组合。
所述地震波接收传感器为多个，布置在隧道掌子面及隧道侧面，在超前地质钻机开始工作前，将地震波接收传感器安装在快速布置装置上，所述快速布置装置包括环形伸缩杆、竖直伸缩杆和地震波接收传感器安装装置，通过环形伸缩杆实现地震波接收传感器在掌子面上的快速安装，通过竖直伸缩杆实现地震波接收传感器在隧道侧壁上的快速安装；安装于掌子面上的地震波接收传感器以超前地质钻机钻孔位置为中心、呈环状分布；布置在隧道侧壁上的左拱腰、左拱肩、拱顶、右拱肩、右拱腰位置处各布置一个地震波接收传感器阵列。
所述地震波接收传感器为三分量检波。
所述钻进控制系统包括控制钻杆运行方式和控制钻进钻头两种模式，钻进控制系统根据钻进深度所处区间位置，对钻进钻杆运行方式进行控制并切换至相应的钻头模式，其中，切换钻头模式是由无线WLAN传输设备和冲旋轮进钻头实现，冲旋轮进钻头包括液压仓、液压支撑杆、活动钻头滑轨和活动钻头，液压仓通过液压支撑杆连接活动钻头，活动钻头滑轨设置于液压支撑杆旁，通过控制活动钻头的位置，来改变钻进钻头的模式，达到用于不同钻进方式的目的。
一种利用上述装置对隧道掌子面前方岩体三维地震波速成像的随钻测量方法，包括以下步骤：
(1)根据掌子面情况对掌子面进行排险，保证掌子面相对平整，使地震波接收传感器能够布置在一个平面上，保障在超前地质钻机钻进的过程中，掌子面的岩体不会脱落，同时，选择并标记适当的钻空位置；
(2)将隧道掌子面附近地面清理平整，使钻机就位，保持超前地质钻机平整、稳固，不发生倾斜，钻机钻杆正对钻孔位置、平行于隧道开挖方向，更换冲旋轮进钻头；
(3)将地震波接收传感器安装在地震波接收传感器安装装置中，隧道掌子面上地震波接收传感器以钻孔为中心，呈环状布置，隧道侧壁上地震波接收传感器分五个地震波接收传感器阵列布置，实现地震波接收传感器隧道全空间、多阵列布置；
(4)将震源外接先导传感器装置布置在超前地质钻机钻杆的前端、钻头的后方，固定安装，对钻头震动信息进行采集；
(5)在超前地质钻机的各个噪声源附近位置安装噪声传感器，用于记录各个噪声源所产生的噪声信号；
(6)超前地质钻机开始工作，通过钻进深度传感器对钻机当前钻头深度进行监测，并将其数据反馈给超前地质钻机控制系统，控制系统根据钻头深度所处深度区间，通过控制系统对钻杆运行方式进行转换并改变钻头模式，对超前地质钻机钻进方式进行变换，同时，多通道数据采集仪将超前地质钻机钻进过程中各参数和地震波数据采集仪采集到的各数据传输到数据处理器，进行汇总，并进行实时处理，获得隧道前方及周围区域的纵波速度模型、横波速度模型和三维地震剖面；
(7)通过得到的纵、横波速度模型、三维地震剖面，对纵、横波独立波速成像，对超前地质钻机钻进前方岩体质量进行评价，同时根据三维地震剖面对掌子面前方不良地质体进行超前预报。
所述步骤(1)中，具体方法为：根据隧道掌子面位置所处岩体等级，对掌子面进行排险，若掌子面是四级或五级岩体强度，则需要对掌子面的平整度进行处理，保证掌子面相对平整，使地震波接收传感器能够布置在一个平面上，若掌子面岩体等级为其他强度，则需要对掌子面进行混凝土喷锚处理，保障在超前地质钻机钻进的过程中，掌子面的岩体不会脱落，保证随钻地震预报过程能够安全进行。
所述步骤(3)中，具体方法为：将地震波地震波接收传感器安装在地震波接收传感器安装装置中，并将安装装置通过螺栓固定在环形伸缩杆和竖直伸缩杆的相应位置，将环形伸缩杆和竖直伸缩杆分别安装固定在隧道掌子面和侧壁上，打开蝴蝶阀，通过气泵对其地震波接收传感器安装装置进行充气，实时观测气压计，当气压计数值达到某一特定数值时，规定地震波接收传感器在空气腔内气压的作用下与隧道掌子面和侧壁岩体紧密接触，并关闭蝴蝶阀，实现地震波接收传感器的三维快速安装。
所述步骤(5)中的噪声源包括电机工作噪声、环形链条拉伸或收缩噪声、泥浆泵工作噪声和油泵工作噪声。
所述步骤(6)中，在超前地质钻机钻进的过程中，当进行旋转切削破岩或进行冲击破岩时，同时进行以下工作：
①震源外接先导传感器对钻头震动数据进行实时采集，并将所采集到的数据通过无线WLAN传输设备实时传输给多通道地震波数据采集仪；
②在超前地质钻机的各个噪声源附近位置的安装噪声传感器，对各噪声源产生的噪声进行实时采集记录，并通过无线传输设备将数据记录实时传输给多通道地震波数据采集仪；
③布置在隧道掌子面和隧道侧壁上的地震波接收传感器对地震波数据进行采集，并将采集到的地震波数据通过无线传输设备实时传输给多通道地震波数据采集仪；
将各参数和地震波数据采集仪采集到的各数据传输到数据处理器，进行汇总，并进行实时处理。
所述步骤(6)中，数据处理器的处理方法，具体包括以下步骤：
(6-1)接收信号去噪，采用互相关干涉和反褶积的方法，将地震波接收传感器接收到的信号数据与安装在超前地质钻机各噪声源处传感器接受到的噪声信号进行互相关干涉处理，通过互相关和反褶积处理衰减噪声信号，实现震源有效信号与噪声信号的分离，得到破岩震源有效信号；
(6-2)对破岩震源有效信号进行等效归一化，将震源有效信号压缩成等效脉冲信号，实现非常规破岩震源的等效归一化；
(6-3)破岩震源信号等效归一化之后，进行滤波处理、纵、横波分离、速度分析工作；
(6-4)在偏移成像方法上，是采用在速度分析的基础上，采用Kirchoff积分法的叠前深度偏移、反射光谱成像和菲涅耳体偏移相结合的混合三维深度偏移方法分别对纵横波地震记录进行偏移归位，使得到的地震剖面能够更加清晰准确地展示波阻抗界面的空间形态和真实位置，最终获得隧道前方及周围区域的纵波速度模型、横波速度模型和三维地震剖面。
所述步骤(6-1)的接收信号去噪的具体方法为：首先构造褶积模型来表示接收传感器阵列记录得到的接收信号，式中gi表示第i个接收传感器接收到的记录，Nk为第k个噪声源产生的强干扰噪声，假设共有M个噪声源，hi为噪声源到第i个接收传感器的传输函数，为震源外接先导传感器采集到的震源信号，li表示从钻头位置到第i个接收传感器的传输函数；
其中，Nk表示成Nkj为第j个噪声传感器接收到的第k个噪声源产生的干扰信号，tj是相应的传播时间；传输函数hi表示成其无偏估计
得到消除上述M个强干扰噪声后的地震波接收传感器记录得到了有效地震接收信号。
所述步骤(6-4)中，叠前深度偏移相对于叠后偏移和叠前时间偏移对于构造复杂、横向速度变化剧烈的地区成像效果更好，而Kirchoff积分法特别适用于隧道内各种不规则观测系统采集的地震数据，其共炮点阵列的成像公式表示为：
R ( x , x s ) = ∫ Σ n × ▿ τ G ( x G , x ) A ( x s , x , x G ) ∂ u [ x s , x G , τ s ( x s , x ) + τ G ( x G , x ) ] ∂ t dx G ;
其中，Σ为观测线或面；
xs，x，xG为震源点、成像点和接收点的空间位置；
τs，τG为震源到成像点和成像点到接收点的旅行时；
A为几何扩散因子，即振幅加权因子；
n为观测面的外法线方向；
u为记录的波场；
R为反射系数，即成像波场；
通过上式，Kirchoff积分法的叠前深度偏移分两个主要过程：一是根据速度场v(x)计算旅行时τ＝τS+τG；二是对各个地震道上的τ时刻的振幅进行加权求和；
再对纵、横波分离之后，对其进行精确的速度分析，得到纵、横波速度模型，
设水平层状介质有n层，其中任意第i层的层速度为vi，厚度为hi，双程垂直反射时间为ti＝2hi/vi,地震波到达第n层底部的双层反射时间为：
t 0 , n = 2 Σ i = 1 n h i v i
从第一层到第n层的均方根速度为：
( v r m s , n ) 2 = Σ k = 1 n v k 2 t k Σ k = 1 n t k = Σ k = 1 n v k 2 t k t 0 , n ,
从第一层到第n-1层的均方根速度为：
( v r m s , n - 1 ) 2 = Σ k = 1 n - 1 v k 2 t k Σ k = 1 n - 1 t k = Σ k = 1 n - 1 v k 2 t k t 0 , n - 1 ,
联立以上两式，得到利用均方根速度计算层速度的狄克斯(Dix)公式
v n 2 = ( v r m s , n ) 2 t 0 , n - ( v r m s , n - 1 ) 2 t 0 , n - 1 t 0 , n - t 0 , n - 1 ,
再通过公式：
V p = ( λ + 2 μ ) / ρ = E ( 1 - v ) / ρ ( 1 + v ) ( 1 - 2 v ) ,
V a = E / ρ = E / 2 ρ ( 1 + v ) ,
V p / V a = 2 ( 1 - v ) / ( 1 - 2 v ) ,
式中，各参数皆位于同一三维坐标位置处，其中Vp为岩体纵波波速；Va为岩体横波波速；E为岩体弹性模量；ρ为岩体密度ν为岩体泊松比；
得到岩体的泊松比分布和弹性模量的分布情况，通过对岩体进行波速成像，对泊松比及弹性模量的分析，对岩体质量做出评价。
本发明的工作原理为：在超前地质钻机工作前，在隧道掌子面及隧道侧面快速布置地震波地震波接收传感器，采用环线组合的三维观测方式，并将外接数据采集系统装置安装在超前地质钻机上，更换专用Alternatedrilling钻头(冲旋轮进钻头)，下文中简称为冲旋轮进钻头，并将震源外接先导传感器装置安装在冲旋轮进钻头后方的钻杆上。在超前地质钻机进行钻探的过程中，根据钻进深度传感器实时反馈的数据，通过钻机控制系统，对超前地质钻机的钻杆运行方式和钻头钻进模式进行自动适时切换；震源外接先导传感器对震源信号进行实时采集，噪声传感器对噪声信号进行实时采集，地震波接收传感器对地震波进行实时采集，上述所采集信号实时传输给多通道地震波数据采集器，并结合超前地质钻机的钻进工作参数进行实时处理，针对于超前地质钻机随钻地震在隧道预报的特殊情况，针对强干扰噪声衰减，采用了地震波接收传感器接收到的震源信号与噪声信号进行互相关去噪的方法，再通过将震源外接先导传感器采集的震源信号与地震波接收传感器采集并去噪后的信号进行互相关，采用震源信号等效归一方法，混合偏移方法，并进行纵横波波速成像，最终能够获得超前地质钻机钻进前方及隧道周围不良地质体的分布情况，以及对钻进前方岩体质量做出较精确评估。
本发明的有益效果为：
(1)本发明利用超前地质钻机钻进破岩震源进行超前地质探测，安全可靠且不影响隧道的正常工作施工，提出了一种环线组合三维地震观测方式，地震波接收传感器为地震波接收传感器，布置在隧道掌子面及隧道侧面，实现隧道随钻地震方法的实施与应用，通过对纵波和横波进行独立成像，对纵波与横波进行单独处理，从广度(探测范围)和精确度上，对掌子面前方不良地质体进行全空间三维探测，并且对前方全空间三维岩体质量进行评价；
(2)本发明特别适用于“观测空间狭小、探测时间紧促”的施工隧道；解决一孔之见的问题，防止误报漏报现象的发生；
(3)本发明研发了一种新型的超前地质钻机冲旋轮进钻头，在钻机钻进前，卸下原钻头，更换冲旋轮进钻头，通过超前地质钻机控制系统对钻杆运行方式和钻进钻头模式的切换，达到对不同钻进方式的自动转换控制；
(4)本发明使超前地质钻机可以根据对纵、横波的采集需求，改变钻进方式，解决隧道超前地质钻机随钻地震方法使用时，钻机钻头破岩震源纵、横波能量不能同时满足采集要求的问题；
(5)本发明针对噪声干扰严重的问题，在超前地质钻机噪声源附近位置安装噪声传感器记录噪声信号，并结合所记录的噪声信号，提出了一种针对震源有效信号进行强干扰噪声衰减的方法，能够有效地提高地震记录的信噪比；
(6)本发明提出一种用于隧道随钻地震探测方法的震源外接先导传感器安装装置，该装置装置是由装置卡槽、电池组、无线传输装置、传感器组成，由卡箍将其固定在钻机钻杆上，外部有金属环状铁壳，保护内部设备，实现对钻进过程中的钻头震动信号进行采集，其体积较小，可在不同地址钻机钻杆上快速安装和拆卸；
(7)本发明提出了一种三维地震观测方式地震波接收传感器快速布置装置，在超前地质钻机开始工作前，将地震波接收传感器安装在快速布置装置上，其布置装置由环形伸缩杆、竖直伸缩杆、地震波接收传感器安装装置组成，该地震波接收传感器安装装置是由通过气泵向其空气腔中注入空气，使地震波接收传感器在气压的作用下与隧道掌子面或侧壁紧密接触，通过释放气体，使地震波接收传感器与隧道掌子面或侧壁分离，通过该布置装置，能够达到隧道空间高位置、大范围的地震波接收传感器快速布置，且不需借助任何登高设备；通过气压计读数可实时监测地震波接收传感器与岩体的贴合紧密程度，保证全过程接收数据的质量，且不需使用任何凝胶剂。
附图说明
图1隧道随钻地震三维超前地质探测方法与装置整体示意图；
图2隧道随钻地震超前地质钻机预报原理及岩体质量评价示意图；
图3隧道随钻地震超前地质钻机钻机控制系统示意图；
图4隧道随钻地震超前地质探测环线组合三维观测方法布置示意图；
图5隧道随钻地震三维超前地质探测方法冲旋轮进钻头主视图；
图6隧道随钻地震三维超前地质探测方法冲旋轮进钻头俯视图；
图7隧道随钻地震三维超前地质探测方法冲旋轮进钻头侧视图；
图8隧道随钻地震三维超前地质探测方法震源外接先导传感器装置示意图；
图9隧道随钻地震三维超前地质探测方法震源外接先导传感器装置剖面图；
图10(a)隧道随钻地震三维超前地质探测方法地震波接收传感器安装装置俯视图；
图10(b)隧道随钻地震三维超前地质探测方法地震波接收传感器安装装置侧面剖视图；
图11(a)隧道随钻地震三维超前地质探测方法竖直伸缩杆装置伸展状态示意图；
图11(b)隧道随钻地震三维超前地质探测方法竖直伸缩杆装置收缩状态示意图；
图12(a)隧道随钻地震三维超前地质探测方法环形伸缩杆装置收缩状态示意图；
图12(b)隧道随钻地震三维超前地质探测方法环形伸缩杆装置伸展状态示意图；
其中，1.超前地质钻机钻杆，2.滑行主梁，3.地震波接收传感器，4.油泵工作噪声传感器，5.电机工作噪声传感器，6.超前地质钻机冲旋轮进钻头，7.震源外接先导传感器，8.无线WLAN传输设备，9.超前地质钻机钻孔，10.液压仓，11.活动钻头，12.液压支撑杆，13.活动钻头滑轨，14.旋转切削钻头，15.冲水孔，16.箍，17.装置卡槽，18.电池组，19.线缆，20.环形铁壳，21.安装装置外壳，22.弹簧，23.钻机钻杆，24.螺栓，25.通气管，26.气压计，27.蝴蝶阀，28.气泵，29.螺栓孔，30.环形伸缩杆，31.固定件，32.活动杆，33.竖直伸缩杆，34.支撑骨架杆。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示为隧道随钻地震三维超前地质探测方法与装置整体示意图。
首先，根据掌子面所处位置岩体质量等级，对掌子面进行排险，若掌子面是四级或五级岩体强度，则需要对掌子面的平整度进行处理，保证掌子面相对平整，使地震波接收传感器能够布置在一个平面上。若掌子面岩体等级为其他强度，则需要对掌子面进行混凝土喷锚处理，保障在超前地质钻机钻进的过程中，掌子面的岩体不会脱落，保证随钻地震预报过程能够安全进行；同时，选择适当的钻空位置，并标记；
将隧道掌子面附近地面清理平整。使钻机就位，保持超前地质钻机平整、稳固，不发生倾斜，钻机钻杆能正对钻孔9位置，平行于隧道开挖方向，将钻机原钻头卸下，更换使用冲旋轮进钻头6；
如图10-图12所示，将地震波地震波接收传感器3安装在地震波接收传感器安装装置中，并将安装装置通过螺栓24固定在环形伸缩杆30和竖直伸缩杆33的适当位置，通过固定件31将环形伸缩杆30和竖直伸缩杆33分别安装固定在隧道掌子面和侧壁上的适当位置处，打开蝴蝶阀27，通过气泵28对其安装装置进行充气，实时观测气压计26，当气压计数值达到某一特定数值时，规定地震波接收传感器在气压的作用下与隧道掌子面紧密接触，并关闭蝴蝶阀27，进而实现地震波接收传感器3的三维快速安装。隧道掌子面上以钻孔9为中心，地震波接收传感器环状布置；隧道壁面上分五个地震波接收传感器阵列布置。最终实现地震波接收传感器隧道全空间、多阵列布置；
如图9所示，将震源外接先导传感器装置布置在超前地质钻机钻杆23的前端、冲旋轮进钻头6的后方。震源外接先导传感器装置是由装置卡槽17、电池组18、无线WLAN传输装置8、震源外接先导传感器7组成，电池组18、无线WLAN传输装置8和震源外接先导传感器7准确安装在装置卡槽17中，并且相互之间通过线缆19连接；将装置卡槽17卡在钻杆23上，通过箍16将其紧密固定在钻杆上，开通电源，并将装置卡槽17外层的环形铁壳20滑至装置卡槽17下方，并扣紧。同时震源外接先导传感器7对钻头震动数据进行采集；
如图1所示，在超前地质钻机的各个噪声源(如电机工作噪声5，环形链条拉伸或收缩噪声、泥浆泵工作噪声4、油泵工作噪声)附近位置安装噪声传感器，具体布置位置根据不同钻机型号进行适当改变，用于记录各个噪声源所产生的噪声信号；
如图3所示，通过距离传感器对钻机钻孔深度进行实时监控，以钻头钻进位置为基准，对超前地质钻机的钻进方式进行远程操控。当超前地质钻机钻进深度l达到a＝0.5m时，通过无线WLAN传输设备8对液压支撑杆12进行控制，使活动钻头11沿着活动钻头滑轨13向钻机后方向移动距离X，使冲击钻头转化为旋转切削钻头，并且通过对钻机钻进系统进行调控，使其钻进方式由以冲击为主、切削为辅转换为以切削为主、冲击为辅的钻进方式。当钻头钻进深度为2na＜l≤(2n+1)a时，通过无线WLAN传输设备8对液压支撑杆12进行远程控制，使活动钻头11沿着活动钻头滑轨13向钻机正方向移动距离X，使旋转切削钻头转换为冲击钻头，并且通过对钻机系统进行调控，使其钻进方式由以切削为主、冲击为辅转换为以冲击为主、切削为辅的钻进方式。如此反复转换进行超前地质钻机的钻进工作。当超前地质钻机钻头最大钻进深度达到30m时，停止向前钻进，钻杆收缩，脱离钻孔，钻机停机工作；
在超前地质钻机开始钻进时，进行相应的采集和处理过程，其采集过程包括：
①震源外接先导传感器对钻头震动数据进行实时采集，并将所采集到的数据通过无线WLAN传输设备实时传输给多通道地震波数据采集仪；
②在超前地质钻机的各个噪声源(如电机工作噪声，环形链条拉伸或收缩噪声、泥浆泵工作噪声、油泵工作噪声)附近位置的安装噪声传感器对各噪声源产生的噪声进行实时记录，并将记录的信号通过无线传输设备实时传输给地震波数据采集仪；
③布置在隧道掌子面和隧道侧壁上的地震波接收传感器对地震波数据进行采集，并将采集到的地震波数据通过无线传输设备实时传输给地震波数据采集仪；
④通过以上工作方式，将超前地质钻机钻进过程中地震波数据采集仪采集到的各数据传输到数据处理器，进行汇总，并进行实时处理。
所述随钻地震预报原理如图2所示，其实时处理过程包括：
①接收信号去噪：首先构造褶积模型来表示接收传感器阵列记录得到的接收信号，式中gi表示第i个接收传感器接收到的记录，Nk为第k个噪声源产生的强干扰噪声(假设共有M个噪声源)，hi为噪声源到第i个接收传感器的传输函数，为震源外接先导传感器采集到的震源信号，li表示从钻头位置到第i个接收传感器的传输函数。
其中，Nk可以近似表示成Nkj为第j个噪声传感器接收到的第k个噪声源产生的干扰信号，ij是相应的传播时间；传输函数hi近似表示成其无偏估计 h ^ i = E ( g i · N ^ i ) E ( | N ^ i | 2 ) .
这样可以得到消除上述M个强干扰噪声后的地震波接收传感器记录得到了有效地震接收信号。
②破岩信号等效归一化：将震源外接先导传感器采集的震源信号与经过去噪处理后的接收信号进行互相关和反褶积处理，能够进一步衰减不相干噪声，并把破岩震动信号压缩成等效脉冲信号，实现非常规破岩震源的等效归一化；
③通过上述①-②，完成了非常规破岩震源地震记录到常规震源地震记录的转化，之后可以按照常规震源地震记录处理方法继续进行滤波、P波和S波初至拾取、波场分离、偏移成像等工作。
其中在偏移成像方法上，是在速度分析的基础上，采用Kirchoff积分法的叠前深度偏移、反射光谱成像和菲涅耳体偏移相结合的混合三维深度偏移方法分别对纵横波地震记录进行偏移归位，使得到的地震剖面能够更加清晰准确地展示波阻抗界面的空间形态和真实位置，最终获得隧道前方及周围区域的纵波速度模型、横波速度模型和三维地震剖面。
叠前深度偏移相对于叠后偏移和叠前时间偏移对于构造复杂、横向速度变化剧烈的地区成像效果更好，而Kirchoff积分法特别适用于隧道内各种不规则观测系统采集的地震数据。其共炮点阵列的成像公式表示为：
R ( x , x s ) = ∫ Σ n × ▿ τ G ( x G , x ) A ( x s , x , x G ) ∂ u [ x s , x G , τ s ( x s , x ) + τ G ( x G , x ) ] ∂ t dx G 其中，Σ为观测线(面)；
xs，x，xG为震源点、成像点和接收点的空间位置；
τs，τG为震源到成像点和成像点到接收点的旅行时；
A为几何扩散因子(振幅加权因子)；
n为观测面的外法线方向；
u为记录的波场；
R为反射系数(成像波场)。
通过上式，Kirchoff积分法的叠前深度偏移主要分两个主要过程：一是根据速度场v(x)计算旅行时τ＝τS+τG；二是对各个地震道上的τ时刻的振幅进行加权求和。
再对纵、横波分离之后，对其进行精确的速度分析，得到纵、横波速度模型，
设有n层水平层状介质，其中任意第i层的层速度为vi，厚度为hi，双程垂直反射时间为ti＝2hi/vi,地震波到达第n层底部的双层反射时间为
t 0 , n = 2 Σ i = 1 n h i v i
从第一层到第n层的均方根速度为
( v r m s , n ) 2 = Σ k = 1 n v k 2 t k Σ k = 1 n t k = Σ k = 1 n v k 2 t k t 0 , n
从第一层到第n-1层的均方根速度为
( v r m s , n - 1 ) 2 = Σ k = 1 n - 1 v k 2 t k Σ k = 1 n - 1 t k = Σ k = 1 n - 1 v k 2 t k t 0 , n - 1
联立以上两式，得到利用均方根速度计算层速度的狄克斯(Dix)公式
v n 2 = ( v r m s , n ) 2 t 0 , n - ( v r m s , n - 1 ) 2 t 0 , n - 1 t 0 , n - t 0 , n - 1
再通过公式
V p = ( λ + 2 μ ) / ρ = E ( 1 - v ) / ρ ( 1 + v ) ( 1 - 2 v )
V a = E / ρ = E / 2 ρ ( 1 + v )
V p / V a = 2 ( 1 - v ) / ( 1 - 2 v )
得到岩体的泊松比分布和弹性模量等分布情况，通过对岩体进行速度成像，对泊松比及弹性模量的分析，对岩体质量做出评价。
上述地震波信息实时处理完成后，一方面可以实现地质异常体的超前预报，另一方面也可以用于评价待开挖区域的岩体质量，为下一步的隧道开挖方式优化、保障施工安全提供借鉴。
当超前地质钻机钻进达到最大深度时，钻杆旋转收缩，钻机停止工作。
打开环形铁壳20，关闭震源外接先导传感器装置电源，解开箍16，将该装置拆卸；将冲旋轮进钻头6拆卸；打开蝴蝶阀27，使地震波接收传感器安装装置中的气体适当排出，直至气压计计数为正常大气压26的时候，地震波接收传感器在外部气压以及弹簧22的作用下，回归初始位置，将环形伸缩杆30和竖直伸缩杆33拆卸下来，并将地震波接收传感器安装装置进行拆卸；将安装与各噪声源出的噪声传感器进行拆卸。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明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发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种隧道掌子面前方岩体三维波速成像的随钻测量装置，其特征是：包括震源外接先导传感器装置、地震波接收传感器、快速布置装置、噪声传感器、多通道地震波数据采集仪和超前地质钻机控制系统，其中，所述震源外接先导传感器装置布置在超前地质钻机钻杆的前端、钻头的后方，记录钻头破岩震动信号，所述地震波接收传感器设置于快速布置装置上，快速布置装置位于隧道掌子面及隧道侧面，所述噪声传感器安装在超前地质钻机的噪声源处，记录噪声源的噪声信号；
所述超前地质钻机控制系统，包括钻进深度传感器和钻进控制系统，钻进深度传感器安装在钻机的滑行主梁上，通过已使用钻杆的数量和钻机回转钻盘动力头的位置来确定钻进深度，实时将钻进深度数据采集并传输给钻进控制系统，钻进控制系统根据钻进深度所处区间位置，控制钻进钻杆的运行方式。
2.如权利要求1所述的一种隧道掌子面前方岩体三维波速成像的随钻测量装置，其特征是：所述震源外接先导传感器装置布置在超前地质钻机钻杆的前端、钻头的后方，震源外接先导传感器装置是包括卡槽、电池组、无线传输装置和传感器系统，电池组、无线传输装置和传感器系统安装在卡槽中，相互之间通过线缆连接；卡槽卡在钻杆上，通过卡箍将其紧密固定在钻杆上，电池组提供电源，并将卡槽外层的铁壳滑至卡槽下方，并扣紧，震源外接先导传感器记录的称为震源信号，所述震源信号的有效信号为钻头破岩震动信号。
3.如权利要求1所述的一种隧道掌子面前方岩体三维波速成像的随钻测量装置，其特征是：所述地震波接收传感器为多个，在超前地质钻机开始工作前，将地震波接收传感器安装在快速布置装置上，所述快速布置装置包括环形伸缩杆、竖直伸缩杆和地震波接收传感器安装装置，地震波接收传感器安装装置通过螺栓固定在环形伸缩杆和竖直伸缩杆的适当位置，通过固定件将环形伸缩杆和竖直伸缩杆分别固定在隧道掌子面和侧壁上的适当位置处，通过环形伸缩杆实现地震波接收传感器在掌子面上的快速安装，通过竖直伸缩杆实现地震波接收传感器在隧道侧壁上的快速安装；安装于掌子面上的地震波接收传感器以超前地质钻机钻孔位置为中心、呈环状分布；布置在隧道侧壁上的左拱腰、左拱肩、拱顶、右拱肩、右拱腰位置处各布置一个地震波接收传感器阵列。
4.如权利要求1所述的一种隧道掌子面前方岩体三维波速成像的随钻测量装置，其特征是：所述钻进控制系统包括控制钻杆运行方式和控制钻进钻头两种模式，钻进控制系统根据钻进深度所处区间位置，对钻进钻杆运行方式进行控制并切换至相应的钻头模式，其中，切换钻头模式是由无线WLAN传输设备和冲旋轮进钻头实现，冲旋轮进钻头包括液压仓、液压支撑杆、活动钻头滑轨和活动钻头，液压仓通过液压支撑杆连接活动钻头，活动钻头滑轨设置于液压支撑杆旁，通过控制活动钻头的位置，来改变钻进钻头的模式，达到用于不同钻进方式的目的。
5.一种利用如权利要求1-4中任一项所述的装置对隧道掌子面前方岩体三维地震波速成像的随钻测量方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)根据掌子面所处位置岩体质量等级，对掌子面进行排险，保证掌子面相对平整，使地震波接收传感器能够布置在一个平面上，保障在超前地质钻机钻进的过程中，掌子面的岩体不会脱落，同时，选择并标记适当的钻空位置；
(2)将隧道掌子面附近地面清理平整，使钻机就位，保持超前地质钻机平整、稳固，不发生倾斜，钻机钻杆正对钻孔位置、平行于隧道开挖方向，更换冲旋轮进钻头；
(3)将地震波接收传感器安装在地震波接收传感器安装装置中，隧道掌子面上地震波接收传感器以钻孔为中心，呈环状布置，隧道侧壁上地震波接收传感器分五个地震波接收传感器阵列布置，实现地震波接收传感器隧道全空间、多阵列布置；
(4)将震源外接先导传感器装置布置在超前地质钻机钻杆的前端、钻头的后方，固定安装，对钻头震动信息进行采集；
(5)在超前地质钻机的各个噪声源附近位置安装噪声传感器，用于记录各个噪声源所产生的噪声信号；
(6)超前地质钻机开始工作，通过钻进深度传感器对钻机当前钻头深度进行监测，并将其数据反馈给超前地质钻机控制系统，控制系统根据钻头深度所处深度区间，通过控制系统对钻杆运行方式进行转换并改变钻头模式，对超前地质钻机钻进方式进行变换，同时，多通道地震波数据采集仪将超前地质钻机钻进过程中各参数和地震波数据采集仪采集到的各数据传输到数据处理器，进行汇总，并进行实时处理，获得隧道前方及周围区域的纵波速度模型、横波速度模型和三维地震剖面；
(7)通过得到的纵、横波速度模型、三维地震剖面，对纵、横波独立波速成像，对超前地质钻机钻进前方岩体质量进行评价，同时根据三维地震剖面对掌子面前方不良地质体进行超前预报。
6.如权利要求5所述的随钻测量方法，其特征是：所述步骤(1)中，具体方法为：根据隧道掌子面位置所处岩体等级，对掌子面进行排险，若掌子面是四级或五级岩体强度，则需要对掌子面的平整度进行处理，保证掌子面相对平整，使地震波接收传感器能够布置在一个平面上，若掌子面岩体等级为其他强度，则需要对掌子面进行混凝土喷锚处理，保障在超前地质钻机钻进的过程中，掌子面的岩体不会脱落，保证随钻地震预报过程能够安全进行。
7.如权利要求5所述的随钻测量方法，其特征是：所述步骤(3)中，具体方法为：将地震波接收传感器安装在地震波接收传感器安装装置中，并将安装装置通过螺栓固定在环形伸缩杆和竖直伸缩杆的相应位置，将环形伸缩杆和竖直伸缩杆分别安装固定在隧道掌子面和侧壁上，打开蝴蝶阀，通过气泵对其地震波接收传感器安装装置进行充气，实时观测气压计，当气压计数值达到某一特定数值时，规定地震波接收传感器在空气腔内气压的作用下与隧道掌子面和侧壁岩体紧密接触，并关闭蝴蝶阀，实现地震波接收传感器的三维快速安装。
8.如权利要求5所述的随钻测量方法，其特征是：所述步骤(6)中，在超前地质钻机钻进的过程中，当进行旋转切削破岩或进行冲击破岩时，同时进行以下工作：
①震源外接先导传感器对钻头震动数据进行实时采集，并将所采集到的数据通过无线WLAN传输设备实时传输给多通道地震波数据采集仪；
②在超前地质钻机的各个噪声源附近位置的安装噪声传感器，对各噪声源产生的噪声进行实时采集记录，并通过无线传输设备将数据记录实时传输给多通道地震波数据采集仪；
③布置在隧道掌子面和隧道侧壁上的地震波接收传感器对地震波数据进行采集，并将采集到的地震波数据通过无线传输设备实时传输给多通道地震波数据采集仪；将各参数和地震波数据采集仪采集到的各数据传输到数据处理器，进行汇总，并进行实时处理。
9.如权利要求8所述的随钻测量方法，其特征是：所述步骤(6)中，数据处理器的处理方法，具体包括以下步骤：
(6-1)接收信号去噪，采用互相关干涉和反褶积的方法，将地震波接收传感器接收到的信号数据与安装在超前地质钻机各噪声源处传感器接受到的噪声信号进行互相关干涉处理，通过互相关和反褶积处理衰减噪声信号，实现震源有效信号与噪声信号的分离，得到破岩震源有效信号；
(6-2)对破岩震源有效信号进行等效归一化，将震源有效信号压缩成等效脉冲信号，实现非常规破岩震源的等效归一化；
(6-3)破岩震源有效信号等效归一化之后，进行滤波处理、纵、横波分离、速度分析工作；
(6-4)在偏移成像方法上，是采用在速度分析的基础上，采用Kirchoff积分法的叠前深度偏移、反射光谱成像和菲涅耳体偏移相结合的混合三维深度偏移方法分别对纵横波地震记录进行偏移归位，使得到的地震剖面能够更加清晰准确地展示波阻抗界面的空间形态和真实位置，最终获得隧道前方及周围区域的纵波速度模型、横波速度模型和三维地震剖面。
10.如权利要求9所述的随钻测量方法，其特征是：所述步骤(6-1)的接收信号去噪的具体方法为：首先构造褶积模型来表示接收传感器阵列记录得到的接收信号，式中gi表示第i个接收传感器接收到的记录，Nk为第k个噪声源产生的强干扰噪声，假设共有M个噪声源，hi为噪声源到第i个接收传感器的传输函数，为先导传感器采集到的震源信号，li表示从钻头位置到第i个接收传感器的传输函数；
其中，Nk表示成Nkj为第j个噪声传感器接收到的第k个噪声源产生的干扰信号，ij是相应的传播时间；传输函数hi表示成其无偏估计
得到消除上述M个强干扰噪声后的检波器记录得到了有效地震接收信号。
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Application publication date: 20150701

Assignee: Shandong Zhiyan Exploration Technology Co., Ltd.

Assignor: Shandong University

Contract record no.: 2019370000006

Denomination of invention: Three-dimensional wave velocity imaging measurement-while-drilling method and device for rock in front of tunnel face

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