CN107132571B - 一种用于隧道超前地质预报的多源地震干涉法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多源地震干涉法超前地质预报技术，包括先在开挖隧道的一端掌子面设置多个震源，另一端掌子面和边墙上布设地震检波器组；然后同时引爆所有震源，激发地震波；通过布设好的地震检波器组采集透射地震波，形成地震记录；最后对这些地震记录进行地震干涉处理，获得隧道未开挖区域的特征图谱，通过分析所述特征图谱，对隧道进行超前地质预报。本发明采用多源多点的地震爆破和多点的地震波采集，结合相应的数据处理算法进行反演，获得地震波特征图谱，而达到对隧道未开挖段不良地质体类型、特征及空间位置进行高效、准确预报；通过一次性探测，实现对隧道未开挖段超前地质预报工作，具有预报距离远、效率高、损耗小、准确率高等优点。

Description

一种用于隧道超前地质预报的多源地震干涉法

技术领域

本发明涉及隧道工程、超前地质预报技术领域，具体地讲，是涉及一种用于隧道超前地质预报的多源地震干涉法。

背景技术

隧道施工的主要依据是设计文件，但实践证明设计与实际情况不符屡有发生，造成隧道洞内塌方、涌水、涌泥等灾害事故频发，对安全施工危害极大，严重影响了工程质量。特别是近年，随着我国经济的快速发展和隧道技术的进步，铁路隧道、公路隧道建设不断深入到以前的“地质禁区”，复杂长大隧道越来越多，地质问题越来越复杂，为了确保施工安全，对隧道超前地质预报工作要求也不断提高。隧道施工期超前地质预报就是利用地质、钻探、物探等方法，结合地质资料、洞内外地质调查、掌子面素面结果对施工掌子面前方不良地质体性质、位置、规模的预测，为进一步施工提供指导，确保施工的安全和顺利进行。准确、及时、高效是当前地质预报的追求，但因各种预报方法理论、设备的局限性，存在预报距离短、测试准备工作繁琐、占用时间长、主动爆破安全隐患大等问题，不仅影响了正常施工，还引入安全不确定因素。为了提高预报准确率，经工程实践发展出了综合超前地质预报方法，虽然大大提高了预报准确率，也带来了工作量大、占用时间更长、准备工作更多等问题，因此，简捷、安全、高效、环保的长距离预报技术将是发展趋势。

地震波干涉法(Seismic Interferometry)是指与地震波有关的干涉现象的研究，采用干涉技术对地震记录信号进行处理得到新的地震信号，能有效反映出原始信号所不具有的一些特征，如提高信噪比、把噪声变成有用信号、反映复杂地质构造特征等。早在1968年，Jon Claerbout教授对地下震源产生的地震记录进行自相关运算，获得了地震场源关系的格林函数，建立了透射记录和反射记录间的联系；Schuster定义了地震干涉概念，并应用地震干涉法对多次波进行偏移获得反射界面的构造特征；Bakulin等提出了“虚震源”方法，并利用该方法将VSP记录转化为SWP单井剖面记录。随着地震干涉理论和方法的逐渐成熟，该方法已先后应用到超声聚焦与检测、检测介质的微小变化、天然地震中断层和火山的活动性、油田动态监测、钻进过程中的钻前预测等方面，但用于隧道施工(钻爆法)的超前地质预报工作研究不足。本发明把互相关地震干涉法应用到隧道超前地质预报中，提出了一种适用于隧道施工期的多源地震干涉法隧道超前地质技术，通过信号接收和目标成像，达到对整座隧道未开挖部分一次性预报的目的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种结构简单、设计巧妙、安装方便、稳定性强的用于隧道超前地质预报的多源地震干涉法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于隧道超前地质预报的多源地震干涉法，包括如下步骤：

(1)在开挖隧道的一端掌子面上规律埋置多个震源，在该隧道的另一端掌子面和边墙上规律布设地震检波器组；

(2)同时控制所有震源引爆，激发地震波，使不同震源产生的地震波相互叠加形成多个传播源后穿过未开挖的隧道体围岩；

(3)通过已布设的地震检波器组采集透射这些地震波，形成地震记录；

(4)对这些地震记录的数据进行地震干涉处理后，获得隧道未开挖段的地震波特征图谱，通过对所述地震波特征图谱分析，达到对隧道未开挖段超前地质预报。

具体地，所述地震检波器组由多个沿开挖隧道轮廓的掌子面均匀布设的地震检波器组成。

进一步地，所述地震检波器还在所述掌子面的边墙上以背离掌子面方向等间距布设。

具体地，所述震源可以采用主动埋设的爆破源，也可以采用隧道开挖的爆破源，优选地采用采用隧道开挖的爆破源，提高效率、降低成本。

具体地，所述地震记录按二维数值方式记录。

进一步地，所述步骤(4)中地震干涉处理的具体步骤如下：

(4a)对所述地震记录进行滤波、反褶积处理，提高信噪比；

(4b)在所述地震记录中选取某一道地震记录作为虚拟原信号；

(4c)采用虚拟原信号同其它各道地震记录进行互相关、卷积处理，形成虚源地震记录；

(4d)多次循环步骤(4b)～(4c)的处理流程，形成多道虚源地震记录；

(4e)对虚源地震记录叠加，获得具有干涉特性的地震波特征图谱。

更进一步地，所述步骤(4)中对所述地震波特征图谱分析的步骤如下：

(4f)对所述地震波特征图谱进行整体分析，确定出明显异常区；

(4g)依据所述明显异常区的位置及规模对未开挖隧道区段进行分段；

(4h)根据地震波特征参数在介质中传播特征，判定所述明显异常区的岩性、结构及地下水变化；

(4i)对各划分区段内异常进行细化和分析，判定可能存在的地质病害及风险；

(4j)对区段进行风险等级划分。

其中，所述地质病害通常为不良地质，不良地质体包括溶洞、断层、破碎带、煤层等。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明采用多源多点的地震爆破和多点的地震波采集，结合相应的数据处理算法，获得隧道未开挖区域的地震波特征图谱，一次性准确有效地预报出未开挖隧道区域内的不良地质体，实现了隧道超前地质预报，具有突出的实质性特点和显著的进步，并且本发明构思独特，设计巧妙，针对性强，方便易用，适应性强，在隧道超前地质预报方面具有广阔的应用前景，适合推广应用。

(2)本发明可利用隧道开挖时的爆破作为地震源，无需额外钻孔、装药、爆破等步骤来实现测试，效率高、成本低，且无安全隐患。

(3)本发明通过对地震检波器组测试记录科学分析，获得隧道未开挖区域的地质特征图谱，准确确定隧道内不良地质体的位置，并根据地震波在介质中传播特征，判明不良地质体的岩性、结构等特征，方便快捷，准确度高。

附图说明

图1为本发明中震源和地震检波器组布设的示意图。

图2为图1的二维剖面示意图。

图3为本发明中地震记录干涉处理流程图。

图4为本发明-实施例中理论图谱的示意图。

图5为本发明-实施例1的模拟模型示意图。

图6为本发明-实施例1的特征图谱示意图。

图7为本发明-实施例2的模拟模型示意图。

图8为本发明-实施例2的特征图谱示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1至图3所示，该用于隧道超前地质预报的多源地震干涉法，包括如下步骤：

(1)在开挖隧道的一端掌子面上规律埋置多个震源，在该隧道的另一端掌子面和边墙上规律布设地震检波器组；其中，所述震源采用隧道开挖爆破的爆破源，所述爆破源埋置位置沿隧道轮廓在其对应端掌子面上均匀埋设一圈；所述地震检波器沿开挖隧道轮廓在掌子面上均匀布设，并且在其两侧边墙上沿边墙走向等间距布设。

(2)同时控制所有震源引爆，激发地震波，使不同爆破源的地震波相互叠加形成多个传播源后穿过未开挖的隧道体围岩。

(3)通过已布设好的地震检波器组采集透射这些地震波，形成地震记录，其中地震记录按二维数值方式记录。

(4)对这些地震记录的数据进行地震干涉处理后，获得隧道未开挖段的地震波特征图谱，通过对所述地震波特征图谱分析，达到对隧道未开挖段超前地质预报。

其中具体地，地震干涉处理及地震波特征图谱分析的具体步骤如下：

进一步地，所述步骤(4)中地震干涉处理的具体步骤如下：

(4a)对所述地震记录进行滤波、反褶积处理，提高信噪比；

(4b)在所述地震记录中选取某一道地震记录作为虚拟原信号；

(4c)采用虚拟原信号同其它各道地震记录进行互相关、卷积处理，形成虚源地震记录；

(4d)多次循环步骤(4b)～(4c)的处理流程，形成多道虚源地震记录；

(4e)对虚源地震记录叠加，获得具有干涉特性的地震波特征图谱；

(4f)对所述地震波特征图谱进行整体分析，确定出明显异常区；

(4g)依据所述明显异常区的位置及规模对未开挖隧道区段进行分段；

(4h)根据地震波特征参数在介质中传播特征，判定所述明显异常区的岩性、结构及地下水变化；

(4i)对各划分区段内异常进行细化和分析，判定可能存在的地质病害及风险；

(4j)对区段进行风险等级划分。

其中，所述地质病害通常为不良地质，不良地质体包括溶洞、断层、破碎带、煤层等。

由上述本发明方法的过程可实现对隧道未开挖部分的一次性预报，对其预报结果的准确性，本发明还提供了如下实验模拟的过程实施例。其中采用如表1所示的模拟主要参数。

表1模拟主要参数

参数项	数值	参数项	数值
				离散化网格/m	1×1	泊松比	1.732
被动源	随机噪声与雷克子波卷积	溶洞v<sub>p</sub>/(m/s)	340
				围岩v<sub>p</sub>/(m/s)	2200	断层1v<sub>p</sub>/(m/s)	2800
围岩密度/(Kg/m<sup>3</sup>)	2600	断层2v<sub>p</sub>/(m/s)	1000

如图4所示的理论图谱为无不良地质体的隧道原始数据记录图，以此作为下述实验实施例的对比图。从图中可见，信号混乱、嘈杂，并不能反应出目标信息，而且噪声杂乱无章，无任何规律可言。

实施例1，采用如图5所示的溶洞数值模拟模型。模型大小沿水平方向和垂直方向分别为370m和350m，隧道剖面宽10m，位于模型垂直方向的150-160m位置。爆破源布设一端隧道已开挖30m，地震检波器布设一端隧道已开挖50m；在隧道中轴线上，沿水平方向150m处设置有一半径2m填充空气的圆形溶洞。为了保证数值模拟更接近于隧道钻爆法施工情况，爆破源采用20个，均匀布设在其端掌子面上；地震检波器采用21个，同样均匀布设在其端掌子面上。

根据本发明方法对爆破源进行爆破后，由地震检波器组采集数据并进行地震干涉处理，获得的特征图谱如图6所示。从图中可见，0.045s附近区域存在明显异常区，在该异常区中部波形连续且呈圆弧状，采用时间、围岩速度关系计算，获得其位置在99m处，这与该模型中的溶洞位置基本吻合，证明该异常区是由溶洞引起。

实施例2，采用如图7所示的断层数值模拟模型。模型大小、隧道位置、隧道开挖情况，以及爆破源和地震检波器布设位置和数量与上述实施例1相同。设置的断层1距离检波器端掌子面垂距为30m，设置的断层2距离检波器端掌子面垂距为100m，两个断层均宽2m，纵向贯穿整个模型。

根据本发明方法对爆破源进行爆破后，由地震检波器组采集数据并进行地震干涉处理，获得的特征图谱如图8所示。从图中可见，0.135s附近存在异常区1，该异常区1呈界面形式，采用时间、围岩速度关系计算，获得其位置在29.7m处，这与该模型中的断层1位置基本吻合，判断为断层1；在0.038s附近存在异常区2，该异常区2也呈界面形式，同样计算获得其位置在84m处，但是由于地震波经过断层时会引起与围岩传播速度上的差异，从而发生距离计算误差，需进一步校验，根据断层1纵波速度2800m/s、围岩纵波速度2200m/s、波往返时间差0.007s，可获得引起的距离误差为15.4m，因此该异常区2的实际位置应为99.4m，这便与该模型中的断层2位置基本吻合，判断为断层2。由此证明两个异常区分别由两个断层引起。

根据该2个实验实施例的验证，反映出本发明方法对隧道超前地质预报的有效性和高准确度。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于隧道超前地质预报的多源地震干涉法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在开挖隧道的一端掌子面上规律埋置多个震源，在该隧道的另一端掌子面和边墙上规律布设地震检波器组；

(2)同时控制所有震源引爆，激发地震波，使不同震源产生的地震波相互叠加形成多个传播源后穿过未开挖的隧道体围岩；

(3)通过已布设的地震检波器组采集透射这些地震波，形成地震记录；

(4)对这些地震记录的数据进行地震干涉处理后，获得隧道未开挖段的地震波特征图谱，通过对所述地震波特征图谱分析，达到对隧道未开挖段超前地质预报，

其中，地震干涉处理的具体步骤如下：

(4a)对所述地震记录进行滤波、反褶积处理，提高信噪比；

(4b)在所述地震记录中选取某一道地震记录作为虚拟原信号；

(4c)采用虚拟原信号同其它各道地震记录进行互相关、卷积处理，形成虚源地震记录；

(4d)多次循环步骤(4b)～(4c)的处理流程，形成多道虚源地震记录；

(4e)对虚源地震记录叠加，获得具有干涉特性的地震波特征图谱。

2.根据权利要求1所述的一种用于隧道超前地质预报的多源地震干涉法，其特征在于，所述地震检波器组由多个沿开挖隧道轮廓的掌子面均匀布设的地震检波器组成。

3.根据权利要求1所述的一种用于隧道超前地质预报的多源地震干涉法，其特征在于，所述地震检波器还在所述掌子面的边墙上以背离掌子面方向等间距布设。

4.根据权利要求1所述的一种用于隧道超前地质预报的多源地震干涉法，其特征在于，所述震源采用隧道开挖的爆破源。

5.根据权利要求1～4任一项所述的一种用于隧道超前地质预报的多源地震干涉法，其特征在于，所述地震记录按二维数值方式记录。

6.根据权利要求5所述的一种用于隧道超前地质预报的多源地震干涉法，其特征在于，所述步骤(4)中对所述地震波特征图谱分析的步骤如下：

(4f)对所述地震波特征图谱进行整体分析，确定出明显异常区；

(4g)依据所述明显异常区的位置及规模对未开挖隧道区段进行分段；

(4h)根据地震波特征参数在介质中传播特征，判定所述明显异常区的岩性、结构及地下水变化；

(4i)对各划分区段内异常进行细化和分析，判定可能存在的地质病害及风险；

(4j)对区段进行风险等级划分。

7.根据权利要求6所述的一种用于隧道超前地质预报的多源地震干涉法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述地质病害包括溶洞、断层、破碎带、煤层。