CN108051852A - 3d快速高分辨率隧道施工超前智能预报方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D快速高分辨率隧道施工超前智能预报方法，采用在掌子面上激发地震波，在掌子面上3D接收反射波信号的多次覆盖成像的观测方式，能够根据掌子面的形状和施工方式，快速组合高灵敏度宽频带传感器布置三维接收系统，并且在掌子面上利用宽频带震源进行快速有规律的自动激发而不对掌子面本身造成损害，施工简单，重复性强，危险性低；其次，在隧道不同施工过程进行激发采集数据，结合隧道施工所获取的围岩物性(围岩密度、泊松比等)，建立隧道数据库，通过对不同时刻的数据进行对比处理，能够对隧道掌子面前方地质信息高分辨率探测，探测掌子面前方500米以内的地质灾害。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程领域，具体涉及一种隧道施工的预报方法。
背景技术
在多山的国家，隧道作为一种建设风险高的隐蔽工程，具有对环境影响 小，占用土地少和行程距离短等优势，受到了越来越多的关注。然而，在隧 道的掘进过程中，经常遇到各种不良地质地段(断层、破碎带、陷落柱、溶 洞、地下水等)，由于其隐蔽性以及突发性，对施工安全造成极大的威胁， 也对施工进度造成很大的影响。为了降低隧道掘进过程中的风险，减少不良 地质灾害对人员和机械设备的破坏，在隧道施工过程中采用超前地质预报技 术进行地质灾害预测具有重要的实用意义和可观的经济效益。
隧道地震超前预报技术作为隧道超前地质预报技术中的主流技术，在实 际隧道施工中得到广泛应用，目前普及率最高的是由瑞士Amberg测量技术公 司于上世纪90年代初开发的隧道超前预报方法TSP(Tunnel seismic prediction)技术，以及美国NSA工程公司开发的TRT(True Reflection Tomography)技术。TSP技术以及TRT技术等隧道地震超前预报技术，根据掌 子面和隧道周围介质的弹性和密度差异和地震波在不均匀地质构造中产生的 反射波、绕射波特性，在隧道壁上布置1D(TPS技术)、2D或2.5D(TRT技 术)的观测系统，采用炸药、电子雷管、锤击等方式进行震源激发，获取隧 道壁围岩以及隧道掌子面前方的地震波信息。通过对采集的地震波信息，进 行速度分析、走时分析、偏移处理等数据处理方式，获取隧道施工前方及隧 道周围地质条件和岩石特性变化，达到掌子面前方地质灾害预报的目的。
由于隧道内的施工空间有限，TSP、TRT等技术采用在隧道壁上布置观测 系统的方式，对于隧道掌子面前方的地质体来说，达不到真正的三维观测， 难以充分、准确的获得来自掌子面前方围岩的波速信息以及不良异常体的反 射信息；其次，受观测方式的限制，TSP、TRT等技术所获取的地震波信号相 对于陆地表面观测的震相复杂，要识别面波、纵波和横波、转换波难度大， 这使得地震波信号的处理难度大，所需时间长，严重影响施工进度，且对隧 道掌子面前方地质体的预测结果多解性较强，精度较低；同时，现有的基于 地震波的超前预测技术，多采用单一时刻获取的数据作为预测数据，以此对 隧道掌子面前方的地质构造进行预测，并未联系实际围岩物性(如岩石孔隙 度、围岩密度等)随施工进度的变化情况，不能获取掌子面前方地质结构随 的动态变化信息；再次，由于TSP、TST等技术需要在隧道壁上进行震源激发 和信号接收，对施工进程造成了影响，提高了施工成本，且其震源激发方式 存在一定的危险性，容易造成隧道壁的破损，引发不必要的灾害。
发明内容
本发明的目的在于提供一套能够快速、安全、精准采集掌子面前方全面 的3D反射波信息，并结合隧道施工获取的围岩动力学信息多次采集动态对比 的4D超前预报方法，该方法所获取的反射波信号受其他干扰影响小，能够对 隧道掌子面前方地质信息高分辨率探测，探测掌子面后500米以内的地质灾 害，其包括真正的掌子面3D信息采集技术和相匹配的快速、准确的反射波信 号处理算法，来推测隧道掌子面前方地质体的结构信息，提高了施工效率， 降低了施工风险。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种3D快速高分辨率隧道施工超前智能预报方法，包括如下步骤：
(1)根据不同的施工要求以及施工条件，设计高灵敏度宽频带信号 传感器的组合方式进行数据采集；
(2)将高灵敏度宽频带信号传感器按照步骤(1)的组合方式布置 于隧道掌子面上，在掌子面上进行宽震源激发，直接获取来自隧道掌子 面前方的3D反射波信息；
(3)对同一时刻获取的反射地震信号进行处理，将处理结果导入反 射地震信号数据库；
(4)在隧道施工过程中，每隔一定距离进行超前探测，获取反射地 震信号，按照步骤(3)进行处理，将处理结果导入反射地震信号数据库；
(5)在隧道施工过程中，获取隧道施工进度中不同时刻的围岩样本， 通过对围岩样本的岩性监测，将监测结果导入围岩岩性变化数据库；
(6)以围岩岩性变化为限制条件，对不同时刻所获得的反射地震信 号进行对比分析处理，从而预测掌子面前方地质构造。
优选地，步骤(2)中相邻高灵敏度宽频带信号传感器的间距为 0.1-1m，采样时间间隔为0.5-2ms。
优选地，步骤(3)中的信号处理方法包括如下步骤：首先，对地震 信号进行叠加成像处理；其次，对叠前反射地震信号数据以及叠后数据 进行地震属性分析，提取常规的振幅属性、相位属性、频率属性，以及 三瞬属性、地震波波形属性，对于反射地震信号中较明显的同相轴，沿 层进行地震属性提取，包括沿层构造属性和地层吸收性质的参数，通过 对提取的属性进行分析，获取掌子面前方岩性变化情况；再次，结合叠 前及叠后属性分析结果，对叠前数据进行再处理，优化叠加结果。
优选地，步骤(3)中采用共反射面元叠加处理的方式进行叠加成像 处理，地震波波形属性包括波峰数和波形正半周面积；沿层构造属性包 括倾角分析、方位分析、响应相位和时窗内的优势频率比；地层吸收性 质的参数包括吸收参数、衰减因子和品质因子。
优选地，步骤(5)中岩性监测包括记录围岩种类变化、围岩密度变 化、围岩硬度变化、围岩泊松比变化和围岩电阻率变化情况。
优选地，步骤(6)包括如下步骤：首先，对不同时刻所获得的反射 地震信号进行归一化处理；其次，对归一化处理后的数据进行空间位移 和采集校正；再次，对经过归一化处理及空间位移及采集校正的数据， 进行差异性分析，采用相干分析的方法，提取数据库内不同时刻处理结 果的相干属性，分析变化情况，最终实现预测掌子面前方地质构造。
本发明相对于现有技术，具有以下优异效果：
(1)通过在掌子面上进行震源激发，实现了掌子面上的真三维观测，可 以更加充分、直观的获取隧道掌子面前方的地质信息，提高超前预报的可靠 性；
(2)每次预报的深度更大，是传统方法的5-10倍；
(3)掌子面属于新鲜的岩面，获得的反射地震数据受风化、腐蚀影响小， 同时，充分利用已完成施工隧道围岩动力学信息，可以较直观的获得当前探 测岩体的部分岩性参数(泊松比、密度、孔隙度等)，有利于分析掌子面前 方的地质构造；
(4)在掌子面上进行震源激发，掌子面上进行信号接收的方式所获取的 反射地震信号，受面波和转换横波干扰极小，同时掌子面可以近似看作没有 起伏的水平地面，静校正量小，偏移距小，这些因素使得信号处理简单快捷， 处理结果精度高；
(5)不良地质体对地震信号以及围岩物性参数的影响通常是连续的，采 用时移地震勘探的思想，在隧道施工不同阶段(隧道进度)进行数据的采集， 获取不同时刻的地震信号、围岩物性参数信息，达到监测不良地质体的变化 情况，降低了常规超前预报技术固有的多解性强的影响，提高超前预报的可 靠性。
(6)在隧道三维超前探测过程中，获取的数据类型多、数据量大，利用 编写的数据处理程序，可以自动、快速的对这些数据进行综合分析和处理， 提高探测精度。
(7)整套探测系统只需要在掌子面上进行施工，对工程进度影响小，对 整个隧道结构的影响小，同时该套探测系统安全性高，数据采集方式简单， 重复性强，有助于提高工程探测效率，降低探测成本，提高探测精度。
附图说明
图1为本发明的预报方法流程图；
图2a为砖墙式掌子面三维观测系统；
图2b为辐射状掌子面三维观测系统；
图3a为实施例1演示示意图及观测系统布置方式；
图3b为实施例2演示示意图及观测系统布置方式；
图4a为实施例1shot5正演单炮记录示意图；
图4b为实施例1shot15正演单炮记录示意图；
图4c为实施例2shot5正演单炮记录示意图；
图4d为实施例2shot15正演单炮记录示意图；
图5a为实施例1CRS叠加剖面图；
图5b为实施例2CRS叠加剖面图；
图6a为实施例1同一时单炮记录瞬时振幅示意图；
图6b为实施例1同一时单炮记录瞬时频率示意图；
图6c为实施例1同一时单炮记录瞬时相位示意图；
图6d为实施例1同一时刻叠加剖面瞬时振幅示意图；
图6e为实施例1同一时刻叠加剖面瞬时频率示意图；
图6f为实施例1同一时刻叠加剖面瞬时相位示意图；
图7a为实施例2同一时单炮记录瞬时振幅示意图；
图7b为实施例2同一时单炮记录瞬时频率示意图；
图7c为实施例2同一时单炮记录瞬时相位示意图；
图7d为实施例2同一时刻叠加剖面瞬时振幅示意图；
图7e为实施例2同一时刻叠加剖面瞬时频率示意图；
图7f为实施例2同一时刻叠加剖面瞬时相位示意图；
图8a为实施例1CMP点1-CMP点20的道集集合示意图；
图8b为实施例1CMP点1-CMP点20的倾角值变化图；
图9a为实施例2CMP点1-CMP点20的道集集合示意图；
图9b为实施例2CMP点1-CMP点20的倾角值变化图；
图10a为实施例1T1时刻shot5单炮记录瞬时振幅示意图；
图10b为实施例1T2时刻shot5单炮记录瞬时振幅示意图；
图11a为实施例1shot1-shot10瞬时振幅位移量变化图；
图11b为实施例1shot11-shot20瞬时振幅位移量变化图；
图12a为实施例1的实测剖面示意图；
图12b为实施例1的最终叠加剖面结果示意图；
图13a为实施例2T1时刻shot5单炮记录瞬时振幅示意图；
图13b为实施例2T2时刻shot5单炮记录瞬时振幅示意图；
图14a为实施例2shot1-shot10瞬时振幅位移量变化图；
图14b为实施例2shot11-shot20瞬时振幅位移量变化图；
图15a为实施例2的实测剖面示意图；
图15b为实施例2的最终叠加剖面结果。
具体实施方式
一种3D快速高分辨率隧道施工超前智能预报方法，包括如下步骤：
(1)根据不同的施工要求以及施工条件，设计高灵敏度宽频带信号 传感器的组合方式进行数据采集，具体可以采用如图2所示的分布组合 方式，其中图2a为砖墙式掌子面三维观测系统的组合方式；图2b为辐 射状掌子面三维观测系统的组合方式。
(2)将高灵敏度宽频带信号传感器按照设计好的组合方式布置于隧道掌 子面上，在掌子面上进行宽震源激发，直接获取来自隧道掌子面前方的3D反 射波信息；
(3)对同一时刻获取的反射地震信号进行叠加成像处理，针对隧道掌子 面激发-接收方式所获的反射地震信号小偏移距、小区域、高覆盖次数、小静 校正量的特征，设计共反射面元叠加处理的方式进行叠加成像处理；其次， 对叠前反射地震信号数据以及叠后数据进行地震属性进行分析，提取常规的 振幅属性(能量属性)、相位属性、频率属性，以及三瞬属性、地震波波形 属性(包括波峰数、波形正半周面积)，对于反射地震信号中较明显的同相 轴，沿层进行地震属性提取，包括沿层构造属性(例如倾角分析、方位分析、 响应相位、时窗内的优势频率比)、地层吸收性质的参数(例如吸收参数、 衰减因子、品质因子)，通过对提取的属性进行分析，获取掌子面前方岩性 变化情况；再次，结合叠前及叠后属性分析结果，对叠前数据进行重处理， 优化叠加结果，将处理结果(地震属性、叠后剖面)导入反射地震信号数据 库；
(4)在施工过程中，每隔100-300米(具体数值可根据实际施工环境和 施工条件改正)进行超前探测，获取反射地震信号，根据第三步所示方法对 反射地震波信号进行处理，将处理结果导入反射地震信号数据库；
(5)在隧道实际施工过程中，获取不同时刻(隧道进度)的围岩样本， 通过对围岩样本的岩性监测，记录在施工过程中所挖掘的物性变化情况(包 括围岩种类变化、围岩密度变化、围岩硬度变化、围岩泊松比变化，围岩电 阻率变化情况)。
(6)以围岩岩性变化为限制条件，对数据库中不同时刻所获得的反射地 震信号进行分析。首先对不同时刻获取的处理结构进行归一化处理(振幅、 频率、相位归一化处理)，减小采集环境、采集误差等非岩性变化引起的误 差；其次，由于是在不同时刻(掌子面不同位置)进行的数据采集，需要对 归一化数据进行空间位移和采集校正，对此采用研制的适合隧道空间位移和 采集校正的数据匹配算法进行校正；再次，对经过归一化处理及空间位移及 采集校正的数据，进行差异性分析，采用相干分析的方法，提取数据库内不 同时刻处理结果(地震属性、叠加剖面)的相干属性，分析变化情况。在岩 性变化的约束下，从而预测掌子面前方地质构造。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
以掌子面前方存在倾斜断层的情形为例，如图3a所示。相关参数设置参 见表1。
表1
预报方法具体包括如下步骤：
(1)根据观测系统的布置，掌子面激发-接收获取单炮记录，如图4a-4b 所示。
(2)获取掌子面岩石、已完成施工隧道围岩样本，测定岩石波速、密度、 硬度，样本岩体内裂缝分布。
(3)对获取的单炮记录进行抽道集处理，根据获取的掌子面岩石纵横波 波速，按照式1所示，进行叠加处理。
式中，t(xm,h)为双曲线共反射面双程走时；t0为中心射线双程走时；v0是 掌子面浅层纵波速度(通过岩性分析获得)；a是零偏移距射线在地表的出射 角；RNIP是法向入射点波前的曲率半径,法向入射点波前对应于反射界面上点 源产生的波前；RN为法向波前曲率半径,法向波前对应于爆炸反射面产生的波 前；xm为旁轴射线对应中心点的坐标值；x0为中心射线对应中心点的坐标值； h为半偏移距。叠加结果如图5a所示。
(4)提取单炮记录及共反射面叠后剖面地震属性，将所提取的地震属性 置于反射地震信号数据库。以希尔伯特三瞬属性为例，单炮记录与共反射面 叠后剖面三瞬属性如图6a-图6f所示。
(5)在隧道施工的不同时刻，进行数据采集，重复步骤(2)至(4)的 工作，对比分析不同时刻采集数据的关联性。首先对不同时刻采集的数据进 行时间空间校正，采用最大能量相关分析方式(如式2)，对原始数据进行时 间空间校正。
式中，NE为最大能量相关指数，M为信号接收器的个数，i为参与计算 道，fi,t(i)为参与道集中第i道第t(i)个采样点的信号，t为信息采集的时长。
(6)对数据采用地震属性-时移联合处理方式对叠加剖面进行改进。图8 中，在CMP点1-CMP点20处，该层位(方框所示)倾角值不为0且角度大小近似， 推测可能存在断层面。
提取T1时刻地震记录与T2时刻地震记录的瞬时振幅值，如图10a和图 10b所示。采用互相关方法，计算20炮(shot1-shot20)反应同一层位的同 相轴随掌子面位置变化所引起的变化，如图11a和图11b所示。
图11所示位移量符合断层面在波场中的传播规律，结合倾角值属性，可 以对初始叠加剖面进行校正。
最终叠加效果如图12b所示。对比该实施例的实测剖面示意图图12a，可 以看出该方法预测的结果与实际结果相吻合，特别是通过联合不同施工阶段 采集的数据以及地震属性，可以有效的提高预测可靠性。
实施例2
以掌子面前方存在孤石的情形为例，如图3b所示。相关参数设置参见表 2。
表2
预报方法具体包括如下步骤：
(1)根据观测系统的布置，掌子面激发-接收获取单炮记录，如图4c-4d 所示。
(2)获取掌子面岩石、已完成施工隧道围岩样本，测定岩石波速、密度、 硬度，样本岩体内裂缝分布。
(3)对获取的单炮记录进行抽道集处理，根据获取的掌子面岩石纵横波 波速，按照式1所示，进行叠加处理。叠加结果如图5b所示。
(4)提取单炮记录及共反射面叠后剖面地震属性，将所提取的地震属性 置于反射地震信号数据库。以希尔伯特三瞬属性为例，单炮记录与共反射面 叠后剖面三瞬属性如图7a-图7f所示。
(5)在隧道施工的不同时刻，进行数据采集，重复步骤(2)至(4)的 工作，对比分析不同时刻采集数据的关联性。首先对不同时刻采集的数据进 行时间空间校正，采用式2，对原始数据进行时间空间校正。
(6)对数据采用地震属性-时移联合处理方式对叠加剖面进行改进。图9 中，图9中，在CMP点1-CMP点12处该层位(方框所示)倾角值为0，CMP 点13-CMP点15存在倾角值，CMP16-CMP20倾角值为0，推测可能存在孤石。
提取T1时刻地震记录与T2时刻地震记录的瞬时振幅值，如图13a和图 13b所示。采用互相关方法，计算20炮(shot1-shot20)反应同一层位的同 相轴随掌子面位置变化所引起的变化，如图14a和图14b所示。
图14所示位移量符合孤立点在波场中的传播规律，结合倾角值属性，可 以对初始叠加剖面进行校正。
最终叠加效果如图15b所示。对比该实施例的实测剖面示意图图15a，可 以看出该方法预测的结果与实际结果相吻合，特别是通过联合不同施工阶段 采集的数据以及地震属性，可以有效的提高预测可靠性。
Claims (5)
1.一种3D快速高分辨率隧道施工超前智能预报方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据不同的施工要求以及施工条件，设计高灵敏度宽频带信号传感器的组合方式进行数据采集；
(2)将高灵敏度宽频带信号传感器按照步骤(1)的组合方式布置于隧道掌子面上，在掌子面上进行宽震源激发，直接获取来自隧道掌子面前方的3D反射波信息；
(3)对同一时刻获取的反射地震信号进行处理，将处理结果导入反射地震信号数据库。
(4)在隧道施工过程中，每隔一定距离进行超前探测，获取反射地震信号，按照步骤(3)进行处理，将处理结果导入反射地震信号数据库；
(5)在隧道施工过程中，获取隧道施工进度中不同时刻的围岩样本，通过对围岩样本的岩性监测，将监测结果导入围岩岩性变化数据库；
(6)以围岩岩性变化为限制条件，对不同时刻所获得的反射地震信号进行分析处理，从而预测掌子面前方地质构造。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中相邻高灵敏度宽频带信号传感器的间距为0.1-1m，采样时间间隔为0.5-2ms。
3.根据权利要求1-2所述的方法，其特征在于，步骤(3)中的信号处理方法包括如下步骤：首先，对地震信号进行叠加成像处理；其次，对叠前反射地震信号数据以及叠后数据进行地震属性分析，提取常规的振幅属性、相位属性、频率属性，以及三瞬属性、地震波波形属性，对于反射地震信号中较明显的同相轴，沿层进行地震属性提取，包括沿层构造属性和地层吸收性质的参数，通过对提取的属性进行分析，获取掌子面前方岩性变化情况；再次，结合叠前及叠后属性分析结果，对叠前数据进行再处理，优化叠加结果。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中采用共反射面元叠加处理的方式进行叠加成像处理，地震波波形属性包括波峰数和波形正半周面积；沿层构造属性包括倾角分析、方位分析、响应相位和时窗内的优势频率比；地层吸收性质的参数包括吸收参数、衰减因子和品质因子。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(6)包括如下步骤：首先，对不同时刻所获得的反射地震信号进行归一化处理；其次，对归一化处理后的数据进行空间位移和采集校正；再次，对经过归一化处理及空间位移及采集校正的数据，进行差异性分析，采用相干分析的方法，提取数据库内不同时刻处理结果的相干属性，分析变化情况，最终实现预测掌子面前方地质构造。
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