CN108957521B - 一种用于隧道长距离三维超前地质预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于隧道长距离三维超前地质预报方法，包括以下步骤：在隧道掌子面上布置8个检波器，分成两行，每行4个；在隧道掌子面上布置10个人工震源点，分成两行，每行5个，每个检波器的左右两侧分别设置有一个人工震源点，人工震源点的分布范围覆盖检波器的分布范围，人工震源点设置在震源垫板上；将检波器串联并与三维地震数据采集仪连接；铁锤击打震源垫板产生地震波；三维地震数据采集仪采集记录由于人工地震波传播产生的反射波信号；对反射信号进行处理，生成地震反射波特征图谱；分析地震反射波特征图谱，对隧道施工前方及其周围地质情况进行准确超前预报。本发明针对性强，方便易用，适应性强，适合推广应用。

Description

一种用于隧道长距离三维超前地质预报方法

技术领域

本发明属于隧道建设工程领域，具体地说，涉及一种用于隧道长距离三维超前地质预报方法。

背景技术

隧道超前地质预报是指在隧道开挖时，对掌子面前方及其周围的围岩岩性、地层构成和地下水情况做出超前预报。主要利用地质、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。

目前国内外地震波反射法隧道超前地质预报技术多是以瑞士AMBERG生产的TSP技术和美国的TST技术为基础，TSP技术除须在隧道洞壁两侧各一个检波器孔外，还须在洞壁一侧钻24个震源孔，采用乳化炸药爆破激发地震波，地震波在向三维空间传播的过程中，遇到声阻抗界面，即地质岩性变化的界面、构造破碎带、岩溶和岩溶发育带等，会产生弹性波的反射现象，这种反射波被布置在隧道围岩内的检波装置接收下来，输入到仪器中进行信号的放大、数字采集和处理，实现拾取掌子面前方岩体中的反射波信息，达到预报的目的。

现有的地震波反射法隧道超前地质预报技术存在以下问题：第一，干扰波多，信噪比低，检波器接收信号包括面波、声波、侧向反射波等多种干扰波，信号失真，滤波难度大；第二，费时费力：钻24个爆破孔和2个接收孔，爆破孔深1.5m，接收孔2.0m，用时2小时以上；第三，爆破封炮难度大，采用灌水方式进行封炮，需要固定水源和专人操作，人员安全性低；第四，安全性差、受环境制约性强；采用炸药做震源，需要专业人员操作，需要报安全部门审批，且仅适用于允许爆破的地区和环境；第五，准确性差：由于干扰波多，接收信号复杂，通过滤波处理后信号失真较多。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术中干扰波多、滤波技术难、信噪比低和失真严重、预报准确度差、费时费力的问题，提供了一种用于隧道长距离三维超前地质预报方法，提高了地震波反射信号质量，是一种信噪比高，保真效果好，预报准确度高且省力省时，操作简便的隧道超前地质预报方法，预报距离可达200m以上。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种用于隧道长距离三维超前地质预报方法，包括以下步骤：

步骤1、在隧道掌子面上垂直布置8个钻孔，钻孔孔径50mm，深度500mm，分成两行，每行4个，同一行的钻孔沿隧道的中线对称设置，上下两行相邻的四个钻孔成正方形布置；

步骤2、在掌子面上的8个钻孔中安装8支速度型三分量检波器；

步骤3、在隧道掌子面上布置10个人工震源点，分成两行，每行5个，每个检波器的左右两侧分别设置有一个人工震源点，上下两行相邻的四个人工震源点成正方形布置；覆盖检波器范围；

步骤4、震源垫板包括正方形钢板，所述正方形钢板的中心处设置有金属插头，将震源垫板的插头对正人工震源点垂直插入掌子面中，使震源垫板贴紧掌子面，垫板中心与人工震源点重合；

步骤5、检查测量隧道掌子面上检波器和人工震源点的安装后的实际位置，检查测量掌子面的宽度和高度；

步骤6、将8个检波器串联并与三维地震数据采集仪连接；将8磅铁锤与三维地震数据采集仪的激发器连接；

步骤7、人工手持8磅铁锤击打震源垫板中心位置产生人工地震波，每个人工震源点3击打八次；

步骤8、三维地震数据采集仪采集记录由于人工地震波传播而产生的反射波信号，得到三维地震反射波记录数据；

步骤9、对三维地震反射信号进行处理，生成三维地震反射波特征图谱；

步骤10、分析三维地震反射波特征图谱，解译隧道掌子面前方及其周围地质变化情况，对隧道施工前方及其周围地质情况进行准确超前预报。

可选地，所述的检波器为速度型检波器，型号为GMT-12V或GMT-12H。

可选地，所述布置掌子面上的8个检波器位于掌子面中间位置，分两行、正方形布置，每行4个检波器，间距为1.5～2.0m，分布于掌子面的中线两侧，上下两行相邻的4个检波器成正方形布置，掌子面底部的4个检波器距隧道掌子面底部0.5～1.0m。

可选地，所述10个人工震源点分别位于检波器的左右各1.0m处，两行分布，正方形布置，人工震源点之间的距离为1.5～2.0m，底部人工震源点距隧道掌子面底部0.5～1.0m。

可选地，所述布置在掌子面上的10个人工震源点的分布范围覆盖所述8个检波器的分布范围。

可选地，所述正方形钢板的厚度为10mm，所述金属插头长度为80mm。

可选地，所述三维地震反射波特征图谱包括纵波波速图谱、横波波速图谱、含水量概率图谱、泊松比、杨氏模量及风险等级概率图谱。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

1)本发明通过在隧道掌子面布设多个人工震源点激发地震波和多点检波器采集反射波，结合相应的数据处理算法，获得隧道未开挖区域的地震波三维特征图谱，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，实现了隧道长距离三维超前地质预报，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)本发明包括发明了人工锤击震源垫板，震源垫板由10mm厚正方形钢板和固定金属插头组成，提高了人工激发地震波信号的信噪比，保证了低频信号质量，拓宽了有效信号频率宽度，提高了地震波的穿透性能。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明检波器掌子面布置图；

图2是本发明检波器掌子面安装图；

图3是本发明人工震源点布置图；

图4是本发明人工震源垫板的正视图；

图5是本发明人工震源垫板的俯视图；

图6是本发明纵波波速分布图；

图7是本发明横波波速分布图；

图8是本发明泊松比分布图；

图9是本发明含水性推断图；

图10是本发明围岩情况分析图；

图11是本发明危险等级概率图。

具体实施方式

以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

本发明公开了一种用于隧道长距离三维超前地质预报方法，包括以下步骤：

步骤1、如图1所示，在隧道掌子面1上布置8个钻孔2，钻孔孔径为50mm，深度为500mm，分成两行，每行4个，靠近隧道掌子面1底部的4个钻孔2距隧道掌子面1底部0.5～1.0m；两个相邻的钻孔2之间的距离为1.5～2.0m；同一行的钻孔2沿隧道的中线对称设置，上下两行相邻的四个钻孔2成正方形布置；

步骤2、如图2所示，在掌子面1上的8个钻孔2中，安装8个高精度速度型检波器3，检波器3垂直于隧道掌子面1安装，安装深度为0.5m；

其中，检波器3的型号为GMT-12V或GMT-12H。

步骤3、如图3所示，在隧道掌子面1上布置10个人工震源点4，分成两行，每行5个，每个检波器3的左右两侧分别设置有一个人工震源点4，上下两行相邻的四个人工震源点4成正方形布置；靠近隧道掌子面1底部的5个人工震源点4距隧道掌子面1底部0.5～1.0m；两个相邻的人工震源点4之间的距离为1.5～2.0m；覆盖检波器3范围；

步骤3、如图4所示，在人工震源点4安装震源垫板5，震源垫板5包括正方形钢板6，所述正方形钢板6的中心处设置有金属插头7，金属插头7垂直插入人工震源点4处的掌子面1的围岩中，震源垫板5的中心点与人工震源点4重合；所述正方形钢板6的厚度为10mm；金属插头长度为8cm；震源垫板5能够降低人工震动频率，提高地震波质量；

步骤4、检查测量隧道掌子面1上检波器3和人工震源点4的安装后的实际位置，检查测量掌子面1的宽度和高度；

步骤5、将8个检波器3串联并与三维地震数据采集仪连接；将8磅铁锤与三维地震数据采集仪的激发器连接；

步骤6、人工手持8磅铁锤击打震源垫板5中心位置产生人工地震波，每个人工震源点4击打八次；通过锤击和设置震源垫板5，降低了地震波频率，减少了面波、侧面波及声波等干扰波的产生，保真了多波宽频信号质量，提高了振动波的信噪比。

步骤7、三维地震数据采集仪采集记录由于人工地震波传播而产生的反射波信号，得到三维地震反射波记录数据；

步骤8、对三维地震反射信号进行处理，生成三维地震反射波特征图谱；

步骤9、分析三维地震反射波特征图谱，解译隧道掌子面1前方及其周围地质变化情况，对隧道施工前方及其周围地质情况进行准确超前预报。

其中，三维地震反射波特征图谱包括：1)速度图谱，判定隧道施工前方及其周围围岩岩性；2)含水量概率图谱，判定隧道施工前方及其周围的地下水分布；3)泊松比、杨氏模量及风险等级概率图谱，判定隧道施工前方及其周围围岩可能存在的不良地质现象。

由图6可知，可以得到围岩波速传播能力，初步确定围岩性质；由图7可知，根据横波波速分布图可以确定围岩岩性及不良地质体性质；由图8可知，根据泊松比分布图确定围岩的软岩程度；由图9可知，根据含水性推断图可以得到围岩含水大小，确定地下水的规模和状态；由图10可知，可以得到围岩的裂隙发育、岩体破碎程度；由图10可知，可以得到围岩的裂隙发育、岩体破碎程度。由图11可知，可以确定隧道围岩稳定状态，施工过程中的安全风险程度。

本发明通过在隧道掌子面布设多个人工震源激发地震波，地震波向隧道开挖前方及其周围传播，遇到地质异常后产生反射波，通过布置于掌子面表层的多个检波器进行接收，对隧道施工前方及其周围地质情况进行准确超前预报。

上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于隧道长距离三维超前地质预报方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在隧道掌子面(1)上垂直布置8个钻孔(2)，钻孔孔径50mm，深度500mm，分成两行，每行4个，同一行的钻孔(2)沿隧道的中线对称设置，上下两行相邻的四个钻孔(2)成正方形布置；

步骤2、在掌子面(1)上的8个钻孔(2)中安装8支检波器(3)，检波器(3)与钻孔(2)孔壁密合，安装深度500mm；

步骤3、在隧道掌子面(1)上布置10个人工震源点(4)，分成两行，每行5个，每个检波器(3)的左右两侧分别设置有一个人工震源点(4)，上下两行相邻的四个人工震源点(4)成正方形布置；

步骤4、震源垫板(5)包括正方形钢板(6)，所述正方形钢板(6)的中心处设置有金属插头(7)，将震源垫板(5)的金属插头(7)对正人工震源点(4)垂直插入掌子面(1)中，使震源垫板(5)贴紧掌子面(1)，垫板中心与人工震源点(4)重合；

步骤5、检查测量隧道掌子面(1)上检波器(3)和人工震源点(4)的安装后的实际位置，检查测量掌子面(1)的宽度和高度；

步骤6、将8个检波器(3)串联并与三维地震数据采集仪连接；将8磅铁锤与三维地震数据采集仪的激发器连接；

步骤7、人工手持8磅铁锤击打震源垫板(5)中心位置产生人工地震波，每个人工震源点(4)击打八次；

步骤8、三维地震数据采集仪采集记录由于人工地震波传播而产生的反射波信号，得到三维地震反射波记录数据；

步骤9、对三维地震反射信号进行处理，生成三维地震反射波特征图谱；

步骤10、分析三维地震反射波特征图谱，解译隧道掌子面(1)前方及其周围地质变化情况，对隧道施工前方及其周围地质情况进行准确超前预报，所述三维地震反射波特征图谱包括纵波波速图谱、横波波速图谱、含水量概率图谱、泊松比、杨氏模量及风险等级概率图谱。

2.根据权利要求1所述的用于隧道长距离三维超前地质预报方法，其特征在于，所述的8个检波器(3)为高精度速度型，型号为GMT-12V或GMT-12H。

3.根据权利要求1所述的用于隧道长距离三维超前地质预报方法，其特征在于，所述布置掌子面上的8个检波器(3)位于掌子面中间位置，分两行、正方形布置，每行4个检波器(3)，间距为1.5～2.0m，分布于掌子面(1)的中线两侧，上下两行相邻的4个检波器(3)成正方形布置，掌子面(1)底部的4个检波器(3)距隧道掌子面(1)底部0.5～1.0m。

4.根据权利要求1所述的用于隧道长距离三维超前地质预报方法，其特征在于，所述10个人工震源点(4)分别位于检波器(3)的左右各1.0m处，两行分布，正方形布置，人工震源点(4)之间的距离为1.5～2.0m，底部人工震源点距隧道掌子面(1)底部0.5～1.0m。

5.根据权利要求1所述的用于隧道长距离三维超前地质预报方法，其特征在于，所述布置在掌子面(1)上的10个人工震源点(4)的分布范围覆盖所述8个检波器(3)的分布范围。

6.根据权利要求1所述的用于隧道长距离三维超前地质预报方法，其特征在于，所述正方形钢板(5)的厚度为10mm，所述金属插头长度为80mm。

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