CN111158050B - 数据采集系统、方法及隧道地震波超前预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数据采集系统、方法及隧道地震波超前预报方法。该系统包括在隧道侧壁上布置的第一激发点、第二激发点和位于所述第一激发点、第二激发点的多个接收点，所述第一激发点、第二激发点和多个接收点布置成位于与隧道走向平行的一条直线上；其中，第一激发点靠近掌子面，第一激发点与其最靠近的一个接收点间隔第一距离，第二激发点与其最靠近的一个接收点间隔第二距离，所述第一距离与第二距离相等。本发明实施例的数据采集系统、方法及隧道地震波超前预报方法利用地震波路径互换原理，减去路程差，可进行同相叠加，增加信噪比。

Description

数据采集系统、方法及隧道地震波超前预报方法

技术领域

本发明涉及施工地质检测领域，尤其涉及一种数据采集系统、方法及隧道地震波超前预报方法。

背景技术

预测隧道开挖过程中的不利地质条件、预报掌子面前方的地质构造和含水性，从而保障施工安全。同时超前预报也为隧道施工的方法、支护形式的变更提供了重要依据，减少了施工的盲目性。

为了有效地使用反射地震信号预报随道掌子面前方的地质情况，在观测方式和处理方法方面形成几种不同的专门技术，其中包括负视速度法、TSP、TRT和TST等预报技术。这些技术都属于反射地震预报技术，代表不同的研究阶段和技术特点。从目前应用的各种隧道超前预报方法看出，随道地震超前预报技术可以按观测方式分为两类:一类是直线布置，包括负视速度法、水平剖面法，一类是空间布置，包括TSP、TRT和TST。

负视速度法是由我国铁路系统在上世纪90年代初开发的反射地震隧道超前预报方法，该方法的原理是利用地震波在不均地层中产生的反射波特征，来预报随道施工开挖面前方的地质情况。负视速度法观测时，检波器和炮点在一条平行隧道轴的直线上，利用直达波速估计前方围岩的波速，利用反射波走时曲线与直达波走时曲线的交点推测前方构造界面的位置，其观测与分析方法地震测井的垂直剖面方法有很多相似之处，所以有时也称“垂直剖面”，对于前方规模较大的不良地质体可做出预报。

负视速度法的缺点是只适用于地质结构比较简单的隧道，在地质结构比较复杂的隧道中进行超前预报时，记录剖面就会比较复杂，预报效果就会变差。

TRT技术全称是True Reflection Tomography，意为“真正的反射层析成像”，是由美国Corolado矿业学院的NSA工程公司在上世纪末本世纪初开发的在欧洲、亚洲开始应用。与TSP系统和TGP系统相似，TRT系统的基本原理也是基于地震波反射原理，区别在于资料处理和解释的方法的不同，在观测方式上，TRT技术的突出特点是实现了空间，检波器和激发炮点布置在隧道两侧和掌子面上，最大限度地扩展横向展布，以充分获得空间波场信息，提高波速分析和不良地质体的定位精度。TRT资料处理时是假定一个波速模型，根据检波器接收到的地震波信号得到某一波形传播的时间，运用波速初始模型得到运算后的不良地质体的推测距离，然后根据实际情况修改模型参数，以求得最符合实际的结果。具体的实施方法是以每个震源和地震信号检波器组的位置为焦点，所有产生回波的反射体的位置可以确定一个椭球，足够多数量的震源和检波器组对形成众多的摘球，每个界面反射的地层位置可以由这些众多椭球交汇区域所确定，反射边界每一点离散图像的计算包括由所有炮检组所对应的三维岩体选定的区块，离散图像中各点值是由空间叠加所有地震波波形而得到的TRT预报系统的缺点是当施测遇到软弱围岩地段时，震源能量衰减快，探测距离和精度都受到很大影响。TRT方法在隧道地震超前预报中，国内外的使用都比较少，需要积累经验进一步改进效果。

TST技术(Tunnel Seismic Tomography)是隧道地震CT成像技术的简称，其基本原理是逆散射成像，散射理论使用的范围更广泛，它认为反射只是散射中的一种特殊情况，反射波的能量一般比散射波能量大得多，在使用的波长一定的条件下，应用反射理论只能识别远大于波长的目标体，应用散射理论可识别比波长小得多的异常体。隧道地震CT技术的观测系统是采用空间布置的。在TST隧道CT成像技术的观测系统中，通常是将12个检波器在隧道边墙两边按照单边6个摆放，检波器之间的距离3至4m，单边覆盖长度约20m左右，检波器插入边墙的深度约为1.5至2米，在掌子面进行爆破或者锤击激发震源，单次预报进行4至5次的激发

TST随道地震预报系统是运用运动学和动力学信息，既可以预报构造位置，也可以预报围岩力学性质的空间变化。缺点是在实际探测中预报效果比理论预期有一定差距，布置方式复杂。

发明内容

鉴于此，本发明实施例提供了一种数据采集系统、方法及隧道地震波超前预报方法，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷。

本发明的技术方案如下：

一种用于隧道地震波超前预报的数据采集系统，该系统包括在隧道侧壁上布置的第一激发点、第二激发点和位于所述第一激发点、第二激发点的多个接收点，所述第一激发点、第二激发点和多个接收点布置成位于与隧道走向平行的一条直线上；

其中，第一激发点靠近掌子面，第一激发点与其最靠近的一个接收点间隔第一距离，第二激发点与其最靠近的一个接收点间隔第二距离，所述第一距离与第二距离相等。

在本发明实施例中，所述第一激发点和第二激发点的孔深1.2m至1.8m，孔相对于隧道边壁倾斜10°至20°。

在本发明实施例中，各个检波点的孔深2m，直径为50mm，检波点的孔与隧道边壁垂直，各个检波点的孔均匀布置，分别相距1.5m至2.0m。

在本发明实施例中，所述第一距离与第二距离为15m至20m。

在本发明实施例中，所述接收点布置为24个。

一种根据上述数据采集系统实施的数据采集方法，该方法包括；

根据来自第一激发点产生的发射波到达各接收点的时间和各接收点到原点的距离，获得第一时距曲线；

根据来自第二激发点产生的发射波到达各接收点的时间和各接收点到原点的距离，获得第二时距曲线；

将第一时距曲线和第二时距曲线中的一个时距曲线叠加一个时间差量，以获得第三时距曲线；

将第三时距曲线与第一时距曲线和第二时距曲线中的另一个时距曲线同相叠加，获得目标时距曲线。

在本发明实施例中，将第一时距曲线和第二时距曲线中的一个时距曲线叠加的时间差量是根据各接收点接收到来自第一激发点和第二激发点产生的发射波的时间差确定的。

在本发明实施例中，将第一时距曲线和第二时距曲线中的一个时距曲线叠加一个时间差量包括：将第二时距曲线向上时移ΔT，以获得第三时距曲线；将第三时距曲线与第一时距曲线同相叠加，获得目标时距曲线。

在本发明实施例中，将第三时距曲线与第一时距曲线和第二时距曲线中的另一个时距曲线同相叠加用于压制随机噪音。

一种隧道地震波超前预报方法，该方法包括上述数据采集方法。

根据本发明实施例的数据采集系统、方法及隧道地震波超前预报方法，可获得的有益效果至少包括：

本发明实施例的数据采集系统、方法及隧道地震波超前预报方法利用地震波路径互换原理，减去路程差，可进行同相叠加，增加信噪比。

本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

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，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：

图1为本发明一实施例的数据采集系统的示意图。

图2为本发明一具体实施例的数据采集系统的示意图。

图3为本发明一实施例的数据采集系统的两个激震点的反射波路径图。

图4为本发明一实施例的数据采集方法的框图。

图5为本发明一实施例的第二激发点对应的时距曲线。

图6为本发明一实施例的第一激发点对应的时距曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

在本发明实施例中，提供了一种用于隧道地震波超前预报的数据采集系统，以提高在地质预报观测中前期数据采集和处理中提高信噪比，提高地质预报准确率。

在本发明实施例中，如图1所示，该系统包括在隧道侧壁上布置的第一激发点100、第二激发点200和位于所述第一激发点、第二激发点的多个接收点300，第一激发点100、第二激发点200和多个接收点300布置成位于与隧道走向平行的一条直线上。

其中，第一激发点100靠近掌子面，第一激发点100与其最靠近的一个接收点间隔第一距离，第二激发点200与其最靠近的一个接收点间隔第二距离，第一距离与第二距离相等。

图3为本发明一实施例的数据采集系统的发射波路径图，图示中的右侧斜线为发射界面，即地质岩性变化的界面，如图3所示，根据本发明实施例的数据采集系统，利用两端激发，中间接收的布置方式，各接收点收到来自两个激发点在发射界面反射的地震波的时间不同，将接收点获得的两个炮集数据记录叠加后，可压制随机噪音，具有提高信噪比的特性。

本发明实施例中采用的数据采集系统是采取两端激发，中间接收的多道双向地质预报观测系统，从理论上实现了对探测目标的多次覆盖，根据该系统获得的数据及采用对应的处理方法，具有压制随机噪音，提高信噪比的技术效果。

在本发明实施例中，如图1和图2所示，第一激发点100和第二激发点200的孔深1.2m至1.8m，孔相对于隧道边壁倾斜10°至20°。具体实施时，第一激发点100和第二激发点200处可布置有激发地震波的发射源，如雷管炸药等。

在本发明实施例中，各个检波点的孔深2m，直径为50mm，检波点的孔与隧道边壁垂直，各个检波点的孔均匀布置，分别相距1.5m至2.0m。本发明实施例的数据采集系统采用孔内接收方式，各个检波点处可布置有接收检波器。

在本发明实施例中，接收点可布置为24个，接收点设置的数目可根据实际情况设定。

以图2为例，本发明实施例的第一激发点为激发点1，第二激发点为激发点2，各个接收点从外向内(远离掌子面到靠近掌子面的方向)编号分别为1至24。即激发点1与接收点24最为靠近，激发点2与接收点1最为靠近。激发点1至接收点24的第一距离r1与激发点2至接收点r2的第二距离相等，均为15m至20m。在该实施例中，数据采集系统的数据采集方式和观测方式高效简单，只需要激发两炮。在数据预处理阶段，因采用单炮多道接收，不需要对初至时间进行校正，初至波速度更加准确。

根据本发明的另一方面，也提供了一种根据上述数据采集系统实施的数据采集方法，如图4所示，本发明实施例的数据采集方法包括：

根据来自第一激发点产生的发射波到达各接收点的时间和各接收点到原点的距离，获得第一时距曲线。在该步骤中，原点可以通过第一激发点、第二激发点和多个接收点在隧道中的水平位置建立的坐标系确定。

根据来自第二激发点产生的发射波到达各接收点的时间和各接收点到原点的距离，获得第二时距曲线。在该步骤中，可将这个两个原点设定为同一个点。获得第一时距曲线和第二时距曲线的步骤可以互换。

将第一时距曲线和第二时距曲线中的一个时距曲线叠加一个时间差量，以获得第三时距曲线。在一实施例中，此处所述的时间差量ΔT即是由于两个激发点的间距引起的地震波旅行时间不同。时间差量ΔT可根据各接收点接收到来自第一激发点和第二激发点产生的发射波的时间差确定的。

将第三时距曲线与第一时距曲线和第二时距曲线中的另一个时距曲线同相叠加，获得目标时距曲线。此处所述的目标时距曲线相对于原始的第一时距曲线或第二时距曲线，具有压制随机噪音、提高信噪比的特性，且目标时距曲线的连续性也得以增加。

在本发明实施例中，图5为各接收点接收到来自第二激发点的直达波和反射波的第二时距曲线，图6为各接收点接收到来自第一激发点的直达波和反射波的第一时距曲线。其中，两组时距曲线的直达波同相轴呈交叉状，来自反射界面的反射波成平形状分布，则反射波同相轴可同相叠加，来自第二激发点产生的反射波时间大于第一激发点产生的反射波时间。本发明实施例的数据可采用有关反射波的数据记录。

在本发明一具体实施例中，将第二时距曲线向上时移ΔT，以获得第三时距曲线；将第三时距曲线与第一时距曲线同相叠加，获得目标时距曲线。例如，对激发点2的炮集记录向上时移ΔT，产生时移后的炮集记录2’，与炮集记录1相加，则反射波同相轴可同相叠加，获得新炮集记录1’。在该实施例中，目标时距曲线(新炮集记录1’)相对于第一时距曲线(炮集记录1)，具有压制随机噪音、提高信噪比的特性。例如可将设定误差范围的数据点去除，以提高信噪比。

在另一实施例中，也可将第一时距曲线向下时移ΔT，以获得第四时距曲线；将第四时距曲线与第二时距曲线同相叠加，获得目标时距曲线。例如，对激发点1的炮集记录向下时移ΔT，产生时移后的炮集记录1”,与炮集记录2相加，则反射波同相轴可同相叠加，获得新炮集记录2”，在该实施例中，目标时距曲线相对于第二时距曲线(新炮集记录2”)，同样具有压制随机噪音、提高信噪比的特性。

本发明的实施例中，可采用第一激发点的时距曲线或炮集记录，第一激发点靠近掌子面，其有效的预报距离更长。

根据本发明的再一方面，也提供了一种隧道地震波超前预报方法，该方法包括上述数据采集方法。将本发明实施例数据采集系统、方法应用在隧道地震波超前预报方法中，其工作原理是利用在隧道围岩的两个激发点分别激发弹性波，弹性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器接收下来，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。

本发明实施例的数据采集系统、方法及隧道地震波超前预报方法可适用于隧道地质超前预报的观测系统布置、数据预处理阶段，其采用的爆炸装置、检波器、地震信号记录仪和信号处理装置等设备采用现有阶段的仪器设备。后期的数据分析方法如方向滤波波场分离、围岩波速分布扫描分析、地质构造偏移成像和地质解释环节也可采用现有阶段的处理方法。

根据本发明实施例的数据采集系统、方法及隧道地震波超前预报方法，可获得的有益效果至少包括：

(1)本发明实施例的数据采集系统、方法及隧道地震波超前预报方法利用地震波路径互换原理，减去路程差，可进行同相叠加，增加信噪比。

(2)本发明实施例对时距曲线进行时移校正、叠加，提高了信噪比，也增加反射波同相轴连续性。

(3)本发明实施例的数据采集方式高效，只激发2炮。

(4)本发明实施例应用在数据预处理中，不需要初至校正，因采用单炮多道接收，其初至时间不需要校正，初至波速度更准确。

(5)本发明实施例的第一激发点靠近掌子面(迎头)，其预报距离更长。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于隧道地震波超前预报的数据采集系统，其特征在于，该系统包括在隧道侧壁上布置的第一激发点、第二激发点和位于所述第一激发点、第二激发点的多个接收点，所述第一激发点、第二激发点和多个接收点布置成位于与隧道走向平行的一条直线上；

其中，第一激发点靠近掌子面，第一激发点与其最靠近的一个接收点间隔第一距离，第二激发点与其最靠近的一个接收点间隔第二距离，所述第一距离与第二距离相等。

2.根据权利要求1所述的数据采集系统，其特征在于，所述第一激发点和第二激发点的孔深1.2m至1.8m，孔相对于隧道边壁倾斜10°至20°。

3.根据权利要求1所述的数据采集系统，其特征在于，各个检波点的孔深2m，直径为50mm，检波点的孔与隧道边壁垂直，各个检波点的孔均匀布置，分别相距1.5m至2.0m。

4.根据权利要求1所述的数据采集系统，其特征在于，所述第一距离与第二距离为15m至20m。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的数据采集系统，其特征在于，所述接收点布置为24个。

6.一种根据权利要求1至5中任一项所述的数据采集系统实施的数据采集方法，其特征在于，该方法包括；

根据来自第一激发点产生的发射波到达各接收点的时间和各接收点到原点的距离，获得第一时距曲线；

根据来自第二激发点产生的发射波到达各接收点的时间和各接收点到原点的距离，获得第二时距曲线；

将第一时距曲线和第二时距曲线中的一个时距曲线叠加一个时间差量，以获得第三时距曲线；

将第三时距曲线与第一时距曲线和第二时距曲线中的另一个时距曲线同相叠加，获得目标时距曲线。

7.根据权利要求6所述的数据采集方法，其特征在于，将第一时距曲线和第二时距曲线中的一个时距曲线叠加的时间差量是根据各接收点接收到来自第一激发点和第二激发点产生的发射波的时间差确定的。

8.根据权利要求7所述的数据采集方法，其特征在于，将第一时距曲线和第二时距曲线中的一个时距曲线叠加一个时间差量包括：将第二时距曲线向上时移ΔT，以获得第三时距曲线；

将第三时距曲线与第一时距曲线同相叠加，获得目标时距曲线。

9.根据权利要求7所述的数据采集方法，其特征在于，将第三时距曲线与第一时距曲线和第二时距曲线中的另一个时距曲线同相叠加用于压制随机噪音。

10.一种隧道地震波超前预报方法，该方法包括权利要求6至9中任一项所述的数据采集方法。

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