CN112180429B - 利用隧道爆破震动反演的不良地质构造探测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用隧道爆破震动反演的不良地质构造探测系统及方法，包括：耦合光纤传感器组和光纤监控主机；所述耦合光纤传感器组设置在隧道锚杆钻孔内，所述耦合光纤传感器组通过传输光缆引出至光纤监控主机；耦合光纤传感器组采集由掌子面爆破震源引发的地震波数据，所述光纤监控主机对地震波数据进行处理和反演，以得到掌子面前方不良地质体的赋存状态，实现不良地质体的预报。本发明利用钻爆法隧道施工过程中的爆破震源作为主动震源，无需额外施作现有超前预报技术所需主动震源的炮孔或其他激励的震源，简化了超前探测工作环节。
Description
技术领域
本发明涉及隧道开挖及超前地质预报技术领域，尤其涉及一种利用隧道爆破震动反演的不良地质构造探测系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
在复杂地质环境地区，尤其是岩溶地区使用钻爆法开挖隧道时，常需使用超前地质预报技术来探明掌子面前方断层、岩溶等不良地质体的位置、规模及其性质。需避免因不良地质体的揭露，导致大规模地质灾害的发生，造成严重的经济损失与人员伤亡。因此，及时掌握掌子面前方不良地质体的构造、规模及性质，对钻爆法施工的隧道预防重大地质灾害的发生显得尤为重要。
目前，常用的超前预报技术有HSP、TSP、TRT、TST等较为成熟的技术。然而，在使用以上超前预报技术时仍存在以下三个方面的问题：
①需要占用单独一环施工工序，在围岩打炮孔以用来做测试；
②操作时间长，耽误施工，仪器操作复杂；
③检测设备多为电学式传感，抗电磁干扰能力差，难以适用复杂的施工环境。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种利用隧道爆破震动反演的不良地质构造探测系统及方法，利用掌子面爆破震源作为主动震源，利用隧道的锚杆孔作为传感器埋设位置，解决了现有超前预报技术工序繁琐，影响施工，电学探测装备因受干扰导致探测精度降低的问题。
为了实现上述目的，在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种利用隧道爆破震动反演的不良地质构造探测系统，包括：耦合光纤传感器组和光纤监控主机；所述耦合光纤传感器组设置在隧道锚杆钻孔内，所述耦合光纤传感器组通过传输光缆引出至光纤监控主机；
所述耦合光纤传感器组采集由掌子面爆破震源引发的地震波数据，所述光纤监控主机对地震波数据进行处理和反演，以得到掌子面前方不良地质体的赋存状态，实现不良地质体的预报。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种利用隧道爆破震动反演的不良地质构造探测方法，包括：
通过设置在隧道锚杆钻孔内的耦合光纤传感器组，采集由掌子面爆破震源引发的地震波数据，所述地震波数据经过处理、分析、反演，以得到掌子面前方不良地质体的赋存状态，实现不良地质体的预报。
所述地震波数据经过处理、分析、反演的过程具体包括：
获取地震波的视频信息；
对所述信息进行信号分离与降噪；
将降噪后的信号进行到时拾取；
实现地震波的反演定位。
其中，在获取掌子面爆破震源所产生的地震波数据后，经光纤监测设备解调，获取地震波的视频信息。
进一步地，对所述信息进行信号分离与降噪的过程包括：
获取地震波的视频信息；
采用盲源分离算法，分离出不同激励源的信号频率范围，并获得有效信号；
使用变分模态分解的方法，对分离的有效信号进行降噪。
进一步地，将降噪后的信号进行到时拾取的过程具体包括：
使用能量比法进行时间范围的确定，基于高阶统计量偏斜度的方法，利用波形曲线特征，即斜率的变化值确定地震波准确的起跳点。
进一步地，采用P波和S波双玻定位方法实现地震波的反演定位。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的利用隧道爆破震动反演的不良地质构造探测方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明利用钻爆法隧道施工过程中的爆破震源作为主动震源，无需额外施作现有超前预报技术所需主动震源的炮孔或其他激励的震源，简化了超前探测工作环节；
(2)本发明传感器埋设可利用锚杆孔进行布设，且监测完成后可进行传感器的回收重复利用，施工与探测成本低；
(3)本发明的探测装备为光纤产品，便于组网，适合长距离探测，保障探测工人人员安全，同时具有强抗电磁干扰能力，探测的定位精度。
(4)本发明通过波分复用技术能够将渗压、应力、位移等不同类型传感器进行串联，实现一缆多级传感器并行监测，同时获取多种围岩参数，提高传感器的组网效率。
(5)本发明引入盲源分离算法，分离不同频段的噪声，筛选出有效信号存在范围；基于能量比-高阶统计量偏斜度方法实现地震波到时拾取由域到点的精确拾取；使用双波定位原理，降低P波定位所带来的误差，提高定位精度。
本发明的附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明实施例中隧道围岩内检波器布设位置剖面图；
图2是本发明实施例中隧道内光纤监测装备布设方案示意图；
图3是本发明实施例中利用隧道爆破震动反演的不良地质构造探测方法流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种利用隧道爆破震动反演的不良地质构造探测系统，包括：耦合光纤传感器组和光纤监控主机；其中，参照图1，将预先通过波分复用技术串联好的光纤传感器组耦合至隧道已施工完成的锚杆钻孔内，由传输光缆引出(光缆长度可视情况调节)，连接至光纤监测主机中。
参照图2，由掌子面爆破震源引发的地震波经传感器组采集，由传输光缆传输至光纤监测主机中；所采集地震波信息经光纤监测主机的处理、分析、反演，将定位及反演结果实时展示在光纤监测主机的显示屏中。
本实施例中，对于地震波信息的处理、分析、反演过程包括：
滤波降噪：引入盲源分离算法，分离出不同激励源的信号频率范围，并获得有效信号。为了避免有效信号中出现模态混叠现象，使用变分模态分解的方法，对分离的有效信号进行降噪，进一步对噪声进行压制，从而获得高信噪比的有效信号，提高信号的反演定位精度。
到时拾取：首先使用能量比法进行时间范围的确定，再引入基于高阶统计量偏斜度的方法，利用波形曲线特征，即斜率的变化值进行地震波准确的起跳点，较好的解决了地震波起跳时刻的精确拾取。
定位反演：利用能量更多的S波，与P波一起进行双波定位，提高定位反演的精度，能够保障长距离定位结果的准确性。
本实施例中，光纤监测主机为便携式光纤探测装备。利用掌子面爆破震源作为主动震源，利用隧道的锚杆孔作为传感器埋设位置，采用高精度的光纤监测设备，不仅可以简化探测工序，节约时间成本，还可以提高探测的精度，更好的反映掌子面前方的不良地质体的孕育情况。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种利用隧道爆破震动反演的不良地质构造探测方法，参照图3，包括：
通过设置在隧道锚杆钻孔内的耦合光纤传感器组，采集由掌子面爆破震源引发的地震波数据，所述地震波数据经过处理、分析、反演，以得到掌子面前方不良地质体的赋存状态，实现不良地质体的预报。
本实施例中，对于地震波数据的具体处理过程包括：
第一步：信号分离与降噪。在获取掌子面爆破震源所产生的地震波数据后，经光纤监测设备解调，获取地震波的视频信息。引入盲源分离算法，分离出不同激励源的信号频率范围，并获得有效信号。为了避免有效信号中出现模态混叠现象，使用变分模态分解的方法，对分离的有效信号进行降噪，进一步对噪声进行压制，从而获得高信噪比的有效信号，提高信号的反演定位精度。
第二步，将处理完成的高信噪比信号进行到时拾取。首先使用能量比法进行时间范围的确定，再引入基于高阶统计量偏斜度的方法，利用波形曲线特征，即斜率的变化值进行地震波准确的起跳点，较好的解决了地震波起跳时刻的精确拾取。
第三波，地震波的反演定位。利用能量更多的S波，与P波一起进行双波定位。使用单纯形、模拟退火、粒子群等算法，完成定位反演。双波定位不仅能提高定位反演的精度，还能够保障长距离定位结果的准确性。
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 (6)
1.一种利用隧道爆破震动反演的不良地质构造探测系统，其特征在于，包括：耦合光纤传感器组和光纤监控主机；所述耦合光纤传感器组设置在隧道锚杆钻孔内，所述耦合光纤传感器组通过传输光缆引出至光纤监控主机；
所述耦合光纤传感器组采集由掌子面爆破震源引发的地震波数据，所述光纤监控主机对地震波数据进行处理和反演，以得到掌子面前方不良地质体的赋存状态，实现不良地质体的预报；所述地震波数据经过处理、分析、反演的过程具体包括：
通过波分复用技术能够将渗压、应力和位移传感器进行串联，同时获取多种围岩参数；
获取地震波的时频信息；
对所述信息进行信号分离与降噪；对所述信息进行信号分离与降噪的过程包括：获取地震波的时频信息；采用盲源分离算法，分离出不同激励源的信号频率范围，并获得有效信号；使用变分模态分解的方法，对分离的有效信号进行降噪；
将降噪后的信号进行到时拾取；将降噪后的信号进行到时拾取的过程具体包括：使用能量比法进行时间范围的确定，基于高阶统计量偏斜度的方法，利用波形曲线特征，即斜率的变化值确定地震波准确的起跳点；
实现地震波的反演定位；采用P波和S波双玻定位方法实现地震波的反演定位，降低P波定位所带来的误差。
2.如权利要求1所述的一种利用隧道爆破震动反演的不良地质构造探测系统，其特征在于，在每一个隧道锚杆钻孔内，均设置耦合光纤传感器组。
3.如权利要求1所述的一种利用隧道爆破震动反演的不良地质构造探测系统，其特征在于，所述耦合光纤传感器组通过波分复用技术串联连接。
4.一种利用隧道爆破震动反演的不良地质构造探测方法，其特征在于，包括：
通过设置在隧道锚杆钻孔内的耦合光纤传感器组，采集由掌子面爆破震源引发的地震波数据，所述地震波数据经过处理、分析、反演，以得到掌子面前方不良地质体的赋存状态，实现不良地质体的预报；所述地震波数据经过处理、分析、反演的过程具体包括：
通过波分复用技术能够将渗压、应力和位移传感器进行串联，同时获取多种围岩参数
获取地震波的时频信息；
对所述信息进行信号分离与降噪；对所述信息进行信号分离与降噪的过程包括：获取地震波的时频信息；采用盲源分离算法，分离出不同激励源的信号频率范围，并获得有效信号；使用变分模态分解的方法，对分离的有效信号进行降噪；
将降噪后的信号进行到时拾取；将降噪后的信号进行到时拾取的过程具体包括：使用能量比法进行时间范围的确定，基于高阶统计量偏斜度的方法，利用波形曲线特征，即斜率的变化值确定地震波准确的起跳点；
实现地震波的反演定位，采用P波和S波双玻定位方法实现地震波的反演定位，降低P波定位所带来的误差。
5.如权利要求4所述的一种利用隧道爆破震动反演的不良地质构造探测方法，其特征在于，在获取掌子面爆破震源所产生的地震波数据后，经光纤监测设备解调，获取地震波的时频信息。
6.一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求4-5任一项所述的利用隧道爆破震动反演的不良地质构造探测方法。
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