CN112505746A - 一种基于隧道钻爆施工的探测系统及其对应方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例中公开了一种基于隧道钻爆施工的探测系统及其对应方法，其中，本实施例提供的系统包括第一探测子系统、第二探测子系统以及第三探测子系统，分别从垂直孔与掌子面、地表与掌子面以及掌子面后方微震监测系统三个方面对隧道周围的地质进行全方位探测，可以利用钻爆法施工中掌子面爆破波以及施工掘进时围岩中的微地震事件作为震源，不需要在震源上额外增加成本，可以利用前期地勘的垂直孔、掌子面爆破波、围岩中的微地震事件，进行全方位实时探测隧道施工过程中的隧道掌子面前后、轴向上方及地表的地层信息变化，能够提高地质勘察的探测深度和精度。

Description

一种基于隧道钻爆施工的探测系统及其对应方法

技术领域

本发明涉及隧道施工地震波探测技术领域，具体涉及一种基于隧道钻爆施工的探测系统及其对应方法。

背景技术

随着我国西部山区的深埋长大隧道工程越来越多，工程地质条件越来越复杂，面临活动断层、高地应力、高地温、高地下水等难题。

很多山区地下工程前期地质勘察除了全轴线物探和工程地调，还在轴线上方地表布置少量的垂直孔钻探，用于直接揭示轴线某一点的地质情况和验证物探成果，即便如此，也很难准确地将轴线地质情况查清楚，这也给设计施工带来很大的不确定性和安全隐患；而且施工地质勘察往往是靠掌子面附近的地质素描、超前钻孔和综合物探，预报距离短，效果一般。

在地震波、电法、电磁法这三种主要物探方法中，地震波探测精度最高、反演剖面最直观，在前期勘察中，但这种方法受制于震源能量，探测深度和精度不能满足精细地质勘察的需要。

发明内容

本发明实施例中提供一种基于隧道钻爆施工的探测系统及其对应方法，能够提高地质勘察的探测深度和精度。

一方面，本发明提供一种基于隧道钻爆施工的探测系统，该系统包括：第一探测子系统、第二探测子系统以及第三探测子系统，其中：

所述第一探测子系统包括多个串式检波器、地震波采集设备以及GPS授时装置，多个所述串式检波器根据预置的设置规则分别垂直串联设置在山体表面布置的垂直孔中，所述垂直孔深度超过遂洞轴线标高，所述垂直孔为前期勘察时山体表面布置的垂直孔，所述串式检波器在井口处连接所述地震波采集设备，所述GPS授时装置设置在隧洞口，与撑子面进行通信，用于确定爆破的准确时间，所述地震波采集设备与所述GPS授时装置相连接；

所述第二探测子系统包括多个地表检波器、所述地震波采集设备以及所述GPS授时装置，多个所述地表检波器根据预置的长度间隔串联设置在隧道对应的地表，所述地震波采集设备与所述地表检波器相连接；

所述第三探测子系统包括微震监测检波器以及微震采集系统，所述微震监测检波器设置在掌子面后方一定范围内的钻孔中，所述微震采集系统设置在隧洞口，所述微震监测检波器通过导线与所述微震采集系统相连接。

在一些实施例中，所述预置的设置规则包括：串式检波器在隧洞直径范围内间隔1m设置，在隧洞轮廓边缘至隧洞轴线100m范围内间隔3m设置，在隧洞轮廓边缘至隧洞轴线100m范围外间隔10m设置。

在一些实施例中，所述垂直孔注有耦合剂。

在一些实施例中，所述地表检波器设置在所述地表下20cm。

在一些实施例中，所述地表检波器为一种高度集成化的检波器。

在一些实施例中，所述串式检波器为一种高度集成化的检波器。

在一些实施例中，所述预置的长度间隔为2-5m。

另一方面，本发明还提供一种基于隧道钻爆施工的探测方法，该方法用于对用于对基于隧道钻爆施工的探测系统进行使用，包括：

所述第一探测子系统的使用方法：

对所述地震波采集设备进行采集参数设置；

当撑子面进行爆破时，所述地震波采集设备通过所述串式检波器采集所述爆破产生的地震波；

所述GPS授时装置与撑子面进行通信，自动确定撑子面的爆破时间；

所述地震波采集设备通过所述GPS授时装置获取所述爆破时间；

根据撑子面与所述串式检波器的空间位置、所述地震波及爆破时间，利用地震波层析成像法反演计算掌子面到垂直孔之间轴线上地层的波速结构，预测轴线前方的地质情况，得到第一探测信息；

所述第二探测子系统的使用方法：

对所述地震波采集设备进行采集参数设置；

当撑子面进行爆破时，所述地震波采集设备通过所述地表检波器接收所述爆破产生的地表地震波；

所述GPS授时装置与撑子面进行通信，自动确定所述撑子面的爆破时间；

所述地震波采集设备通过GPS授时装置获取所述爆破时间；

根据撑子面与所述地表检波器的空间位置、所述地表地震波及所述爆破时间，利用地震波层析成像法反演计算掌子面到地表之间轴线上地层的波速结构，预测轴线前方的地质情况，得到第二探测信息；

所述第三探测子系统的使用方法：

撑子面施工掘进时，会在掌子面附近围岩中产生的大量微震，所述微震采集系统通过所述微震监测检波器采集微震波；

根据采集的微震波和所述微震监测检波器的空间位置，利用震源双差定位技术反演出微震事件的空间位置、震源机制解、震级大小；

根据采集的微震波和所述微震监测检波器的空间位置，在事件较多、分布较广的前提下，利用地震波层析成像法反演震源到所述微震监测检波器之间围岩的波速结构，结合前期地勘成果，估计围岩的损伤状态和质量分级，并根据所述微震事件的空间位置和所述震级大小估计围岩稳定状态，预测岩爆，得到第三探测信息；

根据所述第一探测信息、第二探测信息以及第三探测信息得到探测结果。

在一些实施例中，所述采集参数包括：采样率、采样长度、阈值以及报警值。

在一些实施例中，所述地震波采集设备通过所述串式检波器采集所述爆破产生的地震波之后，所述方法还包括：

所述地震波采集设备判断所述地震波对应的波形是否为无效波形；

若是，则切除所述无效波形所对应的地震波。

本发明的优点在于，可以利用钻爆法施工中掌子面爆破波以及施工掘进时围岩中的微地震事件作为震源，不需要在震源上额外增加成本，可以利用前期地勘的垂直孔、掌子面爆破波、围岩中的微地震事件，进行全方位实时探测隧道施工过程中的隧道掌子面前后、轴向上方及地表的地层信息变化，能够提高地质勘察的探测深度和精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于隧道钻爆施工的探测系统一个实施例结构示意图；

图2是本发明实施例中第三探测子系统的一个结构示意图；

图3是本发明实施例中第一探测子系统的使用流程示意图；

图4是本发明实施例中第二探测子系统的使用流程示意图；

图5是本发明实施例中第三探测子系统的使用流程示意图；

图6是本发明实施例中系统的应用场景与整体流程示意图；

图中：撑子面11、震源12、地震波13、垂直孔14、遂洞15、钻孔16；串式检波器21、地震波采集设备22、GPS授时装置23、地表检波器24、微震监测检波器25、微震采集系统26、导线27。

具体实施例

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，本领域技术人员在没有作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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本发明中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本发明，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本发明。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本发明的描述变得晦涩。因此，本发明并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本发明所公开的原理和特征的最广范围相一致。

本发明实施例提供一种基于隧道钻爆施工的探测系统，其中，

钻爆法施工中掌子面掘进爆破能量大，作为地震波探测的震源优势十分明显，而且这种震源不需要增加成本，也是“天然”来源的。此外，施工掘进对围岩原地应力的扰动，在掌子面附近围岩中产生的大量微地震事件也可作为地震波探测的震源，同时，这些“天然”地震波可以直接带来围岩的地应力场和围岩速度结构等设计施工需要的地学信息，此外，在很多山区地下工程前期地质勘察除了全轴线物探和工程地调，还在轴线上方地表布置少量的垂直孔钻探。

本发明可以利用撑子面爆破以及撑子面施工掘进产生能量作为震源，前提地质勘察布置的垂直孔可作为探测位置，节省探测成本。

如图1所示，图1为本发明实施例提供一种基于隧道钻爆施工的探测系统，该系统包括：第一探测子系统、第二探测子系统以及第三探测子系统：

其中，本实施例以撑子面11爆破为震源12，并且以地震波13的形式在岩体中传播，其中：

本发明中的第一探测子系统为基于垂直孔与掌子面的地震波探测系统，该子系统包括多个串式检波器21、地震波采集设备22以及GPS授时装置23，多个串式检波器21根据预置的设置规则分别垂直串联设置在山体表面布置的垂直孔14中，垂直孔14深度超过遂洞15轴线标高，垂直孔14为前期勘察时山体表面布置的垂直孔14，串式检波器21在井口处连接地震波采集设备22，GPS授时装置23设置在隧洞口，与撑子面11进行通信，用于确定爆破的准确时间，地震波采集设备22与GPS授时装置23相连接。

本实施例中，地震波采集设备22与GPS授时装置23的连接方式可以是无线也可以是有线，具体连接方式此处不做限定。

在一些实施例中，在垂直孔14中放入串式检波器21的设置规则可以为：串式检波器21在隧洞15直径范围内间隔1m设置，在隧洞轮廓边缘至隧洞轴线100m范围内间隔3m设置，在隧洞轮廓边缘至隧洞轴线100m范围外间隔10m设置，具体情况根据隧洞15的埋深确定，其设置规则此处不做限定。

在一些实施例中，为了更好的接收地震波13，在垂直孔14中注入耦合剂，以减少地震波13的衰减。

在一些实施例中，串式检波器21为一种高度集成化的检波器，可实现自动采集、存储、数据传输，地震波采集设备22为地震波自动实时采集设备。

本发明中的第二探测子系统为地表与掌子面地震波探测系统，该子系统具体包括多个地表检波器24、地震波采集设备22以及GPS授时装置23，多个地表检波器24根据预置的长度间隔串联设置在隧道对应的地表，地震波采集设备与地表检波器相连接，其中，地震波采集设备22以及GPS授时装置23可以供第一探测子系统以及第二探测子系统共用。

在一些实施例中，预置的长度间隔为2-5m，即地表检波器24在地表的道间距可以为2m至5m，例如为3m，其具体间隔长度此处不做限定。

其中，本实施例中地表检波器24设置在地表一定范围内，例如，设置在撑子面前方的山体顶部。

其中，本实施例中，地表检波器24是一种高度集成化的检波器，可实现自动采集、存储、数据传输；

在一些实施例中，为了更好的接收地地震波13，需要将地表检波器24埋入地表20cm，以减少地震波13的衰减，当然，在另一些实施例中也可以将地表检波器24埋入地表其他深度，例如25cm，具体深度视具体情况而定，此处不做限定。

本发明中的第三探测子系统为掌子面后方微震监测系统，该子系统包括微震监测检波器25以及微震采集系统26，如图2所示，图2为图1中第三探测子系统的放大图，在本实施例中的掌子面11后方一定范围内(例如5m)布置一定数量的钻孔16，微震监测检波器25设置在掌子面11后的钻孔16中，微震采集系统26设置在隧洞口，微震监测检波器25通过导线27与微震采集系统26相连接。

为便于更好的实施本申请实施例提供的基于隧道钻爆施工的探测系统方法，本申请实施例还提供一种基于上述基于隧道钻爆施工的探测系统的方法。其中名词的含义与上述基于隧道钻爆施工的探测系统中相同，具体实现细节可以参考系统实施例中的说明。

请参阅图3至图5，本发明提供一种基于隧道钻爆施工的探测方法，该方法为基于隧道钻爆施工的探测系统的实施方式，具体包括第一探测子系统的使用方法、第二探测子系统的使用方法以及第三探测子系统的使用方法，如下：

如图3所示，第一探测子系统的使用方法为：

101、对地震波采集设备进行采集参数设置。

具体地，在探测前需要对采集参数进行设置，该采集参数包括采样率、采样长度、阈值以及报警值等。

其中，通过前期勘察，在山体表面布置垂直孔，钻孔深度超过隧洞轴线标高以下一定深度。

102、当撑子面进行爆破时，地震波采集设备通过串式检波器采集爆破产生的地震波。

本实施例中，在垂直孔中放入串式检波器，在隧洞直径范围内，检波器间距1m，隧洞1轮廓边缘至隧洞轴线100m范围内间距为3m，100m范围外间距为10m，具体情况根据隧洞1埋深确定。

由于垂直孔中布置有串式检波器，该串式检波器与地震波采集设备相连接，该地震波采集设备可以接收串式检波器检测到的地震波。

其中，本实施例中提供的地震波采集设备为地震波自动实时采集设备，可设置采集参数并发布指令，显示并存储数据，能自动收集掌子面爆破产生的地震波，自动切除无效波形记录，存储有效记录。

当掌子面进行爆破时产生爆破震源，以地震波的形式在岩体中传播，串式检波器接收地震波，串式检波器在井口处连接地震波采集设备。

103、GPS授时装置与撑子面进行通信，自动确定撑子面的爆破时间。

本实施例中，由于设置的GPS授时装置可以与撑子面进行通信，故可以确定撑子面准确的爆破时间。

104、地震波采集设备通过GPS授时装置获取爆破时间。

105、根据撑子面与串式检波器的空间位置、地震波及爆破时间，利用地震波层析成像法反演计算掌子面到垂直孔之间轴线上地层的波速结构，预测轴线前方的地质情况，得到第一探测信息。

地震波采集设备根据接收到的撑子面的爆破时间，并结合收集到的地震波，获取撑子面爆破时的地震波，然后结合检测地震波的位置(撑子面与串式检波器的空间位置)，可以利用地震波层析成像法反演计算掌子面到垂直孔之间轴线上地层的波速结构，预测轴线前方的地质情况，得到第一探测信息，其中，该第一探测信息包含预测的轴线前方的地质情况的信息，该信息可以起到预警作用。

如图4所示，第二探测子系统的使用方法为：

201、对地震波采集设备进行采集参数设置。

本实施例中，地表检波器是一种高度集成化的检波器，可实现自动采集、存储以及数据传输；为了更好的接收地震波，可将地表检波器埋入地表20cm，以减少地震波的衰减。

其中，该采集参数可以为采样率、采样长度、阈值以及报警值等，此外，可设置采集参数并发布指令，显示并存储数据。

本实施例中的地震波采集设备能自动收集掌子面爆破产生的地震波，自动切除无效波形记录，存储有效记录。

202、当撑子面进行爆破时，地震波采集设备通过地表检波器接收爆破产生的地表地震波。

本实施例中，当掌子面进行爆破时产生爆破震源，以地震波的形式在岩体中传播，地表检波器接收地震波，地表检波器连接地震波采集设备，将采集到的地震波发送给地震波采集设备。

203、GPS授时装置与撑子面进行通信，自动确定撑子面的爆破时间。

204、地震波采集设备通过GPS授时装置获取爆破时间。

205、根据撑子面与地表检波器的空间位置、地表地震波及爆破时间，利用地震波层析成像法反演计算掌子面到地表之间轴线上地层的波速结构，预测轴线前方的地质情况，得到第二探测信息。

其中，本实施例中的第二探测信息反映了轴线前方的地质情况，该信息可以起到预警作用。

如图5所示，第三探测子系统的使用方法为：

301、撑子面施工掘进时，会在掌子面附近围岩中产生的大量微震，微震采集系统通过微震监测检波器采集微震波。

本实施例中，在掌子面后方一定范围内布置一定数量的钻孔，在钻孔中布置微震监测检波器，通过导线连接微震采集系统，自动采集和存储波形记录，实时记录围岩内部发生微震事件。

302、根据采集的微震波和微震监测检波器的空间位置，利用震源双差定位技术反演出微震事件的空间位置、震源机制解、震级大小。

303、根据采集的微震波和微震监测检波器的空间位置，在事件较多、分布较广的前提下，利用地震波层析成像法反演震源到微震监测检波器之间围岩的波速结构，结合前期地勘成果，估计围岩的损伤状态和质量分级，并根据微震事件的空间位置和震级大小估计围岩稳定状态，预测岩爆，得到第三探测信息。

其中，第三探测信息包含岩爆的预测信息，可以起到预警作用。

最后，结合图3、图4以及图5对应的实施例得到的第一探测信息、第二探测信息以及第三探测信息，根据第一探测信息、第二探测信息以及第三探测信息得到探测结果。

其中，该探测结果起到整体的预警作用，当根据预测结果确定地质情况有问题，则系统会发出报警信息。

为了从整体上理解本实施例中的基于隧道钻爆施工的探测系统及对应方法，请参阅图6，图6位本实施例中系统的应用场景与整体流程示意图。

本发明的优点在于，可以利用钻爆法施工中掌子面爆破波以及施工掘进时围岩中的微地震事件作为震源，不需要在震源上额外增加成本，可以利用前期地勘的垂直孔、掌子面爆破波、围岩中的微地震事件，进行全方位实时探测隧道施工过程中的隧道掌子面前后、轴向上方及地表的地层信息变化，能够提高地质勘察的探测深度和精度。

以上对本发明实施例所提供的一种基于隧道钻爆施工的探测系统及其对应方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施例进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施例及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于隧道钻爆施工的探测系统，其特征在于，包括：第一探测子系统、第二探测子系统以及第三探测子系统，其中：

所述第一探测子系统包括多个串式检波器、地震波采集设备以及GPS授时装置，多个所述串式检波器根据预置的设置规则分别垂直串联设置在山体表面布置的垂直孔中，所述垂直孔深度超过遂洞轴线标高，所述垂直孔为前期勘察时山体表面布置的垂直孔，所述串式检波器在井口处连接所述地震波采集设备，所述GPS授时装置设置在隧洞口，与撑子面进行通信，用于确定爆破的准确时间，所述地震波采集设备与所述GPS授时装置相连接；

所述第二探测子系统包括多个地表检波器、所述地震波采集设备以及所述GPS授时装置，多个所述地表检波器根据预置的长度间隔串联设置在隧道对应的地表，所述地震波采集设备与所述地表检波器相连接；

所述第三探测子系统包括微震监测检波器以及微震采集系统，所述微震监测检波器设置在掌子面后方一定范围内的钻孔中，所述微震采集系统设置在隧洞口，所述微震监测检波器通过导线与所述微震采集系统相连接。

2.根据权利要求1所述的基于隧道钻爆施工的探测系统，其特征在于，所述预置的设置规则包括：串式检波器在隧洞直径范围内间隔1m设置，在隧洞轮廓边缘至隧洞轴线100m范围内间隔3m设置，在隧洞轮廓边缘至隧洞轴线100m范围外间隔10m设置。

3.根据权利要求1所述的基于隧道钻爆施工的探测系统，其特征在于，所述垂直孔注有耦合剂。

4.根据权利要求1所述的基于隧道钻爆施工的探测系统，其特征在于，所述地表检波器设置在所述地表下20cm。

5.根据权利要求4所述的基于隧道钻爆施工的探测系统，其特征在于，所述地表检波器为一种高度集成化的检波器。

6.根据权利要求1所述的基于隧道钻爆施工的探测系统，其特征在于，所述串式检波器为一种高度集成化的检波器。

7.根据权利要求1所述的基于隧道钻爆施工的探测系统，其特征在于，所述预置的长度间隔为2-5m。

8.一种基于隧道钻爆施工的探测方法，用于对权利要求1-7中任一项所述系统进行使用，其特征在于，包括：

所述第一探测子系统的使用方法：

对所述地震波采集设备进行采集参数设置；

当撑子面进行爆破时，所述地震波采集设备通过所述串式检波器采集所述爆破产生的地震波；

所述GPS授时装置与撑子面进行通信，自动确定撑子面的爆破时间；

所述地震波采集设备通过所述GPS授时装置获取所述爆破时间；

根据撑子面与所述串式检波器的空间位置、所述地震波及爆破时间，利用地震波层析成像法反演计算掌子面到垂直孔之间轴线上地层的波速结构，预测轴线前方的地质情况，得到第一探测信息；

所述第二探测子系统的使用方法：

对所述地震波采集设备进行采集参数设置；

当撑子面进行爆破时，所述地震波采集设备通过所述地表检波器接收所述爆破产生的地表地震波；

所述GPS授时装置与撑子面进行通信，自动确定所述撑子面的爆破时间；

所述地震波采集设备通过GPS授时装置获取所述爆破时间；

根据撑子面与所述地表检波器的空间位置、所述地表地震波及所述爆破时间，利用地震波层析成像法反演计算掌子面到地表之间轴线上地层的波速结构，预测轴线前方的地质情况，得到第二探测信息；

所述第三探测子系统的使用方法：

撑子面施工掘进时，会在掌子面附近围岩中产生的大量微震，所述微震采集系统通过所述微震监测检波器采集微震波；

根据采集的微震波和所述微震监测检波器的空间位置，利用震源双差定位技术反演出微震事件的空间位置、震源机制解、震级大小；

根据采集的微震波和所述微震监测检波器的空间位置，在事件较多、分布较广的前提下，利用地震波层析成像法反演震源到所述微震监测检波器之间围岩的波速结构，结合前期地勘成果，估计围岩的损伤状态和质量分级，并根据所述微震事件的空间位置和所述震级大小估计围岩稳定状态，预测岩爆，得到第三探测信息；

根据所述第一探测信息、第二探测信息以及第三探测信息得到探测结果。

9.根据权利要求8所述的基于隧道钻爆施工的探测方法，其特征在于，所述采集参数包括：采样率、采样长度、阈值以及报警值。

10.根据权利要求8所述的基于隧道钻爆施工的探测方法，其特征在于，所述地震波采集设备通过所述串式检波器采集所述爆破产生的地震波之后，所述方法还包括：

所述地震波采集设备判断所述地震波对应的波形是否为无效波形；

若是，则切除所述无效波形所对应的地震波。

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