CN113189672A - 一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法，解决了现有技术中物探方法预报存在地质解释不够精确的问题，具有能够定性、定量解释隧道掌子面前方异常体，提高预报精度的有益效果，具体方案如下：一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法，包括通过物探方法获取隧道掌子面前方预报区域的反射波数据，获取围岩的各项物性参数，并提取和优化不同地质条件和/或不同地层的反射波属性；基于围岩的各项物性参数获得隧道掌子面前方需要探测的目标地质体信息，进而确定多属性反演的目标参数，并绘制目标参数曲线；根据反射波属性与目标参数曲线之间的关联度，获取最优的多属性组合；计算目标参数曲线与最优的多属性组合的映射关系。

Description

一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，尤其是一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法。

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。

在隧道施工过程中，面临的主要难题是如何超前了解掌子面前方的地质情况和岩石力学参数，当隧道轴线处的地质条件差时，如有破碎带、含水构造、断层等，如果不及时发现，处理不当，在施工掘进时极易发生塌方、突水突泥等灾害，造成严重的经济损失和人员伤亡，阻碍施工进程，因此地质超前预报的准确分析是隧道修建过程中的必不可少的环节，对隧道信息化施工、灾害防治和安全保障具有重要作用。

当前，隧道超前地质预报研究中常用的方法有很多的物探方法，物探方法包括高密度电阻率法、地质雷达、地震波法、红外线法等。发明人发现，由于物探方法具有多解性、间接性的解释，物探方法预报只能对掌子面前方的物探异常进行间接性和半定量的解释，获得的物探地质预报结果不够准确。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法，将反射波数据与钻探等资料相结合，进行信息补偿，利用反射波数据的多属性对隧道前方进行地质预测，确定不同反射波属性与不同地质条件的相关关系，来实现隧道掌子面前方异常体的定性、定量预报，能够对隧道灾害进行预防和治理，保证隧道施工的安全。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法，包括：

通过物探方法获取隧道掌子面前方预报区域的反射波数据，获取隧道掌子面前方局部预报区域中围岩的各项物性参数，并提取和优化不同地质条件和/或不同地层的反射波属性；

基于围岩的各项物性参数获得隧道掌子面前方局部区域需要探测的目标地质体信息，进而确定多属性反演的目标参数，并绘制目标参数曲线；

根据反射波属性与目标参数曲线之间的关联度，获取最优的多属性组合；

计算目标参数曲线与最优的多属性组合的映射关系，结合该映射关系通过最优的多属性组合对隧道掌子面前方整个预报区域获取的反射波数据进行反演，得到目标参数的反演数据，进而进行预报。

上述隧道超前地质预报方法中，通过物探方法能够对隧道掌子面前方的目标地质体进行定性和半定量的解释，进一步通过进行围岩的物性参数的获取，使得物探地质预报解译更加准确，有利于地层的划分，区分岩性，由此可获得不同地层和/或不同地质条件下的反射波数据，反射波数据具有多属性；且围岩的物性参数有利于预报区域目标地质体的判断，进一步有利于多属性反演的目标参数的确定，根据映射关系结合最优的多属性组合，对隧道施工过程中安全预控提供了理论依据，能够对隧道灾害进行预防和治理，提高隧道施工的安全性。

如上所述的一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法，所述围岩的各项物性参数通过地质资料、超前钻探和钻孔电视进行获取，选择隧道掌子面前方预报区域中至少三处反射波数据一米范围内进行超前钻探，钻孔电视可以观测钻孔井壁图像，直观地反映钻孔井壁结构、裂隙发育程度等，用来划分地层，确定围岩节理位置及产状，孔内出水等情况；

根据钻孔岩心(钻探获得的岩心)来测取各目标地质体的目标参数，准确的得到前方目标地质体的具体位置、参数变化。

如上所述的一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法，基于围岩的各项物性参数对隧道掌子面前方目标地质体进行定性分析,确定隧道掌子面前方区域是否存在目标地质体，通过目标地质体来确定多参数反演的目标参数；

如上所述的一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法，当所述目标地质体为含水体时，选择电阻率作为目标参数；

当所述目标地质体为破碎带时，选择密度作为目标参数；

当所述目标地质体为溶洞时，选择电阻率或密度作为目标参数。

如上所述的一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法，由于方法的间接性和地层的复杂性使得测量值都存在一定的误差，同时受仪器本身因素的影响，要对目标参数曲线进行校正和标准化，以保证解释结果的合理性与可靠性，在绘制所述目标参数曲线后，采用趋势面分析校正法对目标参数曲线进行标准化处理。

如上所述的一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法，为了准确提取各地层的反射波属性，在计算所述反射波属性前，要对反射波进行标定；

利用所述围岩的各项物性参数、反射波数据对反射波进行标定，有利于整个预报方法确定不同反射波属性与不同地质条件在不同深度下的相关关系。

如上所述的一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法，地震勘探时，采用合成记录标定法，基于一维褶积模型，利用声波和密度资料求取反射系数序列，与提取的子波反褶积生成合成地震记录，通过上下移动与孔旁地震道进行对比，实现地质分层到地震反射的映射和标定，由此实现地质各层反射波的标定；

地质雷达勘探时，通过同相轴对比追踪结合钻孔岩心对反射波进行标定。

如上所述的一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法，由于所提取的反射波属性之间类型不同、量纲不统一、数量级大小差别很大，为了保证地质预报方法结构的可靠性，在计算获得反射波属性后，对反射波属性进行优化预处理；

优化预处理包括如下内容：

通过极差标准化处理，将每个观测值变换到0-1之间；

通过中值滤波降噪，去掉孤立的点、线噪点，保护图像的边缘效果；

通过主成分分析法降维。

如上所述的一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法，采用专家优选和关联度分析法相结合的方式，对所述反射波属性进行优化，以进一步保证地质预报结果的准确度。

如上所述的一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法，采用神经网络建立目标参数曲线与最优的多属性组合的非线性映射关系，整个掌子面预报区域的反射波数据代入该映射关系中得到反演数据，以对隧道掌子面前方需要探测的目标地质体进行定量评价。

上述本发明的有益效果如下：

1)本发明通过物探方法获取预报区域的反射波数据，并获取围岩的各项物性参数，物探方法能够对掌子面前方的地质体进行定性和半定量的解释，而围岩物性参数的获取，有利于划分地层，区分岩性；且围岩的物性参数有利于预报区域目标地质体的判断，进一步有利于多属性反演的目标参数的确定，由此确定不同反射波属性与不同地质条件在不同深度下的相关关系；使得物探地质预报解译更加准确，对隧道前方地质体的位置、规模、参数变化进行定性和定量解释。

2)本发明通过整体预报方法的给出，通过最优的多属性组合对隧道掌子面前方预报区域获取的反射波数据进行反演，得到目标参数的反演数据，整体为地质预报提供了理论依据，对隧道灾害进行预防和治理，提高隧道施工的安全性。

3)本发明采用神经网络建立目标参数曲线与多个最优的多属性组合的非线性映射关系，神经网络便于实现，收敛速度快，能够对隧道掌子面前方需要探测的地质体进行定量评价。

4)本发明利用围岩的各项物性参数、反射波数据和钻孔岩心对反射波进行全方位的标定，可准确提取各层的反射波属性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，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。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法的流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。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发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在地质预报方法存在一定局限性的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法。

本发明的一种典型的实施方式中，参考图1所示，一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法，包括如下内容：

步骤一：收集前期勘察资料，通过物探方法获得隧道掌子面前方预报区域的反射波数据，为了后续建立目标参数曲线与最优的多属性组合的映射关系，通过该映射关系用于地质预报，先从局部入手，选取至少三处反射波数据，在选取处一米范围内进行超前钻探，通过超前钻孔、钻孔电视等方法测得围岩的各项物性参数，对所获得各项物性参数进行处理，以对隧道掌子面前方预报区域的地层进行划分，区分岩性。

步骤二：根据隧道掌子面前方需要探测的目标地质体(目标地质体也就是预报区域中可能存在的异常体)，如含水体、破碎带、断裂带等，确定多属性反演的目标参数，并绘制目标参数曲线。

步骤三：采用趋势面分析校正法对目标参数曲线进行标准化处理。

步骤四：利用围岩的各项物性参数、反射波数据等资料，对反射波进行全方位标定。

步骤五：针对不同地层和/或不同岩性的反射波标定后，提取反射波属性，对反射波属性进行极差标准化、中值滤波降噪和主成分分析法降维压缩处理。

步骤六：采用专家优选与关联度分析法相结合进行属性优化，计算反射波属性与目标参数曲线之间的关联度，优选出关联度较高的属性，组成最优的多属性组合。

步骤七：采用RBF(径向基)神经网络建立目标参数曲线与最优的多属性组合的非线性映射关系，以对隧道掌子面前方需要探测的目标地质体进行定量评价。

步骤八：根据目标参数曲线与最优的多属性组合的映射关系，将隧道掌子面前方整个预报区域的反射波数据代入映射关系中对反射波数据进行反演，得到目标参数的反演数据，进而进行预报。

步骤一中，对预报区域进行地质雷达或地震波反射法勘探，获取反射波数据并进行处理，达到较高的信噪比、分辨率和保真度。

其中，需要说明的是，通过物探法获取反射波数据并进行处理，为现有技术，反射波数据具有多属性，包括振幅、相位和波速等。

在隧道掌子面前方局部区域选取至少三处反射波数据，在其旁一米范围内进行超前钻探，围岩进行超前水平钻探、钻孔电视等方法探测，获取围岩各项物性参数，如密度、电阻率、孔隙度、波速等。钻孔电视可以观测钻孔井壁图像，直观地反映钻孔井壁结构、裂隙发育程度等，用来划分地层，区分岩性，确定围岩节理位置及产状，孔内出水等情况。

步骤二中，根据地质资料和钻孔岩心，能够对隧道掌子面前方的目标地质体即异常体进行定性分析,确定隧道掌子面前方区域可能存在的异常体，通过需要预测的异常体来确定多参数反演的目标参数；

如当目标地质体是含水体时，可以选择电阻率作为目标参数；

当目标地质体是破碎带时，可以选择密度为目标参数；

当目标地质体是溶洞时，可以选择电阻率或密度作为目标参数；

进一步，根据钻孔岩心(钻探获得的岩心)来测取各目标地质体的目标参数，并绘制目标参数曲线，准确的得到前方地质体的具体位置、参数变化。

步骤三中，由于方法的间接性和地层的复杂性使得测量值都存在一定的误差，同时受仪器本身因素的影响，要对目标参数曲线进行校正和标准化，以保证解释结果的合理性与可靠性。采用现有的趋势面分析校正法对目标参数曲线进行标准化处理，使之能准确的提取出围岩地层特征和岩性差异，提高参数曲线的精度。

其中，趋势面分析校正法首先选择岩性与钻孔曲线响应特征标志明显的目的层作为标准层，读取标准层的目标曲线特征峰值进行拟合，得到趋势面拟合公式从而计算出校正后的目标参数的数值。

步骤四中，为了准确提取各层段的反射波属性，以超前水平钻孔资料、钻孔电视成像中孔内分层为控制，进行全方位精细标定。

本实施例中，在地震勘探时，采用合成记录标定法，基于一维褶积模型，利用声波和密度资料求取反射系数序列，与提取的合适的子波反褶积生成合成地震记录，通过上下移动与孔旁地震道进行对比，实现地质分层到地震反射的映射和标定。利用这些层位控制各个层段反射波属性的提取，保证属性提取总是各自的层内部进行，不会串层，确保属性提取的可靠性。

另外，地质雷达勘探时，通过同相轴对比追踪结合钻孔资料来进行标定。

步骤五中，由于所提取的反射波属性之间类型不同、量纲不统一、数量级大小差别很大，局部异常往往淹没在区域背景中，如果不处理，会影响勘探定量分析效果和可靠性。因此要对反射波属性进行优化预处理，如通过极差标准化处理，将每个观测值变换到0-1之间；和/或，通过中值滤波降噪，去掉孤立的点、线噪点，保护图像的边缘效果；和/或，通过主成分分析法降维。

步骤六中，不同的反射波属性代表的地质意义不完全相同，因此要提取对目标地质体即异常体敏感的反射波属性组合。

专家优选是专家凭经验、结合地质、钻探等方面的资料对所有属性进行分析选择，提出几种较优的属性组合，还需要通过数学方法来进一步确定最优组合。

关联度分析法是根据波形曲线的差异程度来进行地质预测，把钻孔处已知的围岩信息作为一种模式，与多种反射波属性特征参数进行关联程度分析，计算关联度进行排序，把关联度值大的参数优选出来，作为最优多属性组合。采用专家优化与关联度分析法结合,求取最优的多属性组合。

可以理解的是，关联度分析法为现有技术。

步骤七中，对最优的多属性组合和目标参数曲线进行RBF神经网络训练，获得神经网络训练模型。

RBF神经网络是一种性能优良的前馈型神经网络，可以任意精度逼近任意的非线性关数，且具有全局逼近能力，学习规则简单，便于计算机实现，收敛速度快。因此运用RBF神经网络进行非线性分析。通过RBF神经网络找到最优的多属性组合与目标参数的非线性映射关系，能对隧道异常体进行可靠的定量评价，具有一定的代表性。

本发明提供的隧道超前地质预报方法，针对隧道超前地质预报中常用的物探方法存在多解性、间接性、半定量解释的问题，利用反射波数据的多属性运用到隧道超前地质预报中，将反射波法与隧道超前钻探相结合，以超前钻探数据、钻孔电视等资料为约束，建立反射波属性与目标参数曲线的非线性关系，通过多属性反演得到目标参数的反演数据，可以定性、定量解释隧道目标地质体即异常体，使得隧道的预防和治理问题变的清晰化和定量化，提高预报精度，有利于对隧道灾害进行预防和治理，保障隧道施工的安全。

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)

1.一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法，其特征在于，包括如下内容：

通过物探方法获取隧道掌子面前方预报区域的反射波数据，获取隧道掌子面前方局部预报区域中围岩的各项物性参数，并提取和优化不同地质条件和/或不同地层的反射波属性；

基于围岩的各项物性参数获得隧道掌子面前方局部预报区域需要探测的目标地质体信息，进而确定多属性反演的目标参数，并绘制目标参数曲线；

根据反射波属性与目标参数曲线之间的关联度，获取最优的多属性组合；

计算目标参数曲线与最优的多属性组合的映射关系，结合该映射关系通过最优的多属性组合对隧道整个掌子面前方预报区域获取的反射波数据进行反演，得到目标参数的反演数据，进而应用到预报区域进行预报。

2.根据权利要求1所述的一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法，其特征在于，所述围岩的各项物性参数通过地质资料、超前钻探和钻孔电视进行获取。

3.根据权利要求1所述的一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法，其特征在于，基于围岩的各项物性参数对隧道掌子面前方目标地质体进行定性分析,确定隧道掌子面前方区域是否存在目标地质体。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法，其特征在于，当所述目标地质体为含水体时，选择电阻率作为目标参数；

当所述目标地质体为破碎带时，选择密度作为目标参数；

当所述目标地质体为溶洞时，选择电阻率或密度作为目标参数。

5.根据权利要求1所述的一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法，其特征在于，在绘制所述目标参数曲线后，采用趋势面分析校正法对目标参数曲线进行标准化处理。

6.根据权利要求1所述的一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法，其特征在于，在计算所述反射波属性前，要对反射波进行标定；

利用所述围岩的各项物性参数、反射波数据对反射波进行标定。

7.根据权利要求6所述的一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法，其特征在于，地震勘探时，采用合成记录标定法，基于一维褶积模型，利用声波和密度资料求取反射系数序列，与提取的子波反褶积生成合成地震记录，通过上下移动与孔旁地震道进行对比，实现地质分层到地震反射的映射和标定，由此实现地质各层反射波的标定；

地质雷达勘探时，通过同相轴对比追踪结合钻孔岩心对反射波进行标定。

8.根据权利要求1所述的一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法，其特征在于，在计算获得反射波属性后，对反射波属性进行优化预处理；

优化预处理包括如下内容：

通过极差标准化处理，将每个观测值变换到0-1之间；

通过中值滤波降噪，去掉孤立的点、线噪点，保护图像的边缘效果；

通过主成分分析法降维。

9.根据权利要求1所述的一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法，其特征在于，采用专家优选和关联度分析法相结合的方式，对所述反射波属性进行优化。

10.根据权利要求1所述的一种基于多属性反演的隧道超前地质预报方法，其特征在于，采用神经网络建立目标参数曲线与最优的多属性组合的非线性映射关系，以对隧道掌子面前方需要探测的目标地质体进行定量评价。

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