CN113484910B - 基于地震干涉法的隧道超前地质预报方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地震干涉法的隧道超前地质预报方法及系统，方法包括如下步骤：获取掌子面开挖爆破产生的地震波数据；基于多维反褶积地震干涉法对地震波数据进行处理并干涉成像，建立地震波特征数据库；利用深度学习算法和图像合成技术，构建整个隧道穿越山体地质信息的3D预测平面分布特征图；对隧道未开挖部分及其穿越沿线周围地质进行地质变化以及应力变化监测，得到隧道地质变化的4D预测平面分布特征图；根据4D预测平面分布特征图进行隧道超前地质预报。本发明具有传输距离超远、效率高、准确率高、避免洞室空间限制等优点。

Description

基于地震干涉法的隧道超前地质预报方法及系统

技术领域

本发明涉及隧道开挖工程、超前地质预报、人工智能领域，具体是涉及一 种基于地震干涉法的隧道超前地质预报方法及系统。

背景技术

隧道建设是基础建设必不可少的一个环节，隧道建设的发展也越来越趋于 掌子面无人化，施工机械化以及智能化。但当前技术背景下，隧道建设要实现 无人化、机械化以及智能化还有很多限制条件，如隧道施工过程中对穿越山体 地质的精确定位、正确定性以及准确定量。然而，目前用地震波进行地质预报 的方法(如TSP、TRT以及TST等)都很难对各个地质不良体进行精确定位、正 确定性以及准确定量，分析其原因，尤其方法理论上的缺陷，也有其分析过程 中无法彻底排除人为干扰的因素。尤其以TSP为例，在实际操作中存在现场布 置繁琐复杂增加时间成本，分析数据无时效性造成数据延后。还有一点需要特 别注意的是，隧道开挖过程中地质不良体可能受施工影响发生变化，而当前各 种方法无法监测这种因开挖造成的地质不良体的实时变化，因此在隧道施工中 会频发无法预料的塌方、突水、突泥等事故，或大或小，造成工程成本增加、 机械设备毁坏、后期处理较麻烦甚至人员伤亡。因此，在隧道工程中如何准确 地进行超前地质预报并能准确地监测到地质不良条件的动态变化，即对地质构 造或地质不良体的精确定位、正确定性、准确定量以及对地质不良体变化的实 时监测及合理预测是当前地质预报的发展方向。

近年来，地震波干涉法(Seismic Interferometry)是利用相关手段对地 震波信号进行处理得到新的地震信号，而新的地震信号能够有效的反映出原始 信号所不具有的特征，能够有效的反映出复杂地质构造以及介质微小变化等。 因此，将该方法运用于地质勘探，在天然地震断层、火山活动、油气储层勘探 及动态监测等方面并且取得成功。而在钻爆法隧道超前地质预报方面，吴丰收 等人首次利用数值模拟验证了在洞室内布置检波器利用地震波干涉进行地质超 前预报的可行性，并成功探出断层位置，但无现场试验，并且在洞室内布置检 波器，受空间限制影响较大。

发明内容

介于以上内容，为避免安装费时费力、时效性及准确性差、预报范围不合 理等因素影响，本发明以能精确定位、正确定性、准确定量地质构造及不良体， 对地质不良体的变化实时监测及合理预测为目标，提供了一种基于地震干涉法 的隧道超前地质预报方法及系统。

为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。

一种基于地震干涉法的隧道超前地质预报方法，包括如下步骤：

获取掌子面开挖爆破产生的地震波数据；

基于多维反褶积地震干涉法对地震波数据进行处理并干涉成像，建立地震 波特征数据库；利用深度学习算法和图像合成技术，构建整个隧道穿越山体地 质信息的3D预测平面分布特征图；对隧道未开挖部分及其穿越沿线周围地质进 行地质变化以及应力变化监测，得到隧道地质变化的4D预测平面分布特征图；

根据4D预测平面分布特征图进行隧道超前地质预报。

作为本发明的进一步改进，所述掌子面开挖爆破产生的地震波数据是：

以钻爆法开挖隧道的掌子面爆破波为震源，激发地震波，使不同炮眼震源 所产生的地震波相互叠加后形成不同的传播源后通过隧道未开挖的围岩传至地 表山体；由地震检波器收集洞室内初始地震波，由布设在隧道穿越山体地表的 多组地震检波器阵列收集由开挖面爆破所产生的并传至山体/地表表面的地震 波，形成地震波数据。

作为本发明的进一步改进，所述地震检波器阵列是检波器布置围绕山体所 形成的测线，每条测线布置多个检波器，形成符合地震干涉法原理的检波器阵 列。

作为本发明的进一步改进，所述地震检波器阵列位于开挖洞室外，是由均 匀布置的地震检波器阵列组成，用于在洞室外地表布置接受直射波与反射波， 对隧道穿越山体地质包括隧道沿线不良地质体进行三维成像。

作为本发明的进一步改进，地震波数据采用5G传输基站传输。

作为本发明的进一步改进，所述建立地震波特征数据库局部包括以下步骤：

对每个检波器数据进行滤波、反褶积处理；

选取隧道外布设在地表上的其中一个检波器记录的地震数据作为虚震源信 号后，同其他检波器数据进行互相关、卷积处理数据，得到该检波器作为虚震 源的地震干涉处理后的虚源反射地震波特征图谱；

选取隧道内距离掌子面最近的其中一个检波器记录的地震数据作为虚震源 信号后，同其他检波器数据进行互相关、卷积处理数据，得到该检波器作为虚 震源的地震干涉处理后的虚源直射地震波特征图谱；

单次爆破选取不同的检波器并重复上述步骤，分析特征图谱，形成多源直、 反射波地震波干涉成像；

每次爆破通过深度学习算法对比同检波器地震波的地震波特征图谱，建立 相关特征波谱波频波速的相关地震波特征数据库。

作为本发明的进一步改进，构建整个隧道穿越山体地质信息的3D预测平面 分布特征图具体步骤如下：

收集前n道开挖爆破产生的地震波谱并进行处理后，从波形特征总体变化 出发对波形进行自动分类处理；

按地震波谱特征值进行排序，收集开挖面实际地质信息或进行地质素描， 将掌子面地质信息以及前期地勘信息结合，并与分类后的波形进行对比，完成 对对应地质体的波谱分类；

利用神经网络算法对隧道掌子面开挖爆破产生的地震波形进行分类，根据 分析结果形成离散的地震相谱；

赋予波形相似的地震道相同或相近的特征值，形成能够直观反映地震信号 变化以及地震异常体的平面分布特征图；

利用图像合成技术，对整个隧道穿越山体地质信息的3D预测工作。

作为本发明的进一步改进，所述得到隧道地质变化的4D预测平面分布特征 图的具体步骤如下：

收集每次隧道开挖掌子面爆破的相关地震波数据；

构建整个隧道穿越山体地质信息的3D预测平面分布特征图，完成每一次地 震相谱分析；

识别每次对山体地质预测中的变化；

对隧道爆破造成的地质变化进行监测，综合监测及分析结果，得到隧道地 质变化的4D预测平面分布特征图。

作为本发明的进一步改进，还包括预报修正步骤，具体包括：

结合隧道当前掌子面的地质素描对利用爆破震动对隧道进行地质预报的结 果进行验证；

随着掌子面前进，收集每次由爆破所产生的地震波，对前一次预报结果进 行预报修正。

一种隧道超前地质预报系统，包括：

数据获取模块，用于获取掌子面开挖爆破产生的地震波数据；

数据处理模块，用于基于多维反褶积地震干涉法对地震波数据进行处理并 干涉成像，建立地震波特征数据库；利用深度学习算法和图像合成技术，构建 整个隧道穿越山体地质信息的3D预测平面分布特征图；对隧道未开挖部分及其 穿越沿线周围地质进行地质变化以及应力变化监测，得到隧道地质变化的4D预 测平面分布特征图；

地质预报模块，用于根据4D预测平面分布特征图进行隧道超前地质预报。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明基于地震干涉法的隧道超前地质预报方法，包括在洞室外山体上布 置地质检波器阵列；然后利用钻爆法隧道爆破开挖所产生的地震波作为震源； 激发地震波，通过布置在洞室外山体上的检波器记录经山体传至地表面的地震 波，形成地震记录；对这些检波器所记录的地震记录进行地震干涉法处理，获 得隧道穿越山体的特征图谱，对隧道所穿越山体完成地质勘探并对隧道穿越沿 线为开挖部分完成超前地质预报；最后通过建立相关数据库，利用人工智能技 术对隧道因开挖引起的地质变化进行监测，完成对隧道地质变化监测，安全指 导施工。本发明利用隧道爆破和洞室外多组地表检波器阵列采集，结合地震干 涉法技术相关理论进行反演，实现对隧道穿越山体中不良地质体的准确定性、 定位以及定量；利用5G传输技术，提高数据传输的时效性和分析结果的及时性； 通过对爆破产生地震波的分析，建立数据库，并利用人工智能技术，实现对隧 道地质因开挖影响所产生变化的监测，实现4D智能预报及监测。本发明具有传 输距离超远、效率高、准确率高、避免洞室空间限制等优点。本发明有点具体 包括：

1.提高地震波的接收完整性、及时性以及连续性；

2.基于地震波干涉法的相关理论，布置检波器后对数据进行成像分析，提 高隧道超前地质预报准确性。

3.以爆破地震波为基础，做到精确隧道预测不良地质体定位、定性及定量。

4.利用隧道循环爆破对隧道沿线附近地质变化进行监测。

5.利用人工智能预报隧道超前地质及隧道穿越山体地质情况。

附图说明

图1系统流程图

图2检波器布置示意图

图3侧线俯视示意图

图4基于地震干涉法的人工智能分析

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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除、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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所 获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一 个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元 件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用 的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目 的，并不表示是唯一的实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术 领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术 语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的 术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明一种基于地震干涉法的隧道超前地质预报方法，包括如下步骤：

获取掌子面开挖爆破产生的地震波数据；

基于多维反褶积地震干涉法对地震波数据进行处理并干涉成像，建立地震 波特征数据库；利用深度学习算法和图像合成技术，构建整个隧道穿越山体地 质信息的3D预测平面分布特征图；对隧道未开挖部分及其穿越沿线周围地质进 行地质变化以及应力变化监测，得到隧道地质变化的4D预测平面分布特征图；

根据4D预测平面分布特征图进行隧道超前地质预报。

具体地，本发明给出了一种基于地震干涉法的隧道超前地质预报方法，包 括如下步骤：

(1)以钻爆法开挖隧道的掌子面爆破波为震源，激发地震波，使不同炮眼 震源所产生的地震波相互叠加后形成不同的传播源后通过隧道未开挖的围岩传 至地表山体。并在距离震源10-20米处放置便携且可移动的地震检波器辅助收 集洞室内初始地震波。

(2)通过已在隧道穿越山体地表布设的多组地震检波器阵列，收集由开挖 面爆破所产生的并传至山体/地表表面的地震波，形成地震波数据收集并通过5G 技术传输地震波数据至分析处理端。

优选地，所述地震检波器阵列位于开挖洞室外，是由均匀布置的地震检波 器阵列组成，并一次性安装，无须多次安装。

在洞室外地表布置接受直射波与反射波的检波器阵列，采集掌子面开挖爆 破产生的地震波数据。

其中，根据检波器阵列采集的地震数据，对隧道穿越山体地质包括隧道沿 线不良地质体进行三维成像。隧道超前地质预报不仅包括预报不良地质体如断 层、破碎带等，还包括预测岩性及不同岩性分界面位置、节理裂缝分布以及缝 洞内填充物、溶洞溶腔以及洞腔内填充物、流体及流体分布等地质信息，并实 现隧道开挖区域的应力变换监测。

作为优选实施例，步骤(3)中建立5G传输基站，专用于实时传输由检波 器阵列所接接收到的大量地震数据，以及实时传输反演处理成像后的预测结果 至终端，实现实时反馈，指导施工的作用。具体步骤如下：

(3a)建立专用于传输检波器所采集数据的5G网络基站；

(3b)通过5G基站，传输每组检波器采集的数据至分析端；

(3c)分析端基于多维反褶积地震干涉法对数据进行处理、成像；

(3d)并将处理后的成像图即使通过5G网络传至数据终端，分析成像后的 地质情况并指导施工。

(4)对分析处理端接受到的数据进行重整后得到新的多组数据，基于多维 反褶积地震干涉法相关理论对地震波数据进行处理并干涉成像。

作为优选实施例，所述步骤(4)中基于多维反褶积地震干涉法相关理论对 地震波数据进行处理并干涉成像的具体步骤如下：

(i)以钻爆法开挖隧道的掌子面爆破波为震源，激发地震波，是不同炮眼 震源所产生的地震波相互叠加后形成不同的传播源后通过隧道未开挖的围岩传 至地表山体。并在距离震源10-20米处放置便携且可移动的地震检波器辅助收 集洞室内初始地震波。

(ii)通过已在隧道穿越山体地表布设的多组地震检波器，收集由开挖面 爆破所产生的并传至山体/地表表面的地震波，形成地震波数据收集。

(iii)检波器收集到地震波后，对数据按照相应位置和时间进行储存，并 通过5G信号传回分析端。

(IV)分析端接受到各检波器地震波数据后，对每个检波器数据进行滤波、 反褶积处理，使处理后的数据具有较高信噪比。

(V)选取隧道外布设在地表上的其中一个检波器记录的地震数据作为虚震 源信号后，同其他检波器数据进行互相关、卷积处理数据，得到该检波器作为 虚震源的地震干涉处理后的虚源反射地震波特征图谱。

(VI)选取隧道内距离掌子面最近的其中一个检波器记录的地震数据作为 虚震源信号后，同其他检波器数据进行互相关、卷积处理数据，得到该检波器 作为虚震源的地震干涉处理后的虚源直射地震波特征图谱。

(VII)单次爆破选取不同的检波器并重复上述(v)(vi)步骤，分析特征 图谱，形成多源直、反射波地震波干涉成像。

(VIII)每次爆破通过深度学习算法对比同检波器地震波的地震波特征图 谱，建立相关特征波谱波频波速等相关地震波特征数据库，利用人工智能算法， 对隧道未开挖部分及其穿越沿线周围地质进行地质变化以及应力变化监测，实 现4D智能预报及监测。

(5)多次进行上一步骤后，建立相关特征波谱波频波速等相关地震波特征 数据库，利用人工智能算法，对隧道未开挖部分及其穿越沿线周围地质进行地 质变化以及应力变化监测，实现4D智能预报及监测。

作为优选实施例，建立相关特征波谱波频波速等相关地震波特征数据库， 利用人工智能算法，基于地震相波形分类技术对隧道未开挖部分及其穿越沿线 周围地质进行地质预报和应力变化监测。具体步骤如下：

(5a)收集前n道开挖爆破产生的地震波谱并进行处理后，从波形特征总 体变化出发对波形进行自动分类处理。

(5b)按各特征值进行排序，人工辅助收集开挖面实际地质信息或进行地 质素描，将掌子面地质信息以及前期地勘信息结合，并与(4b)中的分类后的 波形进行对比，完成对对应地质体的波谱分类。

(5c)利用神经网络算法对隧道掌子面开挖爆破产生的地震波形进行分类， 根据分析结果形成离散的地震相谱；

(5d)赋予波形相似的地震道相同或相近的特征值，形成能够直观反映地 震信号变化以及地震异常体的平面分布特征图。

(5e)最后利用图像合成技术，完成对整个隧道穿越山体地质信息的3D预 测工作。

进一步优选地，所述步骤(5)中智能化处理及实现4D智能预报及监测的 具体步骤如下：

(5f)收集每次隧道开挖掌子面爆破的相关地震波数据；

(5g)利用(5a)-(5e)步骤，完成每一次地震相谱分析；

(5h)智能识别每次对山体地质预测中的变化；

(5i)对隧道爆破造成的地质变化进行监测，综合监测及分析结果，完成 对隧道地质变化的4D监测。

所有的数据传输方式为利用5G通讯进行传输，保证数据的完整性和及时性。

以下结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。

共有4个部分

1)检波器安装部分。

2)数据储存传输。

3)后分析部分。

4)建立数据库以及智能化分析部分。

对于当前现有技术的弊端，本发明提供一种不再局限于隧道开挖洞室内部 布置检波器并以综合考虑隧道穿越山体整体地质探测为目的的地震波勘探方法， 建立区域数据库并对山体进行人工智能分析的地震波地质超前预报方法，并监 测隧道穿越沿线地质变化情况，形成4D预报技术。

为了实现上述目的，本发明共分为3部分，分别是：

(1)检波器布置模块

检波器采用多分量地震检波器，在隧道穿越山体表面布置，不受隧道洞室 空间限制。具体布设如图2，在山体表面埋设数组检波器，并且检波器与山体刚 性接触。

图2中a-a’,b-b’,c-c’,d-d’,e-e’(不限于数量)分别表示的是检波 器布置围绕山体所形成的测线，每条测线布置多个检波器，形成符合地震干涉 法原理的检波器阵列，以方便分析数据并成像，原理图如图3所示。

激发掌子面开挖爆破震源后，直射地震波到达断层后会产生反射、投射、 折射波。基于地震波干涉理论，对布置在山体地表的检波器接收到的数据进行 互相关得到新的数据，提取相关信息并成像。和现行技术手段相比较，不再局 限于洞室内布置检波器，不仅仅再以反射波作为分析依据。

(2)数据储存传输模块

检波器接受到地震波谱数据后保存并进行数据传输。具体流程如图1。

(3)人工智能分析模块

人工智能是发展趋势，并在隧道超前地质预报方面，人工智能可以完全排 除人为干扰，有效避免了因人为主观而造成的预报信息不准确的缺陷。具体人 工智能流程如图4所示。

上述各个模块的建立是为了能更好的实现智能化精准定位、定性以及定量 化的隧道超前地质预报，并且实时监测地质变化情况。其具体实施的步骤为：

(i)以钻爆法开挖隧道的掌子面爆破波为震源，激发地震波，是不同炮眼 震源所产生的地震波相互叠加后形成不同的传播源后通过隧道未开挖的围岩传 至地表山体。并在距离震源10-20米处放置便携且可移动的地震检波器辅助收 集洞室内初始地震波。

(ii)通过已在隧道穿越山体地表布设的多组地震检波器，收集由开挖面 爆破所产生的并传至山体/地表表面的地震波，形成地震波数据收集。

(iii)检波器收集到地震波后，对数据按照相应位置和时间进行储存，并 通过5G信号传回分析端。

(IV)分析端接受到各检波器地震波数据后，对每个检波器数据进行滤波、 反褶积处理，使处理后的数据具有较高信噪比。

(V)选取隧道外布设在地表上的其中一个检波器记录的地震数据作为虚震 源信号后，同其他检波器数据进行互相关、卷积处理数据，得到该检波器作为 虚震源的地震干涉处理后的虚源反射地震波特征图谱。

(VI)选取隧道内距离掌子面最近的其中一个检波器记录的地震数据作为 虚震源信号后，同其他检波器数据进行互相关、卷积处理数据，得到该检波器 作为虚震源的地震干涉处理后的虚源直射地震波特征图谱。

(VII)单次爆破选取不同的检波器并重复上述(v)(vi)步骤，分析特征 图谱，形成多源直、反射波地震波干涉成像。

(VIII)每次爆破通过深度学习算法对比同检波器地震波的地震波特征图 谱，建立相关特征波谱波频波速等相关地震波特征数据库，利用人工智能算法， 对隧道未开挖部分及其穿越沿线周围地质进行地质变化以及应力变化监测，实 现4D智能预报及监测。

本发明要解决的技术问题主要有五方面：

1.提高地震波的接收完整性、及时性以及连续性；

2.基于地震波干涉法的相关理论，布置检波器后对数据进行成像分析，提 高隧道超前地质预报准确性。

3.以爆破地震波为基础，做到精确隧道预测不良地质体定位、定性及定量。

4.利用隧道循环爆破对隧道沿线附近地质变化进行监测。

5.利用人工智能预报隧道超前地质及隧道穿越山体地质情况。

本发明为了能更准确的对隧道未开挖部分进行预测以及能更全面更综合地 分析不良介质体对隧道施工安全及运营安全的影响，开发出一套全新的隧道超 前地质预报系统，既改良了现行方法及手段的弊端，又提高了预报的准确性， 并且能够全面的对隧道穿越山体进行地质描述，并且利用人工智能手段，进一 步排除人为作用下对预报结果的影响。

本发明不同于目前主要隧道地质预报方法，其优势在于：

1.避免了繁琐的安装方式，一次性安装洞外地表检波器阵列，并使用多个 移动检波器在震源20米内辅助测量；

2.避免了隧道内空间限制，大部分地震波方法在隧道洞室内布置检波器， 受限于隧道空间致使预测失去准确性；

3.以隧道开挖的爆破为主要震源，减少因预测而停工准备的时间。

4.本方法不再以单一的反射波作为分析依据，直射波、透射波等也可作为 判断地质状况。

5.利用每次爆破作业对隧道地质进行准实时分析，可分析由施工引起的地 质变化，以及这种变化对隧道安全的影响。

6.传输方式采用5G无线传输，保证了数据的及时性以及连续性。

本发明的另一目的在于提出一种隧道超前地质预报系统，包括：

数据获取模块，用于获取掌子面开挖爆破产生的地震波数据；

数据处理模块，用于基于多维反褶积地震干涉法对地震波数据进行处理并 干涉成像，建立地震波特征数据库；利用深度学习算法和图像合成技术，构建 整个隧道穿越山体地质信息的3D预测平面分布特征图；对隧道未开挖部分及其 穿越沿线周围地质进行地质变化以及应力变化监测，得到隧道地质变化的4D预 测平面分布特征图；

地质预报模块，用于根据4D预测平面分布特征图进行隧道超前地质预报。

本发明第三个目的是提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所 述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算 机程序时实现所述基于地震干涉法的隧道超前地质预报方法及系统的步骤。

本发明第四个目的是提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储 介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述基于地震干 涉法的隧道超前地质预报方法及系统的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计 算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结 合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包 含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、 CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品 的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/ 或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或 方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式 处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机 或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流 程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备 以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的 指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流 程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使 得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理， 从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程 或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限 制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人 员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未 脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利 要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于地震干涉法的隧道超前地质预报方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取掌子面开挖爆破产生的地震波数据；

基于多维反褶积地震干涉法对地震波数据进行处理并干涉成像，建立地震波特征数据库；利用深度学习算法和图像合成技术，构建整个隧道穿越山体地质信息的3D预测平面分布特征图；对隧道未开挖部分及其穿越沿线周围地质进行地质变化以及应力变化监测，得到隧道地质变化的4D预测平面分布特征图；

根据4D预测平面分布特征图进行隧道超前地质预报；

所述掌子面开挖爆破产生的地震波数据是：

以钻爆法开挖隧道的掌子面爆破波为震源，激发地震波，使不同炮眼震源所产生的地震波相互叠加后形成不同的传播源后通过隧道未开挖的围岩传至地表山体；由地震检波器收集洞室内初始地震波，由布设在隧道穿越山体地表的多组地震检波器阵列收集由开挖面爆破所产生的并传至山体/地表表面的地震波，形成地震波数据；

构建整个隧道穿越山体地质信息的3D预测平面分布特征图具体步骤如下：

收集前n道开挖爆破产生的地震波谱并进行处理后，从波形特征总体变化出发对波形进行自动分类处理；

按地震波谱特征值进行排序，收集开挖面实际地质信息或进行地质素描，将掌子面地质信息以及前期地勘信息结合，并与分类后的波形进行对比，完成对对应地质体的波谱分类；

利用神经网络算法对隧道掌子面开挖爆破产生的地震波形进行分类，根据分析结果形成离散的地震相谱；

赋予波形相似的地震道相同或相近的特征值，形成能够直观反映地震信号变化以及地震异常体的平面分布特征图；

利用图像合成技术，对整个隧道穿越山体地质信息进行3D预测；

所述得到隧道地质变化的4D预测平面分布特征图的具体步骤如下：

收集每次隧道开挖掌子面爆破的相关地震波数据；

构建整个隧道穿越山体地质信息的3D预测平面分布特征图，完成每一次地震相谱分析；

识别每次对山体地质预测中的变化；

对隧道爆破造成的地质变化进行监测，综合监测及分析结果，得到隧道地质变化的4D预测平面分布特征图。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述地震检波器阵列是检波器围绕山体布置所形成的测线，每条测线布置多个检波器，形成符合地震干涉法原理的检波器阵列。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述地震检波器阵列位于开挖洞室外，是由均匀布置的地震检波器阵列组成，用于在洞室外地表布置接受直射波与反射波，对隧道穿越山体地质包括隧道沿线不良地质体进行三维成像。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

地震波数据采用5G传输基站传输。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述建立地震波特征数据库，具体包括以下步骤：

对每个检波器数据进行滤波、反褶积处理；

选取隧道外布设在地表上的其中一个检波器记录的地震数据作为虚震源信号后，同其他检波器数据进行互相关、卷积处理数据，得到该检波器作为虚震源的地震干涉处理后的虚源反射地震波特征图谱；

选取隧道内距离掌子面最近的其中一个检波器记录的地震数据作为虚震源信号后，同其他检波器数据进行互相关、卷积处理数据，得到该检波器作为虚震源的地震干涉处理后的虚源直射地震波特征图谱；

单次爆破选取不同的检波器并重复上述步骤，分析特征图谱，形成多源直、反射波地震波干涉成像；

每次爆破通过深度学习算法对比同检波器地震波的地震波特征图谱，建立相关特征波谱波频波速的相关地震波特征数据库。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

还包括预报修正步骤，具体包括：

结合隧道当前掌子面的地质素描对利用爆破震动对隧道进行地质预报的结果进行验证；

随着掌子面前进，收集每次由爆破所产生的地震波，对前一次预报结果进行预报修正。

7.一种隧道超前地质预报系统，基于权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，包括：

数据获取模块，用于获取掌子面开挖爆破产生的地震波数据；

数据处理模块，用于基于多维反褶积地震干涉法对地震波数据进行处理并干涉成像，建立地震波特征数据库；利用深度学习算法和图像合成技术，构建整个隧道穿越山体地质信息的3D预测平面分布特征图；对隧道未开挖部分及其穿越沿线周围地质进行地质变化以及应力变化监测，得到隧道地质变化的4D预测平面分布特征图；

地质预报模块，用于根据4D预测平面分布特征图进行隧道超前地质预报。