CN114252916A - 隧道掘进机工作面超前预报系统及预报方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种隧道掘进机工作面超前预报系统及预报方法。预报系统包括：采集子系统，设置在隧道上方山体裸露表面上，用于采集天然地震震动和隧道内隧道掘进机施工震动的地震波形数据；前端处理装置，用于根据所述地震波形数据，获得地质成像；预报装置，用于根据所述地质成像，确定隧道掘进机工作面的预报结果。本申请实施例利用的震源，一个是天然源‑天然地震振动，另一个是施工震动‑隧道内隧道掘进机工作面震动，施工震动的震动能量强，信噪比高，能够穿透较长岩体，能实现超长距离预报；同时，无需再另行制造震动，对环境影响较小，对施工人员较为友好。

Description

隧道掘进机工作面超前预报系统及预报方法

技术领域

本申请涉及隧道施工技术领域，特别涉及一种隧道掘进机工作面超前预报系统及预报方法。

背景技术

隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，TBM)是在岩石等硬质地层中进行隧道掘进使用的大型设备，其集成了大量的机械、电气装置。

在用TBM进行掘进的过程中，施工方法具有特殊性和复杂性。由于TBM是各种装置的集合体，具有极为复杂的电磁环境，因此能够诱发TBM附近的电磁场发生畸变，进而干扰甚至淹没掌子面前方的有效地球物理响应，导致钻爆法施工中可用的瞬变电磁技术和地质雷达技术均无法用于TBM施工环境。同时TBM占据了掌子面后方的大部分空间，掌子面后方的区域基本不具备铺设超前探测测线、激发装置以及传感器等设备的条件，导致超前地质预报的观测空间极为狭小，难以布置对掌子面前方地球物理响应敏感的观测模式，在钻爆法中可用的TSP(Tunnel Seismic Prediction，隧道超前预报)、TRT(Tunnel ReflectorTomography，隧道层析扫描成像)、TST(Tunnel Seismic Tomography，隧道地质超前预报)等技术也难以照搬到TBM的施工环境中。

发明内容

为了解决上述技术缺陷之一，本申请实施例中提供了一种隧道掘进机工作面超前预报系统及方法。

根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种隧道掘进机工作面超前预报系统，包括：

采集子系统，设置在隧道上方山体裸露表面上，用于采集天然地震震动和隧道内隧道掘进机施工震动的地震波形数据；

前端处理装置，用于根据所述地震波形数据，获得地质成像；

预报装置，用于根据所述地质成像，确定隧道掘进机工作面的预报结果。

根据本申请实施例的第二个方面，提供了一种隧道掘进机工作面超前预报方法，包括：

采集天然地震震动和隧道内隧道掘进机施工震动传播至隧道上方山体裸露表面上的地震波形数据；

对所述地震波形数据进行处理，获得地质成像；

根据所述地质成像确定相应的预报结果。

通过设置在隧道上方山体裸露表面之上的采集子系统，采集天然地震震动和隧道内隧道掘进机施工震动的地震波形数据。之后，根据地震波形数据，前端处理装置获得地质成像，即得到了隧道周围的地质成像。预报装置，根据地质成像，确定隧道掘进机工作面的预报结果。这样，本申请实施例的隧道掘进机工作面超前预报系统，利用的震源，一个是天然源-天然地震振动，另一个是施工震动-隧道内隧道掘进机工作面震动，施工震动的震动能量强，信噪比高，能够穿透较长岩体，能实现超长距离预报；同时，无需再另行制造震动，对环境影响较小，对施工人员较为友好。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种隧道掘进机工作面超前预报系统的组成示意图；

图2为本申请实施例提供的一种隧道掘进机工作面超前预报系统中采集子系统的流动台站和固定台站的布设示意图；

图3为本申请实施例的隧道掘进机工作面超前预报系统的前端处理装置和预报装置的地质成像和预报的流程示意图；

图4为本申请实施例的隧道掘进机工作面超前预报系统的流动台站和固定台站的相互关计算的示意图。

附图标记说明：

11固定台站，12流动固定台站，

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在实现本申请的过程中，发明人发现现有技术中在TBM的施工方法中所应用的方法主要有主动源/被动源地震超前预报技术、BEAM技术、跨孔地质雷达预报法等。上述现有的方法施做思路均局限在隧道洞身内或TBM内部布设相关检测仪器设备。受制于TBM的复杂施工环境和狭小空间，上述方法的适用性均较差。

针对上述问题，本申请实施例中提供了一种隧道掘进机工作面超前预报系统及方法，利用连续地震波中的背景噪声对地下介质构造成像。通过在隧道上方山体裸露面布设采集子系统以获取携带地质信息的地震波形数据，经过长时间连续观测及叠加波形可以提高信号能量与信噪比。经过上述步骤可获得高分辨率并适用于浅地表结构的低成本成像结果，根据成像结果对工作面前方断层、断裂带、硬岩的位置作出预测。既不占用掌子面附近的施工区域，也不需要在TBM上布设仪器设备，大大提高了预报系统的适用性。

如图1和图2所示，本申请实施例提供了一种隧道掘进机工作面超前预报系统，包括：

采集子系统，设置在隧道上方山体裸露表面上，用于采集天然地震震动和隧道内隧道掘进机施工震动的地震波形数据；

前端处理装置，用于根据所述地震波形数据，获得地质成像；

预报装置，用于根据所述地质成像，确定隧道掘进机工作面的预报结果。

本申请实施例的隧道掘进机工作面超前预报系统，通过设置在隧道上方山体裸露表面之上的采集子系统，采集天然地震震动和隧道内隧道掘进机施工震动的地震波形数据。之后，根据地震波形数据，前端处理装置获得地质成像，即得到了隧道周围的地质成像。预报装置，根据地质成像，确定隧道掘进机工作面的预报结果。这样，本申请实施例的隧道掘进机工作面超前预报系统，利用的震源，一个是天然源-天然地震振动，另一个是施工震动-隧道内隧道掘进机工作面震动，施工震动的震动能量强，信噪比高，能够穿透较长岩体，能实现超长距离预报；同时，无需再另行制造震动，对环境影响较小，对施工人员较为友好。

具体的，隧道内隧道掘进机工作面震动为隧道内隧道掘进机掘进过程中产生的刀盘震动、施工作业产生的震动等。

本申请实施例的隧道掘进机工作面超前预报系统，在震源利用方面，能够在不中断隧道施工的情况下实施。采用的震源分为天然源及人工源两大类。天然源为天然地震事件产生的震动，即天然地震振动。人工源是利用隧道内隧道掘进机施工震动(如隧道内隧道掘进机掘进过程中产生的刀盘震动、施工作业产生的震动等)。天然源与人工源产生的连续地震记录中普遍存在的背景噪声信号为实时预报方法所利用的主要信号源。两类震源利用既有的“噪声”，无需人为刻意制造，对环境友好，对施工主体友好。

示例性地，地下构造中存在着大量的地震波动，尤其是在隧道掘进中，自然发生的以及TBM掘进时产生的地震波动能够向各个方向传播。当地震波动向上传播至隧道上方的山体裸露面时，地震波动即可被采集子系统采集到，采集子系统获取到的为地震波形数据，当获取地震波形数据后，采集子系统即将地震波形数据进行实时存储。

在本申请的实施例中，如图2所示，采集子系统包括至少一个固定台站11和多个流动台站12。

固定台站和流动台站，两类台站用于接收并记录震源产生的连续地震波形数据。采用空间布设原则，分布式采集。流动台站布设位置根据隧道工作面在山体中的位置作出不定期调整，固定台站进行长期观测，并作为若干流动台站之间的桥梁，将流动台站不同时期的观测记录联系起来。采集子系统完全不占用，隧道掘进机的工作面。

实施中，隧道掘进机工作面超前预报系统还包括数据库；

所述固定台站和各个流动台站各自具有无线数据传输模块，所述无线数据传输模块和所述数据库之间通过无线传输数据。即线数据传输模块自动对每个固定台站和各个流动台站记录的地震波形数据进行编组整理并通过传输至数据库。

采用无线数据传输模块将固定台站和各个流动台站的地震波形数据，传输至数据库，这样，在固定台站、各个流动台站和数据库之间数据传输无线化，不需要铺设有线的传输系统，能够适应于隧道施工现场。

具体的，固定台站和流动台站，各自采用自动连续记录方式采集地震波形数据。这样，固定台站和流动台站能够实现长时间免维护。固定台站和流动台站的无线数据传输模块将数据回传至数据库。节省了数据采集的人工成本，提高了获得数据的时效性，有利于在高原、冻土等恶略环境开展。

实施中，各个所述流动台站分布在隧道上方山体裸露表面处且沿隧道中线两侧大于等于80米小于等于120米的范围内；

所述流动台站之间间距的取值范围为大于等于50米小于等于100米；

所述流动台站中采集天然地震震动的地震波形数据的数量为大于等于50台小于等于100台；

所述流动台站中采集隧道内隧道掘进机工作面震动的地震波形数据的数量为大于等于50台小于等于100台。

流动台站布设时采用空间布设原则，以对地震波形数据进行分布式采集。流动台站采集的地震波形数据携带了地质信息，通过布设高密度的流动台站能够达到理想的成像效果。而且，经过长时间的连续采集，获得的地震波形数据以及相应的互相关处理结果能够提高信号能量和信噪比，通过对地震台站的通信带宽以及设置的间距可以获取有效的频率成分。

流动台站布设灵活，不占用施工工作面。流动台站和固定台站，两类台站相互结合能够保障地震波形数据的可靠性。

实施中，如图3所示，所述前端处理装置具体用于：

对地震波形数据进行数据预处理；

对数据预处理后的地震波形数据相互关计算和面波群速度计算，得到能体现流动台站和固定台站之间地质信息的面波信号；

从面波信号中提取出面波群速度频散曲线；

根据面波群速度频散曲线进行面波层析成像，形成地质成像。

所述预报装置具体用于：

对地质成像进行视横波速度反演处理，并根据所述地质成像以及视横波速度反演处理的结果，形成地下介质构造分析，确定隧道掘进机工作面的预报结果。

通过在隧道上方山体裸露面布设固定台站和流动台站以获取携带地质信息的地震波形数据。地震射线路径覆盖所要研究的目标体的密度决定了成像结果可靠性。通过布设足够密集固定台站和流动台站来达到理想的成像效果。通过长时间连续观测及叠加波形来提高信号能量与信噪比。通过调整固定台站和流动台站接收带宽及间距获取有效的频率成分。经过上述步骤可获得高分辨率并适用于浅地表结构的低成本成像结果，根据成像结果对工作面前方断层、断裂带、硬岩的位置作出预测。

实施中，对数据预处理后的地震波形数据相互关计算，如图4所示，包括：

一个固定台站和两个流动站台的地震波形数据进行一次互相关计算，获得两个一次互相关波形数据；

两个一次互相关波形数据进行二次相互关计算，获得携带两个流动站台之间底层信息的有效信号。

具体的，如图4所示，A为固定台站，可以利用研究区域既有的固定地震台站。B、C为流动台站。固定台站A的地震波形数据(地震波形数据即为图中的背景噪声)分别与流动台站B、C的地震波形数据进行第一次互相关计算，获得两个一次互相关波形数据，即得到AB、AC两组数据。AB、AC两组波形数据进行第二次互相关计算，即得到携带流动台站B与流动台站C之间底层信息的有效信号，进而为成像提供数据。通过固定台站A作为桥梁纽带，经过两次互相关计算从而可将不同时期流动台站的数据联系起来进行联合成像。提高了流动台站利用率，增加了射线覆盖密度。

实施中，对携带两个流动站台之间底层信息的有效信号进行面波群速度计算，得到能体现流动台站和固定台站之间地质信息的面波信号。为成像提供数据。

所述预报装置具体还用于：

在地质成像不满足预报要求时，判断需要行采集周期增加或流动台站位置调整，直至地质成像满足预报要求为止；

在地质成像满足预报要求时，判断根据隧道掘进机工作面位置重新布设流动台站，以满足下一观测周期要求。

示例性地，如果流动台站布设的位置不合理，或者采集地震波形数据的周期过短，数据量不够大，将会造成无法获得正确的地质成像。因此当误差分析的结果表明误差过大时，则需要人工对流动台站的布设位置进行调整，或者调整流动台站的数据采集周期，当积累了足够的数据后，再进行地震波形数据的互相关处理操作。

示例性地，仅使用地质成像也可以确定预报结果，但是无法对预报结果进行实时更新。通过地质成像和反演结果的结合，可以实时更新预报结果，有效提高预报准确率。

示例性地，采集子系统和数据库之间可以通过蓝牙、WiFi、4G等无线通信方式进行无线通信。

本申请实施例还提供了一种隧道掘进机工作面超前预报方法，如图3所示，该方法包括：

采集天然地震震动和隧道内隧道掘进机施工震动传播至隧道上方山体裸露表面上的地震波形数据；

对所述地震波形数据进行处理，获得地质成像；

根据所述地质成像确定相应的预报结果。

采用本申请实施例中提供的一种隧道掘进机工作面超前预报系统及方法，具有以下优点：

1、利用新型震源，无需在隧道内另外布设炸药震源，不占用掌子面，对隧道施工无影响。施工爆破产生的震动能量强，信噪比高，能够穿透较长岩体，能实现超长距离预报。

2、采用分布式采集地震数据，各采集子系统为自动记录波形数据，能够实现长时间免维护。相较于传统预报方法免去每次预报需布设检波器的流程。

3、数据传输采用无线传输。通常，地震层析成像测量是有线系统进行的，这意味着传统的地震层析成像技术难以在深埋长大山岭隧道施工现场进行应用于隧洞内的预报。

4、采用智能化反演，应用基于互相关技术的背景噪声成像技术，能够实时更新预报结果，对工作面前方地质情况进行全周期预报。可有效提高预报准确率，为开展安全生产提供有力保障。

在本申请的描述中，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申请和简化描述，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申请的限制。

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该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种隧道掘进机工作面超前预报系统，其特征在于，包括：

采集子系统，设置在隧道上方山体裸露表面上，用于采集天然地震震动和隧道内隧道掘进机施工震动的地震波形数据；

前端处理装置，用于根据所述地震波形数据，获得地质成像；

预报装置，用于根据所述地质成像，确定隧道掘进机工作面的预报结果。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述采集子系统包括至少一个固定台站和多个流动台站。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括数据库；

所述固定台站和各个流动台站各自具有无线数据传输模块，所述无线数据传输模块和所述数据库之间通过无线传输数据。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，各个所述流动台站分布在隧道上方山体裸露表面处且沿隧道中线两侧大于等于80米小于等于120米的范围内；

所述流动台站之间间距的取值范围为大于等于50米小于等于100米；

所述流动台站中采集天然地震震动的地震波形数据的数量为大于等于50台小于等于100台；

所述流动台站中采集隧道内隧道掘进机工作面震动的地震波形数据的数量为大于等于50台小于等于100台。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述前端处理装置具体用于：

对地震波形数据进行数据预处理；

对数据预处理后的地震波形数据相互关计算和面波群速度计算，得到能体现流动台站和固定台站之间地质信息的面波信号；

从面波信号中提取出面波群速度频散曲线；

根据面波群速度频散曲线进行面波层析成像，形成地质成像。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述预报装置具体用于：

对地质成像进行视横波速度反演处理，并根据所述地质成像以及视横波速度反演处理的结果，形成地下介质构造分析，确定隧道掘进机工作面的预报结果。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，对数据预处理后的地震波形数据相互关计算，包括：

一个固定台站和两个流动站台的地震波形数据进行一次互相关计算，获得两个一次互相关波形数据；

两个一次互相关波形数据进行二次相互关计算，获得得到携带两个流动站台之间底层信息的有效信号。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，对地震波形数据进行数据预处理包括：

带通滤波处理；

去仪器响应处理；

时间域归一化处理。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述预报装置具体还用于：

在地质成像不满足预报要求时，判断需要行采集周期增加或流动台站位置调整，直至地质成像满足预报要求为止；

在地质成像满足预报要求时，判断根据隧道掘进机工作面位置重新布设流动台站，以满足下一观测周期要求。

10.应用于权利要求1-9任一项所述的一种隧道掘进机工作面超前预报方法，其特征在于，包括：

采集天然地震震动和隧道内隧道掘进机施工震动传播至隧道上方山体裸露表面上的地震波形数据；

对所述地震波形数据进行处理，获得地质成像；

根据所述地质成像确定相应的预报结果。

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