CN116203633A - 基于天然源震动成像的隧道围岩完整性评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于天然源震动成像的隧道围岩完整性方法，包括：采集天然源震动数据，提取特征频率，通过时深转换和成像数据处理得到隧道围岩阻抗值，确定隧道围岩的阻抗变化率、完整基岩基准阻抗值、破碎体基准阻抗值、归一化阻抗值、计算隧道围岩完整性系数，进而对隧道围岩完整性进行评价。该方法所用的勘探设备轻便，不受场地和人文干扰因素的影响，场地适应性强，无需成孔、计算方便快捷、勘察成本低，勘察效率高，在艰险复杂山区等调绘、钻探、波速实施困难的深埋隧道围岩评价方面优势明显，具有较大的使用推广价值。

Description

基于天然源震动成像的隧道围岩完整性评价方法
技术领域
本发明涉及工程地质勘察领域，尤其是涉及一种基于天然源震动成像的隧道围岩完整性评价方法。
背景技术
围岩的完整性评价是铁路、公路等隧道工程设计的关键环节，目前主要是通过调绘、钻探和波速测试等方法。调绘只能获取地层表面的地质信息，间接对隧道围岩完整性进行评价，准确度不高，同时难以对深部隧道完整性进行评价；钻探取样成本高、周期长，在地形条件复杂的山区实施困难，且是一孔之见，对横向变化大的隧道围岩误差较大。波速测试需要同时测试岩体和岩块的纵波速度，现场测试较为困难，尤其是深部隧道围岩的测试尤其困难，难以获得准确的岩体和岩块速度。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种计算过程简单、快捷且计算精度较高的基于天然源震动成像的隧道围岩完整性评价方法。
为此，本发明采用以下技术方案：
一种基于天然源震动成像的隧道围岩完整性评价方法，包括以下步骤：
S1，场地天然源震动成像数据采集：将多个三分量节点式地震仪等间距线性排列布置，并同时采集一定时间内的天然源震动数据；
S2，天然源震动成像数据处理：分别对每个三分量节点式地震仪采集的天然源震动数据进行处理，提取特征频率，通过时深转换和成像，获得测试区域的天然源震动成像阻抗成果，并确定隧道围岩类型；
S3，计算步骤S2确定的隧道围岩类型中某一类隧道围岩的第i个计算点的阻抗变化率Si；
S4，确定该类隧道围岩的完整基岩基准阻抗值Iw：
Figure BDA0004127455830000011
其中：
Iij为该类围岩中阻抗变化率≥0.9的第j个阻抗值，单位为g/m2·s；
n1为该类围岩中阻抗变化率≥0.9的计算点数；
S5，确定该类隧道围岩的破碎体基准阻抗值Io：
Figure BDA0004127455830000021
其中，
Iik为该类围岩中阻抗变化率≤0.1的第k个阻抗值，单位为g/m2·s；
n2为该类围岩中阻抗变化率≤0.1的计算点数；
S6，利用步骤S3得到的隧道围岩阻抗变化率Si和步骤S5得到的基准阻抗值I0计算该类隧道围岩第i个计算点的归一化阻抗值INi；
S7，利用步骤S6得到的隧道围岩归一化阻抗值INi计算该类隧道围岩的完整性系数KIi：
KIi＝INi/IW
其中：
INi的单位为g/m2·s；
IW的单位为g/m2·s；
S8，对该类隧道围岩的完整性进行评价；
S9，重复步骤S3-S8，完成对所有类型隧道围岩的完整性评价。
优选的是，步骤S1中所述的一定时间为2小时。
步骤S3中，所述阻抗变化率Si通过下式计算：
Figure BDA0004127455830000022
其中，Ii为该类围岩第i个计算点的阻抗值，单位为g/m2·s；
Imin为该类围岩的最小阻抗值，单位为g/m2·s；
Imax为该类围岩的最大阻抗值，单位为g/m2·s。
步骤S6中所述的归一化阻抗值INi的计算公式为：INi＝Si·(IW-Io)+Io。
步骤S8的评价标准为：
当KIi≥0.9时，第i个计算点处围岩完整性为I级；
当0.65≤KIi<0.9时，第i个计算点处围岩完整性为II级；
当0.35≤KIi<0.65时，第i个计算点处围岩完整性为III级；
当0.1≤KIi<0.35时，第i个计算点处围岩完整性为IV级；
当KIi<0.1时，第i个计算点处围岩完整性为V级。
本发明的基于天然源震动成像的隧道围岩完整性评价方法，通过在地面设计合理的观测系统，采集天然源震动数据，提取特征频率，通过时深转换和成像数据处理得到隧道围岩阻抗值，确定隧道围岩阻抗变化率、完整基岩基准阻抗值、破碎体基准阻抗值、归一化阻抗值、计算隧道围岩完整性系数，进而对隧道围岩完整性进行评价。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明直接应用天然源震动成像勘探结果进行隧道围岩完整性评价，计算所需参数来源于天然源震动成像勘探数据，无需调绘、钻探、波速测试等，计算过程简单、快捷，精度高，计算效率提高50％以上。
2.该方法所用勘探设备轻便，勘察成本低，勘探成本节约50-60％。
3.该方法测试过程中勘探设备放置在地面上即可，采集的是天然源震动信号，不受场地和人文干扰因素的影响，场地适应性强，在艰险复杂山区等调绘、钻探、波速实施困难的深埋隧道围岩完整性评价方面优势明显，具有较大的使用推广价值。
附图说明
图1为本发明的基于天然源震动成像的隧道围岩完整性评价方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的评价方法进行详细说明。
如图1所示，本发明的基于天然源震动成像的隧道围岩完整性评价方法包括以下步骤：
S1，场地天然源震动成像数据采集：将多个三分量节点式地震仪等间距线性排列布置，并同时采集一定时间(例如2小时)内的天然源震动数据；
S2，天然源震动成像数据处理：分别对每个三分量节点式地震仪采集的天然源震动数据进行处理，提取特征频率，通过时深转换和成像，获得测试区域的天然源震动成像阻抗值成果，并确定隧道围岩类型；
S3，计算步骤S2确定的隧道围岩类型中某一类隧道围岩的第i个计算点的阻抗变化率Si，计算公式如下：
Figure BDA0004127455830000031
其中，Ii为该类围岩第i个计算点的阻抗值，单位为g/m2·s；
Imin为该类围岩的最小阻抗值，单位为g/m2·s；
Imax为该类围岩的最大阻抗值，单位为g/m2·s。
S4，确定该类隧道围岩的完整基岩基准阻抗值Iw：
Figure BDA0004127455830000041
其中：
Iij为该类围岩中阻抗变化率≥0.9的第j个阻抗值，单位为g/m2·s；
n1为该类围岩中阻抗变化率≥0.9的计算点数；
S5，确定该类隧道围岩的破碎体基准阻抗值Io：
Figure BDA0004127455830000042
其中，
Iik为该类围岩中阻抗变化率≤0.1的第k个阻抗值，单位为g/m2·s；
n2为该类围岩中阻抗变化率≤0.1的计算点数；
S6，利用步骤S3得到的隧道围岩阻抗变化率Si和步骤S5得到的基准阻抗值I0计算该类隧道围岩第i个计算点的归一化阻抗值INi：
INi＝Si·(IW-Io)+Io。
S7，利用步骤S6得到的隧道围岩归一化阻抗值INi计算该类隧道围岩的完整性系数KIi：
KIi＝INi/IW
其中：
INi的单位为g/m2·s；
IW的单位为g/m2·s；
S8，对该类隧道围岩的完整性进行评价：
当KIi≥0.9时，第i个计算点处围岩完整性为I级；
当0.65≤KIi<0.9时，第i个计算点处围岩完整性为II级；
当0.35≤KIi<0.65时，第i个计算点处围岩完整性为III级；
当0.1≤KIi<0.35时，第i个计算点处围岩完整性为IV级；
当KIi<0.1时，第i个计算点处围岩完整性为V级。
S9，重复步骤S3-S8，完成对所有类型隧道围岩的完整性评价。

Claims (5)

1.一种基于天然源震动成像的隧道围岩完整性评价方法，包括以下步骤：
S1，场地天然源震动成像数据采集：将多个三分量节点式地震仪等间距线性排列布置，并同时采集一定时间内的天然源震动数据；
S2，天然源震动成像数据处理：分别对每个三分量节点式地震仪采集的天然源震动数据进行处理，提取特征频率，通过时深转换和成像，获得测试区域的天然源震动成像阻抗成果，并确定隧道围岩类型；
S3，计算步骤S2确定的隧道围岩类型中某一类隧道围岩的第i个计算点的阻抗变化率Si；
S4，确定该类隧道围岩的完整基岩基准阻抗值Iw：
Figure FDA0004127455820000011
其中：
Iij为该类围岩中阻抗变化率≥0.9的第j个阻抗值，单位为g/m2·s；
n1为该类围岩中阻抗变化率≥0.9的计算点数；
S5，确定该类隧道围岩的破碎体基准阻抗值Io：
Figure FDA0004127455820000012
其中，
Iik为该类围岩中阻抗变化率≤0.1的第k个阻抗值，单位为g/m2·s；
n2为该类围岩中阻抗变化率≤0.1的计算点数；
S6，利用步骤S3得到的隧道围岩阻抗变化率Si和步骤S5得到的基准阻抗值I0计算该类隧道围岩第i个计算点的归一化阻抗值INi；
S7，利用步骤S6得到的隧道围岩归一化阻抗值INi计算该类隧道围岩的完整性系数KIi：
KIi＝INi/IW,
其中：
INi的单位为g/m2·s；
IW的单位为g/m2·s；
S8，对该类隧道围岩的完整性进行评价；
S9，重复步骤S3-S8，完成对所有类型隧道围岩的完整性评价。
2.根据权利要求1所述的隧道围岩完整性评价方法，其特征在于：步骤S1中，所述一定时间为2小时。
3.根据权利要求1所述的隧道围岩完整性评价方法，其特征在于：步骤S3中，所述阻抗变化率Si通过下式计算：
Figure FDA0004127455820000021
其中，Ii为该类围岩第i个计算点的阻抗值，单位为g/m2·s；
Imin为该类围岩的最小阻抗值，单位为g/m2·s；
Imax为该类围岩的最大阻抗值，单位为g/m2·s。
4.根据权利要求1所述的隧道围岩完整性评价方法，其特征在于：步骤S6所述的归一化阻抗值INi的计算公式为：INi＝Si·(IW-Io)+Io。
5.根据权利要求1所述的隧道围岩完整性评价方法，其特征在于：步骤S8的评价标准为：
当KIi≥0.9时，第i个计算点处围岩完整性为I级；
当0.65≤KIi<0.9时，第i个计算点处围岩完整性为II级；
当0.35≤KIi<0.65时，第i个计算点处围岩完整性为III级；
当0.1≤KIi<0.35时，第i个计算点处围岩完整性为IV级；
当KIi<0.1时，第i个计算点处围岩完整性为V级。
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