CN117233840A - 一种基于地震波的地下洞室全空间超前地质预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地震波的地下洞室全空间超前地质预报方法，属于地质预报技术领域，能够解决现有地质预报方法中由于地震波信息的获取和利用较少而导致的预报成果准确性较差的问题。所述方法包括：S1、根据地下洞室的地震波数据和地质编录信息构建波速模型并计算原始波形的包络线；S2、对波速模型进行模型正演，得到理论波形的包络线；S3、利用理论波形的包络线和原始波形的包络线对波速模型进行反演优化，得到超前地质预报模型。本发明用于地下洞室的超前地质预报。

Description

一种基于地震波的地下洞室全空间超前地质预报方法

技术领域

本发明涉及一种基于地震波的地下洞室全空间超前地质预报方法，属于地质预报技术领域。

背景技术

近些年隧道建设工程蓬勃发展，与此同时，隧道开挖掘进过程中引发的涌水、突泥、塌方等地质灾害事故频发，轻则拖慢过程进度，重则危及生命安全。通过地质超前预报技术可提前获取隧洞开挖掌子面前方比较详细的地质信息，从而有效地避免一系列工程事故的发生。诸多学者对掌子面前方地质超前地质预报进行了积极地探究，研发了许多地质超前预报方法，主要方法有：地质分析法、物探法、地质物探综合分析法，其中物探法又分为电磁类方法、激发极化类方法和弹性波类方法。其中电磁类方法主要用于探查岩溶、涌水、突泥等含水构造；激发极化类方法能够区分含水泥砂、淤泥或自由流动的水，并能判定涌水量；弹性波方法以射线理论为基础，一般主要用于探查断层、破碎带、节理密集带等不良地质体，对于不良地质体的定位较为准确，并对岩体破碎和完整程度给予一定判定。这些超前预报方法技术工程实践应用中取得了较大的进展。

然而，传统的电磁类预报方法受施工现场电磁干扰影响严重，不易于在掌子面开挖施工期采集数据。另一方面由于电磁波场的体积效应使得预报成果的准确性受到影响。而传统的弹性波类预报方法主要存在以下问题：①受限于地下洞室的有限空间，大部分预报方法将检波器安置于洞壁处，忽略了掌子面处地震波信息的获取，获取的原始地震波信息量偏少；②检波器沿洞轴线方向单一的直线排列，忽略了从顶拱到底板方向地震波的传播；③数据处理方面主要采用反射波偏移成像的技术，没有充分利用地震波信号中频率、相位等多种信息，对掌子面前方地质构造解译难度大。

发明内容

本发明提供了一种基于地震波的地下洞室全空间超前地质预报方法，能够解决现有地质预报方法中由于地震波信息的获取和利用较少而导致的预报成果准确性较差的问题。

本发明提供了一种基于地震波的地下洞室全空间超前地质预报方法，所述方法包括：

S1、根据地下洞室的地震波数据和地质编录信息构建波速模型并计算原始波形的包络线；

S2、对所述波速模型进行模型正演，得到理论波形的包络线；

S3、利用所述理论波形的包络线和所述原始波形的包络线对所述波速模型进行反演优化，得到超前地质预报模型。

可选的，所述S1具体包括：

S11、获取地下洞室的地震波数据，并对所述地震波数据进行分区抽道集处理，得到多个地震道集；

S12、对所述地震道集进行包络计算，得到原始波形的包络线；

S13、获取地下洞室的地质编录信息，并根据所述地质编录信息和所述地震道集构建波速模型。

可选的，所述S11具体包括：

在地下洞室的掌子面及其左右边墙上均布设多个检波器和多个激发点，并获取每个激发点激发时每个检波器采集的地震波数据；

对所述地震波数据进行分区抽道集处理，得到每个检波器对应的地震道集。

可选的，所述S13具体包括：

根据所述检波器和所述激发点的位置关系、以及所述地震波数据，计算每个地震道集的平均波速；

获取地下洞室的地质编录信息，并根据所述地质编录信息和每个所述地震道集的平均波速构建波速模型。

可选的，所述S2具体包括：

S21、采用谱元法或有限元法对所述波速模型进行模型正演，得到地震波理论波形；

S22、对所述地震波理论波形进行包络计算，得到理论波形的包络线。

可选的，所述S3具体包括：

S31、获取所有所述地震道集的理论波形的包络线与其原始波形的包络线之间的总数据残差；

S32、若所述总数据残差满足第一收敛准则，则将所述波速模型作为超前地质预报模型；否则，执行S33；

S33、利用所述总数据残差计算模型更新量并更新所述波速模型，得到更新后的波速模型；

S34、若更新后的波速模型的反演次数满足第二收敛准则，则将更新后的波速模型作为超前地质预报模型；否则，执行S2。

可选的，所述S33具体包括：

对所述总数据残差进行梯度计算，得到模型更新量；

利用所述模型更新量更新所述波速模型，得到更新后的波速模型。

可选的，所述对所述总数据残差进行梯度计算，得到模型更新量具体包括：

根据所述地质编录信息，得到散射波场扰动；

对所述总数据残差和所述散射波场扰动进行梯度计算，得到模型更新量。

可选的，所述利用所述模型更新量更新所述波速模型，得到更新后的波速模型具体为：

计算所述波速模型与所述模型更新量的乘积，并计算所述乘积与所述波速模型的和值，将所述和值作为更新后的波速模型。

可选的，所述波速模型包括纵波波速模型、横波波速模型和密度模型。

本发明能产生的有益效果包括：

本发明提供的基于地震波的地下洞室全空间超前地质预报方法，充分利用地下洞室的有限作业空间，优化设计全空间三维观测系统，采集大量的地震波信息，在数据分析与处理方面，充分结合现场地质情况，首先对数据进行分区抽道处理，通过构建包含地质编录信息的先验模型进行地震波的三维全波形反演，确保数据快速收敛至准确的地质模型，解决了现有地质预报方法中由于掌子面处地震波信息的获取和利用较少而导致的预报成果准确性较差的问题，提高了超前地质预报成果的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于地震波的地下洞室全空间超前地质预报方法流程图；

图2为本发明实施例提供的基于地震波的地下洞室全空间超前地质预报方法流程框图；

图3为本发明实施例提供的右边墙处检波器和激发点位置示意图；

图4为本发明实施例提供的掌子面处检波器和激发点位置示意图。

部件和附图标记列表：

1、围岩；2、右拱；3、右拱肩；4、右边墙；5、顶拱；6、左拱；7、左拱肩；8、左边墙；9、激发点；10、检波器；11、底板；12、掌子面。

具体实施方式

下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。

本发明实施例提供了一种基于地震波的地下洞室全空间超前地质预报方法，如图1所示，所述方法包括：

S1、根据地下洞室的地震波数据和地质编录信息构建波速模型并计算原始波形的包络线。

S1具体包括：

S11、获取地下洞室的地震波数据，并对地震波数据进行分区抽道集处理，得到多个地震道集。

S11具体包括：

首先在地下洞室的掌子面及其左右边墙上均匀布设多个检波器和多个激发点，并获取每个激发点激发时每个检波器采集的地震波数据；

然后对地震波数据进行分区抽道集处理，得到每个检波器对应的地震道集。

参考图2至图4所示，本发明首先进行三维全空间观测系统设计，其总体设计原则为：充分利用地下洞室中有限的工作空间及检波器、激发点的布设工作面，考虑现场工作的方便性、采集数据的完备且不冗余性，在掌子面和左右边墙同时共布设21个三分量检波器采集地震波信号数据，在每个检波器左右两侧偏移道间距一半处布设激发点以激发地震波，激发点共计30个。

图3为右边墙处检波器和激发点位置示意图。在进行边墙检波器10的布设时，在左、右边墙（洞壁）上分别布设两列检波器10，两列之间的距离为d，其中靠近掌子面12的那一列检波器10与掌子面12的距离为d，每一列由3个检波器10组成，三个检波器10的安置高程与掌子面12处安置的检波器高程一致，即分别为高（H_high）、中（H_mid）、低（H_low），左、右洞壁各布设6个检波器，共计布设12个检波器。

图4为掌子面处检波器和激发点位置示意图。在围岩1上进行洞室开挖，形成了由右拱2、右拱肩3、右边墙4、顶拱5、左拱6、左拱肩7、左边墙8和底板11构成的地下洞室结构。在进行掌子面12的检波器10布设时，分别在待开挖的掌子面12三个不同高程，即：高（H_high）、中（H_mid）、低（H_low）沿水平方向均匀布设3个三分量检波器10，共布设9个检波器，同高程布设的3个检波器之间的道间距为d。

在距离每一个检波器10水平距离d/2，与检波器10同一高程处布设激发点9，掌子面共布设12个激发点9，左右边墙各布设9个激发点9，因此总共布设30个激发点9；在实际激发时，可以利用大锤（不小于8磅）激发地震波，即：假设某检波器的空间布设坐标为（x，y，z），则该检波器两侧地震波激发位置为（x±d/2，y，z）或（x，y±d/2，z）。

对采集的地震波数据进行预处理，具体的，可以进行抽道集处理，得到每个检波器对应的一个地震道集；由于有多个检波器，因此可以得到多个地震道集。若测试范围内存在明显的岩性分界线、破碎带等波速差异大的构造，抽道集时应根据现场地质编录情况分区处理。

S12、对地震道集进行包络计算，得到原始波形的包络线。

对获取的各地震道集中的地震波数据进行包络计算，得到每个地震道集的原始波形的包络线。

S13、获取地下洞室的地质编录信息，并根据地质编录信息和地震道集构建波速模型。

S13具体包括：

根据检波器和激发点的位置关系、以及地震波数据，计算每个地震道集的平均波速。具体的，根据激发点和检波点的空间位置关系、以及检波器检测的初至波时间，计算每个地震道集的平均波速。

获取地下洞室的地质编录信息，并根据地质编录信息和每个地震道集的平均波速构建波速模型。

其中，波速模型可以包括纵波波速模型、横波波速模型和密度模型。

根据隧洞施工空间现状特征、地质编录信息，结合前面计算的每个地震道集的平均波速，构建波形反演的初始的波速模型，具体的，构建纵波波速模型，作为当前最新模型，横波波速模型和密度模型由经验公式给定。

S2、对波速模型进行模型正演，得到理论波形的包络线。

S2具体包括：

S21、采用谱元法或有限元法对波速模型进行模型正演，得到地震波理论波形；

S22、对地震波理论波形进行包络计算，得到理论波形的包络线。

由于隧道三维空间中临空面较多，地震波在临空面传播时，主要能量集中在表面，表现为Rayleigh面波的形式，而有限元或者谱元法正演地震波动方程时，其自由边界条件自动满足，且可利用非结构化四面体单元剖分介质模型，可灵活地拟合现状介质模型，故采用谱元法或有限元法对构建的三维隧道的波速模型进行正演，获取当前的波速模型中各地震道集的地震波理论波形,并对地震波理论波形进行包络计算，得到理论波形的包络线。其中震源子波函数通过交叉褶积参考道集的方法获得。

S3、利用理论波形的包络线和原始波形的包络线对波速模型进行反演优化，得到超前地质预报模型。

S3具体包括：

S31、获取所有地震道集的理论波形的包络线与其原始波形的包络线之间的总数据残差。

S32、若总数据残差满足第一收敛准则，则将波速模型作为超前地质预报模型；否则，执行S33。

首先计算由模型正演所得的各地震道集的理论波形的包络线和预处理后的原始波形的包络线之间的数据残差，作为波形反演的目标函数，具体公式如下：

；

式中：表示波形反演的目标函数，/>表示震源（激发点）位置， />表示检波器位置，/>表示时间，/>表示模型，一般/>为一个数组，数组元素包括介质模型的纵波速度/>，横波速度/>和密度/>，即/>。/>和/>分别为震源位置/>，检波器位置/>处，模型/>的正演模拟和观测所得的波形数据，/>为操作地震波形数据的数学算子。在具体的反演过程中，/>表示加窗、滤波。

下式为计算的总数据残差：

。

式中，表示模型为/>时的总数据残差，/>表示震源的数量，/>表示检波器的数量，/>和/>分别为震源位置/>、检波器位置/>处，模型/>的正演模拟和观测所得的波形数据，/>表示时间，/>表示地震波传播的时间长度，/>为操作地震波形数据的数学算子。在具体的反演过程中，/>表示加窗、滤波操作。

若当前总数据残差小于预先设定的数据拟合误差阈值（即满足第一收敛准则），则三维全波形反演终止，当前的波速模型即为最终的超前地质预报模型。若当前总数据残差不小于预先设定的数据拟合误差阈值（即不满足第一收敛准则），则对当前的波速模型进行反演优化，即执行步骤S33。

S33、利用总数据残差计算模型更新量并更新波速模型，得到更新后的波速模型。

首先，对总数据残差进行梯度计算，得到模型更新量。

目标函数的梯度（即模型更新量）可由下式计算：

；

其中，表示波形反演的目标函数的梯度，/>表示震源位置，/>表示检波器位置，/>表示时间，/>表示地震波传播的时间长度，/>表示模型，/>表示检波器的数量，/>表示模型发生微小的扰动，/>表示波形反演的目标函数，震源位置/>，检波器位置，时间/>，模型/>为该函数的参数。/>表示由于模型参数/>发生扰动变化引起的波场位移或者振动速度在震源位置/>，检波器位置/>，时间/>处发生的扰动量，/>表示对扰动量/>求取偏导数。

进一步的，根据地质编录信息，得到散射波场扰动；

然后对总数据残差和散射波场扰动进行梯度计算，得到模型更新量。

最后利用模型更新量更新波速模型，得到更新后的波速模型。

具体的，计算波速模型与模型更新量的乘积，并计算乘积与波速模型的和值，将和值作为更新后的波速模型。

将当前的纵波波速模型、横波波速模型/>和密度模型/>分别加上其与模型更新量/>（即Fréchet偏导数）的乘积，作为更新后的纵波波速模型/>、横波波速模型/>和密度模型/>，即：

。

S34、若更新后的波速模型的反演次数满足第二收敛准则，则将更新后的波速模型作为超前地质预报模型；否则，执行S2。

若当前反演次数（即迭代次数）已经达到预先设定的值（即满足第二收敛准则），则三维全波形反演终止，当前最新的波速模型即为最终超前预报结果。

本发明提供的基于地震波的地下洞室全空间超前地质预报方法，充分利用地下洞室的有限作业空间，优化设计全空间三维观测系统，采集大量的地震波信息，在数据分析与处理方面，充分结合现场地质情况，首先对数据进行分区抽道处理，通过构建包含地质编录信息的先验模型进行地震波的三维全波形反演，确保数据快速收敛至准确的地质模型，解决了现有地质预报方法中由于掌子面处地震波信息的获取和利用较少而导致的预报成果准确性较差的问题，提高了超前地质预报成果的准确性。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种基于地震波的地下洞室全空间超前地质预报方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、根据地下洞室的地震波数据和地质编录信息构建波速模型并计算原始波形的包络线；

S2、对所述波速模型进行模型正演，得到理论波形的包络线；

S3、利用所述理论波形的包络线和所述原始波形的包络线对所述波速模型进行反演优化，得到超前地质预报模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1具体包括：

S11、获取地下洞室的地震波数据，并对所述地震波数据进行分区抽道集处理，得到多个地震道集；

S12、对所述地震道集进行包络计算，得到原始波形的包络线；

S13、获取地下洞室的地质编录信息，并根据所述地质编录信息和所述地震道集构建波速模型。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S11具体包括：

在地下洞室的掌子面及其左右边墙上均布设多个检波器和多个激发点，并获取每个激发点激发时每个检波器采集的地震波数据；

对所述地震波数据进行分区抽道集处理，得到每个检波器对应的地震道集。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S13具体包括：

根据所述检波器和所述激发点的位置关系、以及所述地震波数据，计算每个地震道集的平均波速；

获取地下洞室的地质编录信息，并根据所述地质编录信息和每个所述地震道集的平均波速构建波速模型。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2具体包括：

S21、采用谱元法或有限元法对所述波速模型进行模型正演，得到地震波理论波形；

S22、对所述地震波理论波形进行包络计算，得到理论波形的包络线。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S3具体包括：

S31、获取所有所述地震道集的理论波形的包络线与其原始波形的包络线之间的总数据残差；

S32、若所述总数据残差满足第一收敛准则，则将所述波速模型作为超前地质预报模型；否则，执行S33；

S33、利用所述总数据残差计算模型更新量并更新所述波速模型，得到更新后的波速模型；

S34、若更新后的波速模型的反演次数满足第二收敛准则，则将更新后的波速模型作为超前地质预报模型；否则，执行S2。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述S33具体包括：

对所述总数据残差进行梯度计算，得到模型更新量；

利用所述模型更新量更新所述波速模型，得到更新后的波速模型。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述对所述总数据残差进行梯度计算，得到模型更新量具体包括：

根据所述地质编录信息，得到散射波场扰动；

对所述总数据残差和所述散射波场扰动进行梯度计算，得到模型更新量。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述利用所述模型更新量更新所述波速模型，得到更新后的波速模型具体为：

计算所述波速模型与所述模型更新量的乘积，并计算所述乘积与所述波速模型的和值，将所述和值作为更新后的波速模型。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述波速模型包括纵波波速模型、横波波速模型和密度模型。