CN1967177A - 一种在隧道中测取掌子面前方岩体波速的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于在隧道和地下工程用反射法探查掌子面前方地质，测前方岩体波速的技术。它通过在掌子面上设交叉的两条测线，线上每隔一定距离设一测点，每一测点作小震—检距或小发射－接收距的激发和接收，然后通过归一化将各测点的时间曲线汇成时间剖面。在时间剖面上得到各反射面的反射同相轴和各测点的相应反射时，确定各反射面，若已知岩体波速就可根据测点的反射时计算出各反射面的位置。在掌子面后方边墙设测线，上设若干测点，测得反射面到各点的反射时。假设岩体波速，根据掌子面上测得的测点反射时求出虚拟的反射面的空间位置，计算边墙测点在假设的波速情况下对虚拟的反射面的反射时，与实测反射时比较，然后调整假设的波速值，逐步逼近，求得最接近实际的波速值。

Description

一种在隧道中测取掌子面前方岩体波速的方法

技术领域

一种在隧道中测取掌子面前方岩体波速的方法，本发明涉及在隧道和其它地下工程掌子面探查前方地质时测取前方岩体波速的方法，具体的说，是用反射法测量掌子面前方岩体波速的技术方法。

背景技术

目前投入使用的隧道掌子面前方地质预报的方法中，属于反射类的方法有地震反射负视速度法(隧道VSP)、TSP、HSP、陆地声纳等弹性波反射类方法，以及探地雷达等电磁类方法。它们都是通过测量反射体的反射时t和岩体波速V求取反射体空间位置：

                       距离d＝Vt/2

但是，岩体波速测定，目前仍存在难题。以弹性波反射类方法为例，目前它们都通过在掌子面后方边墙(或隧道底等其它部位)设测线，用一点激震，多点接收或一点接收，多点激震的方式测直达波(或岩体内部如松弛带与压密区等的界面的折射波)测第一层岩体波速。当反射面与掌子面平行时，可在隧道侧墙(或隧道底等)设测线，在距掌子面远端设激震点，近端设若干检波点(1点激震，多点接收方式)或远端设检波点，近端设若干个激震点(多点激震，1点接收方式)，可以测出第二层，第三层等岩体的波速。但当反射面不平行掌子面(反射面不垂直测线)时，因为反射面的产状不知道，而是个要根据波速及其它参数求取的结果，故尚不能实测岩体波速的准确值。

发明内容

本发明的目的是为克服上述缺点而提供一种测取掌子面前方岩体波速的方法，包括弹性波反射类和雷达波反射等电磁类方法。其特殊之处在于：

在掌子面上设定两条交叉的测线，在测线上每隔一定间距设一测点，采用小震-检距和小发射-接收距测出各测点时间曲线，然后将一条测线各点时间曲线汇成时间剖面，在时间剖面上得到测点对反射面的反射时间。在掌子面后方边墙(或隧底、拱部等部位)设一测线，上设若干测点，用一点激发多点接收或一点接收多点激发或小震检距或小发射-接收距的方式求得各测点对反射面的实测反射时。采用先假设岩体波速的方法，根据掌子面上的测点测得的对反射面的反射时间求出虚拟的反射面的空间位置，然后计算边墙测点在假设的波速情况下对虚拟的反射面的反射时，与实测反射时比较，然后调整假设的波速值，采用逐步逼近的方法求得最接近实际的波速值。

除第一层岩体波速可以用折射波法定V₁外，其它各层按如下方法求出均方根波速V_o。先假设某反射面n到掌子面岩体的均方根波速V_σ设n，由掌子面上的测线上不少于3个不在同一测线上的相应测点的反射时，计算出一个虚拟的反射面面_设n，然后计算出边墙各测点对面_设n的相应反射时t_n1设1、t_n2设1、t_n3设1…，与它们各自的实测反射时比较，得到其差值Δ。根据差值正、负、大、小再次设定V_σ设n，采用逐步逼近的方法求出差值Δ接近于零的V_σn，取几个测点的V_σn的平均值应用。

求取各层岩体均方根速度V_σn的第2种办法是，按一定等差级数设定m个假设波速值V_σ2n1、V_σ2n2…V_σ2nm，由掌子面上的测线上不少于3个不在同一测线上的相应测点的反射时计算出一系列虚拟的反射面，然后用V_σ2n1、V_σ2n2…V_σ2nm分别计算边墙测点的反射时，与它们各自的实测反射时相比较，得到其差值。绘出Δt-V曲线，从曲线上找到极小点，极小点所对应的速度，即为V_σn，取几个测点的V_σn的平均值应用。

附图说明：

图1为在隧道掌子面上布置的一条水平测线和一条铅垂向的测线示意

图中  M-隧道掌子面    A-水平测线    B-铅垂向的测线

          1、2…12和I、II…VII-测点号

图2为在隧道边墙布置的测点及其向掌子面前方反射面的入射、反射射线示意

图中  M-隧道掌子面    b-隧道边墙    1、2、3、4-测点号

      S-入射及反射射线    面1-反射面1    面2-反射面2

图3为一张实测的时间剖面图

图中：1、2、3、4、5-分别为1～5反射面的反射波同相轴

图4为用以确定V_σ的Δt-V曲线

图中minΔt为极小点，它所对应的V值，即为V。

具体实施方式：

(1)在隧道掌子面上设交叉的两条测线(为方便起见可设一水平，一铅垂向的剖面)线A、线B，在测线上每隔一定距离(例如20～40cm)设一测点，每一测点作小的震—检距的激震和接收，然后通过计算机作归一化处理将各测点的时间曲线汇成时间剖面剖面。根据同相轴确定各反射面，若已知岩体波速就可根据测点的反射时计算出各反射面的空间位置；

(2)在隧道边墙(或隧底、拱部等部位)的几个测点，用极小震检距的方式，或用一点激震几个点接收，或一点接收几个点激震的方式，得到某反射面n到这些测点c₁、c₂、c₃……的反射时间t_n1、t_n2、t_n3……(n＝1、2、3、4……，下同)

(3)在A、B测线的时间剖面上，根据同相轴确定各反射面，并选定3个和3个以上不在同一测线上的测点d₁、d₂、d₃…d_n(n≥3)；

假设第n层岩体均方波速V_σ设n，根据V_σ设n，计算出第n个反射面面_n计的空间位置；

(4)根据面_n计的位置，计算c₁、c₂、c₃…的反射时t_n1设、t_n2设…并计算出

Δt_n1、Δt_n2、…

Δt_nn＝t_nn-t_nn设n

若Δt_n1、Δt_n2…＝0，

则所选定的波速V_σ设n等于实际波速V_σn，

若Δt_n1、Δt_n2…＞0，

则表明所选定的波速V_σ设n小于实际波速V_σn，

若Δt_n1、Δt_n2…＜0，

则表明所选定的波速V_σ设n大于实际波速V_σn，

据此，重新设定V_σ设n，重复上述计算，并采用逐步逼近的方法，使最终选定的V_σ设n，达到Δt_n1、Δt_n2…＝0，或Δt_n1、Δt_n2…＜某个给定的误差值。这样就得到了实测的V_σn值。

作为一个实例，本发明实施说明如下：

(1)在隧道掌子面上设一水平测线A，一铅垂向测线B，每隔30cm设一测点，即1、2、3、4、5…(A线)，I、II、III、IV…(B线)，采用中间一点为激震点，两侧为接收点方式，即2、4、6…II、IV、VI为激震点，1、3、5、7…I、III、V、VII为检波点(图1和图2)。测出各测点时间曲线，通过计算机归一化计算汇成时间剖面(图3)，从时间剖面上追踪出第一个反射面面1，第二个反射面面2，第三个反射面3…的同相轴；

(2)在掌子面后方边墙沿一水平线设4个测点，以20cm的震-检距测量，并由此4个测点组成的测线的时间剖面分辩出面1，面2，面3…的同相轴，读出面1的反射时t₁₁、t₁₂、t₁₃、t₁₄，面2的反射时t₂₁、t₂₂、t₂₃、t₂₄，和面3、面4的反射时…

(3)计算各层岩体的均方根波速V_σn，以第2层均方根波速V_σ2为例：

方法一：

设定一组V_σ2n-V_σ21＝2000m/s、V_σ22＝2050m/s、V_σ23＝2100m/s…

                      V_σ2n＝V_σ2n-1+50m/s

计算出4个边墙测点数组

                t_21设1、t_21设2、t_21设3…t_21设n

                t_22设1、t_22设2、t_22设3…t_22设n

                t_23设1、t_23设2、t_23设3…t_23设n

                t_24设1、t_24设2、t_24设3…t_24设n

再计算出各点计算的反射时与实测反射时之差

                Δt₂₁₁、Δt₂₁₂、Δt₂₁₃…Δt_21n

                Δt₂₂₁、Δt₂₂₂、Δt₂₂₃…Δt_22n

                Δt₂₃₁、Δt₂₃₂、Δt₂₃₃…Δt_23n

                Δt₂₄₁、Δt₂₄₂、Δt₂₄₃…Δt_24n

                     Δt_21n＝t_21n-t_21设nn

                     Δt_22n＝t_22n-t_22设nn

                     Δt_23n＝t_23n-t_23设nn

                     Δt_24n＝t_24n-t_24设nn

然后，绘出Δt-V曲线(图4)，其纵坐标为Δt，横坐标为V。从曲线上找到极小点，即minΔt的点。minΔt的点对应的Δt应等于0或接近于0，它所对应的V值，即为V_σ2。取边墙4个测点所得的V_σ2值平均，即得第2层岩体均方根波速。

方法二：设定一个V_σ21，计算出边墙4个测点的t_21设、t_22设、t_23设、t_24设，

分别计算出  Δt₂₁＝t₂₁-t_21设

            Δt₂₂＝t₂₂-t_22设

            Δt₂₃＝t₂₃-t_23设

            Δt₂₄＝t₂₄-t_24设

以点1为例   若Δt₂₁＝0，则表明V_σ21＝V_σ2，

            若Δt₂₁＞0，

则表明所选定的波速V_σ21n小于实际波速V_σ2，

然后设定一个V_σ22＞V_σ21，再作计算；

若Δt₁₂＜0，

则表明所选定的波速V_σ21大于实际波速V_σ2，

然后设定一个V_σ22＜V_σ21，再作计算；

如此，采用逐步逼近的方法，使最终选定的V_σ2n，达到Δt₁₂小于某个给定的误差值。这样就得到了实测的V_σ2值。

照此，可计算出各层岩体的均方根波速。第1层岩体波速也可用边墙4个测点的直达波法(实际上是隧道围岩压密区与松弛带分界的折射波)得到。

均方根波速与各层岩体的波速符合下式

$V_o={(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i{V_i}^2/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i)}^{1/2}$

其中t_i为相应反射面的反射时

    V_i为相应层的岩体波速

可据此式计算各层的岩体波速。

Claims (2)

1.一种在隧道中测取掌子面前方岩体波速的方法，包括弹性波类和雷达等电磁波类方法。其特征在于：在掌子面上设定两条交叉的测线，在测线上每隔一定间距设一测点，采用小震-检距和小发射-接收距测出各测点时间曲线，然后将一条测线各点时间曲线汇成时间剖面，在时间剖面上得到测点对反射面的反射时间。在掌子面后方边墙设一测线，上设若干测点，用一点激发多点接收或一点接收多点激发或小震检距或小发射-接收距的方式求得各测点对反射面的实测反射时，采用先假设岩体波速的方法，根据掌子面上的测点测得的对反射面的反射时间求出虚拟的反射面的空间位置，然后计算边墙测点在假设的波速情况下对虚拟的反射面的反射时，与实测反射时比较，然后调整假设的波速值，采用逐步逼近的方法求得最接近实际的波速值。

2.根据权利要求1所述的测量岩体波速的方法，其特征在于：除第一层岩体波速可以用折射波法定V₁外，其它各层按如下方法求出均方根波速V_o。先假设某反射面n到掌子面岩体的均方根波速V_o设n，由掌子面上的测线上不少于3个不在同一测线上的相应测点的反射时，计算出一个虚拟的反射面面_设n，然后计算出边墙各测点对面_设n的相应反射时t_n1设1、t_n2设1、t_n3设1…，与它们各自的实测反射时相比较，得到其差值Δ。根据差值正、负、大、小再次设定V_o设n，采用逐步逼近的方法求出差值Δ接近于零的V_on，取几个测点的V_on的平均值应用。

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