ITPD20100064A1 - Metodo di acquisizione ed elaborazione di segnali sismici durante la perforazione di tunnel - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo:

“Metodo di acquisizione ed elaborazione di segnali sismici durante la perforazione di Tunnelâ€

Campo dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce ad un metodo di acquisizione ed elaborazione di segnali sismici durante la perforazione di Tunnel.

Stato della tecnica

La testa della fresa di perforazione, indicata di seguito col suo acronimo di origine anglosassone TBM (tunnel boring machine), à ̈ generalmente dotata di scalpelli (lame o “cutters†), che sono distribuiti sulla sua superficie. Tali scalpelli sono punti in cui si esercita l’azione concentrata che produce la frantumazione della roccia e sono i punti di contatto principali del fronte della TBM con la formazione da perforare.

La rotazione continua della testa di perforazione, che viene spinta contro la formazione dalle presse idrauliche (martinetti idraulici o “hydraulic jacks†), produce la frantumazione della roccia e crea del rumore sismico per le vibrazioni che si generano in ciascuno di questi punti di contatto. Tali vibrazioni sono trasmesse alla formazione ed irradiate come onde sismiche ed acustiche. Inoltre, tali vibrazioni si trasmettono anche alla TBM stessa, in cui si propagano, eccitando modi caratteristici di vibrazione. Segnali sismici si generano anche per la frizione della superficie laterale della TBM contro la roccia circostante, durante l’avanzamento imposto alla testa della TBM da presse idrauliche.

Il funzionamento della TBM produce anche altri rumori/vibrazioni, ad esempio quello dei motori idraulici, delle pompe e dei sistemi meccanici di rimozione del materiale roccioso frantumato prodotto dalla perforazione.

I metodi noti di acquisizione ed elaborazione di segnali sismici durante la perforazione (while drilling) in tunnel sono generalmente indicati con l’acronimo di origine anglosassone TSWD.

Essi utilizzano il rumore sismico prodotto dalla macchina di perforazione/scavo per studiare e caratterizzare il fronte roccioso su cui la macchina à ̈ chiamata a lavorare, per rilevare tempestivamente ostacoli imprevisti sul percorso di perforazione e prevedere situazioni critiche dato che ci possono essere rischi tecnici ed anche possibili pericoli per l’integrità del tunnel stesso, per le persone, nonché rischi economici per i costi delle operazioni di ripristino in seguito ad un incidente.

Detti metodi usano tipicamente misure di riferimento, dette anche misure pilota, acquisite mediante sensori montati sulla TBM per registrare il rumore alla †̃sorgente’, e quindi poterlo identificare ed utilizzare come †̃segnale’, prodotto dalla testa della TBM durante la perforazione, assieme a misure sismiche acquisite con geofoni e/o accelerometri in tunnel, sia inseriti/fissati direttamente sulla/nella roccia che installati/ubicati sulla TBM in modo da essere accoppiati alla roccia, oppure all’esterno di esso. Tali misure pilota e sismiche sono tra loro correlate ed elaborate con metodi noti al fine di ottenere sismogrammi interpretabili durante la perforazione. Questi sismogrammi sono prodotti in punti fissi o ad intervalli regolari di avanzamento del fronte di scavo e sono utilizzati per ottenere profili sismici in tunnel ed elaborare immagini sismiche, acustiche, soniche ed ultrasoniche, costruire mappe strutturali e stratigrafiche per la predizione della formazione da perforare e per la caratterizzazione della roccia già perforata.

I metodi noti di sismica while drilling in tunnel utilizzano sensori pilota che registrano assieme i segnali prodotti in modo casuale da punti non identificati del fronte di perforazione sulla testa della TBM. Dunque le acquisizioni di tali metodi sono somma di segnali provenienti da posizioni diverse sulla testa di perforazione e producono risultati sismici mediati nello spazio.

Si ottiene, dunque, un effetto filtrante passa basso per le frequenze, cioà ̈ un effetto filtrante passa alto per le lunghezze d’onda del segnale risultante.

Per questo motivo, le componenti del segnale nella formazione con lunghezza d’onda minore o dell’ordine di grandezza del diametro della TBM possono essere fortemente attenuate per interferenza. Specialmente con macchine TBM di grandi dimensioni radiali. Tale effetto filtrante passabasso limita in modo non trascurabile il potere risolutivo temporale e spaziale della caratterizzazione del fronte di scavo e dunque limita la capacità di ottenere immagini dettagliate di oggetti davanti ed attorno al fronte di scavo.

Ad esempio, per osservare con il criterio di risoluzione che adotta il limite di Rayleigh λd/4, dove λd à ̈ la lunghezza d’onda dominante, un oggetto imprevisto davanti al fronte di scavo, quale per esempio una faglia, un corpo roccioso, un ostacolo, una fondazione, delle dimensioni di 1 m à ̈ necessario usare segnali con lunghezza d’onda dominante λd ≤ 4 m. Quindi i segnali con un’adeguata larghezza di banda devono contenere lunghezze d’onda ancora più basse. Con una TBM del diametro di 15 metri - anche nell’ipotesi che essa produca segnali con frequenze dell’ordine di grandezza del migliaio di Hz - può essere difficile ottenere segnali sismici contenenti tali lunghezze d’onda ed immagini dettagliate di strutture geologiche delle dimensioni di pochi metri quando il segnale della sorgente à ̈ mediato.

Sono noti metodi che utilizzano generatori di segnali e ricevitori sulla testa della TBM. Questi sistemi acustici sono applicabili in modo efficace solo con TBM pressurizzate, non affrontando il problema di sfruttare le vibrazioni dello scavo stesso, che sono sempre disponibili durante la perforazione.

Un altro sistema prevede l’impiego di sensori di emissione acustica ed accelerometri sulla testa della TBM per avere informazioni sulle condizioni dei dischi cutters, e delle condizioni della macchina di perforazione. Tale sistema, però non à ̈ in grado di dare adeguate/dettagliate informazioni sismiche sulle formazioni rocciose davanti alla TBM.

Un altro sistema sfrutta sorgenti attive vibranti con una tecnica simile al Vibroseis, che trova applicazione con TBM di tipo particolare dette EPB dall’acronimo anglosassone earth pressure balanced, adatte allo scavo in terreni soffici di tipo argilloso, siltoso, sabbioso. Con tale sistema l’installazione di geofoni lungo il tratto del tunnel perforato à ̈ difficoltosa.

Sommario dell’invenzione

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un metodo di acquisizione ed elaborazione di segnali sismici durante la perforazione di Tunnel in grado di consentire uno studio ed una caratterizzazione più dettagliata del fronte roccioso su cui una TBM à ̈ chiamata a lavorare.

E’ oggetto della presente invenzione un metodo di acquisizione ed elaborazione di segnali sismici durante la perforazione di Tunnel, conformemente alla rivendicazione 1.

Il presente metodo prevede l’impiego di una pluralità di sensori pilota distribuiti opportunamente sulla testa della macchina di perforazione con, preferibilmente, un sensore in prossimità di ciascuno scalpello della testa della TBM, allo scopo di individuare con maggiore precisione possibile il/i punti di generazione del segnale/rumore sismico prodotto dall’interazione della TBM con la roccia.

I segnali rilevati vengono poi confrontati con almeno una registrazione operata ad opportuna distanza a mezzo di almeno un geofono oppure a mezzo di un sensore di vibrazione sulla macchina stessa in modo da rilevare i segnali di vibrazione sismica che si propagano attraverso la roccia riflettendosi e/o diffrangendosi in essa.

Il fatto di adoperare più sensori migliora notevolmente la rilevazione delle sorgenti di segnale acustico, ma essendo la testa della TBM molto rigida i segnali di vibrazione si propagano su di essa con ritardi brevi, per cui i segnali generati da scalpelli almeno vicini tendono a sovrapporsi e ad essere rilevati assieme dai rispettivi sensori.

Vantaggiosamente, il presente trovato descrive un metodo per isolare il segnale acustico registrato da ciascun sensore dai contributi degli utensili vicini, in modo da poter attribuire con maggiore certezza e precisione la posizione della sorgente di rumore sul fronte roccioso per la caratterizzazione dello stesso fronte roccioso. Più dettagliatamente, il presente trovato raggiunge il suddetto scopo raggruppando i sensori collocati sulla testa della TBM in gruppi variabili di sensori e correlando e/o deconvolvendo i segnali registrati da almeno un geofono con il segnale registrato da ciascun gruppo.

Vantaggiosamente, vengono presi in considerazione solo i segnali rilevati dai sensori i cui rispettivi scalpelli sono a contatto con una predefinita porzione di fronte roccioso.

Tale raggruppamento variabile consente di mettere in relazione i segnali rilevati da ciascun gruppo di sensori per volta con le registrazioni operate per mezzo di detto almeno un geofono.

Quando uno scalpello, non à ̈ più a contatto con detta predefinita porzione di fronte roccioso, il segnale da esso rilevato non viene preso in considerazione per la caratterizzazione di detta porzione di fronte roccioso.

Più precisamente, durante una porzione di avanzamento della TBM viene considerato un volume di fronte roccioso virtualmente partizionato in volumi parziali.

Si preferisce che tali volumi parziali ottenuti con detto partizionamento virtuale, siano prismi con una superficie affacciata sulla testa della TBM e pareti laterali perpendicolari alla stessa. Inoltre, si preferisce che ciascun volume abbia dimensioni tali da poter essere assimilabile ad una sorgente puntuale contenuta in pochi metri od anche meno per gli scopi del presente trovato.

Per realizzare questa procedura le misure del segnale registrato dal geofono e dei segnali dei sensori della TBM vengono poste in relazione temporale tra loro, e vengono anche poste in relazione temporale con le misure dei parametri istantanei di scavo/perforazione, tra cui avanzamento, angolo di rotazione, velocità di avanzamento ROP, velocità di rotazione RPM e spinta.

A tale scopo il metodo prevede i seguenti passi

- partizionamento virtuale di un predefinito volume di fronte roccioso affacciato sulla testa della TBM in porzioni di volume aventi ciascuno una superficie affacciata su una porzione della testa della TBM,

- identificazione del gruppo di sensori transitanti, durante la roto-traslazione della TBM, in uno di detti volumi parziali,

- trasformazione di sistemi di riferimento e di eventuali grandezze vettoriali da un sistema di riferimento mobile associato con la testa della TBM ad un sistema di riferimento fisso solidale con detto volume di fronte roccioso ed

- confronto (correlazione e/o deconvoluzione) tra il/i segnali sismici registrato/i dal/dai geofono/i e i segnali pilota rilevati dal gruppo di sensori transitanti in detto volume parziale.

I primi due passi su descritti corrispondono a finestrare opportunamente i segnali multi-canale registrati sulla testa della TBM per ottenere almeno un tracciato indipendente per ciascun volume parziale perforato dalla TBM.

Tali operazioni vengono ripetute per tutte le porzioni di fronte roccioso fino alla completa caratterizzazione dello stesso e fin quando la TBM non ha attraversato l’intero volume di fronte roccioso, dopo di che si ricomincia da capo.

Detto sistema di riferimento mobile ha un asse coordinato di riferimento associato all’asse di rotazione della TBM.

Il segnale risultante ottenuto a seguito di detta operazione di correlazione e/o deconvoluzione à ̈ di tipo impulsivo compatibile con sismogrammi ed à ̈ caratterizzato da un più elevato rapporto segnale rumore, consentendo, dunque, una post elaborazione di detto segnale risultante mediante ulteriori tecniche di analisi e conseguentemente una più affidabile e accurata caratterizzazione del fronte roccioso.

Secondo una variante preferita del trovato, quando la distribuzione degli utensili di taglio sulla testa della TBM non à ̈ uniforme, oppure quando l’azione di scavo non agisce con forze distribuite in modo equo, oppure non à ̈ equo il partizionamento virtuale di detto predefinito volume di fronte roccioso, allora i segnali rilevati dal/dai sensori transitanti in ciascun volume parziale possono essere opportunamente pesati, anche in base a parametri di posizione e/o dinamici della perforazione. Le rivendicazioni dipendenti descrivono realizzazioni preferite dell’invenzione, formando parte integrante della presente descrizione.

Breve descrizione delle Figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, di un metodo di acquisizione ed elaborazione di segnali sismici durante la perforazione di Tunnel, illustrato a titolo esemplificativo e non limitativo, con l’ausilio delle unite tavole di disegno in cui:

la Fig. 1 rappresenta una vista laterale di una TBM di diametro DT con la testa rotante e i cammini di propagazione dei segnali sismici,

la Fig. 2 rappresenta un volume parziale virtuale fisso rispetto alla formazione rocciosa posto davanti alla TBM ed attraversato da essa,

La Fig.3 rappresenta le componenti nel sistema di coordinate (R, X, T) sulla TBM che ruota e nel sistema di coordinate (X, Y, Z) solidale con la formazione rocciosa, La Fig. 4 rappresenta due punti distinti sul fronte della TBM in cui sono prodotti i segnali Si ed Sj.

La Fig. 5 rappresenta un esempio di dati sintetici, serie temporali di campioni digitali, casuali che simula un’acquisizione continua dei segnali mediante 12 sensori posti sulla TBM.

Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti.

Descrizione in dettaglio di una forma di realizzazione preferita dell’invenzione Con riferimento alla figura 1, i segnali S1 ed S2 sono emessi durante la perforazione da due punti distinti sulla testa della TBM dove sono posizionati i sensori P1 e P2.

P1 e P2 ricevono anche i segnali rispettivamente prodotti da S2 ed S1. Ciascuno di essi percorrendo almeno una distanza minima dH12attraverso la stessa testa della TBM.

Detti segnali si propagano anche nella roccia con i percorsi dD1 e dD2 sino ad almeno un punto D davanti alla TBM. D può rappresentare un corpo con diverse proprietà acustiche rispetto alla roccia circostante, cioà ̈ può rappresentare un elemento diffrattore o riflettore. G1 – G8 rappresentano geofoni che ricevono il segnale sismico da S1 ed S2 direttamente attraverso i cammini d11 – d81, etc., ed il segnale diffratto o riflesso per D secondo i rispettivi percorsi d1D – d8D.

<Con riferimento alla figura 2, la TBM ruota con velocità angolare>ω<, ad esempio>con senso di rotazione antioraria per un osservatore che guarda dal fronte roccioso la testa della TBM. Un volume parziale, per esempio, può essere, delimitato dagli angoli Î ̧1 e Î ̧2, dai raggi Rmin ed Rmax e dalle posizioni di avanzamento assiale XA ed XB.

Detto volume parziale à ̈ assimilabile ad una sorgente localizzata distribuita nel volume stesso ed à ̈ attraversato periodicamente dai sensori posti ad una distanza radiale dall’asse di rotazione R compresa tra Rmin ed Rmax, vedi figura 3.

Con riferimento alla figura 4, Hii à ̈ la risposta all’impulso della TBM per un segnale impulsivo Si misurato da Pi nella posizione adiacente ad Si, mentre Hjj à ̈ la risposta all’impulso di un segnale Sj misurato in Pj, dunque Hij à ̈ la funzione di trasferimento per un segnale Sj misurato da Pi.

Con riferimento alla figura 5, l’asse verticale rappresenta il tempo di ascolto in secondi. Ogni traccia corrisponde al segnale di un sensore durante un singolo giro della TBM. Il tracciato al centro rappresenta il risultato dell’esclusione dei segnali registrati dai sensori al di fuori di un volume parziale, per esempio quello rappresentato in figura 2. Dunque, le tracce mostrate sono il risultato della selezione degli intervalli temporali corrispondenti al transito di ciascun rispettivo sensore in detto volume parziale.

Nel tracciato a destra à ̈ rappresentata il concatenamento delle tracce rappresentate nel tracciato al centro.

Vantaggiosamente, detto tracciato à ̈ specificamente riferito ad un volume parziale del fronte roccioso. Una volta ottenuto detto tracciato, esso può essere posto in relazione con i tracciati registrati da uno o più geofono mediante operazioni di crosscorrelazione e/o deconvoluzione. Tale relazione, in prima approssimazione, risulta indipendente dallo spostamento della testa della TBM.

Vantaggiosamente, l’invenzione permette di ottenere come risultato finale sismogrammi while drilling per predire ostacoli ed ottenere tramite l’elaborazione dei sismogrammi con metodi noti immagini acustiche davanti ed attorno alla TBM. Il tempo massimo di rappresentazione dei sismogrammi dipende dalla posizione delle sorgenti, dalla posizione del/dei geofoni, dalle proprietà del sottosuolo e dalla distanza massima percorsa dalle onde che si vuole osservare, secondo quanto rappresentato in Figura 1.

Se ad esempio una sorgente S ed un sensore sismico G sono sulla o in prossimità della TBM, e se ad esempio si vuole vedere la diffrazione/riflessione di un corpo D che si trova alla distanza di 100 m davanti al fronte di scavo, il percorso di andata e ritorno del segnale sismico diffratto/riflesso risulta essere di circa 100+100=200 m. Se il segnale si propaga nella formazione rocciosa alla velocità di 2000 metri/secondo, si deve registrare/rappresentare i sismogrammi per almeno 0.1 secondi.

Se si intende registrare anche arrivi successivi dovuti ad ulteriori cammini multipli, allora tali sismogrammi devono avere una durata maggiore, ad esempio 0.5 secondi.

I sismogrammi ottenuti mediante il metodo oggetto della presente invenzione sono ricavati a partire da registrazioni multicanale del rumore/segnale random, che con tecniche di correlazione e/o deconvoluzione vengono trasformati in segnali di tipo impulsivo assimilabili a sismogrammi.

La determinazione dei tempi di osservazione dei rumori/segnali di vibrazione originali a partire dai quali si ottengono i sismogrammi per le elaborazioni delle immagini finali dipende dalla dimensione assiale del volume che à ̈ prescelto tra una distanza assiale minima XA ed una distanza assiale massima XB come illustrato in Figura 2 e dalla velocità di avanzamento ROP della TBM. Il tempo complessivo di acquisizione al geofono ed ai sensori sulla TBM copre il tempo di attraversamento assiale di detto volume parziale da parte dei sensori sulla TBM e dunque della stessa testa della TBM. Questo tempo di ascolto, pari a (XB-XA)/ROP ore se la distanza X à ̈ espressa in metri e ROP in m/h, può essere dell’ordine dei minuti o anche delle ore. La profondità (XB-XA) del volume prescelto à ̈ determinata nella progettazione del rilevo con l’obiettivo di migliorare il rapporto segnale/rumore (S/N), scegliendo una profondità sufficientemente lunga, compatibilmente con la risoluzione richiesta/desiderata.

Ad esempio, per una TBM che avanza con ROP di 24 m al giorno, si ottiene un avanzamento di 1 m all’ora. Se detto volume di fronte roccioso à ̈ profondo 1 metro, un tempo di osservazione del geofono à ̈ di 1 ora. Allora si registrano segnali pilota e segnali ai geofoni in modo continuo ad esempio per un’ora oppure per intervalli di tempo contigui la cui somma à ̈ pari, ad esempio, ad un’ora.

Il tempo complessivo di attraversamento trasversale di una porzione di detto volume di fronte roccioso compreso tra gli angoli di rotazione Î ̧1 e Î ̧2 come illustrato in Figura 2 da parte di un sensore solidale con la testa della TBM può essere più breve, anche se gli intervalli di tempo di attraversamento trasversale durante successive rivoluzioni sono distribuiti nell’arco del tempo di osservazione che à ̈ di 1 ora, cioà ̈ durante l’avanzamento della TBM tra XA ed XB.

Il tempo di transito trasversale per il singolo giro à ̈ limitato dalla velocità di rotazione RPM una volta fissata l’apertura angolare del volume parziale, ed à ̈ pari per il singolo giro a (Î ̧2-Î ̧1)*60/(2pi*RPM) secondi se l’angolo Î ̧ à ̈ espresso in radianti e RPM in giri/minuto. Poiché il tempo di transito del singolo giro à ̈ inversamente proporzionale ad RPM mentre il numero di giri compiuti in un dato intervallo temporale à ̈ proporzionale ad RPM, si ottiene che il tempo di transito trasversale complessivo ottenuto con tutte le rivoluzioni che la TBM compie tra XA e XB non dipende da RPM, ma solo dalla apertura angolare relativa (Î ̧2-Î ̧1)/2pi e dal tempo di transito assiale complessivo che à ̈ limitato dalla velocità di penetrazione ROP una volta fissati i limiti di avanzamento assiale per il volume prescelto,

Se, per esempio, detto volume parziale comprende una superficie affacciata sulla testa della TBM definente un settore angolare di 30 gradi, cioà ̈ 1/12 di 360°, allora il tempo di attraversamento del sensore à ̈ di 60 min/12=5 minuti.

Questo risulta essere un tempo abbastanza lungo ed utile per migliorare il rapporto S/N, se confrontato con il tempo di singolo transito trasversale del sensore TBM nel medesimo volume parziale prescelto.

Il fatto di definire un tracciato pilota composto dalla successione delle registrazioni dei sensori che via, via attraversano detto settore circolare consente di allungare ulteriormente il tempo di osservazione rendendolo maggiormente aderente al comportamento del fronte roccioso.

Se la velocità di rotazione della TBM à ̈ di 10 rev/min (RPM) = 1 giro ogni 6 secondi. Un dodicesimo di giro viene percorso (nel singolo transito) in 0.5 secondi. Quindi abbiamo un guadagno di tempo di ascolto di (300 secondi = 5 min) 300/0.5 = 600 volte rispetto ad un ascolto limitato ad un solo transito nel settore.

Se si considera il rapporto (segnale coerente)/(rumore casuale), esso migliora come la radice del numero dei campioni temporali, ottenendo un miglioramento di 600 ≅ 25 volte in termini S/N.

Vantaggiosamente, il tempo di ascolto dei segnali generati in un volume parziale roccioso, attraverso cui transita la testa della TBM, può essere ulteriormente incrementato se invece di un solo sensore si utilizzano più sensori che transitano periodicamente, uno dopo l’altro come in Figura 2, in cui sono indicati due sensori con raggi Ri ed Rj compresi nel settore circolare compreso tra gli angoli Î ̧1 e Î ̧2 e tra i raggi Rmin ed Rmax e definente detto volume parziale.

Con una sufficiente distribuzione di sensori che transitano in ciascun volume parziale, tale tempo di ascolto à ̈ incrementato sino a raggiungere il limite del tempo di ascolto totale nell’intervallo di avanzamento tra XA e XB. In tal caso S/N migliora come 7200 ≅ 85 per l’esempio considerato.

Per queste ragioni risulta opportuno riferirsi ad un gruppo di sensori che transita in un volume parziale, piuttosto che di un singolo sensore, pur detto gruppo potendo comprendere uno o più sensori.

I segnali registrati da sensori che non transitano in un primo volume parziale vengono inizialmente scartati. Successivamente vengono impiegati per gli intervalli temporali in cui transitano in un secondo volume parziale, poi in un terzo etc..

Nota la posizione angolare e assiale della testa della TBM, i canali di registrazione vengono automaticamente selezionati tra la pluralità di canali, ciascun canale essendo associato ad un relativo sensore.

Dopo aver ottenuto almeno una traccia pilota come concatenamento dei canali opportunamente finestrati, simile a quella mostrata del tracciato di destra di figura 5, si procede ad avviare un processo di cross-correlazione e/o deconvoluzione, di detta traccia con un segnale continuo di uno o più geofoni, anche se entrambi i segnali sono registrati e distribuiti nell’arco di un intervallo di un’ora.

Dunque, la testa della TBM, secondo il presente trovato, à ̈ dotata di un certo numero di lame o scalpelli. Ciascuna lama à ̈ un punto sorgente S.

Preferibilmente, in corrispondenza di ciascuna lama à ̈ fissato un sensore pilota P. Detto sensore P à ̈ atto a misurare le componenti di vibrazione, accelerazione e/o forza, in una o più direzioni, tra cui assiale PX, radiale PR e tangenziale PT, così come mostrato in Figura 3.

E’ opportuno notare che le componenti radiale e tangenziale ruotano con la TBM. Ciascuna di queste tre componenti registra un segnale. Quindi un sensore triplo rileva tre segnali per volta.

L’impiego di più componenti sulla TBM à ̈ motivato anche dal fatto che à ̈ utile caratterizzare le proprietà di emissione della sorgente. Infatti interessano sia i segnali che si propagano nella formazione come onde compressionali, comunemente dette onde P, tipicamente più influenzate dalla presenza di fluidi, che le onde di taglio, comunemente dette onde S, meno influenzate dalla presenza di fluidi, nonché come onde convertite, di superficie e guidate.

Tutte queste onde sono associate in modo complesso alle componenti della sorgente e le misure delle componenti PX, PR, PT possono essere di vantaggio per elaborare ed interpretare i segnali sismici della TBM.

Quando la TBM avanza, produce segnali di cui si conosce la posizione della sorgente, vengono raccolte le misure con i sensori sismici in tunnel e/o fuori del tunnel per ottenere con metodi di elaborazione noti profili sismici di tunnel (profili sismici orizzontali) che permettono di creare delle sezioni sismiche ed immagini while drilling della formazione da perforare davanti al fronte di scavo, ed ottenere informazioni geofisiche lungo ed attorno al tunnel.

Per quanto riguarda i sensori in tunnel, essi possono essere posti in contatto con la formazione e/o possono essere ubicati in diversi modi.

Sul fronte della TBM detti sensori mobili, in quanto ruotano assieme alla TBM stessa sono per esempio accoppiabili con la formazione con diverse soluzioni, per esempio, bracci mobili, misure di pressione (ad esempio con idrofoni) nel fluido con TBM pressurizzate.

Per i segnali sismici registrati con tali sensori pilota, Ã ̈ opportuno effettuare una trasformazione del sistema di coordinate. In particolare dal sistema rotante solidale con la TBM ad un sistema di riferimento fisso, solidale con il volume di fronte roccioso davanti alla TBM.

Per quanto riguarda il/i geofoni, essi possono essere installati nella formazione in posizione fissa, per esempio uno o più geofoni, con singoli sensori ad una o più componenti, o con array di sensori in modo da registrare i diversi campi d’onda che si propagano lungo il tunnel, così come mostrato in Figura 1.

In generale, la geometria dei ricevitori in tunnel va adattata per meglio utilizzare la copertura con le sorgenti disposte sul fronte di scavo. La posizione dei ricevitori sulla TBM stessa sembra ottimale per la geometria della misura sismica in prossimità del fronte di scavo, ma più difficile da realizzare.

Durante lo scavo, la TBM avanza spinta dalle presse (jacks) e ruota. Per eseguire l’elaborazione delle misure secondo il metodo del presente trovato à ̈ essenziale misurare, in modo sincrono con le misure sismiche, i principali parametri di perforazione, come la velocità di rotazione RPM, la posizione angolare istantanea Î ̧(t) della testa rotante, la sua forza di spinta assiale (thrust), il suo avanzamento lungo l’asse dello scavo.

La velocità di rotazione RPM à ̈ espressa tipicamente in giri al minuto, e la velocità angolare istantanea à ̈

2 piRPM( t )

ω(t) = (1)

60

Quando la testa della TBM ruota, ruotano anche le lame ed i sensori pilota solidali con essa. Le misure while drilling sono perciò riferite rispetto a due sistemi di coordinate, uno rotante con componenti assiale, radiale, tangenziale (X, R, T) solidale con la TBM, ed uno fisso con componenti assiale, trasversale-orizzontale, verticale (X, Y, Z) solidale con la formazione rocciosa, vedi Figura 3. La posizione istantanea di un punto mobile di emissione in cui si trova la sorgente puntuale S à ̈

(X,Y,Z ) = (X,RcosÎ ̧, R sinÎ ̧ ) (2)

dove X rappresenta l’avanzamento della TBM, R à ̈ il raggio e Î ̧ =Î ̧ (t) à ̈ la posizione angolare istantanea del punto mobile sulla testa della TBM.

Secondo il presente trovato si calcolano le componenti dei segnali registrati sulla testa della TBM riportati nel sistema di riferimento fisso rispetto alla formazione. Per le componenti del segnale pilota P relativo al punto della sorgente S si impiegano le seguenti trasformazioni dal sistema di riferimento mobile a quello fisso:

 P P

 x 

  x



 P y = M(Î ̧ ) P R (3)

 

ï£ P z 

ï£ ̧ ï£ P Tï£ ̧

dove:

1 0 0 

 

M(Î ̧ )=0 cosÎ ̧ − sin Î ̧ (4)



ï£0 sinÎ ̧ cos Î ̧

ï£ ̧

E’ preferibile che un sensore pilota sia quanto più possibile in stretto contatto con la rispettiva lama che intacca la roccia, per far sì che esso misuri in modo dominante, il segnale vibrazionale generato da detta lama.

In questo modo si riesce a determinare il ritardo del segnale pilota stesso, in quanto esso à ̈ rilevato nelle immediate vicinanze della sorgente, e quindi il suo ritardo à ̈ praticamente nullo o comunque trascurabile e/o determinabile con buona precisione.

Allora, sulla TBM ci siano N punti sorgente e ciascuno di tali punti, identificati con indice i=1…N, produce, nel fratturare la roccia, un segnale casuale (random) Si e si assume che i segnali dei diversi punti sono tra loro statisticamente indipendenti. Tali segnali si sovrappongono nei campi d’onda irradiati nella formazione, ma anche nei segnali registrati sulla TBM.

Indicato con Hij la funzione di trasferimento per un segnale Sj misurato da Pi, detta funzione rappresenta un filtro. Dunque, la funzione Hii rappresenta la risposta all’impulso della TBM per il segnale emesso e misurato in un medesimo punto i-esimo. Il segnale pilota misurato nel punto i-esimo può essere espresso nel dominio delle frequenze delle trasformate di Fourier in funzione dei segnali sorgente come

N

<Pi =>∑<HijS j α>i<T>M (5) j=1

dove αisono coefficienti e TM rappresenta un termine comune a tutti i sensori dovuto a rumore meccanico oppure al segnale prodotto dalla percussione sincrona dell’intero fronte della TBM soggetto alla spinta assiale delle presse.

In forma matriciale la relazione tra segnali sorgente e segnali pilota diventa

 P  α

 1  S

  1

  1

 M = H M  M T M (6) 

ï£ PN 

ï£ ̧ ï£ SN 

ï£ ̧ ï£ Î± N

ï£ ̧

dove H à ̈ la matrice che caratterizza la risposta all’impulso della TBM data da H

 11 L H 1 N



H = M O M  (7) 

ï£HN 1 L H NN

ï£ ̧

Allora, la (6) può essere riscritta come



 P ˆ1

  S

 1

M = H M (8) ˆ 

ï£ PNï£ ̧ ï£ S Nï£ ̧

dove P<ˆ>i=Pi− αiTMrappresenta il vettore dei segnali pilota da cui à ̈ stato rimosso il “bias†del segnale sincrono TM. Quando i segnali locali generati dalle singole sorgenti puntuali sono dominanti nella misure P rispetto al segnale sincrono dell’intero fronte, i coefficienti αisono trascurabili e possiamo assumere P<ˆ>i≈ Pi. Quando i coefficienti αinon sono trascurabili, per applicare il metodo con efficacia, à ̈ importante rimuovere al meglio il segnale (rumore) comune (sincrono) TM. Tale segnale (rumore) può essere stimato con misure ausiliarie sulle presse o sulla struttura della TBM. Esso può essere anche usato per gli scopi TSWD nell’approssimazione che la TBM à ̈ una sorgente puntuale, ovvero può essere usato con metodi TSWD convenzionali già noti. Una stima approssimativa di raffronto si può ottenere con la somma

∑i<P i =TM>∑i<α i>∑ji<Hij S j (9)>

osservando che il rapporto di ampiezza RMS tra il primo ed il secondo termine del secondo membro della precedente equazione cresce come N , e che, con un opportuno numero di misure pilota, il secondo termine può diventare relativamente trascurabile. Il segnale TM può essere anche stimato con uso congiunto di misure ausiliarie e tecniche di indipendenza statistica.

Eventuali misure ausiliarie possono essere ottenute mediante sensori posti nelle posizioni di spinta o vicino ad altre fonti di rumore meccanico.

L’utilizzo di un numero adeguato di sensori pilota à ̈ importante per ottenere una stima completa della risposta del sistema. Per ottenere i segnali sorgente indipendenti dobbiamo determinare H e calcolare

 S P

 1  ˆ

 1 1



 M = H − M (10) 

ï£ S Nï£ ̧

ï£ P ˆN

ï£ ̧

L’operazione di determinare H può essere eseguita con diversi metodi, che possono venire usati separatamente o congiuntamente. H può essere misurata direttamente con degli impulsi di prova impartiti e registrati in tutti i punti sorgente. Una stima della soluzione dell’equazione (10) può essere anche calcolata usando i dati registrati, con l’assunzione che i segnali Si sono tra loro statisticamente indipendenti, ovvero che

SiS<*>

j= Î ́ij(11)

considerando per semplicità segnali di ampiezza unitaria, dove Î ́ijà ̈ la funzione delta di Kronecker e l’asterisco †̃*’ rappresenta il complesso coniugato. L’ortogonalizzazione e stima dei vettori si ottiene con un procedimento del tipo

 ˆ

 S ˆ1 

  P 1



 M = Q M (12) ˆ

ï£ S ˆNï£ ̧ ï£ PNï£ ̧

dove S<ˆ>à ̈ una stima di S per cui si ha S≅ S<ˆ>, dove Q à ̈ una matrice tale che il prodotto di Q con la sua trasposta coniugata Q<T>à ̈ il reciproco della matrice di cross-covarianza CP del vettore dei piloti P<ˆ>, ovvero

 *

Pˆ1Pˆ 1 L Pˆ 1 P ˆ *

N 

 I

CP = M O M  =

QQ T (13)

ï£PˆNPˆ*

1 L PˆN P ˆ *

N

ï£ ̧

dove I à ̈ la matrice identità. La (13) à ̈ calcolata verificando che i vettori ortogonali ottenuti con la equazione (12) siano rappresentativi delle misure indipendenti ai diversi punti. Oppure si può operare anche con metodi di separazione statistica (blind) se i segnali statisticamente indipendenti ai diversi punti sorgente hanno distribuzioni tra loro diverse e non Gaussiane.

Sotto opportune condizioni, si assume, per il principio di reciprocità, che la matrice H à ̈ simmetrica, cioà ̈ uguale alla sua trasposta, ovvero

H = H<T>(14) nel cui caso e’ sufficiente calcolare solo la semimatrice triangolare superiore. Inoltre, in presenza di proprietà di simmetria costruttiva della TBM, può essere sufficiente calcolare un numero minore di termini rispetto alla matrice completa, ad esempio solo per alcune posizioni angolari se la struttura della TBM ha proprietà periodiche.

Si osserva che il grado di separazione dei segnali S, ottenibile dall’inversione di detta matrice, può dipendere dalla frequenza del segnale, in quanto i segnali alle basse frequenze sono relativamente meno sensibili alle caratteristiche locali della TBM e separabili.

Una volta ottenuti i segnali indipendenti S sui diversi punti della TBM, si calcola la loro posizione istantanea con la equazione (2) ed eventualmente le loro componenti orientate con le equazioni (3) e (4).

Dunque, si finestrino i segnali pilota in relazione al passaggio dei rispettivi sensori in un predefinito volume parziale, in modo da identificare il segnale in una zona di emissione fissa rispetto alla formazione cioà ̈ all’interno di detto volume parziale. La correlazione C del segnale registrato dal geofono in G con i segnali S pilota ricavati dai sensori distribuiti sulla testa della TBM può essere espressa nel dominio delle frequenze f di Fourier come

C =GS<*>(15) In realtà la sorgente S emette il segnale in posizioni che variano con continuità rispetto alla formazione durante la rotazione. Le componenti istantanee del segnale rilevate vengono riportate in un sistema di riferimento fisso. Oppure si assume l’approssimazione che un sensore transitante in un predefinito volume parziale del fronte o formazione rocciosa sia fermo e si utilizzano le coordinate medie del sensore nel volume per riportare le componenti del segnale rilevate nel sistema di riferimento fisso.

Preferibilmente, si può considerare un partizionamento basato su settori angolari affacciati sulla testa della TBM che variano con il raggio, in cui la sorgente à ̈ distribuita su archi abbastanza brevi e limitati in opportuni intervalli radiali da rappresentare con una buona approssimazione una sorgente puntuale per gli scopi dell’analisi del presente trovato.

Con riferimento alla figura 1, dove un corpo diffrattore D à ̈ illuminato dai segnali emessi dalla TBM. Si noti, vedi figura 2, che il settore angolare, Î ̧1≤Π̧ ≤ Î ̧2, all’interno del volume, à ̈ mantenuto fisso rispetto alla formazione. La sorgente si trova periodicamente in tale settore angolare negli intervalli temporali

t1+nTR≤t≤t2+ nTR(16) dove n à ̈ un intero e T<R>à ̈ il periodo di rotazione dato da

2 pi

TR= (17) ω

dove

t1 = t( Î ̧ 1 )

18) t2 = t( Î ̧ 2 )

In altre parole si utilizza per la correlazione (e/o deconvoluzione) il segnale sorgente s, dove s in minuscolo à ̈ il segnale nel tempo ed S maiuscolo à ̈ la corrispondente trasformata di Fourier nelle frequenze, modificato nei tempi, in modo da selezionare solo il segnale in finestre temporali che corrispondono al trovarsi della sorgente nell’arco di emissione, calcolando

~ s t t≤

s = 1+nTR≤ t 2 nTR

 (19)  0 altrimenti

Si ottiene nel dominio delle frequenze il segnale correlato

C<~>= G S<~ *>(20)

Ad esempio, se la velocità di rotazione della TBM à ̈ di 10 rivoluzioni al minuto, TR= 6 secondi ed un arco di 30 gradi viene percorso in 0.5 secondi. Quindi si utilizzano 0.5 secondi di dati ogni 6 secondi di registrazione. Comunque, laddove le condizioni di simmetria lo permettono, l’arco di emissione può essere coperto da più sorgenti puntuali Skcon raggi abbastanza simili, con Rkcompreso tra un Rmin ed Rmax, che di volta in volta, a turno, si trovano all’interno dello stesso settore angolare fisso di emissione. In questo caso, il tempo utile di misura del segnale sorgente può essere incrementato sino a coprire tutto l’intervallo di tempo in cui avviene l’emissione continua del segnale. Otteniamo

~<s =>∑ ~

k<s k>(21)

Si preferisce che il calcolo delle finestrature temporali schematicamente indicato in equazione (19) venga realizzato mediante rampe per evitare effetti di “ringing†introdotti dal troncamento dei dati digitali elaborati. Un esempio della somma (21) con dati sintetici per un singolo periodo di rotazione à ̈ mostrato in Figura 5, ove la traccia rappresentativa del segnale<~>s (equazione 21) di una sorgente ideale associata al volume à ̈ ottenuta ponendo in successione le tracce dei sensori che via, via attraversano un predefinito volume parziale.

Il partizionamento della testa della TBM e del volume di formazione rocciosa che su di essa si affaccia può essere eseguito secondo differenti modi alla portate del tecnico del ramo, allo scopo di meglio illuminare elementi riflettori o diffrattori nonché studiare i segnali trasmessi davanti ed attorno alla TBM.

Gli elementi e le caratteristiche illustrate nelle diverse forme di realizzazione preferite possono essere combinate senza peraltro uscire dall’ambito di protezione della presente domanda.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo di acquisizione ed elaborazione di segnali sismici durante la perforazione di Tunnel comprendente i seguenti passi: predisposizione di due o più sensori pilota (P1, P2, etc.) sulla testa di una macchina perforatrice (TBM), predisposizione di uno o più sensori sismici (G1, G2, etc.) a contatto con una formazione rocciosa da perforare per la registrazione di un segnale sismico riflesso e/o trasmesso, suddivisione virtuale della formazione rocciosa da perforare in volumi parziali, registrazione continua di segnali rilevati mediante i suddetti sensori (P1,P2,….G1,G2,….) finestratura temporale dei segnali pilota registrati mediante detti sensori pilota (P1, P2, etc.) in modo da ottenere almeno un tracciato pilota indipendente per ciascun di detti volumi parziali, relazione tra detto almeno un tracciato pilota con detto segnale sismico riflesso e/o trasmesso per caratterizzare la formazione rocciosa da perforare.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detti sensori pilota sono atti rilevare componenti vibrazionali di accelerazione e/o forza secondo un primo sistema di riferimento associato con la testa della macchina perforatrice, in cui un asse coordinato di riferimento à ̈ associato all’asse di rotazione della macchina.
3. 3. Metodo secondo le rivendicazioni precedenti, ulteriormente comprendente un passo di registrare parametri istantanei di scavo/perforazione, tra cui avanzamento e/o angolo di rotazione e/o velocità di avanzamento ROP e/o velocità di rotazione RPM e/o spinta.
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 3, comprendente, quando à ̈ noto l’avanzamento e l’angolo di rotazione della macchina perforatrice, un ulteriore passo di associare a detta formazione rocciosa un secondo sistema di riferimento solidale con essa e di operare una trasformazione di coordinate di dette componenti vibrazionali da detto primo sistema di riferimento a detto secondo sistema di riferimento.
5. 5. Metodo secondo le rivendicazioni precedenti, in cui detto passo di relazione tra detto almeno un tracciato pilota con detto segnale sismico riflesso comprende una operazione di correlazione e/o deconvoluzione tra detti segnali.
6. 6. Dispositivo di acquisizione ed elaborazione di segnali sismici durante la perforazione di Tunnel comprendente mezzi di elaborazione atti ad eseguire i passi descritti in una qualunque delle rivendicazioni precedenti.
7. 7. Programma di computer che comprende mezzi di codifica di programma atti a realizzare i passi delle rivendicazioni da 1 a 5, quando detto programma à ̈ fatto girare su di un computer.
8. 8. Mezzi leggibili da computer comprendenti un programma registrato, detti mezzi leggibili da computer comprendendo mezzi di codifica di programma atti a realizzare i passi delle rivendicazioni da 1 a 5, quando detto programma à ̈ fatto girare su di un computer.