一种用于探测隧道上覆地层空洞及不密实的方法技术

本发明专利技术公开了一种用于探测隧道上覆地层空洞及不密实的方法，该方法包括在已开挖且已完成衬砌的隧道地表中心线位置，沿纵轴线方向布置一组地震检波器，并采用激发震源逐一进行地震波数据采集与记录；对记录的地震波数据通过有效信号提取和反射纵波初至时间拾取，从而进行整理，以获取反射纵波走时数据；结合隧道衬砌埋深及已有地质资料所反映的地下地层速度区间，设定初始反演速度模型，对拾取的反射纵波走时进行反演层析成像，获取地层地震纵波速度剖面；通过对所获取的地层地震纵波速度剖面进行分析，达到对隧道上覆地层空洞及不密实区的探测。通过上述方案，本发明专利技术达到了结构简单、设计巧妙、测试便捷的目的，具有很高的实用价值和推广价值。

A Method for Detecting Cavities and Uncompacted Ground Overburden in Tunnels

【技术实现步骤摘要】
一种用于探测隧道上覆地层空洞及不密实的方法
本专利技术属于隧道工程、工程物探
，具体地讲，是涉及一种用于探测隧道上覆地层空洞及不密实的方法。
技术介绍
随着城市发展，我国地铁建设中的安全问题日益突出。修建地铁所引起常见事故有：塌方、周围建筑物倾斜、地下管道受损等，其中地面塌陷事故占有较大比例，地面塌陷具有突发性、复杂性和高危害性特征，一旦发生地面塌陷事故，不但造成巨大的经济财产损失，产生恶劣的社会影响，还严重威胁着人民的生命安全。实践表明，地铁盾构法施工或暗挖均会对地层产生扰动作用，进而引起地层产生不密实及空洞，即使采用目前先进的(包括同步壁后注浆在内)密闭盾构技术，也不能完全消除地铁施工对地层的影响。盾构法施工造成地表沉降或塌陷的主要原因是施工中产生的地层损失引起的地层移动，形成空洞及不密实，造成地面不均匀沉降或塌陷。目前对地铁空洞及不密实的探测主要以工程钻探和地球物理探测为主。针对隧道的特殊地层条件，通常是综合应用多种物探手段来探测，常见的方法有：探地雷达法、电法探测法、跨孔(透射波)层析成像法等。探地雷达法及电法探测法都会受到金属的严重干扰，对于地下管线密布的地铁施工，其探测效果并不理想；跨孔层析成像法是较为成熟的技术手段，其分辨率高、可靠性好、图像直观、但需要借助钻探孔才能开展，因此施工耗时且成本较高。然而，在城市地铁管片衬砌支护形式的施工环境中，对管片上覆地层的不密实及空洞探测，开发一种能有效避免地下各种金属的干扰，且相比于跨孔层析成像法，能减少施工成本及耗时，且能实现探测目的的方法具有重要的意义。本专利技术将反射纵波技术、层析成像技术与地铁施工环境相结合，提出了一种用于隧道上覆地层空洞及不密实探测的反射地震纵波层析成像技术，通过信号接收和目标成像，达到对隧道上覆地层空洞及不密实探测的目的。
技术实现思路
为了克服现有技术中的上述不足，本专利技术提供一种结构简单、设计巧妙、测试便捷的用于隧道上覆地层空洞及不密实探测的反射纵波层析成像方法。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种用于探测隧道上覆地层空洞及不密实的方法，包括如下步骤：(S1)在已开挖且已完成衬砌的隧道地表中心线位置，沿纵轴线方向布置一组地震检波器，并采用激发震源逐一进行地震波数据采集与记录；(S2)对记录的地震波数据通过有效信号提取和反射纵波初至时间拾取，从而进行整理，以获取反射纵波走时数据；(S3)结合隧道衬砌埋深及已有地质资料所反映的地下地层速度区间，设定初始反演速度模型，对拾取的反射纵波走时进行反演层析成像，获取地层地震纵波速度剖面；(S4)通过对所获取的地层地震纵波速度剖面进行分析，达到对隧道上覆地层空洞及不密实区的探测。进一步地，所述步骤(S3)中实现反演层析成像的具体步骤为：(S31)对记录的地震波进行滤波、反褶积处理，同时提高信噪比；(S32)基于已知埋深深度的隧道衬砌的位置，识别来自于该隧道衬砌的反射纵波，并进行走时提取；(S33)结合隧道衬砌埋深及已有地质资料所反映的地下地层速度区间，设定初始反演模型，根据地震CT反演理论，利用反射纵波走时进行反演成像，获取隧道上覆地层的地震纵波速度剖面。进一步地，所述步骤(S4)中对速度剖面进行分析的具体步骤为：(S41)对速度剖面进行整体分析，确定明显异常区；(S42)根据地震纵波特征参数在介质中的传播特征，判定明显异常区的缺陷性质；(S43)结合速度剖面中的成果速度值，对各异常区进行细化和分析，判定存在的地质病害及风险；(S44)根据判断结果，对各异常区进行风险等级划分。进一步地，所述步骤(S1)中地震检波器等间距布设在已开挖且已完成衬砌的隧道地表中心线位置上。进一步地，所述步骤(S1)中激发震源等间距布设在已开挖且已完成衬砌的隧道地表中心线位置上，其中，所述激发震源采用锤击或爆炸震源。具体地，所述步骤(S1)中地震波记录按二维数值方式进行记录。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术采用在隧道上覆地表进行震源激发及地震波采集，结合相应的数据处理算法，获得隧道至地表区域的地质特征图谱，能够准确有效地探测该区域内的不良地质体，具有显著的进步，并且本专利技术构思独特，设计巧妙，针对性强，方便易用，适应性强，测试便捷，在隧道上覆地层空洞及不密实探测方面具有广阔的应用前景，适合推广应用；(2)本专利技术可直接在地表进行震源的激发和数据采集，无需额外钻孔、装药、爆破等步骤来实现测试，效率高、成本低，且无安全隐患，有效减少探测施工难度，实现高效、简便、精确的隧道上覆地层不良地质体探测；(3)本专利技术能有效避免地下各种金属的干扰，并且能够准确探测隧道上覆地层内的空洞及不密实的位置、规模等，且相比于传统跨孔透射CT法，能减少施工成本及耗时。附图说明图1为本专利技术的系统流程图。图2为本专利技术中实现反演层析成像的具体流程图。图3为本专利技术中对速度剖面进行分析的具体流程图。图4为本专利技术中激发震源和地震检波器(组)布设的二维剖面示意图。图5为本专利技术实施例1理论纵波速度模型的示意图。图6为本专利技术实施例1的反演成像初始设定纵波模型图。图7为本专利技术实施例1的反演成像纵波结果图。图8为本专利技术实施例2理论纵波速度模型的示意图。图9为本专利技术实施例2的反演成像初始设定纵波模型图。图10为本专利技术实施例2的反演成像纵波结果图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明，本专利技术的实施方式包括但不限于下列实施例。实施例如图1至图4所示，该用于隧道上覆地层空洞及不密实探测的反射地震纵波层析成像技术，包括如下步骤：在隧道中心轴线上覆地层等间距设置震源点，利用多道地震检波器记录经隧道管片衬砌反射的地震波；其中，所述震源点可采用人工敲锤激发或炸药震源激发，所述震源点位置应沿隧道中心轴线上方，同时地震检波器(组)沿隧道中心轴线上方等间距布设。对每一震源点激发，通过布设好的地震检波器(组)采集反射地震波，形成地震记录，其中地震记录按二维数值方式记录。对所述地震记录进行滤波、反褶积等处理，提高信噪比；基于已知埋深深度的隧道衬砌的位置，识别来自于该隧道衬砌的反射纵波，并进行走时提取；结合隧道衬砌埋深及已有地质资料所反映的地下地层大致速度区间，设定初始反演模型，根据地震CT反演理论，利用反射纵波走时进行反演成像，获取隧道上覆地层的地震纵波速度剖面。对速度剖面进行整体分析，确定明显异常区；根据地震波特征参数在介质中传播特征，根据地质先验信息判定明显异常区的缺陷性质；结合成果速度值，对各异常区进行细化和分析，判定可能存在的地质病害及风险；根据划分结果，对各异常区进行风险按照严重、一般、轻微进行划分。并且，根据所述异常区的特征参数对隧道上覆地层空洞及不密实区的探测，探测的结果应包括空洞及不密实区的位置分布及规模大小。由上述本专利技术方法的过程可实现对隧道上覆地层空洞及不密实的无损探测，对探测结果的准确性，本专利技术还提供了如下实验模拟的过程实施例。其中采用如表1所示的模拟主要参数。表1模拟主要参数实施例1，对如图5所示的理论数值模型进行反演成像。模型大小沿水平方向和垂直方向分别为50m和50m。为与实际地质模型相接近，理论数值模型设定如下：隧道上覆地层埋深设定为0m-19.5m；分别设置了隧道衬砌上下界面，其中衬砌上界面埋深为19本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于探测隧道上覆地层空洞及不密实的方法，其特征在于，包括如下步骤：(S1)在已开挖且已完成衬砌的隧道地表中心线位置，沿纵轴线方向布置一组地震检波器，并采用激发震源逐一进行地震波数据采集与记录；(S2)对记录的地震波数据通过有效信号提取和反射纵波初至时间拾取，从而进行整理，以获取反射纵波走时数据；(S3)结合隧道衬砌埋深及已有地质资料所反映的地下地层速度区间，设定初始反演速度模型，对拾取的反射纵波走时进行反演层析成像，获取地层地震纵波速度剖面；(S4)通过对所获取的地层地震纵波速度剖面进行分析，达到对隧道上覆地层空洞及不密实区的探测。

【技术特征摘要】
1.一种用于探测隧道上覆地层空洞及不密实的方法，其特征在于，包括如下步骤：(S1)在已开挖且已完成衬砌的隧道地表中心线位置，沿纵轴线方向布置一组地震检波器，并采用激发震源逐一进行地震波数据采集与记录；(S2)对记录的地震波数据通过有效信号提取和反射纵波初至时间拾取，从而进行整理，以获取反射纵波走时数据；(S3)结合隧道衬砌埋深及已有地质资料所反映的地下地层速度区间，设定初始反演速度模型，对拾取的反射纵波走时进行反演层析成像，获取地层地震纵波速度剖面；(S4)通过对所获取的地层地震纵波速度剖面进行分析，达到对隧道上覆地层空洞及不密实区的探测。2.根据权利要求2所述的一种用于探测隧道上覆地层空洞及不密实的方法，其特征在于，所述步骤(S3)中实现反演层析成像的具体步骤为：(S31)对记录的地震波进行滤波、反褶积处理，同时提高信噪比；(S32)基于已知埋深深度的隧道衬砌的位置，识别来自于该隧道衬砌的反射纵波，并进行走时提取；(S33)结合隧道衬砌埋深及已有地质资料所反映的地下地层速度区间，设定初始反演模型，根据地震CT反演理论，利用反射纵波走时进行反...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢松，汪旭，李苍松，孟露，李春林，胡鹏，张海超，赵占群，张优，彭跃，
申请(专利权)人：中铁西南科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51