基于盾构机施工噪声的多波场地震探测方法与系统技术方案

本公开提供了一种基于盾构机施工噪声的多波场地震探测方法与系统，本公开利用盾构机施工产生的噪声信息作为震源，获取激发产生的地震波在地层传播过程中形成的体波、面波等多波场地震信息，通过联合反演进行隧道沿线地层速度建模，利用反射波等信息进行偏移成像，最终实现盾构施工隧道掌子面前方地质情况的较准确探测。

【技术实现步骤摘要】
基于盾构机施工噪声的多波场地震探测方法与系统
本公开属于盾构机地震探测
，具体涉及一种基于盾构机施工噪声的多波场地震探测方法与系统。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。近年来，随着经济建设的快速发展和城市化水平的不断提高，城市地下空间得到大规模的开发和利用，大量的地铁工程、地下综合管廊工程投入建设。盾构机因其机械化程度高、施工速度快等显著优势已成为城市地铁隧道最主要的施工方式。然而，盾构机对掌子面前方地质条件要求较高，掘进面前方未探明的破碎带、软弱地层、孤石、溶洞等不良地质体，往往是重大安全隐患，极易导致喷涌、塌方、刀盘卡死或刀盘严重磨损等灾害事故，造成严重的工期延误和经济损失。为避免盾构机施工过程中灾害事故的发生，需要采用超前地质预报技术提前探明掌子面前方的不良地质情况，为及时制定合理的处理预案与施工方案提供指导。在众多隧道超前地质预报方法中，地震波法因具有界面成像精度高、探测距离远等优点，得到了较为广泛的应用。但据专利技术人了解，现有盾构隧道地震波超前探测方法主要在隧道内进行，接收传感器大致分为沿边墙布置及刀盘布置两类，但受制于隧道内狭小观测空间影响，存在着一定的局限性：①探测区域位于隧道掌子面前方，若测线沿边墙布置，对于掌子面前方的探测区域并不敏感，往往只对异常体在隧道轴向上的识别与定位较为准确，但对其在高程方向上的探测效果较差，导致异常体空间定位存在误差，难以满足城市地铁盾构隧道安全施工对地质信息的需求；②盾构隧道中存在管片，且管片拼装及壁后注浆施工环节紧密，地震波接收传感器在洞内可布设的范围较小，仅靠隧道内观测，可获得的地震数据比较有限。③若采用刀盘布置接收传感器，在刀盘可布设接收传感器的数量少，偏移距较小，可获得的地震数据有限，仅靠隧道内观测，获取由地质异常体引起的反射回波信息有限，无法提供准确的盾构机超前探测的结果。综上所述，盾构地震波法探测技术受隧道环境所限，所获得地震数据有限，且仅对隧道轴向信息敏感，无法提供准确的超前探测结果，难以满足城市盾构隧道安全施工的需求。
技术实现思路
本公开为了解决上述问题，提出了一种基于盾构机施工噪声的多波场地震探测方法与系统，本公开利用盾构机施工产生噪声信息作为震源，获取激发产生的地震波在地层传播过程中形成的体波、面波等多波场地震信息，进行隧道沿线地层速度建模，利用隧道内反射波等信息进行偏移成像，最终实现盾构施工隧道掌子面前方地质情况的较准确探测。根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：第一方面，本公开提供一种基于盾构机施工噪声的多波场地震探测方法，利用盾构机产生的施工噪声作为震源，获取激发产生的地震波在地层传播过程中形成的体波和面波场地震信息，进行联合自动处理，构建隧道沿线地层速度模型，利用隧道内反射波信息进行偏移成像，确定隧道掌子面前方地质探测结果。上述技术方案，通过施工噪声(是指盾构机在施工过程中的产生的震动、声音等噪声信息)作为震源，采集多波场地震信息进行分析，解决了现有的反射波信息有限的问题，能够提供准确的盾构机超前探测结果。作为可选择的实施方式，进行联合自动处理的具体过程包括：(1)获取面波与体波信息；(2)进行接收信号的同步；(3)确定有效信号时间记录长度；(4)进行频谱分析及带通滤波、道集均衡、有效反射波提取及纵横波分离；(5)将提取信号后的面波数据与反射波数据导入进行联合反演；(6)利用联合反演得到的速度模型，将有效信号提取后的有效反射波数据导入，采用逆时偏移成像，基于互相关成像条件，获得隧道盾构机工作面前方异常体的地震剖面。作为进一步的限定，所述步骤(5)具体包括：(5-1)面波反演：通过面波数据提取其频散数据，利用基于射线理论的走时成像方法构建地表下方土体的二维相速度或群速度模型，利用平面波模拟，在已知相速度或群速度模型和噪声方位分布的情况下，对面波频散数据进行校正，利用面波频散主要对S波速度敏感的特性，通过对二维相速度或群速度模型上的每一个格点进行一维的线性或非线性反演得到S波波速结构，将所有的一维S波波速结构结合起来构成三维的速度模型；(5-2)基于面波先验信息的反射波约束反演：在传统反射波反演方法的基础上施加光滑约束，并且把面波反演的波速结果当作先验约束施加至反射波反演中，获得联合反演速度模型。作为可选择的实施方式，所述速度模型为：其中，m为模型参数，dobs为观测数据，N为反演网格数，m0为上次反演得到的模型参数，dm0为模型参数为m0时正演得到的理论观测数据，A为敏感度矩阵，C为光滑度矩阵，λ为拉格朗日常数，控制光滑约束的权重，mi为第i个网格点的模型参数，为模型参数最小值与最大值，η为控制面波先验约束的权重，F为面波波速约束矩阵。第二方面，本公开提供一种基于盾构机施工噪声的多波场地震探测系统，包括隧道接收台站阵列、地表接收台站阵列和地震波数据处理模块：所述隧道接收台站阵列，设置在盾构机本体上，用于接收并存储盾构机施工震动在地层中传播时遇到不良地质体后反射到隧道壁的地震信号；所述地表接收台站阵列，设置于隧道上地表及工作面前方，用于接收并存储盾构机施工震动在地层中传播时遇到不良地质体后反射到地表的体波地震信号以及在地层中传播的面波地震信号；所述地震波数据处理模块，被配置为对隧道及地表采集的地震信息进行联合处理，进而获得隧道前方及周围区域的速度模型及地震剖面。需要注意的是，在本领域中，接收台站阵列包括若干一列接收台站，包含了只有一列接收台站的情况。作为可选择的实施方式，所述隧道接收台站通过安装机构固定于掘进机本体中部，具体包括三分量接收台站、可伸缩支撑杆、第一驱动机构、第二驱动机构、接收台站支撑架和台站导轨系统，所述三分量接收台站与可伸缩支撑杆一端相连接，所述可伸缩支撑杆的另一端可转动设置在接收台站支撑架上，所述接收台站支撑架滑动设置在台站导轨系统上，第一驱动机构被配置为驱动所述接收台站支撑架沿台站导轨系统移动，台站导轨系统固定于盾构机固定；第二驱动机构被配置为驱动所述可伸缩支撑杆旋转。作为可选择的实施方式，所述隧道接收台站阵列，包括两组隧道接收台站，每组包括多个并排分布的两组隧道接收台站，两组分别位于盾构机两侧，距离刀盘设定距离，两组之间具有一定的间距。作为可选择的实施方式，所述地表接收台站阵列，包括多个接收台站，多个接收台站按矩形阵列形式布置于盾构机的行进路线上地表处。当然，布置过程中注意避开建筑、道路等。作为可选择的实施方式，各接收台站均设置内置电池和定位系统，可实现长时间采集和台站位置获取。第三方面，提供基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：(1)进行隧道及地表观测方式的布置；(2)待盾构机工作，各接收台站采集并存储信号，待数据采集结束，将采集得到的数据导入地震波数据处理模块；(3)地震波数据处理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于盾构机施工噪声的多波场地震探测方法，其特征是：利用盾构机产生的施工噪声作为震源，获取激发产生的地震波在地层传播过程中形成的体波和面波场地震信息，进行联合自动处理，通过联合反演构建隧道沿线地层速度模型，利用反射波信息进行偏移成像，确定隧道掌子面前方地质探测结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于盾构机施工噪声的多波场地震探测方法，其特征是：利用盾构机产生的施工噪声作为震源，获取激发产生的地震波在地层传播过程中形成的体波和面波场地震信息，进行联合自动处理，通过联合反演构建隧道沿线地层速度模型，利用反射波信息进行偏移成像，确定隧道掌子面前方地质探测结果。


2.如权利要求1所述的一种基于盾构机施工噪声的多波场地震探测方法，其特征是：进行联合自动处理的具体过程包括：
(1)获取面波与体波信息；
(2)进行接收信号的同步；
(3)确定有效信号时间记录长度；
(4)进行频谱分析及带通滤波、道集均衡、有效反射波提取及纵横波分离；
(5)将提取信号后的面波数据与反射波数据导入进行联合反演；
(6)利用联合反演得到的速度模型，将有效信号提取后的有效反射波数据导入，采用逆时偏移成像，基于互相关成像条件，获得隧道盾构机工作面前方异常体的地震剖面。


3.如权利要求2所述的一种基于盾构机施工噪声的多波场地震探测方法，其特征是：所述步骤(5)具体包括：
(5-1)面波反演：通过面波数据提取其频散数据，利用基于射线理论的走时成像方法构建地表下方土体的二维相速度或群速度模型，利用平面波模拟，在已知相速度或群速度模型和噪声方位分布的情况下，对面波频散数据进行校正，利用面波频散主要对S波速度敏感的特性，通过对二维相速度或群速度模型上的每一个格点进行一维的线性或非线性反演得到S波波速结构，将所有的一维S波波速结构结合起来构成三维的速度模型；
(5-2)基于面波先验信息的反射波约束反演：在传统反射波反演方法的基础上施加光滑约束，并且把面波反演的波速结果当作先验约束施加至反射波反演中，获得联合反演速度模型。


4.一种基于盾构机施工噪声的多波场地震探测系统，其特征是：包括隧道接收台站阵列、地表接收台站阵列和地震波数据处理模块：
所述隧道接收台站阵列，被配置为接收并存储盾构机施工震动在地层中传播时遇到不良地质体后反射到隧道壁的地震信号；
所述地表接收台站阵列，被配置为接收并存储盾构机施工震动在地层中传播时遇到不良地质体后反射到地表的体波地震信号以及在地层中传播的面波地震信号；
所述地震波数据处理模块，被配置为对隧道及地表采集的地震信息进行联合处理，进而获得隧道前方及周围区域的速度模型及地震剖面。


5.如权利要求4所述的一种基于盾构机施工噪声的多波场地震探测系统，其特征是：所述隧道接收台站通过安装机构固定于掘进机本体中部，具体包括三分量接收台站、可伸缩支撑杆、第一驱动机构、第二驱动机构、接收台站支撑架和台站导轨系统，所述三分量接收台站与可伸缩支撑杆一端相连接，所述可伸缩支撑...

【专利技术属性】
技术研发人员：李术才，刘斌，许新骥，陈磊，王建森，付超，任玉晓，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37