一种地-孔-洞联合精细探测方法与系统技术方案

本发明专利技术提供了一种地

【技术实现步骤摘要】
一种地
‑
孔
‑
洞联合精细探测方法与系统


[0001]本专利技术属于隧道施工超前地质预报中的地震波法探测
，具体涉及一种地
‑
孔
‑
洞联合精细探测方法与系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]隧道等地下工程建设对施工质量、效率及安全性的要求越来越高。与传统的钻爆法相比，掘进机施工具有机械化程度高、施工效率高等优势，隧道掘进机应用越来越广泛。但是城市地下工程建设面临复杂多变的地质条件，如果未能提前探明前方地质条件并预先处置，施工扰动下容易发生地面坍塌、地表建筑物倾覆、掘进机异常损坏等灾害，造成工期延误、恶劣环境影响和人员伤亡等等。因此，采用超前探测技术及时探明掘进面前方的不良地质体并制定合理的处理预案与施工方案，是避免隧道掘进机施工过程中灾害事故发生行之有效的方法。
[0004]近年来，地球物理超前预报方法在隧道掘进机施工隧道得到了越来越广泛的应用，其中地震波法因具有界面成像精度高、探测距离远等优点成为隧道掘进机施工隧道应用最为广泛的超前预报方法之一。将地震波法应用于隧道内部，需要对传统的地震波法进行改进，使其适应隧道建设的特殊环境。瑞典学者B.Brodic等提出利用地面和隧道观测方式，进行透射波初至层析成像，并对断裂带的位置进行了探测，但该方法存在缺点即只能获得隧道上部与地表之间的地层信息，对隧道掘进面前方的信息反应较差。20世纪70代初油气勘探开发领域引入了井间地震技术，即在一口井中激发，在另一口井或多口井中接收的地震勘探方法，该方法在地层地质构造探测方面计算效率高，但横向分辨率不足，异常体边界刻画能力较差。加尔彼林院士(1973)出版的专著《垂直地震剖面技术》，为VSP技术发展奠定了基础，该方法可以获得丰富的方位和炮检距信息，有效提高地层照明度，在纵向分辨率方面具有明显优势。山东大学提出将石油钻孔中的随钻地震技术引入到隧道超前预报中，利用掘进机破岩信号作为震源，同时在隧道内部和地表进行接收，形成地
‑
洞联合探测方法，可以对掘进面前方较大范围的岩体地震波速成像。但是该方法仅能获取隧道掘进面前方不良地质的反射信息，只能获取和利用特定角度的不良地质信息，不利于全视域、多角度对目标区域不良地质的精准成像。以掘进机破岩震动作为震源可以在地表采集到较为丰富的面波信息，相比于地表主动源获取面波信号，掘进震源采集到的地震数据频带更宽、高阶模态更发育，因此可以获得更精确的地下结构信息。
[0005]综上，上述几种方法分别具有各自的优点和缺点。对此，将上述几种方法深入结合，利用地表、隧道以及钻孔，采集多视角、多波场地震信息，从多个角度对地下的孤石、岩溶等不良地质进行刻画，可以获得更加准确、高质量的地质情况。然而，由于城市地下隧道的特殊施工环境，目前尚无相关方法与技术。就目前的技术水平，将三种观测环境的数据进行融合与利用，实现隧道超前预报，存在着以下几个问题：
[0006](1)多场域地震测量时间同步难：精准的时间测量是探测的重要基础和条件，综合利用地表、隧道以及钻孔多波场地震信息需要将三种条件下的采集时间精确同步，目前尚无相关应用条件下的时间同步系统；
[0007](2)目标区不良地质响应观测难：受施工环境和观测空间限制，隧道内、地表、钻孔内部检波器多为一维布设，对不良地质的波场响应采集不完全，特定观测系统只能采集特定特征的波场响应；
[0008](3)多视角波场数据波场分离难：城市地下隧道的施工环境比较复杂，采集的地震记录中耦合有大量的干扰噪声，压制了有效信息的识别，从多视角波场数据中提取有效信号存在一定的困难；
[0009](4)多视角波场数据联合成像难：多视角波场的数据采集空间位置不同，数据反应的不良地质体波场特征也存在差异，面波与体波不能直接进行联合利用，当前针对多视角波场数据以及多种波场的联合应用研究较少，多波场数据联合成像方法尚不成熟。

技术实现思路

[0010]本专利技术为了解决上述问题，提出了一种地
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孔
‑
洞联合精细探测方法与系统，本专利技术能够获得隧道掘进面前方不良地质体的分布情况，可以对掘进前方岩体质量等级进行预报并及时发现掘进面前方的不良地质体。
[0011]根据一些实施例，本专利技术采用如下技术方案：
[0012]一种地
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孔
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洞联合精细探测方法，包括以下步骤：
[0013]进行地
‑
孔
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洞联合的隧道掘进机破岩震源探测观测方式的布置并进行时间同步和空间定位；
[0014]待隧道掘进机开始工作，地
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孔
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洞的探测装置同步采集并存储信号；
[0015]待数据采集结束，将隧道掘进机掘进过程中各参数和接收台站阵列采集到的数据，并进行处理，获得隧道前方及周围区域的速度模型和地震剖面；
[0016]根据得到的速度模型、地震剖面，并结合开挖岩石强度指数的空间分布情况及地质钻孔资料，获知掘进机工作面前方及隧道周围岩体的地质情况，实现地质异常体的超前预报。
[0017]作为可选择的实施方式，进行地
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孔
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洞联合的隧道掘进机破岩震源探测观测方式的布置的具体过程包括：将破岩震源先导接收台站阵列安装在刀盘后方支撑板上，隧道接收台站阵列布置在隧道掘进机本体中部或隧道侧壁围岩上，地表接收台站阵列布置在隧道掘进机本体行进路线上方地表，以一定的道间距快速布设地表接收台站阵列，将远孔条件地质钻孔接收台站阵列、近孔条件地质钻孔接收台站阵列接通外接电源。
[0018]作为可选择的实施方式，在隧道掘进机停止工作时进行观测方式快速布置，或隧道掘进机工作时实现隧道接收台站阵列、地表接收台站阵列、远孔条件地质钻孔接收台站阵列、近孔条件地质钻孔接收台站阵列快速布置；在隧道掘进机停止工作时进行破岩震源先导接收台站阵列布置。
[0019]作为可选择的实施方式，地
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孔
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洞的探测装置同步采集的具体过程包括，当隧道掘进机的刀盘旋转切割岩石产生震动，刀盘破岩震动被安装在刀盘后方的破岩震源先导接收台站所接收，破岩震源同时激发地震波向掘进机工作面前方和隧道四周扩散，地震波遇
到波阻抗界面后发生反射，被隧道接收台站、地表接收台站及埋置于波阻抗界面后方地质钻孔内的近孔条件地质钻孔接收台站所接收，同时在波阻抗界面处发生透射，被埋置于波阻抗界面前方地质钻孔内的远孔条件地质钻孔接收台站和地表接收台站所接收，破岩震源先导接收台站阵列、隧道接收台站、地表接收台站阵列、近孔条件地质钻孔和远孔条件地质钻孔接收台站阵列自动存储所接收的地震信号。
[0020]作为可选择的实施方式，地震记录联合处理方法包括：
[0021]对接收信号预处理；
[0022]进行近孔条件高分辨率提本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地
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孔
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洞联合精细探测方法，其特征是，包括以下步骤：进行地
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孔
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洞联合的隧道掘进机破岩震源探测观测方式的布置并进行时间同步和空间定位；待隧道掘进机开始工作，地
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孔
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洞的探测装置同步采集并存储信号；待数据采集结束，将隧道掘进机掘进过程中各参数和接收台站阵列采集到的数据，并进行处理，获得隧道前方及周围区域的速度模型和地震剖面；根据得到的速度模型、地震剖面，并结合开挖岩石强度指数的空间分布情况及地质钻孔资料，获知掘进机工作面前方及隧道周围岩体的地质情况，实现地质异常体的超前预报。2.如权利要求1所述的一种地
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孔
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洞联合精细探测方法，其特征是，进行地
‑
孔
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洞联合的隧道掘进机破岩震源探测观测方式的布置的具体过程包括：将破岩震源先导接收台站阵列安装在刀盘后方支撑板上，隧道接收台站阵列布置在隧道掘进机本体中部或隧道侧壁围岩上，地表接收台站阵列布置在隧道掘进机本体行进路线上方地表，以一定的道间距快速布设地表接收台站阵列，将远孔条件地质钻孔接收台站阵列、近孔条件地质钻孔接收台站阵列接通外接电源。3.如权利要求1所述的一种地
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孔
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洞联合精细探测方法，其特征是，在隧道掘进机停止工作时进行观测方式快速布置，或隧道掘进机工作时实现隧道接收台站阵列、地表接收台站阵列、远孔条件地质钻孔接收台站阵列、近孔条件地质钻孔接收台站阵列快速布置；在隧道掘进机停止工作时进行破岩震源先导接收台站阵列布置。4.如权利要求1所述的一种地
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孔
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洞联合精细探测方法，其特征是，地
‑
孔
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洞的探测装置同步采集的具体过程包括，当隧道掘进机的刀盘旋转切割岩石产生震动，刀盘破岩震动被安装在刀盘后方的破岩震源先导接收台站所接收，破岩震源同时激发地震波向掘进机工作面前方和隧道四周扩散，地震波遇到波阻抗界面后发生反射，被隧道接收台站、地表接收台站及埋置于波阻抗界面后方地质钻孔内的近孔条件地质钻孔接收台站所接收，同时在波阻抗界面处发生透射，被埋置于波阻抗界面前方地质钻孔内的远孔条件地质钻孔接收台站和地表接收台站所接收，破岩震源先导接收台站阵列、隧道接收台站、地表接收台站阵列、近孔条件地质钻孔和远孔条件地质钻孔接收台站阵列自动存储所接收的地震信号。5.如权利要求1所述的一种地
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孔
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洞联合精细探测方法，其特征是，地震记录联合处理方法包括：对接收信号预处理；进行近孔条件高分辨率提取；进行远孔条件波场优化；对地表接收台站阵列采集的数据进行面体波分离；将震源信号与处理后的接收信号进行互相关和反褶积处理；将观测系统的坐标进行导入，并进行自动初至拾取；进行频谱分析及带通滤波；进行道内均衡和道间均衡；压制无效反射波，保留有效反射波，并进行纵横波分离；进行面波频散曲线提取，频散能量图；对于优化的远孔条件地质钻孔中采集数据以及地表面波数据频散曲线进行透射波
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面
波联合反演，采用联合反演的方法获得隧道掘进机工作面前方的速度模型；利用联合反演得到的速度模型，采用逆时偏移成像，获得隧道掘进机工作面前方的地震剖面。6.如权利要求5所述的一种地
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孔
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洞联合精细探测方法，其特征是，所述透射波
‑
面波联合反演的目标函数为：Φ＝∑||W
d
[d
obs
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G(m)]||2+λ||W
c
(m
‑
m0)||2+β||τ(m)||其中，右式第一项为数据拟合项，d
obs
为采集透射波数据和提取的面波频散曲线，G(m)为反演模型正演得到的透射波数据及正演频散曲线，右式第二项为模型拟合项，m为当前反演得到的模型，m0为初始模型，右式第三项为交叉梯度项，m
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，李忠治，陈磊，任玉晓，郝磊，赵阳，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：