CN104678426B - 隧道掘进机中主动源三维地震超前地质探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道掘进机中主动源三维地震超前地质探测装置及方法，包括掘进机刀盘以及与所述刀盘连接的掘进机主体，掘进机主体内设有主控室，主控室内设有控制器和多通道地震波数据采集仪；掘进机刀盘和掘进机主体前端分别设有震源***；在掘进机主体工作面后方按照一定的空间观测方式设有数据采集***；控制器分别与多通道地震波数据采集仪、震源***和数据采集***连接，多通道地震波数据采集仪与数据采集***连接；本发明有益效果：实现震源和检波器***的快速灵活自动布置，充分利用了掘进机检修时间，极大地提高了地质超前预报的工作效率，不干扰正常施工，节约了时间成本和经济成本。

Description

隧道掘进机中主动源三维地震超前地质探测装置及方法

技术领域

本发明涉及隧道掘进机施工过程中的地质超前预报领域，尤其涉及一种隧道掘进机中主动源三维地震超前地质探测装置及方法。

背景技术

与传统的钻爆法施工相比，隧道掘进机施工具有“掘进速度快、成洞质量高、综合经济效益高、施工安全文明”等显著优势，日本、美国、欧洲等发达国家采用掘进机施工的隧道比例超过80％，而随着我国隧道建设的不断发展，隧道掘进机也将得到越来越多的应用。与此同时，众多工程实践表明，隧道掘进机对地质条件的适应性较差，突水突泥、塌方等地质灾害以及由此诱发的卡机甚至机毁人亡等重大事故给隧道掘进机安全施工带来了重大挑战。为避免掘进机施工中的地质灾害和安全事故，最为有效的解决方法就是采用超前地质预报技术，根据探测得到的掘进机工作面前方不良地质情况预先制定合理的处置措施和施工预案。

目前，国内外在钻爆法施工隧道超前地质探测的理论和技术方面取得了重要进展和良好的应用效果，然而TBM施工隧道中实用有效的超前探测理论与方法是国内外长期关注却未能解决的难题，其根本原因在于TBM施工环境极为复杂。TBM拥有复杂的金属结构和电工***，占据了掘进面后方大部分隧道空间，其掘进速度较快，工序衔接紧密，造成“电磁干扰十分严重，可用观测空间极为狭小，容许探测时间比较紧促”，导致传统地球物理方法无法很好地适用。

地震波反射法相对于其他超前预报方法，具有预报距离远、方便快捷等优势，是隧道超前预报中的重要方法。目前，地震波反射法中的TRT(Tunnel Reflection Tomography)和TRUST(True Reflection Underground Seismic Technique)既能用在钻爆法隧道，又能用在掘进机隧道中，这两种方法采用三维空间观测形式，但没有特别考虑掘进机隧道的特殊环境(观测空间狭小，探测时间有限)，探测方法也基本照搬钻爆法施工中的技术手段，不是特别针对掘进机隧道的方法，在预报中需要人工手动安装激振器与检波器，效率低下，探测时可能会影响掘进机正常施工。世界上掘进机专用的地震超前预报方法主要有SSP(Sonic SoftgroundProbing)、ISIS(Integrated Seismic Imaging System)以及国内有关学者申请的专利(《掘进机法施工中利用震动信号超前地质预报的装置及使用方法》、《一种适合于掘进机施工的地质超前预报方法》等)。这些方法主要存在以下问题：

①观测方式简单，未采用有效的三维空间观测方式，难以获得周围岩体的准确波场信息，导致异常体空间定位效果较差，容易出现漏报、错报和误报等问题。

②为不影响隧道掘进机正常施工，地震波超前探测需要尽量利用掘进机检修时间(每天约2小时)进行探测，这就对地震波超前探测的效率提出了要求，因而上述方法缺少一种针对掘进机施工隧道的快速安装装置及方法，导致探测时效率较低，，影响掘进机的正常施工。

③地震波数据处理的自动化需要进一步提高，地震波偏移成像方法有待改善，三维成像、异常体空间定位及其探测精度有待提高。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种隧道掘进机中主动源三维地震超前地质探测装置及方法，该装置及方法可以根据需要自由选择需要工作的检波器个数及在隧道中的位置，自由组合，方便灵活，同时可获得不同震检距的地震数据，有利于获得子面前方准确的速度分布，从而对掌子面前方异常体进行精确定位。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种隧道掘进机中主动源三维地震超前地质探测装置，包括掘进机刀盘以及与所述刀盘连接的掘进机主体，所述掘进机主体内设有主控室，主控室内设有控制器和多通道地震波数据采集仪；所述掘进机刀盘和掘进机主体前端分别设有震源***；在所述掘进机主体工作面后方按照一定的空间观测方式设有数据采集***；所述控制器分别与多通道地震波数据采集仪、震源***和数据采集***连接，多通道地震波数据采集仪与数据采集***连接；

控制器分别将震源***和数据采集***递送到对应的隧道壁上；当震源***接触到隧道壁的压力达到一定值时，震源即与隧道壁接触良好；同时，当数据采集***接触到隧道壁的压力达到一定值时，数据采集***的检波器与隧道壁自动耦合。

所述震源***包括：工作面震源阵列和边墙震源阵列；

所述工作面震源阵列设置在掘进机刀盘上，并沿掘进机刀盘中心对称分布；所述边墙震源阵列位于掘进机主体的前端。

所述边墙震源阵列包括：可控震源、震源压力传感器、震源液压伸缩杆以及震源进出口舱门；

所述边墙震源阵列位于震源行走装置上，震源行走装置包括圆形滑环震源导轨和沿着隧道轴向的轨道；所述圆形滑环震源轨道上面有锯齿，震源在其上自由滑动，同时能够360°自由旋转；

所述震源进出口舱门位于掘进机刀盘上，所述可控震源和震源压力传感器安装在震源液压伸缩杆的顶端，可控震源通过回路触发器与多通道地震波数据采集仪连接，震源压力传感器和震源液压伸缩杆分别与控制器连接。

所述震源液压伸缩杆采用中空设计，所述震源进出口舱门能够在控制器的控制下按照预设的卡槽运动，实现震源进出口的开闭。

所述数据采集***包括：自动耦合的三分量检波器、检波器行走装置、检波器压力传感器、无线数据传输器、检波器液压伸缩杆和检波器进出口舱门；

所述检波器进出口舱门位于掘进机上，检波器压力传感器设置在自动耦合的三分量检波器中，自动耦合的三分量检波器通过检波器液压伸缩杆连接到检波器行走装置上；自动耦合的三分量检波器以空间方式通过检波器行走装置安置在掘进机工作面后方一定范围内的三个横截面上；

所述自动耦合的三分量检波器与无线数据传输器相连，无线数据传输器与多通道地震波数据采集仪通讯，检波器压力传感器和检波器液压伸缩杆分别与控制器连接，检波器进出口舱门在控制器的控制下按照预设的卡槽运动，实现检波器进出口的开闭。

所述的自动耦合的三分量检波器靠近隧道壁一侧设计成与隧道壁形状相似的圆弧形、另外一侧连接活塞和压力传感器，活塞后装有耦合剂，三分量检波器和活塞中间预留有耦合剂通道；当检波器与隧道壁接触压力达到一定程度时，活塞后的耦合剂会在压力的作用下从耦合剂通道自动流出，使得三分量检波器与隧道壁耦合更好。

一种隧道掘进机中主动源三维地震超前地质探测装置的工作方法，包括如下步骤：

步骤1：掘进机停止工作后，控制器控制检波器液压伸缩杆将自动耦合的三分量检波器朝对应的隧道壁方向送出，当所述自动耦合的三分量检波器与隧道壁之间的接触压力达到一定值时，停止检波器液压伸缩杆的运动，同时完成检波器与隧道壁的耦合；

步骤2：控制器控制震源液压伸缩杆将可控震源向外送出，当所述可控震源与掘进机工作面或隧道壁之间的接触压力达到一定值时，停止震源液压伸缩杆的运动；

步骤3：多通道地震波数据采集仪控制可控震源震动，激发产生宽频地震波，同时，多通道地震波数据采集仪向多个无线数据传输器同时发送采集指令；

步骤4：所述步骤3中产生的地震波在遇到波阻抗界面后发生反射，被三维全空间布置的三分量检波器采集，并经由各自的无线数据传输器发送给多通道地震波数据采集仪；

步骤5：多通道地震波数据采集仪对采集到的地震波信息进行处理，得到掘进机工作面前方的地质情况；

步骤6：根据步骤5中得到的掘进机工作面前方的地质情况，结合掘进机开挖时的推力大小、掘进速度工作参数，得到掘进机工作面前方岩体的地质情况及其相应的力学参数，实现地质异常体的超前预报。

所述步骤5中对采集到的地震波信息进行处理的方法包括：

1)道集编辑：实现对坏道切除和有效数据长度(依据预报长度)截取；

2)球面波扩散真振幅补偿：补偿地震波波前球面几何扩散造成的振幅损失，使其保持相对真振幅；

3)频谱分析以及带通滤波：采用傅里叶变换将地震信号从时间域变换到频率域，根据有效波与干扰波在频谱上的差异来达到滤波的效果；

4)初至波拾取：采用比值法自动确定纵横波初至到达时间；

5)炮检点静校正：将各检波器及震源校正到同一参考面上，并消除由于不同震源引起的各记录道地震波的超前或滞后效应；

6)道集均衡：具体包括道内均衡和道间均衡；

所述道内均衡是压缩各道中浅层能量较强的波、增大深部能量较弱的波，使浅层和深层地震波的振幅控制在一定的动态范围内；所述道间均衡是为了消除不同震源点激发能量差异，使得反射波振幅不受激发条件的影响，而只是反映地质构造情况；

7)有效反射波提取：采用反Q滤波和倾角滤波压制干扰波以及掘进机工作面后方的无效反射波，仅保留来自掘进机工作面前方和侧面来的有效反射波并自动提取；

8)反Q滤波：补偿由于地层非弹性体导致的能量和频率衰减，校正子波相位的拉伸效应；

9)纵横波分离：将三分量检波器三个分量中接收到的P波、SH波和SV波分离开来，便于进行下一步的偏移成像和地质解释；

10)速度分析：在初至波波速的基础上通过对时距曲线的反复迭代，分别建立掘进机工作面前方岩体的纵横波速度模型；

11)深度偏移：在速度分析的基础上，采用Kirchoff积分法的克希霍夫叠前深度偏移、反射光谱成像和菲涅耳体偏移相结合的混合三维深度偏移方法对采集到的地震波数据进行偏移成像处理，使得到的地震剖面能够更加清晰准确地展示波阻抗界面的空间形态和真实位置。

所述步骤11)的具体方法为：

采用反射光谱成像方法将观测得到的地震信号频率分成多个较窄的频段，然后针对每个窄频段分别进行克希霍夫叠前深度偏移；

在此基础上，采用菲涅耳体偏移方法首先对偏移成像处理之后的数据进行慢度和极化分析来得到反射面的出射角，以此将能量的拖尾效应限制在等时面和第一菲涅尔带的相交处，从而能够进一步提高反射面的清晰度，并消除结果中的假象。

所述采用Kirchoff积分法进行克希霍夫叠前深度偏移的具体方法为：

$R(x,x_s)=\underset{\mathrm{\Σ}}{\∫}n\×{\▿\mathrm{\τ}}_G(x_G,x)A(x_s,x,x_G)\frac{\∂u[x_s,x_G,{\mathrm{\τ}}_s(x_s,x)+{\mathrm{\τ}}_G(x_G,x)]}{\∂t}{\mathrm{dx}}_G---\left(1\right)$

其中，∑为观测线(面)；

x_s，x，x_G为震源点、成像点和接收点的空间位置；

τ_s，τ_G为震源到成像点和成像点到接收点的旅行时；

A为几何扩散因子(振幅加权因子)；

n为观测面的外法线方向；

u为记录的波场；

R为反射系数(成像波场)。

本发明的有益效果是：

(1)本发明针对直线类观测方式法获得掌子面前方围岩波速的准确分布的问题，综合考虑隧道掘进机现有内部空间环境和探测效果的基础上提出一种三维空间观测方式，震源分布于掌子面和边墙上，检波器位于三个断面的不同高度上，实际工作中可以根据需要自由选择需要工作的检波器个数及在隧道中的位置，自由组合，方便灵活，同时圆形导轨可以沿轴向导轨前后滑动，自由布置。同时可获得不同震检距的地震数据，有利于获得子面前方准确的速度分布，从而对掌子面前方异常体进行精确定位。

(2)本发明针对隧道掘进机内部的实际情况，采用一种包括圆形导轨和轴向导轨的行走装置，实现震源和检波器***的快速灵活自动布置，充分利用了掘进机检修时间，极大地提高了地质超前预报的工作效率，不干扰正常施工，节约了时间成本和经济成本。

(3)本发明提出一种混合三维深度偏移方法，在适用于不规则观测***克希霍夫叠前深度偏移的基础上，进一步引入反射光谱成像和菲涅耳体偏移方法：克希霍夫叠前深度偏移解决构造复杂、横向速度变化剧烈的问题；反射光谱成像方法对非均匀介质中压制低频带中的散射效应和提高高频段的分辨率十分有效；菲涅耳体偏移方法能够进一步提高反射面的清晰度，并消除结果中的假象。

(4)本发明提出一种自动耦合的三分量检波器***。检波器靠近隧道的一侧设计成圆弧形，方便检波器与隧道壁耦合。同时三分量检波器中间预留孔，当检波器接触到隧道壁压力达到一定值时，控制器会得到反馈停止液压***工作，同时耦合剂(黄油或者凡士林)在压力的作用下从检波器中间预留通道挤出，使检波器与隧道壁耦合良好。极大地提高了布置效率。

(5)本发明提出一种自动的地震数据处理方法，采用比值法自动拾取直达波初至时间，通过反Q滤波和倾角滤波来自动提取反射事件和反射层信息，实现地震数据处理的自动化，节约时间，提高预报的工作效率。

附图说明

图1为主动源三维地震超前地质探测装置整体示意图；

图2为主动源三维地震超前地质探测装置边墙震源阵列示意图；

图3为主动源三维地震超前地质探测装置数据采集***结构示意图；

图4为主动源三维地震超前地质探测装置三维空间观测方式刀盘震源布置图；

图5为主动源三维地震超前地质探测装置检波器结构示意图；

图6为主动源三维地震超前地质探测装置结构示意图；

图7(a)为主动源三维地震超前地质探测装置推荐的一种三维空间观测方式示意图；

图7(b)为主动源三维地震超前地质探测装置震源与检波器布置示意图；

图8为主动源三维地震超前地质探测装置震源结构示意图。

其中，1.震源***，2.工作面震源阵列，3.边墙震源阵列，4.数据采集***，5.伪随机码可控震源，6.震源压力传感器，7.震源液压伸缩杆，8.震源导轨，9.三分量检波器，10.无线数据传输器，11.检波器液压伸缩杆，12.检波器压力传感器，13.检波器导轨，14.工作面可控震源，16.弹簧，17.预留孔，18.活塞，19.耦合剂，20.震源外壳，21.激震杆，22.垫板，23.压力传感器，24.电路控制器，25.线圈。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

一种隧道掘进机施工中主动源三维地震超前地质探测装置，如图1所示，在掘进机主体内设有主控室，主控室内设有控制器和多通道地震波数据采集仪；在掘进机刀盘和掘进机主体前端上设有震源***1；在掘进机工作面后方25～35m范围内上按照一定的空间观测方式设有数据采集***4。控制器控制多通道地震波数据采集仪、震源***、数据采集***等的工作。工作时，控制器控制震源***1激震，同时控制数据采集***4准备采集数据、多通道地震波数据采集仪准备接收数据，激震后数据采集***4将采集的数据传输给多通道地震波数据采集仪。采集到的地震数据，采用自动的地震数据处理方法，利用Kirchoff积分法的叠前深度偏移、反射光谱成像和菲涅耳体偏移相结合的混合三维深度偏移方法对采集的数据进行偏移成像处理，得到三维地震成像结果。

震源***1包括伪随机码可控震源5、震源行走装置、震源压力传感器6、回路触发器、震源液压伸缩杆7和震源进出口舱门，并根据位置不同分为工作面震源阵列2和边墙震源阵列3。震源进出口舱门位于掘进机刀盘上。

工作面震源阵列2安置在掘进机刀盘上，在刀盘上预留4个可控震源14阵列激发震源装置进出口，如图4所示，4个震源激发及传动装置布置在刀头中，关于刀盘中心对称分布，距离刀盘中心的距离约2～3m。

边墙震源阵列3位于震源行走装置上，如图2所示，震源行走装置利用现有的掘进机内部空间，设计一个圆形滑环导轨和一个沿着隧道轴向的轨道，圆形滑环轨道上面有锯齿，震源可以在其上自由滑动，同时可以360°自由旋转，震源共有两个，两个震源交替工作，节省工作时间。所述的边墙震源阵列3在边墙激发8次，在掘进机主体护盾后方(距离掌子面约5m)左右两侧各有4个，并且分布在两个横截面上，第一横截面距掘进机工作面距离约5m，第二横截面距离掘进机工作面距离约7m。

伪随机编码可控震源5和震源压力传感器6安装在震源液压伸缩杆7顶端，伪随机编码可控震源5一方面直接与多通道地震波数据采集仪相连，另一方面连接回路触发器，回路触发器另一端与多通道地震波数据采集仪相连，震源压力传感器6和震源液压伸缩杆7分别与控制器相连，其中，震源液压伸缩杆7采用中空设计方式，上述连接导线可以从当中引出。震源进出口舱门可以在控制器的控制下按照预设的卡槽运动，实现震源进出口的开闭。

数据采集***4如图3所示，包括自动耦合的三分量检波器9、检波器行走装置、检波器压力传感器12、无线数据传输器10、检波器液压伸缩杆11和检波器进出口舱门，检波器以空间方式通过检波器行走装置安置在掘进机工作面后方25～35m范围内的三个横截面上：第一横截面距离掘进机工作面约25m，布置5个检波器；第二横截面距离掘进机工作面约30m，布置5个检波器；第三横截面距离掘进机工作面约35m，布置5个检波器。

自动耦合的三分量检波器9结构如图5所示，采用两种方式实现三分量检波器9与隧道壁的自动耦合：①靠近隧道壁一侧设计成与隧道壁形状相似的圆弧形，有利于与隧道的接触耦合；②另外一侧连接活塞18和检波器压力传感器12，活塞18后装有耦合剂19。三分量检波器9、活塞18中间预留有有耦合剂19通道。当检波器9与隧道壁接触压力达到一定程度时，活塞18后的耦合剂19会在压力的作用下从耦合剂通道自动流出，使得三分量检波器9与隧道壁耦合更好。通过上述两个设计从而实现三分量检波器9与隧道壁的自动耦合。

如图6所示，自动耦合的三分量检波器9通过导线与无线数据传输器10相连，无线数据传输器10与多通道地震波数据采集仪通过无线通讯形式连接，检波器压力传感器12和检波器液压伸缩杆11分别与控制器相连，其中，检波器液压伸缩杆11采用中空设计方式，上述连接导线可以从当中引出。检波器进出口舱门可以在控制器的控制下按照预设的卡槽运动，实现检波器进出口的开闭。

控制器能够控制震源液压伸缩杆7、检波器液压伸缩杆11、检波器进出口舱门以及震源行走装置、检波器行走装置的运动，并能够接受震源压力传感器6和检波器压力传感器12的反馈调节。

多通道地震波数据采集仪通过无线通讯形式与无线数据传输器10相连接，能够实现地震波信息的多通道实时采集、存储与处理，同时，多通道地震波数据采集仪还可以控制伪随机码可控震源5的震动，并通过回路触发器接收伪随机码可控震源5的反馈信息。

针对直线类观测方式无法获得掌子面前方围岩波速的准确分布的问题，综合考虑隧道掘进机现有内部空间环境和探测效果的基础上提出一种三维空间观测方式，图7(a)和图7(b)分别是本发明推荐的一种主动源三维地震超前地质探测装置三维空间观测方式示意图以及震源和检波器位置示意图。S代表震源所在位置，R代表检波器所在位置。

三维空间观测方式包括震源布置与检波器布置。震源包括工作面震源阵列2和边墙震源阵列3。工作面震源阵列2安置在掘进机刀盘上，共有4个，关于刀盘中心对称分布，距离刀盘中心的距离约2～3m；边墙震源阵列3位于震源行走装置的圆形导轨上，激震位置在掘进机主体护盾后方(距离掌子面约5m)左右两侧对称位置，每侧各有4个，分布在两个隧道横截面上，第一横截面距掘进机工作面距离约5m，第二横截面距离掘进机工作面距离约7m。检波器以空间观测方式通过行走装置安置在掘进机工作面后方25～35m范围内的三个横截面上：第一横截面距离掘进机工作面25m，布置5个检波器；第二横截面距离掘进机工作面30m，布置5个检波器；第三横截面距离掘进机工作面35m，布置5个检波器。每个横截面均布置5个检波器，可以自由滑动，一般分别位于拱顶(1个)、拱腰(2个)、拱脚(2个)，形成空间的布置，可获得不同检波距的地震数据。实际工作中可以根据需要自由选择需要工作的检波器(如具体实施例中推荐的一种较好的利用10个检波器的空间观测方式)，自由组合，方便灵活，同时圆形导轨可以沿轴向导轨前后滑动，自由布置。通过上述布置，完成隧道掘进机施工过程中主动源三维地震超前地质探测方法及装置的三维空间布置。实际工作中可以根据需要自由选择需要工作的检波器个数及在隧道中的位置，自由组合，方便灵活，同时圆形导轨可以沿轴向导轨前后滑动，自由布置。同时可获得不同震检距的地震数据，有利于获得子面前方准确的速度分布，从而对掌子面前方异常体进行精确定位。

主动源三维地震超前地质探测装置震源结构如图8，主要由震源外壳20，激震杆21，垫板22，压力传感器23，电路控制器24，线圈25组成。工作时电路控制器24控制线圈25电流的通断，从而使激震杆21前后运动，敲打垫板22，完成一次激震。

为不影响隧道掘进机正常施工，本发明利用其每天的两个小时检修时间进行探测，因此提出一种针对掘进机施工隧道的快速支撑安装装置与方法，针对隧道掘进机内部的实际情况，设计一种行走装置，包括圆形导轨和沿隧道轴向的导轨，边墙震源阵列与数据采集***安装到圆形导轨上。工作时，控制器首先控制震源(或检波器)的圆形导轨沿轴向导轨滑到具***置后，震源(或检波器)沿圆形导轨滑到指定位置，然后液压传动装置工作，震源递送到对应的隧道壁上，震源靠近隧道壁一侧装有压力传感器，当震源接触到隧道壁压力达到一定值时，多通道主机会得到反馈停止液压***工作，震源即与隧道壁接触良好；同时检波器的液压传动装置也工作，将三分量检波器递送到对应的隧道壁上。检波器靠近隧道壁一侧装有压力传感器，当检波器接触到隧道壁压力达到一定值时，控制器得到反馈停止液压***工作，同时耦合剂(黄油或者凡士林)在压力的作用下从检波器中间预留通道挤出，实现检波器与隧道壁自动耦合。隧道掘进机施工过程中主动源三维地震超前地质探测方法及装置的三维空间快速布置完成。实现了震源和检波器***的快速灵活自动布置，充分利用了掘进机检修时间，极大地提高了地质超前预报的工作效率，不干扰正常施工，节约了时间成本和经济成本。

本发明还提出一种采用自动的地震数据处理方法，利用Kirchoff积分法的叠前深度偏移、反射光谱成像和菲涅耳体偏移相结合的混合三维深度偏移方法对采集的数据进行偏移成像处理。

叠前深度偏移相对于叠后偏移和叠前时间偏移对于构造复杂、横向速度变化剧烈的地区成像效果更好，而Kirchoff积分法特别适用于隧道内各种不规则观测***采集的地震数据。其共炮点道集的成像公式表示为：

$R(x,x_s)=\underset{\mathrm{\Σ}}{\∫}n\×{\▿\mathrm{\τ}}_G(x_G,x)A(x_s,x,x_G)\frac{\∂u[x_s,x_G,{\mathrm{\τ}}_s(x_s,x)+{\mathrm{\τ}}_G(x_G,x)]}{\∂t}{\mathrm{dx}}_G$ 公式(1)

其中，∑为观测线(面)；

x_s，x，x_G为震源点、成像点和接收点的空间位置；

τ_s，τ_G为震源到成像点和成像点到接收点的旅行时；

A为几何扩散因子(振幅加权因子)；

n为观测面的外法线方向；

u为记录的波场；

R为反射系数(成像波场)。

通过上式，Kirchoff积分法的叠前深度偏移主要分两个主要过程：一是根据速度场v(x)计算旅行时τ＝τ_S+τ_G；二是对各个地震道上的τ时刻的振幅进行加权求和。

由于Kirchoff积分法的叠前深度偏移的3D成像结果通过2D成像结果绕隧道轴旋转产生，其地震剖面为轴对称图像，结果中存在假象。因此，本专利在克希霍夫叠前深度偏移的基础上，进一步引入反射光谱成像和菲涅耳体偏移方法：反射光谱成像方法将观测得到的地震信号频率分成多个较窄的频段，然后针对每个窄频段分别进行克希霍夫叠前深度偏移，该方法对非均匀介质十分有效，可以压制低频带中的散射效应，并提高高频段的分辨率；菲涅耳体偏移方法首先对数据进行慢度和极化分析来得到反射面的出射角，以此将能量的拖尾效应限制在等时面和第一菲涅尔带的相交处，从而能够进一步提高反射面的清晰度，并消除结果中的假象。

本发明还提供一种应用上述装置***的隧道掘进机施工过程中主动源三维地震超前地质探测方法，主要包括以下步骤：

步骤1，当掘进机停止工作后，打开控制器，控制采集***快速支撑装置工作，具体工作方式为：控制检波器进出口舱门打开，检波器液压伸缩杆将自动耦合的三分量检波器朝对应的隧道壁方向缓缓送出，当三分量检波器与隧道壁之间的接触压力达到一定值时，检波器压力传感器对控制器进行反馈调节，停止检波器液压伸缩杆的运动，同时压力作用下耦合剂流出，检波器与隧道壁中耦合完成，这样在掘进机工作面后方25～35m范围内实现了三分量检波器的三维全空间快速布置。

步骤2，控制器控制激震与采集***快速支撑装置工作，具体工作方式为：首先控制震源液压伸缩杆将伪随机码可控震源向外缓缓送出，当伪随机码震源与掘进机工作面或隧道壁之间的接触压力达到一定值时，震源压力传感器对控制器进行反馈调节，停止震源液压伸缩杆的运动。

步骤3，打开多通道地震波数据采集仪，根据需要选择合适的伪随机码信号，依次控制伪随机码可控震源开始震动，激发产生宽频地震波，与此同时，回路触发器触发多通道地震波数据采集仪向多个无线数据传输器同时发送采集指令。

步骤4，步骤3中产生的地震波在遇到波阻抗界面后发生反射，被掘进机工作面后方25～35m范围内三维全空间布置的三分量检波器采集，并经由各自的无线数据传输器发送给多通道地震波数据采集仪。

重复步骤3、4，直至12个伪随机码可控震源全部工作一遍，相应的，每个三分量检波器采集到12个地震波振动信号，这些信号全部分类存储在多通道地震波数据采集仪中。

步骤5，操作地震波数据采集仪对采集到的地震波信息进行自动处理，得到掘进机工作面前方的地质情况。

地震波信息自动处理方法主要包括：

1)道集编辑：实现对坏道切除和有效数据长度(依据预报长度)截取，使此后的处理重点突出，提高处理效率。

2)球面波扩散真振幅补偿：补偿地震波波前球面几何扩散造成的振幅损失，使其保持相对真振幅。

3)频谱分析以及带通滤波，采用傅里叶变换将地震信号从时间域变换到频率域，根据有效波与干扰波在频谱上的差异来达到滤波的效果、提高地震记录的信噪比。

4)初至波拾取，采用比值法自动确定纵横波初至到达时间，为后续数据处理工作提供必要而可靠的参数。

5)炮检点静校正，将各检波器及震源校正到同一参考面上，并消除由于不同震源引起的各记录道地震波的超前或滞后效应。

6)道集均衡，具体包括道内均衡和道间均衡。道内均衡是压缩各道中浅层能量较强的波、增大深部能量较弱的波，使浅层和深层地震波的振幅控制在一定的动态范围内；道间均衡主要是为了消除不同震源点激发能量差异，使得反射波振幅不受激发条件的影响，而只是反映地质构造情况。

7)有效反射波提取，采用反Q滤波和倾角滤波压制声波、面波、直达波等干扰波以及掘进机工作面后方的无效反射波，压制声波、面波、直达波等干扰波以及掘进机工作面后方的无效反射波，仅保留来自掘进机工作面前方和侧面来的有效反射波并自动提取。

8)反Q滤波，补偿由于地层非弹性体导致的能量和频率衰减，校正子波相位的拉伸效应，达到提高弱反射能量，改善同相轴连续性，和提高地震资料分辨率的目的。

9)纵横波分离，将三分量检波器三个分量中接收到的P波、SH波和SV波分离开来，便于进行下一步的偏移成像和地质解释。

10)速度分析，在初至波波速的基础上通过对时距曲线的反复迭代，分别建立掘进机工作面前方岩体的纵横波速度模型。

11)深度偏移，在速度分析的基础上，采用Kirchoff积分法的叠前深度偏移、反射光谱成像和菲涅耳体偏移相结合的混合三维深度偏移方法分别对纵横波地震记录进行偏移归位，使得到的地震剖面能够更加清晰准确地展示波阻抗界面的空间形态和真实位置。

步骤6，综合步骤5得到的纵横波速度模型和深度偏移地震剖面，并结合掘进机开挖时的推力大小、掘进速度等工作参数，得到掘进机工作面前方岩体的地质情况及其相应的力学参数，实现地质异常体的超前预报。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种隧道掘进机中主动源三维地震超前地质探测装置，包括掘进机刀盘以及与所述刀盘连接的掘进机主体，其特征是，所述掘进机主体内设有主控室，主控室内设有控制器和多通道地震波数据采集仪；所述掘进机刀盘和掘进机主体前端分别设有震源***；在所述掘进机主体工作面后方按照一定的空间观测方式设有数据采集***；所述控制器分别与多通道地震波数据采集仪、震源***和数据采集***连接，多通道地震波数据采集仪与数据采集***连接；

所述震源***包括：工作面震源阵列和边墙震源阵列；所述工作面震源阵列设置在掘进机刀盘上，并沿掘进机刀盘中心对称分布；所述边墙震源阵列位于掘进机主体的前端；

所述边墙震源阵列包括：可控震源、震源压力传感器、震源液压伸缩杆以及震源进出口舱门；所述边墙震源阵列位于震源行走装置上，震源行走装置包括圆形滑环震源导轨和沿着隧道轴向的轨道；所述圆形滑环震源轨道上面有锯齿，震源在其上自由滑动，同时能够360°自由旋转；所述震源进出口舱门位于掘进机刀盘上，所述可控震源和震源压力传感器安装在震源液压伸缩杆的顶端，可控震源通过回路触发器与多通道地震波数据采集仪连接，震源压力传感器和震源液压伸缩杆分别与控制器连接；

控制器分别将震源***和数据采集***递送到对应的隧道壁上；当震源***接触到隧道壁的压力达到一定值时，震源即与隧道壁接触良好；同时，当数据采集***接触到隧道壁的压力达到一定值时，数据采集***的检波器与隧道壁自动耦合；采集到的地震数据，利用Kirchoff积分法的叠前深度偏移、反射光谱成像和菲涅耳体偏移相结合的混合三维深度偏移方法对采集的数据进行偏移成像处理，得到三维地震成像结果。

2.如权利要求1所述的一种隧道掘进机中主动源三维地震超前地质探测装置，其特征是，所述震源液压伸缩杆采用中空设计，所述震源进出口舱门能够在控制器的控制下按照预设的卡槽运动，实现震源进出口的开闭。

3.如权利要求1所述的一种隧道掘进机中主动源三维地震超前地质探测装置，其特征是，所述数据采集***包括：自动耦合的三分量检波器、检波器行走装置、检波器压力传感器、无线数据传输器、检波器液压伸缩杆和检波器进出口舱门；

所述检波器进出口舱门位于掘进机上，检波器压力传感器设置在自动耦合的三分量检波器中，自动耦合的三分量检波器通过检波器液压伸缩杆连接到检波器行走装置上；自动耦合的三分量检波器以空间方式通过检波器行走装置安置在掘进机工作面后方一定范围内的三个横截面上；

所述自动耦合的三分量检波器与无线数据传输器相连，无线数据传输器与多通道地震波数据采集仪通讯，检波器压力传感器和检波器液压伸缩杆分别与控制器连接，检波器进出口舱门在控制器的控制下按照预设的卡槽运动，实现检波器进出口的开闭。

4.如权利要求3所述的一种隧道掘进机中主动源三维地震超前地质探测装置，其特征是，所述的自动耦合的三分量检波器靠近隧道壁一侧设计成与隧道壁形状相似的圆弧形、另外一侧连接活塞和压力传感器，活塞后装有耦合剂，三分量检波器和活塞中间预留有耦合剂通道；当检波器与隧道壁接触压力达到一定程度时，活塞后的耦合剂在压力的作用下从耦合剂通道自动流出，使得三分量检波器与隧道壁耦合。

5.一种如权利要求1所述的隧道掘进机中主动源三维地震超前地质探测装置的工作方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1：掘进机停止工作后，控制器控制检波器液压伸缩杆将自动耦合的三分量检波器朝对应的隧道壁方向送出，当所述自动耦合的三分量检波器与隧道壁之间的接触压力达到一定值时，停止检波器液压伸缩杆的运动，同时完成检波器与隧道壁的耦合；

步骤2：控制器控制震源液压伸缩杆将可控震源向外送出，当所述可控震源与掘进机工作面或隧道壁之间的接触压力达到一定值时，停止震源液压伸缩杆的运动；

步骤3：多通道地震波数据采集仪控制可控震源震动，激发产生宽频地震波，同时，多通道地震波数据采集仪向多个无线数据传输器同时发送采集指令；

步骤4：所述步骤3中产生的地震波在遇到波阻抗界面后发生反射，被三维全空间布置的三分量检波器采集，并经由各自的无线数据传输器发送给多通道地震波数据采集仪；

步骤5：多通道地震波数据采集仪对采集到的地震波信息进行处理，得到掘进机工作面前方的地质情况；

步骤6：根据步骤5中得到的掘进机工作面前方的地质情况，结合掘进机开挖时的推力大小、掘进速度工作参数，得到掘进机工作面前方岩体的地质情况及其相应的力学参数，实现地质异常体的超前预报；

所述步骤5中对采集到的地震波信息进行处理的方法包括：

1)道集编辑：实现对坏道切除和有效数据长度截取；

2)球面波扩散真振幅补偿：补偿地震波波前球面几何扩散造成的振幅损失，使其保持相对真振幅；

3)频谱分析以及带通滤波：采用傅里叶变换将地震信号从时间域变换到频率域，根据有效波与干扰波在频谱上的差异来达到滤波的效果；

4)初至波拾取：采用比值法自动确定纵横波初至到达时间；

5)炮检点静校正：将各检波器及震源校正到同一参考面上，并消除由于不同震源引起的各记录道地震波的超前或滞后效应；

6)道集均衡：具体包括道内均衡和道间均衡；

所述道内均衡是压缩各道中浅层能量较强的波、增大深部能量较弱的波，使浅层和深层地震波的振幅控制在一定的动态范围内；所述道间均衡是为了消除不同震源点激发能量差异，使得反射波振幅不受激发条件的影响，而只是反映地质构造情况；

7)有效反射波提取：采用反Q滤波和倾角滤波压制干扰波以及掘进机工作面后方的无效反射波，仅保留来自掘进机工作面前方和侧面来的有效反射波并自动提取；

8)反Q滤波：补偿由于地层非弹性体导致的能量和频率衰减，校正子波相位的拉伸效应；

9)纵横波分离：将三分量检波器三个分量中接收到的P波、SH波和SV波分离开来，便于进行下一步的偏移成像和地质解释；

10)速度分析：在初至波波速的基础上通过对时距曲线的反复迭代，分别建立掘进机工作面前方岩体的纵横波速度模型；

11)深度偏移：在速度分析的基础上，采用Kirchoff积分法的克希霍夫叠前深度偏移、反射光谱成像和菲涅耳体偏移相结合的混合三维深度偏移方法对采集到的地震波数据进行偏移成像处理，使得到的地震剖面能够更加清晰准确地展示波阻抗界面的空间形态和真实位置。

6.如权利要求5所述的一种隧道掘进机中主动源三维地震超前地质探测装置的工作方法，其特征是，所述步骤11)的具体方法为：

采用反射光谱成像方法将观测得到的地震信号频率分成多个较窄的频段，然后针对每个窄频段分别进行克希霍夫叠前深度偏移；

在此基础上，采用菲涅耳体偏移方法首先对偏移成像处理之后的数据进行慢度和极化分析来得到反射面的出射角，以此将能量的拖尾效应限制在等时面和第一菲涅尔带的相交处，从而能够进一步提高反射面的清晰度，并消除结果中的假象。

7.如权利要求5所述的一种隧道掘进机中主动源三维地震超前地质探测装置的工作方法，其特征是，所述采用Kirchoff积分法进行克希霍夫叠前深度偏移的具体方法为：

$R(x,x_s)=\underset{\Σ}{\∫}\begin{array}{cc}n\×\▿{\mathrm{\τ}}_G\left(x_G,x\right)& A(x_s,x,x_G)\end{array}\frac{\∂u\[x_s,x_G,{\mathrm{\τ}}_s(x_s,x)+{\mathrm{\τ}}_G(x_G,x)\]}{\∂t}{\mathrm{dx}}_G---\left(1\right)$

其中，Σ为观测线或面；

x_s，x，x_G为震源点、成像点和接收点的空间位置；

τ_s，τ_G为震源到成像点和成像点到接收点的旅行时；

A为几何扩散因子；

n为观测面的外法线方向；

u为记录的波场；

R为反射系数。