CN112415589B - 一种隧洞tbm破岩震源超前地质探测成像方法与*** - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种隧洞TBM破岩震源超前地质探测成像方法与***，沿TBM施工方向，间隔获取破岩振动信号，得到多组探测数据；对采集的多组探测数据进行预处理，获取不同里程位置处地震记录波场特征，得到多组共虚震源点道集；对地震信号进行干涉加强，计算延时参数，弥补不同震检距产生相位差，将地震记录同相叠加，汇聚地震波能量，对汇聚后的地震波进行波形处理、速度分析及深度偏移成像，得到成像结果；本公开可以增强TBM破岩震源地震波能量，提高地震记录信噪比，进而优化地质探测成像结果，指导TBM掘进与施工方案，为保障隧道施工安全提供借鉴。
Description
技术领域
本公开属于TBM掘进过程中的实时超前探测技术领域，涉及一种隧洞TBM破岩震源超前地质探测成像方法与***。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
水利水电及交通运输工程等基础设施建设规模不断增长，隧道作为其关键性节点工程也得到了广泛的建设。TBM施工方法具有掘进速度快、施工安全高效等优点，被广泛应用于隧道工程施工建设中。然而，TBM施工方法对于地层变化大、不良地质较发育的地质环境适应能力较差，在施工过程中若遭遇溶洞、断层破碎带、地下暗河等未知不良地质，极易诱发涌水、突泥、塌方等地质灾害，轻则毁坏机械设备，耽误施工进度，重则造成人员伤亡，带来严重损失。为保障TBM施工安全，亟需开展地质探测工作，以获取掌子面前方待掘岩体地质情况。然而，传统地表勘探受地形、隧道埋深及洞线长度影响，难以全部查明沿线不良地质，因此隧道超前地质预报技术的作用愈加凸显，采取有效的探测手段及时查明围岩及开挖面前方的地质情况，保障TBM安全高效掘进，防控灾害事故，具有重大的工程意义。尤其是地震波方法的应用，对远距离识别和定位不良地质体具有较好效果，在隧道超前地质预报方面得到了较为广泛的应用。
然而，TBM具有掘进速度快的特点，常规主动源地震波方法难以较好满足，因此发展了TBM破岩震源地震探测方法。与传统隧道主动源地震波探测方法相比，TBM破岩震源探测方法可随TBM掘进实时探测，更加适应TBM快速施工需要。然而，TBM破岩震源是非常规震源，TBM盘滚刀数量多，不仅存在单一滚刀对岩体的破碎作用，滚刀之间以及刀盘整体对岩体也存在作用；激发地震波场具有一定特殊性和复杂性，在多个滚刀的拉压、剪切作用下，激发的纵横波信号难以区分；同时各方向作用力大小时刻变化，导致信号强度不断变化。总体而言，现有常规TBM破岩震源探测方法在实际地质超前预报工作中，存在着以下几个问题：
就现有TBM破岩震源探测技术，受TBM施工隧道复杂环境和TBM机械特殊性影响，主要存在以下几个问题：
刀盘破岩震动产生地震波能量分散：与传统***、锤击震源不同，TBM刀盘面积较大且用于切割岩体的滚刀数量众多，破岩震源在多处地方产生震动波场；不同滚刀之间产生波场相互干涉、影响，恢复波场记录更为复杂。
存在较强干扰，深部反射信息弱：TBM掘进过程中产生的破岩震源频率一般低于传统脉冲震源，探测深度较深时，较难获取有效反射波场信息；同时由于TBM隧道全空间复杂环境对地震波场的影响，导致采集的TBM破岩震源地震信号中存在着大量的干扰成分，如隧道侧壁以及后方的干扰反射信号、掘进过程中的机械设备噪声，信噪比较低，给有效信号的识别和后续数据处理带来了极大的干扰。
受TBM步进影响，难以在同一观测点长时间采集：波束形成需要TBM向前掘进较大距离，长时间采集地震信号，通过将不同掘进里程数据进行数据恢复、提取、延时和叠加以达到提高地震数据信噪比的目的，然而现有地震检波器在隧道壁岩体表面上布置后，受TBM掘进影响需及时拆卸，难以较好满足TBM掘进过程中长时间连续采集要求。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种隧洞TBM破岩震源超前地质探测成像方法与***，本公开将波束形成引入TBM破岩震源探测地震信号数据处理，可以增强TBM破岩震源地震波能量，提高地震记录信噪比，进而优化地质探测成像结果，指导TBM掘进与施工方案，为保障隧道施工安全提供借鉴。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种隧洞TBM破岩震源超前地质探测成像方法，包括以下步骤：
沿TBM施工方向，间隔获取破岩振动信号，得到多组探测数据；
对采集的多组探测数据进行预处理，获取不同里程位置处地震记录波场特征，得到多组共虚震源点道集；
对地震信号进行干涉加强，计算延时参数，弥补不同震检距产生相位差，将地震记录同相叠加，汇聚地震波能量，对汇聚后的地震波进行波形处理、速度分析及深度偏移成像，得到成像结果。
作为可选择的实施方式，间隔获取破岩振动信号，得到多组探测数据的具体过程包括：沿TBM掘进施工方向，每开挖固定里程数，利用搭载于TBM上的检波器接收掌子面处、TBM刀盘破岩振动产生的地震信号，共进行n次采集，获取n组破岩震源地震信号。
作为可选择的实施方式，对采集的多组探测数据进行预处理的具体过程包括：将获取多组破岩振动信号视为单炮地震信号，对单道地震记录归一化处理，包括时域归一化和频域谱白化；对不同检波器接收地震记录进行地震干涉处理，包括分段、互相关与叠加，合成共虚震源点炮集记录，提取等效脉冲震源信号，达到初步去噪和压制干扰波的目的。
作为可选择的实施方式，对地震信号进行干涉加强的具体过程包括：震检距计算、延时参数计算、记录重建与道集叠加，通过调整延时参数改变主波束聚焦方向，增强向掌子面前方传播的能量，实现地震波场在设定方向上的干涉加强。
作为可选择的实施方式，计算延时参数的具体过程包括：引入延时参数τ，使接收传感器地震记录产生弥补波程差的相位变化，假设均匀介质中，波速为常数v的条件下，最大主波束方向为：
其中：L为TBM的固定步长，v为波速，τ为延时参数，沿TBM施工方向，接收地震信号起震次序与TBM破岩震动在时间上具有一致性，τ恒为正，即τ1＝0，τ2＝τ1+τ，……，τn＝τn-1+τ。
作为可选择的实施方式，计算延时参数的具体过程中，延时参数受正弦函数约束，设置延时参数的参数范围，且延时参数不能超过该参数范围。
作为可选择的实施方式，当隧道前方地质体地震波反射能量最大时，对应的延时时间τ为最优延时参数，该延时时间下对应的波束方向为最优波束方向。
作为可选择的实施方式，将地震记录同相叠加，汇聚地震波能量的具体过程为：求取加权矢量，对各检波器接收信号加权求和，保证期望方向上信号能量汇聚，并压制干扰方向信号，等效为形成了一个波束；在选取多个不同延时参数后，得到多个不同方向上加强的主波束提取结果，将延迟后地震波场进行叠加。
一种隧洞TBM破岩震源超前地质探测成像***，包括：
采集装置，被配置为沿TBM施工方向，间隔获取破岩振动信号，得到多组探测数据；
预处理模块，被配置为对采集的多组探测数据进行预处理，获取不同里程位置处地震记录波场特征，得到多组共虚震源点道集；
信号处理模块，被配置为对地震信号进行干涉加强，计算延时参数，弥补不同震检距产生相位差，将地震记录同相叠加，汇聚地震波能量，对汇聚后的地震波进行波形处理、速度分析及深度偏移成像，得到成像结果。
所述采集装置，包括先导传感器装置，加速度地震波场检波器装置和自动收线器，其中：
所述先导传感器布置在TBM切割刀盘后方，用于记录震源信号；
所述加速度地震波场检波器搭载于TBM机身侧方，布置于隧道岩壁钻孔内，用于记录破岩振动信号在岩层中传播后产生的地震波信号；
所述加速度地震波场检波器为多个，分别布置在隧道侧面岩壁钻孔中，各钻孔呈直线等间距排列，各检波器装置通过自动收线器与TBM机身连接。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开在对TBM破岩地震信号进行地震干涉处理后，计算选取延时参数，弥补不同震检距产生相位差，进而使地震记录同相叠加，有效汇聚地震波能量。一定程度上解决了破岩震源能量分散，降低波场之间相互干涉、影响，有利于破岩震源地震记录波场恢复。
本公开通过对恢复波场特征的共虚震源点道集记录延时叠加，增强期望方向上地震波能量，达到压制干扰反射信号和机械设备噪声的目的，更有利于有效反射信息的提取，对后续数据处理和偏移成像具有一定意义。
本公开有效解决了TBM掘进过程中采集地震信号，检波器拆卸不便的问题，满足长时间连续采集获取大量地震数据进行波场恢复和延时叠加要求，以充分提高地震记录信噪比，为后续地震数据处理提供良好的地震记录。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1基于波束形成的TBM破岩震源探测原理示意图；
图2用于波束形成TBM破岩震源探测的检波器装置示意图；
图3基于波束形成TBM破岩震源探测方法流程图。
其中，1.TBM掘进施工隧道，2.波场传感器，3.里程L1时先导传感器位置，4.里程L1时脉冲源直达波，5.里程L2时先导传感器位置，6.里程L2时脉冲源直达波，7.里程L3时先导传感器位置，8.里程L3时脉冲源直达波，9.里程Ln时先导传感器位置，10.里程Ln时脉冲源直达波，11.隧道边墙，12.隧道岩壁钻孔，13.自动收线器，14.检波器线缆，15.加速度检波器，16.磁吸装置，17.铁质底座，18.混凝土浇筑。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图3所示为基于波束形成TBM破岩震源探测方法流程图。
首先，介绍采集装置，具体包括先导传感器装置，加速度地震波场检波器装置、自动收线器和磁吸装置，其中：
先导传感器布置在TBM切割刀盘后方，记录震源信号；
震源信号的有效信号为滚刀切割岩石产生破岩振动信号；
加速度地震波场检波器搭载于TBM机身侧方，布置于隧道岩壁钻孔内，记录破岩振动信号在岩层中传播后产生的地震波信号。
加速度地震波场检波器为多个，布置在隧道侧面岩壁钻孔中，呈直线等间距排列，在TBM开始工作前，将检波器装置安装在隧道岩壁钻孔中，通过自动收线器与TBM机身连接。
加速度地震波场检波器为三分量检波器。
自动收线器连接检波器线缆与TBM机身接收终端，其中自动收线模式由接收终端控制，确保随TBM向前掘进过程中，接收传感器不受TBM掘进过程中干扰影响，保证破岩振动信号的接收。
磁吸装置，将检波器与安置于隧道岩壁钻孔中的铁质底座连接。
当然，在其他实施例中，可以将磁吸装置替换为其他连接器件。
在本实施例中，在TBM开始工作前，将检波器装置安装在隧道岩壁钻孔中，通过自动收线器与TBM机身连接。如图2所示，通过磁吸装置16，将检波器与安置于隧道岩壁钻孔12中的铁质底座17连接。
如图1所示，将先导传感器布置在TBM切割刀盘后方，用于记录滚刀切割岩石产生破岩振动信号。
沿TBM施工方向，随TBM破岩每掘进固定里程数L，利用接收传感器接收一次破岩振动信号在地层中传播产生反射信号，掘进到里程Ln处共获得n组探测数据。
如图3所示，恢复上述步骤中采集装置获取不同里程位置处地震记录的波场特征，得到多组共虚震源点道集。具体方法为：
①将获取每组破岩振动信号视为单炮地震信号，首先对单道地震记录归一化处理，包括时域归一化和频域谱白化；
②对不同检波器接收地震记录进行地震干涉处理，包括分段、互相关与叠加，合成共虚震源点炮集记录，提取等效脉冲震源信号，生成常规地震记录。
如图3所示，将接收端地震波束形成方法应用于上述n组已恢复波场特征的共虚震源点地震数据延时叠加。具体方法为：震检距计算、延时参数计算、记录重建与道集叠加，通过调整延时参数改变主波束聚焦方向，增强向掌子面前方传播的能量，实现地震波场在某个特定方向上的干涉加强。
①由于先导传感器和不同接收传感器位置差异导致接收地震信号存在波程差，需引入延时参数τ，使接收传感器地震记录产生弥补波程差的相位变化，同相叠加，在固定方向上汇聚地震波能量，最大限度提高接收信号的信噪比。
②TBM以固定步长L向前直线作业，里程Ln处TBM破岩震动可视为一个点源，n＝1、2、3、4……，接收传感器固定于隧道边墙钻孔中，数量为M。假设均匀介质中，波速为常数v的条件下，最大主波束方向为
其中τ为延时参数，由于沿TBM施工方向，接收地震信号起震次序与TBM破岩震动在时间上具有一致性，故τ恒为正，即τ1＝0，τ2＝τ1+τ，……，τn＝τn-1+τ。
③延时参数选择时，受正弦函数约束，即
所以延时参数范围为
超出该范围的延时参数，无法实现地震波束聚焦。同时依据震检距和勘探深度应进一步缩小延时范围。设初始震检距为d,则在掘进里程为Ln时，震检距为d+Ln。
④延时参数τ变化时，叠加合成的第i道检波器接收到来自第j个目标体的反射波信号为uij(τ)，则该接收传感器接收到的该目标层地震波反射能量Ej(τ)为：
其中使Ej(τ)最大时，即接收传感器接收来自勘探目标的反射波信号能量最强时，对应的延时时间τ为最优延时参数，该延时时间下对应的波束方向为最优波束方向。
选取延时参数后，某接收传感器接收里程Ln处地震信号为gn(t)，波束形成的一般形式可表示为：
式中H(t)为形成主波束信号，M为检波器数量，ωn为每一检波器加权系数，τn为延时时间。其实质是求取加权矢量ωn,对各检波器接收信号加权求和，保证期望方向上信号能量汇聚，并压制干扰方向信号，等效为形成了一个波束，以达到提高期望方向信号，压制干扰的目的。
⑤在选取q不同延时参数后，可得到多个不同方向上加强的主波束提取结果Hq(t)；将延时后地震波场进行叠加：
如图3所示，对波束形成后信噪比高的有效地震信号进行波形处理、速度分析及深度偏移成像，其中波形处理包括：能量均衡、带通滤波、初至拾取、AGC增益、f-k与τ-p联合滤波。其中偏移成像方法，是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。
TBM掘进过程中产生破岩振动信号经上述处理后，一方面可以实现地质异常体的超前预报，另一方面也可以用于评价待开挖区域的岩体质量，用以指导TBM掘进与施工方案，为保障隧道施工安全提供借鉴。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开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公开的保护范围以内。
Claims (6)
1.一种隧洞TBM破岩震源超前地质探测成像方法，其特征是：包括以下步骤：
沿TBM施工方向，间隔获取破岩振动信号，得到多组探测数据；
所述间隔获取破岩振动信号，得到多组探测数据的具体过程包括：沿TBM掘进施工方向，每开挖固定里程数，利用搭载于TBM上的加速度地震波场检波器接收掌子面处、TBM刀盘破岩振动产生的地震信号，共进行n次采集，获取n组破岩震源地震信号；
所述加速度地震波场检波器为多个，布置在隧道侧面岩壁钻孔中，呈直线等间距排列，在TBM开始工作前，将检波器装置安装在隧道岩壁钻孔中，通过自动收线器与TBM机身连接；所述自动收线器连接检波器线缆与TBM机身接收终端，自动收线模式由接收终端控制；
沿TBM施工方向，随TBM破岩每掘进固定里程数L，利用接收传感器接收一次破岩振动信号在地层中传播产生反射信号，掘进到里程Ln处共获得n组探测数据；
对采集的多组探测数据进行预处理，获取不同里程位置处地震记录波场特征，得到多组共虚震源点道集；
所述对采集的多组探测数据进行预处理的具体过程包括：将获取多组破岩振动信号视为单炮地震信号，对单道地震记录归一化处理，包括时域归一化和频域谱白化；对不同检波器接收地震记录进行地震干涉处理，包括分段、互相关与叠加，合成共虚震源点炮集记录，提取等效脉冲震源信号，达到初步去噪和压制干扰波的目的；
通过对恢复波场特征的共虚震源点道集记录延时叠加，增强期望方向上地震波能量，达到压制干扰反射信号和机械设备噪声的目的，更有利于有效反射信息的提取；
对地震信号进行干涉加强，计算延时参数，弥补不同震检距产生相位差，将地震记录同相叠加，汇聚地震波能量，对汇聚后的地震波进行波形处理、速度分析及深度偏移成像，得到成像结果；
所述对地震信号进行干涉加强的具体过程包括：震检距计算、延时参数计算、记录重建与道集叠加，通过调整延时参数改变主波束聚焦方向，增强向掌子面前方传播的能量，实现地震波场在设定方向上的干涉加强；
所述将地震记录同相叠加，汇聚地震波能量的具体过程为：求取加权矢量，对各检波器接收信号加权求和，保证期望方向上信号能量汇聚，并压制干扰方向信号，等效为形成了一个波束；在选取多个不同延时参数后，得到多个不同方向上加强的主波束提取结果，将延迟后地震波场进行叠加；
延时参数选择时，受正弦函数约束，即
所以延时参数范围为
超出该范围的延时参数，无法实现地震波束聚焦；
延时参数τ变化时，叠加合成的第i道检波器接收到来自第j个目标体的反射波信号为uij(τ)，则该接收传感器接收到的该目标层地震波反射能量Ej(τ)为：
其中使Ej(τ)最大时，即接收传感器接收来自勘探目标的反射波信号能量最强时，对应的延时时间τ为最优延时参数，该延时时间下对应的波束方向为最优波束方向；
选取延时参数后，某接收传感器接收里程Ln处地震信号为gn(t)，波束形成的一般形式可表示为：
式中H(t)为形成主波束信号，M为检波器数量，ωn为每一检波器加权系数，τn为延时时间；其实质是求取加权矢量ωn,对各检波器接收信号加权求和，保证期望方向上信号能量汇聚，并压制干扰方向信号，等效为形成了一个波束，以达到提高期望方向信号，压制干扰的目的；
在选取q不同延时参数后，可得到多个不同方向上加强的主波束提取结果Hq(t)；将延时后地震波场进行叠加：
2.如权利要求1所述的一种隧洞TBM破岩震源超前地质探测成像方法，其特征是：计算延时参数的具体过程包括：引入延时参数τ，使接收传感器地震记录产生弥补波程差的相位变化，假设均匀介质中，波速为常数v的条件下，最大主波束方向为：
其中：L为TBM的固定步长，v为波速，τ为延时参数，沿TBM施工方向，接收地震信号起震次序与TBM破岩震动在时间上具有一致性，τ恒为正，即τ1＝0，τ2＝τ1+τ，......，τn＝τn-1+τ。
3.如权利要求1或2所述的一种隧洞TBM破岩震源超前地质探测成像方法，其特征是：计算延时参数的具体过程中，延时参数受正弦函数约束，设置延时参数的参数范围，且延时参数不能超过该参数范围；同时依据震检距和勘探深度应进一步缩小延时参数范围。
4.如权利要求1或2所述的一种隧洞TBM破岩震源超前地质探测成像方法，其特征是：当隧道前方地质体地震波反射能量最大时，对应的延时时间τ为最优延时参数，该延时时间下对应的波束方向为最优波束方向。
5.一种基于权利要求1所述的隧洞TBM破岩震源超前地质探测成像方法的超前地质探测成像***，其特征是：包括：
采集装置，被配置为沿TBM施工方向，间隔获取破岩振动信号，得到多组探测数据；
预处理模块，被配置为对采集的多组探测数据进行预处理，获取不同里程位置处地震记录波场特征，得到多组共虚震源点道集；
信号处理模块，被配置为对地震信号进行干涉加强，计算延时参数，弥补不同震检距产生相位差，将地震记录同相叠加，汇聚地震波能量，对汇聚后的地震波进行波形处理、速度分析及深度偏移成像，得到成像结果。
6.如权利要求5所述的一种隧洞TBM破岩震源超前地质探测成像***，其特征是：所述采集装置，包括先导传感器装置，加速度地震波场检波器装置和自动收线器，其中：
所述先导传感器布置在TBM切割刀盘后方，用于记录震源信号；
所述加速度地震波场检波器搭载于TBM机身侧方，布置于隧道岩壁钻孔内，用于记录破岩振动信号在岩层中传播后产生的地震波信号；
所述加速度地震波场检波器为多个，分别布置在隧道侧面岩壁钻孔中，各钻孔呈直线等间距排列，各检波器装置通过自动收线器与TBM机身连接；所述自动收线器连接检波器线缆与TBM机身接收终端，自动收线模式由接收终端控制。
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