用于盾构隧道的地震波法超前地质预报装置及方法与流程

1.本发明涉及超大直径盾构机超前地质预报技术领域，具体涉及到一种用于盾构隧道的地震波法超前地质预报装置及方法。


背景技术：

2.盾构法因为其具有“高效、高质量、高效益”优势的而被大家所青睐。但是由于盾构法是一种有进难退的全断面施工技术，在遇到不良地质时，如若不能提前、及时处理则十分脆弱，易产生卡机、姿态失控等重大工程事故，造成难以估量的人身财产损失，所以在使用的时候需要对前方地质状况进行提前预报。现有技术中对于6m左右直径的地铁隧道的盾构机来说常规的地震波超前预报工作通过一次观测，即可对掌子面前方的不良地质条件进行预报。但是对于12米及以上直径的超大直径盾构机，由于地震波的传播随着距离的增长，其信噪比会降低，因此，对于超大直径盾构隧道，其边缘的分辨率就不够了，存在对边缘不良地质条件漏报的可能性，从而可能会导致工期拖延，甚至卡机等重大事故，引起隧道塌陷等地质灾害。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的问题，本发明设计了一种在同一掌子面上下区采集信号并合成来提高超大直径盾构断面边缘分辨率的一种超前预报方法；具体的本发明是将超大型盾构机的一个掌子面当成上下两个掌子面，进行两次观测数据采集，再把两次采集的数据在三维空间内生成一套坐标体系，联合两次预报的数据一起计算，从而提高大盾构断面边缘地质预报的分辨率，确保大盾构的安全施工，避免了因为地质条件预报问题导致的工期拖延、卡机等重大事故。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：用于盾构隧道的地震波法超前地质预报方法，包括以下步骤：
5.s1、将震源和检波器布置于掌子面的上下区域对应的观测范围内的震源点和检波点；
6.s2、激发震源点的震源，经检波点的检波器获取掌子面前方的预报数据；
7.s3、将获取的预报数据在三维空间内生成一坐标体系，并联合计算获取的预报数据，得到超前预报图像。
8.进一步的，步骤s2包括
9.s201、激发掌子面上方震源点的震源，经检波点的检波器获取掌子面前方上方的预报数据，并记录为u
上
(γi，γj，t)；
10.s202、激发掌子面下方震源点的震源，经检波点的检波器获取掌子面前方下方的预报数据，并记录为u
下
(γi，γj，t)；
11.其中，γi为震源的三维坐标；γj为检波点的三维坐标；u为从掌面算起的偏移速度。
12.进一步的，步骤s2包括
13.s201、将步骤s201和s202获取的数据联合成一个集：u＝u
上
+u
下
；
14.s202、计算以波速υ扫描量子空间点γ的偏移图像，其计算公式如下：
[0015][0016]
其中γ为空间点坐标；γi为震源的三维坐标；γj为检波点的三维坐标； u为从掌面算起的偏移速度；imag
(γ,υ)
的极值点，即为反射体的位置，同时得到其对应的偏移速度。
[0017]
进一步的，所述震源点分别布置于隧道本体的上下两个水平面上，且两个震源点安装水平面的之间的垂直距离大于1.5m；所述检波点布置于所述震源点与掌子面之间的隧道本体上，优选的震源点分别布置于距离隧道本体底板7m的水平面上和距离隧道本体顶板3m的水平面上；所述检波点布置于距离隧道本体底板7m或3m的水平面上。
[0018]
进一步的，所述震源点的个数为4的倍数个，所有的所述震源点分别对称布置于隧道本体左右两侧；且隧道本体左右两侧的所述震源点分别呈上下两排对称布置；优选的震源点包括12个，12个所述震点源分别对称布置于隧道本体左右两侧；且隧道本体左右两侧的所述震源点分别呈上下两排对称布置。
[0019]
进一步的，相邻两个所述震源点的间距为8m；隧道本体左右两侧的下排第一个所述震源点与所述检波点的轴向距离为2m。
[0020]
进一步的，检波点包括8个，8个所述检波点分别对称布置于隧道本体的左右两侧，且相邻两个所述检波点的间距为2m。
[0021]
用于盾构隧道的地震波法超前地质预报装置，利用上述的用于盾构隧道的地震波法超前地质预报方法，其装置包括隧道本体，所述隧道本体上开设有若干个安装孔，所述安装孔包括震源孔、检波孔；所述震源孔内安装有用于发射地震波的发射机构，以构成震源；所述检波孔内安装有用于接收所述发射机构发射的地震波的接收机构，以构成检波点。
[0022]
进一步的，发射机构为可控冲击震源器；所述接收机构为检波器。
[0023]
进一步的，检波器和可控冲击震源器均采用穿透管片与所述隧道本体表面接触的方式连接。
[0024]
本发明的有益效果：由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明的用于盾构隧道的地震波法超前地质预报方法，通过在一掌子面上下对应的观测区分别设置震源，并获取掌子面前方上下区域内待观测的地质数据，通过检波器分别采集上下区域内震源的观测数据，再联合两次数据计算以波速υ扫描量子空间点γ的偏移图像，其计算公式如下：
[0025][0026]
从而实现同一掌子面上下区进行信号采集并合成来提高超大直径盾构断面边缘的分辨率，从而有效扩大采集系统固有的边缘，提高超前预报的可靠性与分辨率，确保大盾构的安全施工。
附图说明
[0027]
[0028]
图1为本发明优选实施例中地震波法超前预报三维观测示意的侧视图；
[0029]
图2为本发明优选实施例中地震波法超前预报三维观测示意的俯视图；
[0030]
图3为分体式、未封堵、带套管的一体式检波器地震记录表；
[0031]
图4为每次采集距离-地震信号照度示意图。
[0032]
附图标记：1、震源孔；2、检波孔。
具体实施方式
[0033]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0034]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0035]
参照图1-2所示，本发明的优选实施例，用于盾构隧道的地震波法超前地质预报方法，包括以下步骤：
[0036]
用于盾构隧道的地震波法超前地质预报方法，包括以下步骤：
[0037]
s1、将震源和检波器布置于掌子面的上下区域对应的观测范围内的震源点和检波点；
[0038]
s2、激发震源点的震源，经检波点的检波器获取掌子面前方的预报数据；
[0039]
s201、激发掌子面上方震源点的震源，经检波点的检波器获取掌子面前方上方的预报数据，并记录为u
上
(γi，γj，t)；
[0040]
s202、激发掌子面下方震源点的震源，经检波点的检波器获取掌子面前方下方的预报数据，并记录为u
下
(γi，γj，t)；
[0041]
s3、将获取的预报数据在三维空间内生成一坐标体系，并联合计算获取的预报数据，得到超前预报图像，即
[0042]
s301、将步骤s201和s202获取的数据联合成一个集：u＝u
上
+u
下
；
[0043]
s302、计算以波速υ扫描量子空间点γ的偏移图像，其计算公式如下：
[0044][0045]
其中γ为空间点坐标；γi为震源的三维坐标；γj为检波点的三维坐标； u为从掌面算起的偏移速度；imag
(γ,υ)
的极值点，即为反射体的位置，同时得到其对应的偏移速度。
[0046]
从而实现同一掌子面上下区进行信号采集并合成来提高超大直径盾构断面边缘的分辨率，从而有效扩大采集系统固有的边缘，提高超前预报的可靠性与分辨率，确保大盾构的安全施工。
[0047]
上述的用于盾构隧道的地震波法超前地质预报方法使用的装置包括隧道本体，所述隧道本体上开设有若干个安装孔，所述安装孔包括震源孔1、检波孔2，具体的本技术方案优选的一种实施方式为：所述检波孔2布置于距离隧道本体底板7m的水平面上，所述震源孔分别布置于距离隧道本体底板7m的水平面上和距离隧道本体顶板3m的水平面上；所述震源孔1内安装有用于发射地震波的发射机构，以构成震源点；所述检波孔2内安装有用于接收
所述发射机构发射的地震波的接收机构，以构成检波点，实现同一掌子面上下区进行信号采集并合成来提高超大直径盾构断面边缘的分辨率，从而有效扩大采集系统固有的边缘，提高超前预报的可靠性与分辨率，确保大盾构的安全施工。
[0048]
作为本发明的优选实施例，其还可具有以下附加技术特征：检波点包括8个，8个所述检波点分别对称布置于所述隧道本体的左右两侧，即左右两侧每侧4个，且每侧相邻两个所述检波孔2的间距为2m，实现同一掌子面上下区进行信号采集并合成来提高超大直径盾构断面边缘的分辨率。
[0049]
本实施例中，震源点包括12个，12个所述震源点分别对称布置于所述隧道本体左右两侧，且隧道本体左右两侧的所述震源点分别呈上下两排对称布置，即左右两侧每侧6个，分作上下两排布置，分别布置在距离隧道本体底板7m的水平面上和距离隧道本体顶板3m的水平面上；且每排相邻两个所述震源点的间距为8m，且隧道本体左右两侧的下排第一个所述震源点与所述检波点的轴向距离为2m，从而有效扩大采集系统固有的边缘，提高超前预报的可靠性与分辨率。
[0050]
本实施例中，发射机构为可控冲击震源器，该控冲击震源器是一种轻便震源，其采用扫描冲击地震技术，其中可控冲击震源激振应选在隧道停工或停机时机，避免管片安装、运渣机车等机械振动产生的干扰波；且所述接收机构为检波器，检波器和可控冲击震源器均采用穿透管片与所述隧道本体表面接触的方式连接，即安装孔利用电镐打穿，需穿过管片和豆砾石层，深入岩体，孔深大于1m；在检波孔内安装检波器，用耦合剂把检波器固定到岩体中。由于管片衬砌的存在，在盾构隧道内开展地震波法超前预报与在钻爆以及敞开式tbm施工隧道中都不一样。在盾构隧道独特的管片结构中，利用管片的灌浆孔作为孔位，同时要根据管片的结构尺寸，重新设计孔位间距。检波器应通过打通的注浆孔埋入岩体，并采用消音材料(黄泥等)封堵孔口，避免在管片衬砌上传播的管波、导波、面波等干扰波的影响。因此，检波器采用安装工具与检波器分开的形式安装，且检波器不宜带套管，因套管会把管片振动信号传递给检波器，从而产生干扰，如图3所示。图3为在盾构隧道中采集得到的未增益的原始实验数据，第1道为分体式检波器接收到的信号；第2道为未封堵安装孔，记录里存在声波信号；第3道为带套管的一体式检波器采集得到的信号，其中存在明显的在衬砌中震荡的干扰波。
[0051]
本发明通过利用上下区采集信号提高探测边缘，其原理是基于边缘仅限于每次采集工作面的临近范围，在这边缘之外地震波有足够的照度，如图4 所示。即对于当前采集的边缘，对先前一定距离的采集它位于边缘之外，具有较高的照度；经两次采集数据的联合成像，使得边缘的照度得到补偿而提高分辨率，保大盾构的安全施工。
[0052]
在不出现冲突的前提下，本领域技术人员可以将上述附加技术特征自由组合以及叠加使用。
[0053]
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。