TBM可控震源-破岩震源地震波超前探测方法及系统

本发明涉及隧道超前探测，特别涉及一种tbm可控震源-破岩震源地震波超前探测方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

2、随着隧道工程的快速发展，隧道掘进机(tunnel boring machine，tbm)逐渐得到广泛应用。与传统的钻爆法施工相比，tbm施工具有机械化程度高、施工速度快等显著优势；在tbm隧道开挖过程中，不良地质体对于施工的安全有着巨大威胁，遇到溶洞、破碎带等不良地质时容易引起卡机、突水突泥等灾害，甚至出现人员伤亡等严重后果；由于tbm隧道施工环境的复杂性和特殊性，其超前探测方法技术一直是国内外隧道超前探测领域的难点。

3、在众多tbm隧道洞内探测方法中，地震波法可远距离实现不良地质构造的定位和形态刻画，在tbm施工隧道超前探测中得到广泛应用。根据探测时段不同对探测方法进行分类，目前存在两种主要的探测方式：

4、(1)tbm隧道停机过程中的探测方式；

5、tbm停机时常采用主动源激震的探测方式，传统的人工锤击进行地震勘探震源激发时受到人力限制，信号传播距离较短；因此tbm隧道中的搭载主动源设备应运而生，常用的搭载式主动源探测设备有液压震源和气动震源，激震能量虽得到提升，但依然存在远距离反射波有效信号的分辨率不可控的问题；

6、(2)tbm掘进过程中的实时探测方式；

7、tbm破岩震源将tbm掘进过程中滚刀破岩震动作为激发震源，利用随掘随探的性质实现了实时探测，因其能量较大和频率较低的特性，探测距离更远，但由于tbm破岩震源信号缺少高频信息，使得远距离实时探测方法的分辨率有所欠缺。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种tbm可控震源-破岩震源地震波超前探测方法及系统，充分利用tbm停机和施工两个时段，在探测工序上和探测效果上对可控震源和破岩震源进行联合，利用可控震源可激发高频段信号的特性，满足了停机时的精细探测需求，利用tbm破岩震源在tbm掘进过程中的实时探测能力，弥补了可控震源只能停机探测的不足。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明第一方面提供了一种tbm可控震源-破岩震源地震波超前探测方法。

4、一种tbm可控震源-破岩震源地震波超前探测方法，包括以下过程：

5、在tbm停机时，通过分频扫描的方式，获取两段可控震源地震数据，分别是低频段可控震源地震数据和高频段可控震源地震数据，在tbm掘进过程中，采集破岩震源激发的破岩震源地震数据；

6、对获取的tbm停机后的低频段可控震源地震数据、高频段可控震源地震数据以及tbm掘进过程中的破岩震源地震数据进行预处理；

7、对预处理后的低频段可控震源地震数据、高频段可控震源地震数据以及破岩震源地震数据分别先导传感数据进行互相关干涉处理，得到各地震数据对应的干涉地震数据；

8、对获取的干涉地震数据进行噪声去除，获取去除随机噪声的地震干涉数据，分析地震干涉数据的直达波成分，获得直达波波速；

9、根据直达波波速，创建反演初始速度模型，根据反演初始速度模型，进行多尺度联合反演，得到最终的反演速度模型，在最终的反演速度模型上进行逆时偏移成像，得到最终的成像结果。

10、作为本发明第一方面进一步的限定，互相关干涉的原理为：

11、

12、其中，f(t0)和g(t0)是两个信号，r(t)为互相关产生的干涉地震记录，t为时间间隔。

13、作为本发明第一方面可选的一种实现方式，对获取的tbm停机后的低频段可控震源地震数据、高频段可控震源地震数据以及tbm掘进过程中的破岩震源地震数据进行预处理，包括：

14、对低频段可控震源地震数据、高频段可控震源地震数据以及破岩震源地震数据进行去均值和去线性趋势处理。

15、作为本发明第一方面可选的一种实现方式，对获取的干涉地震数据进行噪声去除，包括：

16、利用带通滤波选取地震记录主要频率成分，并使用谱减法去除随机噪声；利用傅里叶变换进行带通滤波，在频率域截取有效信号，并通过傅里叶反变换获得去噪后的干涉地震记录。

17、作为本发明第一方面可选的一种实现方式，根据反演初始速度模型，进行基于可控震源分频扫描的多尺度联合反演，得到最终的反演速度模型，包括：

18、将破岩震源干涉地震数据的全部波形信息作为拟合目标，通过破岩震源子波信号施加在反演初始速度模型上进行正演模拟获得模拟地震数据，以模拟地震记录和干涉地震记录差值的二范数作为目标函数，不断寻求目标函数的最小值，进而不断拟合模拟地震数据和实际干涉地震数据，得到基于破岩震源干涉数据全波形反演的波速模型，获取的波速模型将作为多尺度反演的初始模型，由于反演存在多解性，所以一个好的初始模型将有助于反演准确性的提高；

19、本发明中，将破岩震源干涉数据全波形反演的波速模型作为初始模型，利用分频信号扫描低频段可控震源干涉数据进行全波形反演，将可控震源先导信号自相关的子波函数据作为震源，施加到初始模型上，获得一组可控震源低频段信号的地震记录，将低频段可控震源干涉数据作为拟合对象，以模拟地震记录和干涉地震记录差值的二范数作为反演的目标函数，在不断反演迭代更新的地层模型基础上，将获得越加接近实际干涉数据的模拟数据；

20、当模拟数据和干涉数据差值足够小，或是反演迭代次数达到人为设置的上限时，认为低频段的全波形反演结束，并得到基于低频段可控震源干涉数据全波形反演的波速模型，此时得到的速度模型相较于破岩震源反演的速度模型，地层构造的刻画精细程度进一步增加，全波形反演的非线性性和周期跳跃现象导致目标函数存在多极值，通过可控震源分频扫描的低频段干涉数据反演，使得全波形反演方法可以相对提高反演过程的稳健性，能够有效降低反演的多解性；

21、将基于低频段可控震源干涉数据全波形反演的波速模型作为初始模型，利用分频扫描获得的高频段可控震源干涉数据进行全波形反演，将高频段可控震源先导信号自相关的子波数据作为震源，加到低频段信号反演得到的速度初始模型上，获得一组模拟干涉数据，以模拟记录和高频段干涉数据差值的二范数作为目标函数，迭代优化获得最终的反演速度模型，基于分频扫描的高频段可控震源干涉数据，由于其高频特性，干涉数据中的同向轴将更窄，反演拟合时所能拟合的信息更加丰富，能够在低频段反演模型的基础上获得精细构造信息。

22、作为本发明第一方面可选的一种实现方式，将低频段可控震源地震数据、高频段可控震源地震数据以及破岩震源地震数据的先导信号分别进行自相关处理，得到低频段可控震源地震数据、高频段可控震源地震数据以及破岩震源地震数据各自对应的子波信号。

23、作为本发明第一方面可选的一种实现方式，提取低频段可控震源地震数据、高频段可控震源地震数据以及破岩震源地震数据中的直达波的成分，利用直达波信息计算并获取围岩波速信息，并切除直达波成分，利用围岩波速信息以及前期勘探信息，创建反演初始速度模型。

24、作为本发明第一方面可选的一种实现方式，在最终的反演速度模型上进行逆时偏移成像，得到最终的成像结果，包括：

25、在破岩震源先导传感器位置施加破岩震源先导信号自相关子波数据，在检波器位置逆时施加破岩震源地震干涉数据，并保存两者的波场，通过相关叠加得到破岩震源成像结果；

26、在可控震源先导传感器位置施加高频可控震源先导信号自相关子波数据，在检波器位置逆时施加高频可控震源地震干涉数据，并保存两者的波场，通过相关叠加得到高频可控震源成像结果；

27、在可控震源先导传感器位置施加低频可控震源先导信号自相关子波数据，在检波器位置逆时施加低频可控震源地震干涉数据，并保存两者的波场，通过相关叠加得到低频可控震源成像结果；

28、将破岩震源成像结果、高频可控震源成像结果和低频可控震源成像结果叠加后，得到最终的成像结果。

29、本发明第二方面提供了一种tbm可控震源-破岩震源地震波超前探测系统。

30、一种tbm可控震源-破岩震源地震波超前探测系统，包括：

31、预处理模块，对获取的tbm停机后的低频段可控震源地震数据、高频段可控震源地震数据以及tbm掘进过程中的破岩震源地震数据进行预处理；

32、干涉处理模块，被配置为：对预处理后的低频段可控震源地震数据、高频段可控震源地震数据以及破岩震源地震数据分别先导传感数据进行干涉处理，得到各地震数据对应的干涉地震数据；

33、初始反演模型构建，被配置为：根据低频段可控震源干涉地震数据、高频段可控震源干涉地震数据以及破岩震源干涉地震数据，对获取的干涉地震数据进行噪声去除(采用带通滤波和谱减法)，获取去除随机噪声的地震干涉数据，得到地震干涉数据的直达波波速数据，根据直达波波速数据，创建反演初始速度模型；

34、多尺度反演成像，被配置为：根据反演初始速度模型，进行多尺度联合反演，得到最终的反演速度模型，在最终的反演速度模型上进行逆时偏移成像，得到最终的成像结果。

35、本发明第三方面提供了一种tbm可控震源-破岩震源地震波超前探测系统。

36、一种tbm可控震源-破岩震源地震波超前探测系统，包括：

37、包括：电磁式可控震源、三分量检波器、可控震源先导传感器和破岩震源先导传感器；

38、电磁式可控震源固定在tbm的撑靴上，三分量检波器固定在tbm工作平台的两侧，可控震源先导传感器固定在电磁式可控震源附近的岩壁上，破岩震源先导传感器位于tbm上刀盘的后侧；

39、电磁式可控震源，包括：气囊、阻挡板、配重外壳、底板、导轨、移动组件、加速度传感器和激励组件；

40、导轨布置在底板上，配重外壳通过移动组件与导轨滑动连接，激励组件和加速度传感器固定在配重外壳的一侧，配重外壳的另一侧的底板上固定有阻挡版，阻挡板朝向配重外壳的一侧固定有气囊；

41、还包括分别与电磁式可控震源、三分量检波器、可控震源先导传感器和破岩震源先导传感器通信的主控单元，主控单元，被配置为：采用权利要求1-6任一项所述的tbm可控震源-破岩震源地震波超前探测方法进行探测。

42、作为本发明第三方面可选的一种实现方式，三分量检波器与可控震源先导传感器在检测到电磁式可控震源激发的时刻，启动并开始接收地震记录，当电磁式可控震源激震结束时，三分量检波器停止工作，并将地震记录保存到主控单元中。

43、作为本发明第三方面可选的一种实现方式，tbm掘进过程中，主控单元控制破岩震源先导传感器和三分量检波器同时启动，接收地震记录；当探测结束时，控制破岩震源先导传感器和三分量检波器同时停止，并将地震记录保存到主控单元。

44、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

45、1、针对隧道探测环境的复杂性和特殊性，本发明创新性的提出了一种隧道掘进机可控震源-破岩震源超前探测系统装备，充分利用tbm停机和施工两个时段，在探测工序上和探测效果上对可控震源和破岩震源进行联合，克服了传统探测中探测方法单一的问题以及探测精度和探测覆盖程度不够的局限性。

46、2、本发明创新性的提出了一种可控震源和破岩震源数据处理方法，通过带通滤波初步去除噪声，利用互相关方法去除随机噪声并获得干涉地震记录，为后续的反演和成像提供数据基础。

47、3、本发明创新性的提出了一种可控震源与破岩震源联合反演和成像方法，在初始模型上利用频率较低的破岩震源干涉数据进行第一次全波形反演，获得大尺度反演结果，再将此反演结果作为初始模型，使用可控震源干涉数据进行第二次全波形反演，获得更加精细的反演速度模型，综合利用两组干涉地震记录，通过逆时偏移成像进一步获得构造信息，极大的提高了反演成像的精度。通过破岩震源和可控震源低高频特性的联合应用，实现tbm施工隧道精细探测的目的。

48、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。