一种隧道围岩破裂区探测方法

本发明属于地下工程围岩松动圈识别领域，具体涉及一种隧道围岩破裂区探测方法。

背景技术：

1、深部岩体一般处于高应力状态，地下工程开挖后硐室周边的径向应力消失、切向应力剧增，围岩进行应力重分布。重分布应力大于围岩强度时，围岩进入塑性状态进而发生破坏，应力向岩体深部转移，围岩破坏范围逐渐扩大，直到围岩应力小于或等于岩体强度，形成新的平衡，破坏才终止。伴随着围岩应力重新分布，硐室周边收敛变形和岩石结构重组等，导致硐室周边裂隙、节理和剪裂缝等组成裂隙网格，形成开挖损伤区，而损伤比较严重的区域称为围岩松动圈。

2、目前对地下硐室开挖爆破引起的围岩松动圈确定，工程上一般采用声波测试法和多点位移计法实测其范围。但声波法对于煤巷或软岩巷道，成孔比较困难，测试过程中容易出现塌孔现象；其次探头和岩石之间需要水耦合，所以在测试时，孔中应该充满水，如果侧孔中的裂隙较发育，孔中水流失严重，则需要接水管不断输水，而水压不稳定会对测试结果产生影响。多点位移计法测松动圈相对于其他方法更加直观可靠，测试时间长，可得到围岩松动圈随时间变化的情况，但多点位移计法的工作量大，需较长时间的连续观测和大量的数据分析，而且多点位移计的测点少，测量精度不高。钻孔摄像法适用于岩性较好的岩体，所得的信息量大，测试结果精度高，但是仪器较贵，现场操作复杂。因此目前工程中缺少一种可以便利、测试成本低、无损探测、实时监测围岩松动圈的测试方法。

技术实现思路

1、本发明所为了解决背景技术中存在的技术问题，目的在于提供了一种隧道围岩破裂区探测方法，该方法可以很好地得到围岩松动圈分布特征和各损伤区岩体的损伤程度。本发明测试精度高、成本低、可重复性强，能够实现无损条件下地下硐室围岩松动圈的有效预测，有效圈定围岩变形损伤位置。

2、为了解决技术问题，本发明的技术方案是：

3、一种隧道围岩破裂区探测方法，所述方法包括：

4、s1：采用多道面波检波器采集地下硐室围岩的面波炮集；

5、s2：对所述面波数据进行处理，将面波数据的时间-空间谱转换到频率-相速度谱，提取面波频散曲线；

6、s3：对反演模型进行初始化，以钻孔-声波法为约束，采用阻尼最小二乘法对面波频散曲线进行反演，确定围岩横波速度随深度变化的反演图，即变形损伤区横波速度曲线；

7、进一步解释：如何通过阻尼最小二乘法反演围岩松动圈的横波速度曲线，具体步骤和思路可以分解为以下几个部分：

8、s301.分层模型构建

9、分层特征：模型将围岩松动圈分为两层：围岩松动圈和半无限空间。这种分层方法有助于简化反演过程，因为在同一层内可以假设横波速度是相对均匀的，从而便于计算和分析。

10、s302.阻尼最小二乘法反演

11、反演过程：利用已获取的面波频散曲线，建立与每一层的理论速度模型相对应的横波速度结构。通过设置目标函数，采用阻尼最小二乘法进行迭代反演，目的是逐步优化速度模型，使得模型预测的频散曲线与实测曲线的差异最小。

12、s303.真实模型与反演结果

13、结果比较：通过图7展示真实模型与反演结果的曲线。这一环节能有效验证反演的准确性和可靠性。当反演过程在经过多次迭代后，模型更新至目标函数小于预设阈值时，反演过程结束，最终得到的结果展示了横波速度随深度变化的函数曲线。

14、s304.初始模型厚度的确定

15、初始模型厚度：通过声波法和声波-深度图来确定围岩松动圈的范围和初始模型的厚度。这一方法提供了一种更为实用的约束条件，确保反演过程有一个合理的起始点，进而提高模型的稳定性。

16、s305.数据源与约束条件

17、数据获取：通过钻孔波列图和钻孔波速-深度图获取数据，形成初始设置的依据。这些数据将用于建立反演模型的约束条件，确保反演过程中输入的参数具有较高的可靠性。

18、s306.改善反演稳定性

19、多解性问题：通过将速度模型分为两层和基于声波法的反演过程，可以有效改善围岩的多解性和反演的稳定性。这种方式可以减少因模型复杂性带来的不确定性，从而得到更为可靠的反演结果。

20、总结：通过系统化的步骤，从模型分层、反演方法选择、初始模型的建立，到最终的反演结果，都体现了科学性和合理性。通过声波法得到的数据来约束模型，不仅增强了反演的稳定性，也提高了对围岩松动圈特征的识别能力。这种方法在岩土工程中具有重要的应用价值，为工程安全和风险评估提供了关键的数据支持和理论基础。

21、s4：根据反演得到的变形损伤区横波速度曲线，进行围岩松动圈判断，确定围岩变形损伤分布。

22、进一步，所述获取地下硐室围岩的面波数据，具体包括：

23、s101：在距离作业工作面外布置检波器；

24、s102：检波器沿硐室轴向等间距布置；

25、s103：根据探测深度特征，调整检波器触发阈值和采样频率，并将其调至待触发状态；

26、s104：在锤击过后得到各检波器所记录的波形信息，得到面波炮集。

27、进一步，对所述面波炮集进行干扰波切除，然后进行高分辨率线性拉东变换，得到面波炮集频率-相速度谱(f-v)；通过面波炮集频率-相速度谱(f-v)提取面波频散曲线包括：根据频率-相速度谱的能量赋值与趋势，提取得到面波频散曲线。

28、进一步，所述步骤s2具体包括：

29、对干扰波切除后的面波信号进行高分辨率线性拉东变换，提取频散曲线；

30、每一种频率的线性拉东变换可以表示为如下矩阵形式：

31、d＝lm

32、式中：l＝ei2πfpx是线性拉东变换的正变换算子；d和m为炮集记录和拉东矩阵；

33、在混定方程组中，希望目标函数：

34、j＝‖d-lm‖2

35、考虑用一个预加权的共轭梯度算法计算高分辨率线性拉东变换，降低含噪声模型的数据限制，预加权表达式如下：

36、

37、在稀疏解的基础上进一步将目标函数表示为：

38、

39、求解方程：

40、

41、其中，i为单位矩阵；wd为数据权重矩阵，常为一个由标准差确定的对角矩阵，wm是模型权重矩阵；λ控制了数据误差和模型限制之间的折中；

42、通过不断修改预加权矩阵，频散能力的分辨率逐步提高，最终得到高分辨率的频散能量；

43、根据能量峰值提取得到面波频散曲线，在f-v域内拾取能量极大值点就可以得到面波的频散曲线。

44、进一步，所述步骤s3中：在反演的最初阶段，构建一个初始模型；包括围岩的结构特性和预估的物理参数，即各个层次的厚度和各层的初始横波速度；在构建初始模型的过程中，根据声波法获得的围岩波速随深度变化的曲线，将围岩分为多个深度层次，在每个层次中，设定每层的厚度和横波速度；

45、在采用阻尼最小二乘法对面波频散曲线进行反演时，反演模型将是对围岩特性的数学描述，该模型通过迭代优化，以最小化模型预测的频散曲线与观测到的频散曲线之间的差异，从而不断调整横波速度参数，经过反演处理后，获得围岩横波速度随深度变化的反演图，即反演模型的输出结果；

46、所述反演模型的目标函数包括：

47、设定如下的目标函数值：

48、

49、式中，为实测的频散曲线，为模型参数x下理论计算的频散曲线，是参数x的非线性函数。

50、进一步，所述步骤s4，具体包括：

51、根据反演得到的围岩横波速度随深度变化的反演图，通过推断不同地层横波速度变化趋势，从而推断出围岩松动圈的范围。

52、进一步，所述检波器的布置方式具体包括：

53、震动源激发方向：震动源采用垂向激发方式，检波器以垂向方式接收震动信号，确保了接收信号的有效性与稳定性；

54、最小炮检距：最小炮检距选择与探测深度相同，确保采集到的数据能够覆盖到期望的探测深度，提高围岩特性的可靠性；

55、道间距：检波器的道间距应小于最小波长的一半，能够增加数据的空间分辨率，有助于准确捕获围岩内的波动变化；

56、检波器排列长度：检波器的排列长度应为探测深度的两倍，扩展数据采集范围，提高对围岩变化监测的能力；

57、检波器排列中点：检波器排列的中点应为面波仪的放置点，确保数据采集的对称性和有效性；

58、数据通道数量：采用多道瞬态面波探测方法，采集的震动记录至少24个通道，以提供足够的数据支持后续分析和处理；

59、对称布置：数据采集时，震动源和检波器应排列在同一条直线上，以测点为中心对称布置，确保两侧各有12个检波器对称布置，△x为间隔。

60、进一步，所述触发阈值和采样率具体包括：

61、根据探测深度检波器频率，如下：

62、f＝vr/λr；

63、式中：f为检波器的频率(hz)；vr为地层面波波速(m/s)；λr为波长(m)，可取探测深度的2倍；

64、分辨的最高频率小于采样频率的一半，最低可分辨频率要小于记录长度的倒数。

65、与现有技术相比，本发明的优点在于：

66、本方法通过在地下硐室布置检波器，通过数据导线连接，因此安装快捷，使用方便。同时，无需钻孔，针对破碎岩体适用性强，无需担心塌孔。在使用过程中，通过面波仪随时监控探测信号质量，如有坏道发生，便于随时更换。在面波反演中，采用高分辨率线性拉东变换，降低含噪声模型的数据限制，计算得到频散能量的稀疏解，从而实现精确的频散曲线提取，进而采用阻尼最小二乘法，其搜索模型参数的解空间具有目标性，从而得到面波反演模型，辅以声波法探测，确定反演初始模型的层厚，增强了反演的稳定性，确保了反演的正确性。对反演模型结果进行分析，可以得到围岩松动圈的范围，可实施性强，在针对复杂工况时，较其他方法具有独特的优势。

67、通过钻孔-声波法来约束横波速度反演模型，可以改善横波速度反演的多解性，提高反演的稳定性。本方法通过引入声波法，通过钻孔深度随波速的变换，可以得到所测围岩松动圈的厚度，可以使用较为正确的反演模型厚度，增强反演的稳定性。跟据围岩松动圈和反演模型的特征，确定了反演模型的层数，从而增加反演的速度，提高反演的精度。本方法通过在横波速度反演过程中固定层数可以有效节约计算资源，加快成像速度。