本發(fā)明涉及隧道工程、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體地講，是涉及一種用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的多源地震干涉法。
背景技術(shù)：
：隧道施工的主要依據(jù)是設(shè)計(jì)文件，但實(shí)踐證明設(shè)計(jì)與實(shí)際情況不符屢有發(fā)生，造成隧道洞內(nèi)塌方、涌水、涌泥等災(zāi)害事故頻發(fā)，對(duì)安全施工危害極大，嚴(yán)重影響了工程質(zhì)量。特別是近年，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和隧道技術(shù)的進(jìn)步，鐵路隧道、公路隧道建設(shè)不斷深入到以前的“地質(zhì)禁區(qū)”，復(fù)雜長(zhǎng)大隧道越來越多，地質(zhì)問題越來越復(fù)雜，為了確保施工安全，對(duì)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作要求也不斷提高。隧道施工期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)就是利用地質(zhì)、鉆探、物探等方法，結(jié)合地質(zhì)資料、洞內(nèi)外地質(zhì)調(diào)查、掌子面素面結(jié)果對(duì)施工掌子面前方不良地質(zhì)體性質(zhì)、位置、規(guī)模的預(yù)測(cè)，為進(jìn)一步施工提供指導(dǎo)，確保施工的安全和順利進(jìn)行。準(zhǔn)確、及時(shí)、高效是當(dāng)前地質(zhì)預(yù)報(bào)的追求，但因各種預(yù)報(bào)方法理論、設(shè)備的局限性，存在預(yù)報(bào)距離短、測(cè)試準(zhǔn)備工作繁瑣、占用時(shí)間長(zhǎng)、主動(dòng)爆破安全隱患大等問題，不僅影響了正常施工，還引入安全不確定因素。為了提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，經(jīng)工程實(shí)踐發(fā)展出了綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，雖然大大提高了預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，也帶來了工作量大、占用時(shí)間更長(zhǎng)、準(zhǔn)備工作更多等問題，因此，簡(jiǎn)捷、安全、高效、環(huán)保的長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)技術(shù)將是發(fā)展趨勢(shì)。地震波干涉法(seismicinterferometry)是指與地震波有關(guān)的干涉現(xiàn)象的研究，采用干涉技術(shù)對(duì)地震記錄信號(hào)進(jìn)行處理得到新的地震信號(hào)，能有效反映出原始信號(hào)所不具有的一些特征，如提高信噪比、把噪聲變成有用信號(hào)、反映復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造特征等。早在1968年，jonclaerbout教授對(duì)地下震源產(chǎn)生的地震記錄進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算，獲得了地震場(chǎng)源關(guān)系的格林函數(shù)，建立了透射記錄和反射記錄間的聯(lián)系；schuster定義了地震干涉概念，并應(yīng)用地震干涉法對(duì)多次波進(jìn)行偏移獲得反射界面的構(gòu)造特征；bakulin等提出了“虛震源”方法，并利用該方法將vsp記錄轉(zhuǎn)化為swp單井剖面記錄。隨著地震干涉理論和方法的逐漸成熟，該方法已先后應(yīng)用到超聲聚焦與檢測(cè)、檢測(cè)介質(zhì)的微小變化、天然地震中斷層和火山的活動(dòng)性、油田動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、鉆進(jìn)過程中的鉆前預(yù)測(cè)等方面，但用于隧道施工(鉆爆法)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作研究不足。本發(fā)明把互相關(guān)地震干涉法應(yīng)用到隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中，提出了一種適用于隧道施工期的多源地震干涉法隧道超前地質(zhì)技術(shù)，通過信號(hào)接收和目標(biāo)成像，達(dá)到對(duì)整座隧道未開挖部分一次性預(yù)報(bào)的目的。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)巧妙、安裝方便、穩(wěn)定性強(qiáng)的用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的多源地震干涉法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的多源地震干涉法，包括如下步驟：(1)在開挖隧道的一端掌子面上規(guī)律埋置多個(gè)震源，在該隧道的另一端掌子面和邊墻上規(guī)律布設(shè)地震檢波器組；(2)同時(shí)控制所有震源引爆，激發(fā)地震波，使不同震源產(chǎn)生的地震波相互疊加形成多個(gè)傳播源后穿過未開挖的隧道體圍巖；(3)通過已布設(shè)的地震檢波器組采集透射這些地震波，形成地震記錄；(4)對(duì)這些地震記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行地震干涉處理后，獲得隧道未開挖段的地震波特征圖譜，通過對(duì)所述地震波特征圖譜分析，達(dá)到對(duì)隧道未開挖段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。具體地，所述地震檢波器組由多個(gè)沿開挖隧道輪廓的掌子面均勻布設(shè)的地震檢波器組成。進(jìn)一步地，所述地震檢波器還在所述掌子面的邊墻上以背離掌子面方向等間距布設(shè)。具體地，所述震源可以采用主動(dòng)埋設(shè)的爆破源，也可以采用隧道開挖的爆破源，優(yōu)選地采用采用隧道開挖的爆破源，提高效率、降低成本。具體地，所述地震記錄按二維數(shù)值方式記錄。進(jìn)一步地，所述步驟(4)中地震干涉處理的具體步驟如下：(4a)對(duì)所述地震記錄進(jìn)行濾波、反褶積處理，提高信噪比；(4b)在所述地震記錄中選取某一道地震記錄作為虛擬原信號(hào)；(4c)采用虛擬原信號(hào)同其它各道地震記錄進(jìn)行互相關(guān)、卷積處理，形成虛源地震記錄；(4d)多次循環(huán)步驟(4b)～(4c)的處理流程，形成多道虛源地震記錄；(4e)對(duì)虛源地震記錄疊加，獲得具有干涉特性的地震波特征圖譜。更進(jìn)一步地，所述步驟(4)中對(duì)所述地震波特征圖譜分析的步驟如下：(4f)對(duì)所述地震波特征圖譜進(jìn)行整體分析，確定出明顯異常區(qū)；(4g)依據(jù)所述明顯異常區(qū)的位置及規(guī)模對(duì)未開挖隧道區(qū)段進(jìn)行分段；(4h)根據(jù)地震波特征參數(shù)在介質(zhì)中傳播特征，判定所述明顯異常區(qū)的巖性、結(jié)構(gòu)及地下水變化；(4i)對(duì)各劃分區(qū)段內(nèi)異常進(jìn)行細(xì)化和分析，判定可能存在的地質(zhì)病害及風(fēng)險(xiǎn)；(4j)對(duì)區(qū)段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分。其中，所述地質(zhì)病害通常為不良地質(zhì)，不良地質(zhì)體包括溶洞、斷層、破碎帶、煤層等。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：(1)本發(fā)明采用多源多點(diǎn)的地震爆破和多點(diǎn)的地震波采集，結(jié)合相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法，獲得隧道未開挖區(qū)域的地震波特征圖譜，一次性準(zhǔn)確有效地預(yù)報(bào)出未開挖隧道區(qū)域內(nèi)的不良地質(zhì)體，實(shí)現(xiàn)了隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，具有突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步，并且本發(fā)明構(gòu)思獨(dú)特，設(shè)計(jì)巧妙，針對(duì)性強(qiáng)，方便易用，適應(yīng)性強(qiáng)，在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方面具有廣闊的應(yīng)用前景，適合推廣應(yīng)用。(2)本發(fā)明可利用隧道開挖時(shí)的爆破作為地震源，無需額外鉆孔、裝藥、爆破等步驟來實(shí)現(xiàn)測(cè)試，效率高、成本低，且無安全隱患。(3)本發(fā)明通過對(duì)地震檢波器組測(cè)試記錄科學(xué)分析，獲得隧道未開挖區(qū)域的地質(zhì)特征圖譜，準(zhǔn)確確定隧道內(nèi)不良地質(zhì)體的位置，并根據(jù)地震波在介質(zhì)中傳播特征，判明不良地質(zhì)體的巖性、結(jié)構(gòu)等特征，方便快捷，準(zhǔn)確度高。附圖說明圖1為本發(fā)明中震源和地震檢波器組布設(shè)的示意圖。圖2為圖1的二維剖面示意圖。圖3為本發(fā)明中地震記錄干涉處理流程圖。圖4為本發(fā)明-實(shí)施例中理論圖譜的示意圖。圖5為本發(fā)明-實(shí)施例1的模擬模型示意圖。圖6為本發(fā)明-實(shí)施例1的特征圖譜示意圖。圖7為本發(fā)明-實(shí)施例2的模擬模型示意圖。圖8為本發(fā)明-實(shí)施例2的特征圖譜示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，本發(fā)明的實(shí)施方式包括但不限于下列實(shí)施例。實(shí)施例如圖1至圖3所示，該用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的多源地震干涉法，包括如下步驟：(1)在開挖隧道的一端掌子面上規(guī)律埋置多個(gè)震源，在該隧道的另一端掌子面和邊墻上規(guī)律布設(shè)地震檢波器組；其中，所述震源采用隧道開挖爆破的爆破源，所述爆破源埋置位置沿隧道輪廓在其對(duì)應(yīng)端掌子面上均勻埋設(shè)一圈；所述地震檢波器沿開挖隧道輪廓在掌子面上均勻布設(shè)，并且在其兩側(cè)邊墻上沿邊墻走向等間距布設(shè)。(2)同時(shí)控制所有震源引爆，激發(fā)地震波，使不同爆破源的地震波相互疊加形成多個(gè)傳播源后穿過未開挖的隧道體圍巖。(3)通過已布設(shè)好的地震檢波器組采集透射這些地震波，形成地震記錄，其中地震記錄按二維數(shù)值方式記錄。(4)對(duì)這些地震記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行地震干涉處理后，獲得隧道未開挖段的地震波特征圖譜，通過對(duì)所述地震波特征圖譜分析，達(dá)到對(duì)隧道未開挖段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。其中具體地，地震干涉處理及地震波特征圖譜分析的具體步驟如下：進(jìn)一步地，所述步驟(4)中地震干涉處理的具體步驟如下：(4a)對(duì)所述地震記錄進(jìn)行濾波、反褶積處理，提高信噪比；(4b)在所述地震記錄中選取某一道地震記錄作為虛擬原信號(hào)；(4c)采用虛擬原信號(hào)同其它各道地震記錄進(jìn)行互相關(guān)、卷積處理，形成虛源地震記錄；(4d)多次循環(huán)步驟(4b)～(4c)的處理流程，形成多道虛源地震記錄；(4e)對(duì)虛源地震記錄疊加，獲得具有干涉特性的地震波特征圖譜；(4f)對(duì)所述地震波特征圖譜進(jìn)行整體分析，確定出明顯異常區(qū)；(4g)依據(jù)所述明顯異常區(qū)的位置及規(guī)模對(duì)未開挖隧道區(qū)段進(jìn)行分段；(4h)根據(jù)地震波特征參數(shù)在介質(zhì)中傳播特征，判定所述明顯異常區(qū)的巖性、結(jié)構(gòu)及地下水變化；(4i)對(duì)各劃分區(qū)段內(nèi)異常進(jìn)行細(xì)化和分析，判定可能存在的地質(zhì)病害及風(fēng)險(xiǎn)；(4j)對(duì)區(qū)段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分。其中，所述地質(zhì)病害通常為不良地質(zhì)，不良地質(zhì)體包括溶洞、斷層、破碎帶、煤層等。由上述本發(fā)明方法的過程可實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道未開挖部分的一次性預(yù)報(bào)，對(duì)其預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本發(fā)明還提供了如下實(shí)驗(yàn)?zāi)M的過程實(shí)施例。其中采用如表1所示的模擬主要參數(shù)。表1模擬主要參數(shù)參數(shù)項(xiàng)數(shù)值參數(shù)項(xiàng)數(shù)值離散化網(wǎng)格/m1×1泊松比1.732被動(dòng)源隨機(jī)噪聲與雷克子波卷積溶洞vp/(m/s)340圍巖vp/(m/s)2200斷層1vp/(m/s)2800圍巖密度/(kg/m3)2600斷層2vp/(m/s)1000如圖4所示的理論圖譜為無不良地質(zhì)體的隧道原始數(shù)據(jù)記錄圖，以此作為下述實(shí)驗(yàn)實(shí)施例的對(duì)比圖。從圖中可見，信號(hào)混亂、嘈雜，并不能反應(yīng)出目標(biāo)信息，而且噪聲雜亂無章，無任何規(guī)律可言。實(shí)施例1，采用如圖5所示的溶洞數(shù)值模擬模型。模型大小沿水平方向和垂直方向分別為370m和350m，隧道剖面寬10m，位于模型垂直方向的150-160m位置。爆破源布設(shè)一端隧道已開挖30m，地震檢波器布設(shè)一端隧道已開挖50m；在隧道中軸線上，沿水平方向150m處設(shè)置有一半徑2m填充空氣的圓形溶洞。為了保證數(shù)值模擬更接近于隧道鉆爆法施工情況，爆破源采用20個(gè)，均勻布設(shè)在其端掌子面上；地震檢波器采用21個(gè)，同樣均勻布設(shè)在其端掌子面上。根據(jù)本發(fā)明方法對(duì)爆破源進(jìn)行爆破后，由地震檢波器組采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行地震干涉處理，獲得的特征圖譜如圖6所示。從圖中可見，0.045s附近區(qū)域存在明顯異常區(qū)，在該異常區(qū)中部波形連續(xù)且呈圓弧狀，采用時(shí)間、圍巖速度關(guān)系計(jì)算，獲得其位置在99m處，這與該模型中的溶洞位置基本吻合，證明該異常區(qū)是由溶洞引起。實(shí)施例2，采用如圖7所示的斷層數(shù)值模擬模型。模型大小、隧道位置、隧道開挖情況，以及爆破源和地震檢波器布設(shè)位置和數(shù)量與上述實(shí)施例1相同。設(shè)置的斷層1距離檢波器端掌子面垂距為30m，設(shè)置的斷層2距離檢波器端掌子面垂距為100m，兩個(gè)斷層均寬2m，縱向貫穿整個(gè)模型。根據(jù)本發(fā)明方法對(duì)爆破源進(jìn)行爆破后，由地震檢波器組采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行地震干涉處理，獲得的特征圖譜如圖8所示。從圖中可見，0.135s附近存在異常區(qū)1，該異常區(qū)1呈界面形式，采用時(shí)間、圍巖速度關(guān)系計(jì)算，獲得其位置在29.7m處，這與該模型中的斷層1位置基本吻合，判斷為斷層1；在0.038s附近存在異常區(qū)2，該異常區(qū)2也呈界面形式，同樣計(jì)算獲得其位置在84m處，但是由于地震波經(jīng)過斷層時(shí)會(huì)引起與圍巖傳播速度上的差異，從而發(fā)生距離計(jì)算誤差，需進(jìn)一步校驗(yàn)，根據(jù)斷層1縱波速度2800m/s、圍巖縱波速度2200m/s、波往返時(shí)間差0.007s，可獲得引起的距離誤差為15.4m，因此該異常區(qū)2的實(shí)際位置應(yīng)為99.4m，這便與該模型中的斷層2位置基本吻合，判斷為斷層2。由此證明兩個(gè)異常區(qū)分別由兩個(gè)斷層引起。根據(jù)該2個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)施例的驗(yàn)證，反映出本發(fā)明方法對(duì)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的有效性和高準(zhǔn)確度。上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，但凡采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理，以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行非創(chuàng)造性勞動(dòng)而作出的變化，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁12