一种地质探测方法和系统

技术领域

本申请涉及隧道建设工程技术领域，尤其涉及一种地质探测方法和系统。

背景技术

在隧道施工过程中，超前地质预报是采用地质、物探和其它勘探手段分析和预测掌子面前方工程地质、水文地质和不良地质体情况的一种地质勘察方法。其中物探法是进行超前地质预报的主要手段，具体的包括地质雷达法、地震反射波法和瞬变电磁法等，这些方法均需要在隧道的掌子面或隧周采用一定的观测方式进行数据采集，而后进行数据分析达到超前地质预报的目的。

然而，现有的地震反射波法超前地质预报多采用三分量检波器，采集隧道全空间的三分量地震数据，通过信号处理的手段实现纵横波分离，而后分别对分离后的纵波、横波进行偏移成像，这样虽然在大部分情况下能得到可靠的探测结果，但对于富水岩溶隧道等地质异常区域的探测的分辨率较低，难以进行准确的地质预报。

发明内容

本申请实施例期望提供一种地质探测方法和系统。

本申请的技术方案是这样实现的：

本申请第一方面的实施例提供一种地质探测方法，所述地质探测方法包括：

获取隧道的施工参数；所述施工参数包括掌子面与仰拱的距离；

基于所述施工参数，在所述隧道的两边墙中的每一边墙布设一组震源点，每组所述震源点中，所述震源点以第一距离呈线性间隔排布；在所述隧道的两边墙和拱顶分别布设至少一组检波器；

在所述震源点处激发地震波信号，并基于所述检波器接收反馈的地震数据；所述地震数据包括横波信号。

可选地，所述震源点与每组所述检波器的横向偏移距相等。

可选地，每一组所述检波器包括至少两个检波器；每一组的所述检波器以第二距离间隔排布。

可选地，所述在所述震源点处激发地震波信号，包括：

在所述震源点处，通过机械震源激发地震横波。

可选地，所述在所述震源点处激发地震波信号，并基于所述检波器接收反馈的地震数据，还包括：

对所述地震数据进行整合归类，确定每一所述检波器得到的地震数据和每一所述震源点处反馈的地震数据。

可选地，在基于所述检波器接收反馈的地震数据之后，所述方法还包括：

对所述地震数据进行滤波处理，去除所述地震数据中的干扰信号。

可选地，还包括：采用偏移成像算法对所述地震数据进行处理，将所述地震数据转换为图像信息；

基于所述图像信息，确定所述隧道的地质情况。

本申请的第二方面的实施例提供一种地质探测系统，所述系统包括：机械震源和检波器；

所述机械震源，用于在隧道两边墙的多个震源点激发地震波信号；每一边墙上的多个所述震源点以第一距离呈线性间隔排布；

所述检波器，设置在所述隧道的两边墙和拱顶，用于接收反馈的地震数据；所述地震数据包括横波信号。

可选地，所述隧道的两边墙和拱顶分别设有至少一组检波器；每一组所述检波器中的至少两个检波器以第二距离间隔排布。

可选地，所述震源点到所述隧道的两边墙和拱顶的所述检波器的横向偏移距相等。

本申请实施例提供的一种地质探测方法和系统，所述地质探测方法包括：获取隧道的施工参数；所述施工参数包括掌子面与仰拱的距离；基于所述施工参数，在所述隧道的两边墙中的每一边墙布设一组震源点，每组所述震源点中，所述震源点以第一距离呈线性间隔排布；在所述隧道的两边墙和拱顶分别布设至少一组检波器；在所述震源点处激发地震波信号，并基于所述检波器接收反馈的地震数据；所述地震数据包括横波信号。采用本申请的技术方案，通过布设一系列的震源点和检波器，基于检波器接收自震源点发出的地震波信号经隧道岩体反馈的横波信号，利用横波信号对地质异常区域的高分辨率和对液体的高敏感度，从而可以得到准确的探测结果，较好的反应隧道岩体的地质异常情况。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种地质探测方法的流程示意图；

图2a为本申请实施例提供的震源点和检波器的分布示意图；

图2b为本申请实施例提供的震源点的分布示意图；

图2c为本申请实施例提供的检波器的分布示意图；

图3为本申请实施例提供的地震波传播方向的示意图；

图4为本申请实施例提供的检波器的安装位置示意图；

图5为本申请实施例提供的地震数据的波形示意图；

图6为本申请实施例提供的克希霍夫偏移成像的原理示意图；

图7为本申请实施例提供的图像信息的效果示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

此外，附图仅为本申请的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的步骤。例如，有的步骤还可以分解，而有的步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本申请的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

传统的超前地质预报数据采集方式，多以炸药作为震源，可获得较高信噪比的数据。然而，近些年来随着炸药管控越来越严，超前地质预报以炸药作为震源越来越不方便，严重影响现场施工安全与效率，甚至导致无法开展外业数据采集。另外，超前地质预报多采用三分量检波器，采集隧道全空间的三分量地震数据，通过信号处理的手段实现纵横波分离，而后分别对分离后的纵波、横波进行偏移成像。由于波场分离后的纵波数据较横波数据的信噪比更高，预报成果更可靠，因此资料解释多以纵波的预报成果为主，然而，纵波对于富水岩溶隧道等地质异常区域的探测的分辨率较低，而富水岩溶隧道是对工程危害最大的地质灾害之一，许多隧道工程事故都是由隧道的突水、涌水等引起的，由此可知，当前的超前地质预报方法仍存在较大的缺陷。

在一些实施例中，请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种地质探测方法的流程示意图，所述方法包括：

S110，获取隧道的施工参数；施工参数包括掌子面与仰拱的距离。

掌子面是在开挖坑道过程中不断向前推进的工作面；仰拱是为改善上部支护结构的受力条件而设置在隧道底部的反向拱形结构。在本实施例中，除了测得掌子面与仰拱的距离之外，还需要测出隧道洞径、边墙的高度、隧道深度、围岩完整性等参数。这里，可以通过水准仪和全站仪等仪器完成测量。

S120，基于施工参数，在隧道的两边墙中的每一边墙布设一组震源点，每组震源点中，震源点以第一距离呈线性间隔排布；在隧道的两边墙和拱顶分别布设至少一组检波器。

这里，在每一边墙上的相同高度位置分别布设一组震源点，每组震源点可以包括多个震源点，如10个、12个、14个，对此不进行限制，任意相邻两个震源点之间的间距相等。优选地，两面边墙上的震源点数量相同，高度位置相同，震源点之间的间距相同，且相应震源点到掌子面的距离相同。

在一些实施例中，每一组检波器包括至少两个检波器；每一组的检波器以第二距离间隔排布。

示例性的，请参阅图2a，图2a为本申请实施例提供的震源点和检波器的分布示意图；其中，观测方向为自隧道拱顶向下，在隧道的两边墙上各布设有一组震源点210以及在隧道的两边墙和拱顶分别布设至少一组检波器220；每组震源点210包括10个震源点，每组检波器220包括2个检波器。这里，检波器可以为单分量检波器。

在本示例中，震源点210与掌子面的最近距离相等，均小于5米，相邻两个震源点210之间的距离为2米。另外，震源点与每组检波器的横向偏移距相等且可调，横向偏移距表征距离最近的震源点210与检波器220之间的距离。这里，横向偏移距的取值可以在10米至20米之间，这个距离可以根据隧道的围岩完整性情况进行调整。当隧道的围岩完整性较好时，横向偏移距可以为20米；当隧道的围岩完整性较差时，横向偏移距可以为10米。这里，每组检波器220中的2个检波器之间的距离可以为5米。

在一个示例中，请参阅图2b，图2b为本申请实施例提供的震源点的分布示意图；其中，观测方向为正对掌子面，即图2b为图2a中的震源点对应的主视图。在本示例中，隧道边墙上的同一组内的震源点的高度位置相同。在隧道边墙表面平整时，同一组内的所有震源点的连线为一条直线。优选地，左侧边墙上的震源点的高度位置与右侧边墙上的震源点的高度位置也相同。

在另一个示例中，请参阅图2c，图2c为本申请实施例提供的检波器的分布示意图；其中，观测方向为正对掌子面，即图2c为图2a中的检波器对应的主视图。在本示例中，隧道边墙上的同一组内的检波器的高度位置相同，优选地，两边墙上的检波器的高度位置均相同，且拱顶处的检波器到左右两边墙上的检波器的距离相同。

S130，在震源点处激发地震波信号，并基于检波器接收反馈的地震数据；地震数据包括横波信号。

这里，可以在震源点处，通过机械震源激发地震波信号。机械震源是一种非炸药震源，同时也是一种可控震源。通过与对到岩壁发生相互作用，从而激发地震波信号。示例性的，可以通过机械锤锤击隧道的岩壁，或者设置一个与隧道岩壁紧密耦合的振动平板。以通过机械锤锤击隧道岩壁为例，在锤击的瞬间，通过绑在机械锤上的触发器通知基站上的无线模块，与检波器上的无线模块进行通信，开始同步记录反馈的地震数据。需要说明的是，检波器接收到的地震信号主要为横波信号，除此之外，检波器接收到的地震信号中还会存在一些其他方向的干扰信号。

示例性的，请参阅图3，图3为本申请实施例提供的地震波传播方向的示意图；继续以通过机械锤锤击隧道岩壁为例，当锤击隧道岩体作用面时，隧道表面的一部分岩体会产生破碎，垂直于岩体作用面方向受到挤压作用主要产生P波(纵波)，平行于岩体作用面方向受到剪切作用主要产生S波(横波)，除此之外，还会产生一些方向各异的干扰波。其中，当锤击掌子面时，沿着隧道掘进方向主要激发纵波，而锤击隧道两侧边墙时，沿着隧道掘进方向主要激发横波。在本示例中，在隧道的两边墙上各布设有一组震源点。

在一个示例中，请参阅图4，图4为本申请实施例提供的检波器的安装位置示意图；在信号两边墙上布置固定块，并将检波器220放置于固定块侧面，正对着横波的传播方向，由此，可以有效的接收横波，并减少对纵波和其他方向的干扰波的接收。

本申请实施例通过布设一系列的震源点和检波器，基于检波器接收自震源点发出的地震波信号经隧道岩体反馈的横波信号，利用横波信号对地质异常区域的高分辨率和对液体的高敏感度，从而可以得到准确的探测结果，较好的反应隧道岩体的地质异常情况。

在一些实施例中，在震源点处激发地震波信号，并基于检波器接收反馈的地震数据，还包括：

对地震数据进行整合归类，确定每一检波器得到的地震数据和每一震源点处反馈的地震数据。

在本实施例中，将左右边墙上的20个震源点210可以分别标记分别为S1、S2、S3……S20，将左边墙上的检波器可以标记为A1、A2，右边墙上的检波器可以标记为A3、A4，拱顶的检波器可以标记为A5、A6。基于此，可以对检波器接收的地震数据进行整合归类，即可以确定检波器A1对应的20组不同震源点的地震数据、检波器A2对应的20组不同震源点的地震数据、……、检波器A6对应的20组不同震源点的地震数据，另外还可以得到震源点S1处的机械震源在六个不同检波器处的反馈信号、震源点S2处的机械震源在六个不同检波器处的反馈信号、……、震源点S20处的机械震源在六个不同检波器处的反馈信号。基于上述整合归类后的地震数据，可以绘制相应的数据波形图。

在一个示例中，请参阅图5，图5为本申请实施例提供的地震数据的波形示意图；以左侧边墙上的10个震源点为例，S1、S2、S3……S10与其中任意一个检波器的距离由近及远排布，由此，当通过检波器接收到反馈的地震数据时，存在时差，即最先接收到震源点S1处反馈的地震数据，最后接收到震源点S10处反馈的地震数据。

在一些实施例中，在基于检波器接收反馈的地震数据之后，还包括：

对地震数据进行滤波处理，去除地震数据中的干扰信号。

以通过机械锤锤击隧道岩壁为例，在对震源点处进行锤击时，地震波会以震源点为中心，向各个方向传播。其中，横波信号在液体中无法传播，遇到液体时会全部反射回来，因此，可以基于检波器接收的反馈的地震数据中的横波信号确定隧道岩层中的富水岩溶隧道等地质异常区域。通过对地震数据进行滤波处理，去除地震数据中的干扰信号，从而可以提高地震数据的准确性。这里，干扰信号可以表征与横波传播方向不同的信号。

需要说明的是，在本实施例中，除对地震数据进行滤波处理外，还可以进行直达波速求取、扩散补偿、增益、建模、速度分析等处理，即根据反馈的地震数据确定最近的异常区域的位置，对横波传播过程中的能量衰减进行补偿，并基于当前的隧道场景及地震数据构建相应的模型，以及对横波在不同地质环境中的传播速度进行分析，确定地质类型。

在一些实施例中，采用偏移成像算法对地震数据进行处理，将所述地震数据转换为图像信息；

基于图像信息，确定隧道的地质情况。

根据偏移依据的理论不同，偏移成像算法可分为射线类偏移剖面成像算法和波动方程类偏移剖面成像算法。前者利用几何射线理论计算波场的振幅以及相位信息，从而实现波场的延拓成像；后者则是基于波动方程的数值解法。一般来说，波动方程偏移具有更高的计算精度，而射线类偏移则具有更高的计算效率和灵活性。射线类偏移又可分为克希霍夫(Kirchhoff)偏移和束偏移等。这里，以克希霍夫偏移成像算法为例进行说明。

Kirchhoff偏移成像算法是地震反射波法常用的偏移成像方法，是一种绕射求和偏移方法，从求格林函数出发，可以对Kirchhoff偏移法的数学表达式进行推导：

上式中第一项

式中，△x、△y、△z为三个坐标方向的网格间距，P

示例性的，请参阅图6，图6为本申请实施例提供的克希霍夫偏移成像的原理示意图；在震源点R处激发地震波信号，在接收点S处设置检波器，以接收一个旅行时间为T(对应隧道前方反射点M)的反射波。根据旅行时间T与围岩速度v可确定反射点M到震源R与接收点S的旅行距离为L(L＝vT)，也就是说，所有到震源R与接收点S的旅行距离为L的点均可能是反射点M。而所有震源点与检波器组成的椭圆的公切线记为反射体所在位置。在三维探测空间中，反射点M的轨迹是整个三维空间中到震源R与接收点S的旅行距为L的点的集合，为一个椭球体。需要说明的是，在本示例中，旅行时间T表征地震波信号由震源点处发出直至由检波器接收整个过程经历的时长；围岩速度v表征地震波信号在岩土中的传播速度。

在一个示例中，请参阅图7，图7为本申请实施例提供的图像信息的效果示意图，该图以隧道掘进方向为X轴，以垂直隧道边墙的方向为Y轴，以垂直拱顶的方向为Z轴；通过图中的深色区域，可以判断出地震波信号在传播过程中所经过的岩层的地质类型。

在一些实施例中，本申请实施例提供一种地质探测系统，请再次参阅图2a，所述系统包括：机械震源和检波器；

机械震源，用于在隧道两边墙的多个震源点激发地震波信号；每一边墙上的多个震源点以第一距离呈线性间隔排布；

检波器，设置在隧道的两边墙和拱顶，用于接收反馈的地震数据；地震数据包括横波信号。

在本实施例中，检波器可以为单分量检波器。机械震源是一种非炸药震源，同时也是一种可控震源。通过与对到岩壁发生相互作用，从而激发地震波信号。示例性的，可以通过机械锤锤击隧道的岩壁，或者设置一个与隧道岩壁紧密耦合的振动平板。以通过机械锤锤击隧道岩壁为例，通过机械锤对隧道两边墙的多个震源点进行锤击，激发地震波信号。当锤击隧道岩体作用面时，隧道表面的一部分岩体会产生破碎，垂直于岩体作用面方向受到挤压作用主要产生P波(纵波)，平行于岩体作用面方向受到剪切作用主要产生S波(横波)，除此之外，还会产生一些方向各异的干扰波。其中，当锤击掌子面，沿着隧道掘进方向主要激发纵波，而锤击隧道两侧边墙时，沿着隧道掘进方向主要激发横波。横波信号在液体中无法传播，遇到液体时会全部反射回来，因此，可以基于检波器接收的反馈的地震数据中的横波信号确定隧道岩层中的富水岩溶隧道等地质异常区域。通过对地震数据进行滤波处理，去除地震数据中的干扰信号，从而可以提高地震数据的准确性。这里，干扰信号可以表征与横波传播方向不同的信号。需要说明的是，机械震源还可以是铁棒、扳手等工具，对此不进行枚举。

在一些实施例中，在每一边墙上的相同高度位置分别布设一组震源点，每组震源点可以包括多个震源点，如10个、12个、14个，对此不进行限制，任意相邻两个震源点之间的间距相等。优选地，两面边墙上的震源点数量相同，高度位置相同，震源点之间的间距相同，且相应震源点到掌子面的距离相同。

在一些实施例中，隧道的两边墙和拱顶分别设有至少一组检波器；每一组检波器中的至少两个检波器以第二距离间隔排布。

示例性的，请再次参阅图2a，其中，观测方向为自隧道拱顶向下，在隧道的两边墙上各布设有一组震源点210以及在隧道的两边墙和拱顶分别布设至少一组检波器220；每组震源点210包括10个震源点，每组检波器220包括2个检波器。

在本示例中，震源点210与掌子面的最近距离相等，均小于5米，相邻两个震源点210之间的距离为2米。另外，震源点与每组检波器的横向偏移距相等，即距离最近的震源点210与检波器220之间的距离在10米至20米之间，这个距离可以根据隧道的围岩完整性进行调整。当隧道的围岩完整性较好时，横向偏移距可以为20米；当隧道的围岩完整性较差时，横向偏移距可以为10米。这里，每组检波器220中的2个检波器之间的距离可以为5米。

在一个示例中，请再次参阅图2b，隧道边墙上的同一组内的震源点的高度位置相同。在隧道边墙表面平整时，同一组内的所有震源点的连线为一条直线。优选地，左侧边墙上的震源点的高度位置与右侧边墙上的震源点的高度位置也相同。

在另一个示例中，请再次参阅图2c，隧道边墙上的同一组内的检波器的高度位置相同，且拱顶处的检波器到左右两边墙上的检波器的距离相同。

在一些实施例中，在信号两边墙上布置有固定块，并将检波器放置于固定块侧面，正对着横波的传播方向，由此，可以有效的接收横波，并减少纵波的接收。

具体示例请参阅上述方法示例，在此不再一一赘述。

本申请实施例通过敲击件对隧道两边墙的多个震源点进行锤击，激发地震波信号，并布设一系列的震源点和检波器，基于检波器接收自震源点发出的地震波信号经隧道岩体反馈的横波信号，利用横波信号对地质异常区域的高分辨率和对液体的高敏感度，从而可以得到准确的探测结果，较好的反应隧道岩体的地质异常情况。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统可以通过其他的方式实现。以上所描述的方法和系统实施例仅仅是示意性的。

本申请实施例中记载的一种地质探测方法和系统只以本申请所述实施例为例，但不仅限于此，只要涉及到该地质探测方法和系统均在本申请的保护范围。

应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。