一种地-孔-洞联合精细探测方法与系统

技术领域

本发明属于隧道施工超前地质预报中的地震波法探测技术领域，具体涉及一种地-孔-洞联合精细探测方法与系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

隧道等地下工程建设对施工质量、效率及安全性的要求越来越高。与传统的钻爆法相比，掘进机施工具有机械化程度高、施工效率高等优势，隧道掘进机应用越来越广泛。但是城市地下工程建设面临复杂多变的地质条件，如果未能提前探明前方地质条件并预先处置，施工扰动下容易发生地面坍塌、地表建筑物倾覆、掘进机异常损坏等灾害，造成工期延误、恶劣环境影响和人员伤亡等等。因此，采用超前探测技术及时探明掘进面前方的不良地质体并制定合理的处理预案与施工方案，是避免隧道掘进机施工过程中灾害事故发生行之有效的方法。

近年来，地球物理超前预报方法在隧道掘进机施工隧道得到了越来越广泛的应用，其中地震波法因具有界面成像精度高、探测距离远等优点成为隧道掘进机施工隧道应用最为广泛的超前预报方法之一。将地震波法应用于隧道内部，需要对传统的地震波法进行改进，使其适应隧道建设的特殊环境。瑞典学者B.Brodic等提出利用地面和隧道观测方式，进行透射波初至层析成像，并对断裂带的位置进行了探测，但该方法存在缺点即只能获得隧道上部与地表之间的地层信息，对隧道掘进面前方的信息反应较差。20世纪70代初油气勘探开发领域引入了井间地震技术，即在一口井中激发，在另一口井或多口井中接收的地震勘探方法，该方法在地层地质构造探测方面计算效率高，但横向分辨率不足，异常体边界刻画能力较差。加尔彼林院士(1973)出版的专著《垂直地震剖面技术》，为VSP技术发展奠定了基础，该方法可以获得丰富的方位和炮检距信息，有效提高地层照明度，在纵向分辨率方面具有明显优势。山东大学提出将石油钻孔中的随钻地震技术引入到隧道超前预报中，利用掘进机破岩信号作为震源，同时在隧道内部和地表进行接收，形成地-洞联合探测方法，可以对掘进面前方较大范围的岩体地震波速成像。但是该方法仅能获取隧道掘进面前方不良地质的反射信息，只能获取和利用特定角度的不良地质信息，不利于全视域、多角度对目标区域不良地质的精准成像。以掘进机破岩震动作为震源可以在地表采集到较为丰富的面波信息，相比于地表主动源获取面波信号，掘进震源采集到的地震数据频带更宽、高阶模态更发育，因此可以获得更精确的地下结构信息。

综上，上述几种方法分别具有各自的优点和缺点。对此，将上述几种方法深入结合，利用地表、隧道以及钻孔，采集多视角、多波场地震信息，从多个角度对地下的孤石、岩溶等不良地质进行刻画，可以获得更加准确、高质量的地质情况。然而，由于城市地下隧道的特殊施工环境，目前尚无相关方法与技术。就目前的技术水平，将三种观测环境的数据进行融合与利用，实现隧道超前预报，存在着以下几个问题：

(1)多场域地震测量时间同步难：精准的时间测量是探测的重要基础和条件，综合利用地表、隧道以及钻孔多波场地震信息需要将三种条件下的采集时间精确同步，目前尚无相关应用条件下的时间同步系统；

(2)目标区不良地质响应观测难：受施工环境和观测空间限制，隧道内、地表、钻孔内部检波器多为一维布设，对不良地质的波场响应采集不完全，特定观测系统只能采集特定特征的波场响应；

(3)多视角波场数据波场分离难：城市地下隧道的施工环境比较复杂，采集的地震记录中耦合有大量的干扰噪声，压制了有效信息的识别，从多视角波场数据中提取有效信号存在一定的困难；

(4)多视角波场数据联合成像难：多视角波场的数据采集空间位置不同，数据反应的不良地质体波场特征也存在差异，面波与体波不能直接进行联合利用，当前针对多视角波场数据以及多种波场的联合应用研究较少，多波场数据联合成像方法尚不成熟。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种地-孔-洞联合精细探测方法与系统，本发明能够获得隧道掘进面前方不良地质体的分布情况，可以对掘进前方岩体质量等级进行预报并及时发现掘进面前方的不良地质体。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种地-孔-洞联合精细探测方法，包括以下步骤：

进行地-孔-洞联合的隧道掘进机破岩震源探测观测方式的布置并进行时间同步和空间定位；

待隧道掘进机开始工作，地-孔-洞的探测装置同步采集并存储信号；

待数据采集结束，将隧道掘进机掘进过程中各参数和接收台站阵列采集到的数据，并进行处理，获得隧道前方及周围区域的速度模型和地震剖面；

根据得到的速度模型、地震剖面，并结合开挖岩石强度指数的空间分布情况及地质钻孔资料，获知掘进机工作面前方及隧道周围岩体的地质情况，实现地质异常体的超前预报。

作为可选择的实施方式，进行地-孔-洞联合的隧道掘进机破岩震源探测观测方式的布置的具体过程包括：将破岩震源先导接收台站阵列安装在刀盘后方支撑板上，隧道接收台站阵列布置在隧道掘进机本体中部或隧道侧壁围岩上，地表接收台站阵列布置在隧道掘进机本体行进路线上方地表，以一定的道间距快速布设地表接收台站阵列，将远孔条件地质钻孔接收台站阵列、近孔条件地质钻孔接收台站阵列接通外接电源。

作为可选择的实施方式，在隧道掘进机停止工作时进行观测方式快速布置，或隧道掘进机工作时实现隧道接收台站阵列、地表接收台站阵列、远孔条件地质钻孔接收台站阵列、近孔条件地质钻孔接收台站阵列快速布置；在隧道掘进机停止工作时进行破岩震源先导接收台站阵列布置。

作为可选择的实施方式，地-孔-洞的探测装置同步采集的具体过程包括，当隧道掘进机的刀盘旋转切割岩石产生震动，刀盘破岩震动被安装在刀盘后方的破岩震源先导接收台站所接收，破岩震源同时激发地震波向掘进机工作面前方和隧道四周扩散，地震波遇到波阻抗界面后发生反射，被隧道接收台站、地表接收台站及埋置于波阻抗界面后方地质钻孔内的近孔条件地质钻孔接收台站所接收，同时在波阻抗界面处发生透射，被埋置于波阻抗界面前方地质钻孔内的远孔条件地质钻孔接收台站和地表接收台站所接收，破岩震源先导接收台站阵列、隧道接收台站、地表接收台站阵列、近孔条件地质钻孔和远孔条件地质钻孔接收台站阵列自动存储所接收的地震信号。

作为可选择的实施方式，地震记录联合处理方法包括：

对接收信号预处理；

进行近孔条件高分辨率提取；

进行远孔条件波场优化；

对地表接收台站阵列采集的数据进行面体波分离；

将震源信号与处理后的接收信号进行互相关和反褶积处理；

将观测系统的坐标进行导入，并进行自动初至拾取；

进行频谱分析及带通滤波；

进行道内均衡和道间均衡；

压制无效反射波，保留有效反射波，并进行纵横波分离；

进行面波频散曲线提取，频散能量图；

对于优化的远孔条件地质钻孔中采集数据以及地表面波数据频散曲线进行透射波-面波联合反演，采用联合反演的方法获得隧道掘进机工作面前方的速度模型；

利用联合反演得到的速度模型，采用逆时偏移成像，获得隧道掘进机工作面前方的地震剖面。

作为进一步的限定，所述透射波-面波联合反演的目标函数为：

其中，右式第一项为数据拟合项，d

作为进一步的限定，所述逆时偏移成像所采用分的速度模型为：

其中，d

一种地-孔-洞联合精细探测系统，包括破岩震源先导接收台站阵列、隧道接收台站阵列、地表接收台站阵列、远孔条件地质钻孔接收台站阵列、近孔条件地质钻孔接收台站阵列、时间同步系统和地震波数据处理仪器系统，其中：

所述破岩震源先导接收台站阵列位于隧道掘进机刀盘后方，隧道接收台站阵列安装于隧道掘进机中部本体或者隧道边墙围岩上，地表接收台站阵列位于隧道掘进面前方的地表，近孔条件、远孔条件地质钻孔接收台站阵列位于隧道掘进面前方不同距离地质钻孔内部；

所述时间同步系统用于将各台站接收阵列进行精确同步；

所述地震数据处理仪器系统用于接收存储各接收台站阵列的观测数据并进行快速处理。

所述破岩震源先导接收台站阵列位于隧道掘进机刀盘后方，记录掘进机刀盘旋转切割岩石产生的震动信号，先导接收台站阵列具有自动定位系统，自动记录其所在空间位置。

作为可选择的实施方式，所述隧道接收台站阵列安装于隧道掘进机本体或者隧道边墙围岩上，用于接收并储存刀盘破岩震动在地层中传播时遇到不良地质体后反射到隧道边墙的地震信号，隧道接收台站阵列位于隧道两侧，呈线性排列。

作为可选择的实施方式，所述地表接收台站阵列位于隧道掘进面前方的地表，包括多台地表地表接收台站，每个接收台站均为三分量接收台站，用于接收隧道掘进机破岩震动作为震源产生的地震波经波阻抗界面后产生的反射波、透射波信号，以及地震波传播到地表后产生的面波信号。

作为可选择的实施方式，所述近孔条件地质钻孔接收台站阵列位于隧道掘进面前方，用于接收并储存刀盘破岩震动在地层中传播时遇到不良地质体后反射到地质钻孔的地震信号，近孔条件地质钻孔接收台站呈线性排列。

作为可选择的实施方式，所述远孔条件地质钻孔接收台站阵列位于隧道掘进面前方，用于接收并储存刀盘破岩震动在地层中传播时遇到不良地质体后透射到地质钻孔的地震信号，远孔条件地质钻孔接收台站呈线性排列。

作为可选择的实施方式，各接收台站阵列均配置时间同步系统，所述时间同步系统通过GPS信号统一各接收台站阵列的时间。

作为可选择的实施方式，各接收台站阵列的数据均传输给地震波数据处理仪器系统，所述地震波数据处理仪器系统被配置为对隧道及地表采集的破岩震动、噪声信息进行联合处理，获得隧道前方及周围区域的地震剖面。

作为可选择的实施方式，所述破岩震源先导接收台站，具体包括破岩震源先导接收台站与支撑板，破岩震源先导接收台站通过支撑板固定在刀盘后方的护盾上。

作为可选择的实施方式，所述隧道接收台站阵列包括多台隧道接收台站，依次固定于掘进机本体的中部或隧道边墙围岩上，每个隧道接收台站均包括三分量接收台站和固定装置，所述三分量接收台站通过固定装置固定在隧道掘进机或隧道围岩上。

作为可选择的实施方式，所述隧道接收台站阵列，包括两组分别位于掘进机两侧的隧道接收台站，每组隧道接收台站距离掘进面一定的距离，且两组隧道接收台站之间具有一定的间距。

作为可选择的实施方式，所述地表接收台站阵列，包括多个接收台站，依次分布于所述隧道掘进机本体的行进路线上。

作为可选择的实施方式，时间同步系统包括多台时间同步主机，分别与破岩震源先导接收台站阵列、地表接收台站阵列、隧道接收台站阵列、远孔条件地质钻孔接收台站阵列和近孔条件地质钻孔接收台站阵列相连接。

作为可选择的实施方式，各接收台站均具有自动定位系统。

作为可选择的实施方式，远孔条件地质钻孔接收台站阵列、近孔条件地质钻孔接收台站阵列在地质钻孔开挖后预先埋置于地质钻孔内部，并将钻孔填充使检波器与周围介质紧密接触。

作为可选择的实施方式，破岩震源先导接收台站阵列、地表接收台站阵列、隧道接收台站阵列各台站阵列均设置内置电池，远孔条件地质钻孔接收台站阵列、近孔条件地质钻孔接收台站阵列设置外接电源，以实现长时间采集。

本发明在隧道掘进机停止工作或者进行工作时，进行观测系统的快速布置，通过多空间位置组合进行多角度观测。在隧道掘进机掘进过程中，刀盘破岩震动被安装在刀盘后方的破岩震源先导接收台站所接收，破岩震源同时激发地震波向掘进机工作面前方和隧道四周扩散，地震波遇到波阻抗界面后发生反射，被隧道接收台站、地表接收台站及埋置于波阻抗界面后方地质钻孔内的近孔条件地质钻孔接收台站所接收，同时在波阻抗界面处发生透射，被埋置于波阻抗界面前方地质钻孔内的远孔条件地质钻孔接收台站和地表接收台站所接收。

上述信号实时传输给地震波数据处理仪器系统进行实时处理，针对于隧道预报的特殊情况，针对不同的接收台站阵列采用与其波长特征相适应的处理方法，对近孔条件地质钻孔进行基于时变子波的盲反褶积处理，对远孔条件地质钻孔进行基于一致性反褶积及振幅补偿的波场优化，将地表数据进行面体分离，再通过将破岩震源先导接收台站采集的震源信号与其余接收台站采集并去噪后的信号进行信号干涉，恢复波场信号，然后利用基于交叉梯度的“透射波-面波”联合反演获得波速反演结果，并在此基础上进行逆时偏移，生成隧道掘进机前方地震剖面，对钻进前方岩体质量做出较精确评估。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明利用隧道掘进机破岩震动进行超前地质探测，安全可靠且不影响隧道的正常工作施工，利用多角度地震观测方式，地震波接收台站为地震波接收传感器，布置在地表、隧道侧面以及地质钻孔，实现隧道随钻地震方法的实施与应用，通过联合利用透射波、反射波和面波进行交叉梯度反演、逆时偏移成像，从广度(探测范围)和精确度上，对掘进面前方不良地质体进行全空间探测，并且对隧道掘进面前方全空间岩体质量进行评价；

(2)特别适用于“观测空间狭小、探测时间紧促”的施工隧道，解决一孔之见的问题，防止误报漏报现象的发生；

(3)采用多种观测系统，从多视角采集地震波，获得丰富多样的波场信息，利用各种波场特点进行超前探测；

(4)针对不同的波场特征进行特殊的数据处理，能够有效提高观测数据的信噪比，获得更加真实可靠的超前预报结果；

(5)不同波场对地层信息的敏感程度不同，地-孔-洞联合探测可以采集多种数据，其中近孔条件下地质钻孔和地表采集的反射波信息对不良地质体的界面信息较为敏感，远孔条件下地质钻孔和地表采集的透射波走时对地层速度变化比较敏感，可对不良地质体进行空间精确定位，实现掘进面前方精准探测，且通过地表数据可实现宏观探测，提前获知沿线地质情况，指导掘进施工；

(6)采用隧道掘进机刀盘破岩震动作为震源，可以获得频带较宽、高阶频散曲线发育较为完全的面波数据，实现更高精度的反演成像。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1隧道施工地-孔-洞联合精细探测系统示意图；

图2基于隧道施工地-孔-洞联合精细探测的工作状态示意图；

图3基于隧道施工地-孔-洞联合精细探测的数据处理流程图。

其中，1.隧道掘进机刀盘，2.三分量地震台站，3.破岩震源先导接收台站阵列，4.隧道接收台站阵列，5.地表接收台站阵列，6.近孔条件地质钻孔接收台站阵列，7.远孔条件地质钻孔接收台站阵列，8.时间同步系统，9.地震波数据处理仪器系统。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示为隧道施工地-孔-洞联合精细探测系统示意图，图2为基于隧道施工地-孔-洞联合精细探测的工作状态示意图。

如图1所示，隧道施工地-孔-洞联合精细探测系统，主要包括破岩震源先导接收台站阵列3、隧道接收台站阵列4、地表接收台站阵列5、近孔条件地质钻孔接收台站阵列6、远孔条件地质钻孔接收台站阵列7、时间同步系统8和地震波数据处理仪器系统9。

如图2所示，作为典型实施方式，破岩震源先导接收台站阵列3设置在隧道掘进机本体的刀盘1后方，用于接收刀盘1旋转切割岩石产生的震动，先导接收台站带有自动定位系统，可以存储其空间位置。隧道接收台站阵列4布置在掘进机本体中部或隧道侧壁围岩上，接收存储刀盘破岩震动在地层中传播时遇到不良地质体后反射到隧道壁的地震信号。地表接收台站阵列5安装在隧道工作面前方上地表，用于接收并存储刀盘1破岩震动在地层中传播时遇到不良地质体后反射、透射到地表的地震信号，并可以接收保存刀盘破岩震动产生的面波以及地表的环境噪声。地质钻孔接收台站阵列设置在隧道掘进机前方地质钻孔内，近孔条件地质钻孔接收台站阵列6、远孔条件地质钻孔接收台站阵列7安装在掘进面前方不同距离的地质钻孔内部，近孔条件地质钻孔接收台站阵列6用于接收并存储刀盘1破岩震动在地层中传播时遇到不良地质体后反射到地质钻孔的地震信号，远孔条件地质钻孔接收台站阵列7用于接收并存储刀盘1破岩震动在地层中传播时遇到不良地质体后透射到地质钻孔的地震信号。各接收台站阵列布置完成之后，开启时间同步系统8，将各台站接收阵列进行时间同一。地震波数据处理仪器系统9，导入破岩震源先导接收台站3、隧道接收台站阵列4、地表接收台站阵列5、近孔条件地质钻孔台站阵列6和远孔条件地质钻孔台站阵列7所接收并存储的地震数据，实现快速自动处理，获得隧道前方及周围区域的地震剖面。

在不同的实施例中，破岩震源先导接收台站阵列位于隧道掘进机刀盘后方，记录掘进机刀盘旋转切割岩石产生的震动信号，先导接收台站阵列具有自动定位系统，可以自动记录其所在空间位置。

隧道接收台站阵列安装于隧道掘进机本体或者隧道边墙围岩上，用于接收并储存刀盘破岩震动在地层中传播时遇到不良地质体后反射到隧道边墙的地震信号，隧道接收台站阵列位于隧道两侧，呈线性排列。

地表接收台站阵列位于隧道掘进面前方的地表，包括多台地表接收台站，地表接收台站可以布置为线形、方形、圆形等多种形式，每个接收台站均为三分量接收台站，用于接收隧道掘进机破岩震动作为震源产生的地震波经波阻抗界面后产生的反射波、透射波信号，以及地震波传播到地表后产生的面波信号。

近孔条件地质钻孔接收台站阵列位于隧道掘进面前方，用于接收并储存刀盘破岩震动在地层中传播时遇到不良地质体后反射到地质钻孔的地震信号，近孔条件地质钻孔接收台站呈线性排列。

远孔条件地质钻孔接收台站阵列位于隧道掘进面前方，用于接收并储存刀盘破岩震动在地层中传播时遇到不良地质体后透射到地质钻孔的地震信号，远孔条件地质钻孔接收台站呈线性排列。

各接收台站阵列均配置时间同步系统，所述时间同步系统通过GPS信号统一各接收台站阵列的时间。

各接收台站阵列的数据均传输给地震波数据处理仪器系统，所述地震波数据处理仪器系统被配置为对隧道及地表采集的破岩震动、噪声信息进行联合处理，获得隧道前方及周围区域的地震剖面。

需要注意的是，在本领域中，各接收台站阵列包括若干一列接收台站，包含了只有一列接收台站的情况，各接收台站为三分量检波器。

隧道施工地-孔-洞联合精细探测的数据处理过程包括，隧道施工地-孔-洞联合探测数据的有效信号提取，对信号进行交叉梯度联合反演，获得掘进面前方的横波速度模型，利用联合反演得到的速度模型，采用逆时偏移成像，通过互相关成像条件，获得隧道掘进机工作面前方的地震剖面。

首先，进行探测前，进行地-孔-洞联合的隧道掘进机破岩震源探测观测方式的快速布置。在本实施例中，在隧道边墙围岩上进行隧道接收台站阵列4的布置，6台接收台站组成隧道接收台站阵列，道间距5米。在掘进机工作面前方上地表进行地表接收台站阵列5的布置，40台地表接收台站组成地表接收台站阵列，以2m道间距快速布设地表接收台站阵列，且地表接收台站设置自动定位系统，自动存储定位。在掘进面前方处于远孔条件和近孔条件地质钻孔内进行地质钻孔接收台站阵列6和7的布置，30台地质钻孔内接收台站分别埋置于近孔条件和远孔条件钻孔内，使接收台站与地层介质紧密接触，并设置自动定位系统，自动储存定位。各接收台站阵列布置完成后打开时间同步系统8进行时间同步。

当隧道掘进机开始工作时，掘进机刀盘1旋转切割岩石产生震动，刀盘破岩震动被安装在刀盘1后方的破岩震源先导接收台站3所接收，破岩震源同时激发地震波向掘进机工作面前方和隧道四周扩散，地震波遇到波阻抗界面后发生反射，被隧道接收台站阵列4、地表接收台站5和埋置于波阻抗界面后方的近孔条件地质钻孔内的地质钻孔接收台站6所接收，同时地震波在波阻抗界面发生透射，透射波被地表接收台站5和埋置于波阻抗界面前方远孔条件下地质钻孔内的地质钻孔接收台站7所接收，地表接收台站阵列也在接收由刀盘破岩震源产生的面波和地表的环境噪声。上述破岩震源先导接收台站阵列3、隧道接收台站阵列4、地表接收台站阵列5、近孔条件地质钻孔接收台站阵列6和远孔条件地质钻孔台站接收阵列7所记录的信息传输给地震波数据处理仪器系统9进行自动联合处理。

如图3所示，地震记录联合处理流程包括：

(1)接收信号预处理：

通过带通滤波的方法，将破岩震源先导接收台站、地质钻孔接收台站、地表接收台站和隧道接收台站接收到信号中的仪器噪声去除掉，保证采集到的地震数据质量；

(2)接收信号定点噪声去噪：

结合破岩震源先导接收台站接收到的信号，利用谱减法，将隧道接收台站与地表接收台站接收到的地震信号中的强干扰噪声进行衰减，以分离得到有效的地震信号；

其中，

(3)近孔条件体波信息提取：

针对地表和近孔条件钻孔内恢复反射波场受传播距离影响及子波形态变化较大、差异明显的问题，进行基于时变子波的盲反褶积方法，实现高分辨率数据提取，首先将去噪处理后的近孔条件地质钻孔接收到的信号进行广义S变换得到地震记录时频谱，然后对经谱模拟得到的时频子波振幅谱进行反傅里叶变换得到时变子波并进行盲反褶积，提高数据分辨率；

(4)远孔条件波场优化：

远孔条件观测数据质量较差，地震记录主频低、带宽窄，远距离能量衰减严重，综合炮点、检波点、偏移距等因素，首先将去噪处理后的远孔条件下的地质钻孔接收到的信号通过基于一致性反褶积进行频率补偿，之后通过基于反Q滤波进行振幅补偿，提高观测数据的分辨率；

(5)面体分离：

地表接收台站阵列采集的数据同时包含刀盘破岩震源产生的地震波、面波和背景噪声，需要进行面体分离，实现对采集数据的充分利用；

(6)破岩信号干涉：

震源信号与经过去噪处理后的接收信号进行互相关和反褶积处理，能够进一步衰减不相干噪声，并把破岩震动信号压缩成等效脉冲信号，实现非常规破岩震源的干涉，完成非常规破岩震源地震记录到常规震源地震记录的转化；

(7)观测系统导入及初至拾取：

将破岩震源接收台站阵列、隧道接收台站阵列、地质钻孔内接收台站阵列和地表接收台站阵列的相对坐标进行导入，利用自动初至拾取方法对地震记录中初至波抵达地质钻孔内及地表的接收时刻进行拾取，并且利用其相对距离及初至波抵达时刻计算波速；

(8)频谱分析及带通滤波：

将时间域的地震记录通过傅里叶变换变换到频率域，通过带通滤波将不同频带的噪声信号进行去除，保留有效反射波的频带，最后将频率域的地震记录通过傅里叶反变换变换到时间域，提高地震记录的信噪比；

(9)道集均衡：

包括道内均衡和道间均衡步骤。道内均衡是压缩各道中浅层能量较强的波、增大深部能量较弱的波，使浅层和深层地震波的振幅控制在一定的动态范围内；道间均衡主要是为了消除不同震源点激发能量差异，使得反射波振幅不受激发条件的影响，而只是反映地质构造情况；

(10)有效信号提取及纵横波分离：

采用f-k和τ-p联合滤波压制干扰波以及掘进机工作面后方的无效反射波，同时将直达波进行切除，仅保留来自掘进机工作面前方和侧面来的有效反射波并自动提取，并且在f-k域或τ-p域将三分量地震记录中P波、SH波和SV波分离开来，便于进行下一步的偏移成像和地质解释；

(11)面波频散曲线提取：

采用频率-贝塞尔变换法将体波去除后的地震记录变换到f-v域，获得频散能量图，在频散能量图中提取多模态频散曲线；

(12)基于交叉梯度的“透射波-面波”联合反演：

将进行了波场优化的远孔条件地质钻孔中采集数据以及地表面波数据频散曲线导入并进行“透射波-面波”联合反演，采用联合反演的方法获得隧道掘进机工作面前方的速度模型；

“透射波-面波”交叉梯度联合反演目标函数为：

Φ＝∑||W

其中，右式第一项为数据拟合项，d

(13)逆时偏移成像：

利用联合反演得到的速度模型，采用逆时偏移成像，通过互相关成像条件，获得隧道掘进机工作面前方的地震剖面；

逆时偏移所采用分的速度模型为：

其中，d

互相关成像条件为：

其中，I(x，y，z)表示成像结果，S(x，y，z，t)表示震源波场，R(x，y，z，t)表示检波器波场，T为偏移总时长。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。