基于跨超前水平钻孔地震CT的超前地质预报方法及系统

技术领域

本发明属于隧道超前地质预报技术领域，尤其涉及一种基于跨超前水平钻孔地震CT的超前地质预报方法及系统。

背景技术

目前，国内外常用的隧道超前地质预报方法如地震波反射法、地质雷达法、时域瞬变电磁法等均是在已开挖面布置观测系统，其预报精度会随探测距离的增加而衰减。跨孔地震CT技术是基于介质间弹性波速差异探测识别异常区域的高新探测技术，是现代地震数字观测技术与计算机技术结合的产物，其优点是分辨率高，可实现对地层结构和目标体的精细探测。该技术在工程勘察领域(如工程线路、场地、边坡、隧道、桥梁桩基等)以及可溶岩岩溶地层溶洞探测中得到广泛应用，并取得了良好的效果。但常规的跨孔地震CT技术的应用通常基于竖直孔，如果在水平孔里应用该技术，就可以实现对隧道掌子面前方地质情况的精准化预报。

现有技术存在的问题及缺陷为：1、常用的超前地质预报方法均是在已开挖面布置观测系统，其预报精度会随探测距离的增加而衰减，无法满足精细化探测要求。2、常规的跨孔地震CT技术的应用通常基于竖直孔，被应用于地表竖直方向的地质情况探测，而隧道开挖前需要探测掌子面前方即水平方向的地质情况，因此常规的跨孔地震CT技术无法被应用于对隧道掌子面前方地质情况的探测中。

解决以上问题及缺陷的难度为：一直以来，跨孔地震CT技术均是在竖直孔中实现，本方法首次将跨孔地震CT技术在隧道超前水平钻孔中实现，需要解决掌子面超前水平钻孔的固孔以及激发和接收装置与孔壁围岩的耦合方式问题。

解决以上问题及缺陷的意义为：目前常用的隧道超前地质预报方法无法满足精细化探测要求，而跨孔地震CT技术可以满足精细化探测要求，却没有被应用于隧道超前地质预报中，本方法将二者有机结合，实现对隧道掌子面前方地质情况的精准化预报，保障隧道施工安全。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于跨超前水平钻孔地震CT的超前地质预报方法及系统。

本发明是这样实现的，一种基于跨超前水平钻孔地震CT的超前地质预报方法，所述基于跨超前水平钻孔地震CT的超前地质预报方法，包括：

步骤一，在隧道掌子面靠左右边墙处水平方向以一定外插角各打一个地震波激发孔和接收孔，然后分别向孔中输送套管进行固孔以防止数据采集过程中塌孔；

步骤二，在激发孔中布置R个震源点，在接收孔中布置R个接收点。常规情况下，如图8所示，采用“矩形对穿”方式进行数据采集，即第R个震源点激发地震波，相对应的第R个接收点接收地震记录，形成1×1的矩形对穿。具体实现过程如下：首先将电火花震源置于第R个震源点位置，将带有R个接收点的检波器线缆置于接收孔内，将激发孔和接收孔灌满水以保证震源和接收器与孔壁的良好耦合，然后用电火花震源在第R个震源点位置激发地震波，相应的第R个检波器接收并记录；依次改变震源位置并重复上述步骤，直至R个震源点全部激发地震波。如果探测到前方异常情况，如图9所示，加密测点，采用“扇形对穿”方式进行数据采集，即每个震源点激发的地震波都对应有R道接收，形成R×R的扇形对穿。该步骤是数据采集的关键，必须保证接收器采集到有效、准确的地震波记录。

步骤三，通过控制震源点和接收点的数量、炮间距以及道间距来控制探测长度和精度。在探测长度固定的条件下，震源点和接收点的数量越多(即R越大)，探测精度越高。

进一步，所述步骤一中，各打一个超前水平钻孔分别为：一孔布置R个震源点，另一孔布置R个接收点。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述基于跨超前水平钻孔地震CT的超前地质预报方法的基于跨超前水平钻孔地震CT的超前地质预报系统，所述基于跨超前水平钻孔地震CT的超前地质预报系统中未开挖段落隧道和已开挖段落之间设置有掌子面，隧道掌子面靠左右边墙处以一定外插角，各打一个地震波激发孔和接收孔。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

跨超前水平钻孔地震CT技术分辨率高，可实现对隧道开挖掌子面前方地质情况的高精度探测，准确预报异常地质情况，保障隧道施工安全。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于跨超前水平钻孔地震CT的超前地质预报方法流程图。

图2是本发明实施例提供的基于跨超前水平钻孔地震CT的超前地质预报系统结构示意图。

图中：1、未开挖段落隧道；2已开挖段落；3、掌子面；4、激发点；5、接受点。

图3是本发明实施例提供的等时面族与射线族关系图。

图4是本发明实施例提供的时间梯度和视速度示意图。

图5是本发明实施例提供的地层速度模型示意图；图中(a)均质地层；(b)含蚀变带地层。

图6是本发明实施例提供的地震波射线路径；图中：(a)均质地层；(b)含蚀变带地层。

图7是本发明实施例提供的地震记录示意图；图中：(a)均质地层；(b)含蚀变带地层。

图8是本发明实施例提供的1×1矩形对穿数据采集方式示意图。

图9是本发明实施例提供的R×R扇形对穿数据采集方式示意图。

图10是本发明实施例提供的基于跨超前水平钻孔地震CT的超前地质预报方法的实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，本发明需要强调的是，用电磁CT替换地震CT同样可以达到对掌子面前方地质情况的精细探测，并且电磁CT在现场实施起来更加便捷。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于跨超前水平钻孔地震CT的超前地质预报方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于跨超前水平钻孔地震CT的超前地质预报方法，包括：

S101：在隧道掌子面靠左右边墙处以一定外插角，各打一个地震波激发孔和接收孔；

S102：常规情况下，采用“矩形对穿”方式进行数据采集，即第R个震源点激发地震波，相对应的第R个接收点接收地震记录，形成1×1的矩形对穿；

S103：前方探测到异常情况下，加密测点，采用“扇形对穿”方式进行数据采集，即每个震源点激发的地震波都对应有R道接收，形成R×R的扇形对穿；

S104：通过控制震源点和接收点的数量、炮间距以及道间距来控制探测长度和精度。

本发明提供的基于跨超前水平钻孔地震CT的超前地质预报方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的基于跨超前水平钻孔地震CT的超前地质预报方法仅仅是一个具体实施例而已。

本发明实施例提供的S101中，各打一个超前水平钻孔分别为：一孔布置R个震源点，另一孔布置R个接收点。

如图2所示，本发明实施例提供的基于跨超前水平钻孔地震CT的超前地质预报系统中未开挖段落隧道1和已开挖段落2之间设置有掌子面3，隧道掌子面靠左右边墙处以一定外插角，各打一个地震波激发孔和接收孔。

下面结合实验对本发明的技术效果作详细的描述。

一、射线方程

由场论知识可知，所有场都可以用等值面表示，也可以用力线表示，时间场也不例外。而在时间场中，等时面代表着等值面，射线代表着力线。由于场的梯度方向就是力线的走向，所以时间场的梯度方向也就是射线的方向。时间场中的等时面族与射线组成的射线族是互相垂直的(见图3)。

本发明实际观测到的地震波速往往不是真速度v，而是视速度v

e为波实际传播方向SP与实际观测方向SP，的夹角，(1)式表达了视速度与真速度的关系，称之为视速度定理。根据视速度定理，在ΔS’趋于零的极限条件下，那么视速度就可以用微分的形式表示为：

假设波前法线方向的三个方向余弦分别为cosα、cosβ、cosγ，设沿坐标轴观测的视速度分别为v

则根据视速度定理有：

其中，p称为折射率，是速度的倒数，也称为慢度。又因：

因此，由(3)式可得：

方程(4)即为用折射率(慢度)表示的射线方程。如果已知介质中速度的空间分布和初始条件(在初始时刻射线的出发点及角度)，解此方程便可以得到任何时刻射线终点所在的空间位置。

二、射线旅行时计算

建立地质模型并离散成数个网格，则射线的旅行时可由如下公式算出：

其中t

三、数值模拟

3.1观测系统

如图2所示，在掌子面靠左右边墙处以一定外插角(10度左右)各打一个超前水平钻孔，孔深50米。其中一孔布置24个激发点，炮间距为2米；另一孔布置24个接收点，道间距为2米。

3.2地层速度模型

根据某隧道地层岩性分别建立均质花岗岩地层和含有蚀变带的花岗岩地层(见图5)。地层速度模型尺寸：30m×30m×120m，隧道直径为10m，蚀变带厚度为5m，与隧道轴线夹角71。。由现场弹性波法测试得出均质花岗岩纵波波速约为4000m/s，蚀变带纵波波速为约为1600m/s。

3.3模拟结果分析

如图6所示，在24发24收的观测系统下，共576条地震波射线对掌子面前方约50米长的地层段落进行高精度扫描。地震波旅行时数据见表1。选用第10炮地震波旅行时数据与零相位雷克子波合成地震波形记录(见图7)，子波频率为10Hz。两种模型分析如下：

(1)地震波传播路径分析：在均质模型中，地震波射线沿直线(最小走时)传播；而在含蚀变带模型中，由于蚀变带与围岩波速相差较大，因此地震波射线在经过蚀变带时会发生弯曲。

(2)波场响应特征分析：均质模型的地震波记录是连续光滑的曲线，而含蚀变带模型的地震波记录同相轴发生错断，并且错断后的地震波旅行时要比均质模型中长。

表1均质模型地震波走时数据

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。