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三维成像隧道地质超前预报关键技术与应用
发布时间:2020-09-04
 

隧道工程

 

超前预报

 

 
 
 
 

伴随着大量隧道工程的建设,地质超前预报作为隧道施工中的一个重要环节,发挥着越来越重要的作用。隧道地质超前预报技术能够从时间和距离上提前了解隧道围岩地质情况,对后续施工提供可靠的指导,减少施工的盲目性,降低施工风险。

 
 
 

 

 

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隧道地质超前预报技术

基于bet波(弹性波)法的隧道地质超前预报技术一种多波多分量bet反射勘探的地球物理方法。因其具有探测距离大精度高等优点,是目前应用广泛且较为有效的方法之一。




隧道地质超前预报技术的现场测试过程,是在隧道左、右边墙各设多个震源点,然后用人工锤击方式激发bet波(若使用炸药震源,可提高探测长度),bet波在岩石中以球面波形式传播,当遇到岩石物性界面(即波阻抗差异界面,例如断层、岩石破碎带和岩性变化等)时,一部分bet信号反射或散射回来,另一部分信号折射进入前方介质。反射回来的bet波将由高灵敏度的bet检波器接收,这部分信号就是隧道三维成像超前地质预报野外采集的原始数据。

bet波法探测原理如上图所示,根据反射信号旅行时间和传播速度(图中斜率为负、又称负速度),可探测掌子面前方地质围岩变化情况及灾害体的分布、性质,对水文地质和断层及其破碎带等各类地质隐患准确预报;同时根据反射信号传播速度可测算出超前地质预报范围段内的岩体波速,为判定围岩级别提供重要依据。

 

 

 

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观测系统与信号去噪

 #1观测系统

 
 

观测系统的设计主要基于三维成像基本原理和信号二维滤波基本要求。在隧道两侧边墙和拱顶布置3个接收点,既可保证三维空间信号采集精度,又能避免布设太多检波点所造成的繁琐。

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在掌子面后方确定一个隧道断面,断面到掌子面距离一般为35m(若使用炸药震源一般50m),断面左边墙与底面交点为坐标原点,坐标轴X方向指向掌子面。

 

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两侧边墙和拱顶接收点宜在同一个断面内,三个检波点所对应的采集器编号分别为①、②、③;检波器的X方向指掌子面,两侧边墙上的接收点与激发点应在同一平面上。根据现场条件,拱顶接收点③可在断面与掌子面之间,选择容易安放的点位布置。

 

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震源点沿左、右两边墙布置,距底面高度约1m;震源点距一般为1.5m,每条测线震源点数约为20~25个;偏移距根据震源类型确定,使用锤击震源偏移距一般为3m,使用炸药震源偏移距为15m。

a.两点接收成像结果图

b.三点接收成像结果图

在震源点激发的弹性波在传播过程中,遇到地质异常体产生的回波信号被采集器所接收,根据回波信号走时和岩体波速,可以计算出异常体到接收点之距离(a)。当布置一个接收点采集信号时,异常体位于以接收点为圆心、半径为a的球面上(其具体位置无法确定);如图上所示,当布置两个接收点采集信号时,异常体位于两个球面相交的圆弧上(其成像结果为圆弧);当根据观测系统要求布置三个接收点采集信号时,异常体位于三个球面相交的一个点上(异常体可准确定位)。

 

 

 #2信号二维滤波

 
 

早期的超前预报技术缺乏理论指导,普遍存在未考虑波场分离问题的缺陷。由于bet波场非常复杂,当激发一个bet波动之后,检波点会接收到来自各个方向的反射信号(或散射信号),如何在众多反射信号中提取来自掌子面前方的回波信号,是提高三维成像精度的关键技术之一,也是区别于常规bet反射法的关键技术所在。

观测系统之所以要求震源点在隧道两侧边墙等间距布置(通过多点激震采集多组信号),一方面可通过迭加算法提高信噪比;另一方面(更为重要的)是可以应用F-K二维滤波方法,滤除或保留不同视速度、不同频率的信号。如图4所示,具体应用时软件首先对实测信号进行预处理和共接收点道集编排(X/Y/Z),然后根据掌子面前方回波信号频谱和负速度值变化规律区间,应用F-K二维滤波功能,有效提取掌子面前方回波信号、压制其它干扰信号,为高精度成像提供数据基础。

 

 

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三维成像技术

绕射扫描偏移叠加是一种最早发展起来的射线偏移方法,是建立在射线理论的基础上,将反射波自动偏移归位到其空间真实位置上的一种方法。

这种方法的最大优点就是计算效率高。不足之处是假设地面上的bet勘探震源和检波器在一条测线上,不具有三维观测方式的特点,因此对接收到的bet波反射信号进行处理得到的结果是二维图像。

采用三维观测方式的隧道超前地质预报方法,震源和检波器呈空间分布,因此需要研发三维成像算法。共反射面元(CRS)叠加原理是利用多元函数的最优化方法找到反射面元所对应的一组最佳波场参数,使菲涅尔带内的反射信息能够得到同相叠加,扩大叠加的覆盖次数,借此增强有效信号的能量,突出弱反射波同相轴的能量和连续性、提高信噪比,适用于三维空间高精度成像。

a.观测系统图

b.成像结果图

基于bet波共反射面元叠加、绕射扫描偏移叠加和计算机三维绘图技术,实现了隧道三维成像数据建模和高精度、快速成像的方法。如图上所示,应用无线分布式三维成像隧道地质超前预报技术,其观测系统能够更为方便地选择探测区域位置和大小(长、宽、高);其成像结果图对不良地质体的空间定位更准确、精度更高、成果也更加直观。

 
 

在解决了上述关键技术问题的基础上,无线分布式三维成像隧道地质超前预报系统AGI-T3研制成功,并获得发明专利(ZL201310048090.7)。

AGI-T3

该系统主要由计算机终端、无线采集器、三分量检波器、无线信号触发计时器、锤击触发必威(或起爆机连接器)、信号采集处理和三维成像预报软件等组成。

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采集器轻便节能,四通道独立采样,超长待机。支持Wi-Fi无线数据传输,根据应用需求,信号触发可选择有线或无线等多种方式,实现无线分布式多测点同时采集。

 

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采用必威震动信号触发计时方式,一方面可有效解决触发延时所带来的计时误差,另一方面可根据探测距离要求,选择锤击或炸药不同激震方式。

 

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使用平板电脑(Win8/10)作为控制终端,操作方便快捷。同时承担实时信号采集、保存、数据处理、成果报告等一系列工作。

 

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基于无线采集器和无线触发器设计,信号采集完全实现了无线观测系统。一方面可提高探测工作效率;另一方面车辆可正常通过,保证了施工进度。

 

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MEMS三分量高灵敏度信号接收必威,对纵横波震动信号实现高分辨、高精度采集。