一种隧道掌子面正前方散射体的地震探测方法与流程

本发明涉及一种隧道掌子面正前方散射体的地震探测方法，属于地震探测。

背景技术：

1、隧道开挖过程中，掌子面前方地质情况的准确探查一直是一个研究难点。复杂的地质条件，包括地层变化、岩层断裂、岩溶洞穴等，这些因素都可能对隧道开挖过程中的工程安全性产生影响。如不能准确地获取掌子面正前方的地质条件而盲目施工时，则可能导致地下水突出或者盾构机陷入溶洞中，极易引发工程停滞、延误等，从而导致工程成本增加。因此，隧道开挖过程中对掌子面前方地震异常进行探查是非常必要的，可以提高施工安全性、效率，减少因地质因素引起的不必要停工和调整。

2、针对tbm(即全断面硬岩隧道掘进机)在隧道施工技术中现存在的地质预报技术，比如超前钻探类，地震反射类，直流电法类，电磁类等。上述这些方式均能达到一定的超前探测作用，但是受复杂的施工环境干扰、观测孔径有限等方面的影响，上述方法的准确性仍然有待提高。其中地震反射类方法具备高分辨率成像的优势，地震波的超前探测技术的基本原理是：利用地震波在波阻抗界面处产生的反演、散射波形，使用高灵敏度的信号检波器接收反射的地震信号，进行掌子面前方波阻抗成像。针对低信噪比的地震信号，如何快速有效地识别出来自掌子面正前方的散射体，并开展精准成像是本行业亟需解决的技术问题之一。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种隧道掌子面正前方散射体的地震探测方法，快速有效地识别出来自掌子面正前方的散射体产生的散射波，并开展精准成像，从而精准确定掌子面正前方散射体的位置。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种隧道掌子面正前方散射体的地震探测方法，具体步骤为：

3、步骤一、在掌子面后方已挖掘的隧道内，沿着隧道走向在隧道壁上至少布设一排检波器，且各个检波器均与地震采集仪连接，组成地震观测系统；在掌子面和检波器之间设置主动震源，用于激发产生地震波；地震观测系统持续采集地震数据；

4、步骤二、根据步骤一采集的地震数据，先计算得出各个检波器接收掌子面正前方散射体产生的散射波到时和直达波到时，接着获取直达波在不同检波器上的到时时差，将每一检波器的直达波数据矫正至自激自收叠加剖面，则位于掌子面正前方散射体产生的散射波也会相应地矫正至为水平方向；

5、步骤三、对矫正后剖面进行方向滤波，保留具备水平特征的反射轴，降低其他方向散射波的影响，最后开展同向叠加形成叠加剖面；

6、步骤四、最后，依据地层测试的速度，利用叠加各个检波器的散射波到时，能计算出掌子面正前方散射体与最靠近掌子面检波器之间的距离，进而实现对掌子面正前方散射体的位置探测；

7、步骤五、若叠加剖面上存在多个不同时刻的散射波，说明掌子面前方存在多个散射体，则对每个散射波均分别重复步骤二至四，从而计算得出各个散射体与最靠近掌子面检波器之间的距离，进而实现对掌子面前方不同散射体的位置探测。

8、进一步，所述步骤一中在隧道内布设两排检波器，并且在每排检波器与掌子面之间的隧道壁上均布设主动震源，两个主动震源交替激发，两排检波器分别接收每次震源产生的地震数据，并分别计算掌子面正前方散射体的位置，最后取两者的平均值作为掌子面正前方散射体的最终位置。这种方式当探测距离远大于隧道直径时，两排探测得到的掌子面正前方散射体位置能相互佐证与验证，最终得到更为精确的位置。

9、进一步，所述步骤一中主动震源采用多次激发叠加的方式产生多次震动波，从而提高接收地震数据的信噪比。

10、进一步，所述步骤二具体为：

11、①、采集的地震数据包括直达波和散射波，从等效射线的角度出发，其中直达波满足如下的方程：

12、

13、其中，i表示各个检波器与震源之间依次远离的编号，ti为直达波传至第i个检波器的到时，v1表示震源与第一个检波器之间的直达波等效速度，vi表示震源与其余检波器之间的直达波等效速度，δx表示检波器间距，offset表示震源距离第一个检波器距离；

14、②、在空间中位于该排检波器前后三维空间中任意散射体散射波在检波器的到时方程为：

15、

16、其中，表示震源激发后经过散射体传至第i个检波器的到时，表示从散射体传至各个检波器路径的等效速度，δx表示检波器间距，t0表示震源激发后传至散射体的时间，h表示散射体和排列组成平面的垂线距离，x0表示散射体垂线和该排检波器延长线形成的交点与第一个检波器之间的距离；其中公式中的正负号与垂线交点和第一个检波器的相对位置关系相关；

17、③、对比上述散射波方程，如果异常体位于观测系统排列的前方延长线上，即掌子面的正前方，即h趋于0，则ti退化为

18、

19、其中，表示掌子面前方的等效速度；此时x0表示散射体与第一个检波器之间的距离；基于上述公式，来自掌子面正前方的散射体，由于沿着线性传播，其散射时间与直达波有着相似的时间差异，即存在线性关系；而位于非正前方的散射体，在各个检波器上表现出双曲线的特征；根据该特性能从地震数据波形中提取出掌子面正前方散射体产生的散射波数据；

20、④、将上述掌子面正前方散射体产生的散射波到时与直达波到时作差，得到：

21、

22、从计算结果能得出，对处于掌子面正前方的散射波而言，在不同检波器处的接收时间完全一致；

23、基于上述原理，采集的地震数据，只需依据直达波在不同检波器上的时差，获取直达波在不同检波器上的到时时差，将每一检波器的直达波数据矫正至自激自收叠加剖面，则位于掌子面正前方散射体产生的散射波也会相应地矫正至为水平方向，而位于空间其他方向的散射波不会矫正至水平方向。

24、进一步，所述步骤三采用如下方式替代：对于矫正后剖面，直接开展水平叠压形成叠加剖面，能在一定程度压制其他方向的散射波；若在这种情况下出现拖尾现象，则据此判定为非掌子面正前方散射体所产生的散射波，并删除该散射波数据。

25、进一步，所述步骤四中计算出掌子面正前方散射体与最靠近掌子面检波器之间的距离，即与第一个检波器之间的距离，具体公式为：

26、

27、式中，offset表示震源距离第一个检波器距离，表示掌子面前方的等效速度，x0表示散射体与第一个检波器之间的距离，表示震源激发后经过散射体传至第i个检波器的到时，ti为直达波传至第i个检波器的到时，由于线性关系，任意一组检波器均能得到相同的x0。

28、上述计算中，速度参数可以选择纵波或者横波，并且本方法计算的时差是相对时差，可以采用波形的最大时刻作差，从而有效地降低初至到时读取的误差，提高计算效率和精度。

29、进一步，所述步骤五还包括在实现对掌子面前方不同散射体的位置探测同时，计算几何扩散补偿后的波形振幅信息(三维空间下地震振幅衰减与传播距离成反比)，用以描述散射系数强度，进而作为判定散射体属性的依据。

30、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

31、1、本发明布设方便，仅需在已掘进隧道内布设至少一排检波器即可组成地震观测系统，并且只需要在同一震源位置进行数次主动激发产生地震波，即可实现对掌子面正前方散射体(即异常体)位置的探测，不仅施工简单且能有效提升数据的信噪比。

32、2、本发明的发明人研究发现来自掌子面正前方的散射体，由于沿着线性传播，其散射时间与直达波有着相似的时间差异，即存在线性关系；然而，位于非正前方的散射体，在各个检波器上表现出双曲线的特征；根据该特性能从地震数据波形中区分出掌子面正前方和非正前方的地震散射波，并且利用叠加的方式提升了掌子面正前方的散射波能量，保证对掌子面前方的散射体探查的准确性。

33、3、本发明中选择波形的最大值作差进行相对时差计算，并利用其相应的地层速度可快速估计散射体的位置，从而有效地降低初至到时读取的误差，提高计算效率和精度。