[发明专利]一种采用水平声波剖面测试进行隧道超前地质预报的方法

说明书

技术领域

本发明涉及超前地质预报技术领域，特别涉及应用声波进行超前地质预报的方法。

技术背景

隧道开挖过程中经常遇到构造、岩溶、地下水等不良地质，严重威胁施工安全，因此在隧道施工中必需进行超前地质预报工作以保证隧道施工安全。

目前地质预报方法主要有地震波反射法、电磁波反射法、红外探水和电法(参见“复杂地质条件下长大隧道超前地质预报技术”，《铁道勘查》2009年第5期)。地震波反射法是目前应用较多的超前地质预报方法，其中TSP(隧道地震预报)方法是其中的代表。地震波反射法的观测系统是在隧道的一侧边墙上打孔布置检波器和炮点，检波器和炮点布置在一条平行隧道轴的直线上，利用走时反演或深度偏移成像方法来确定前方不良地质体位置。该类方法的缺点是观测系统直线布置，横向展布空间小，不利于波速分析、定位精度差，该方法可以对和隧道轴线大角度相交的大型断层进行大致定位，难以对其它不规则或不连续的不良地质体进行预报，即存在定位精度差，信息模糊，对岩溶洞穴等不规则不良地质体界面难以探测的缺点，同时该类方法都需要爆破产生地震波，需施工单位配合施作爆破深孔，耽误施工时间长，测试程序复杂。地质雷达法应用电磁波反射原理，对断层、岩溶和破碎带登等不良地质体有较高的识别精度，但探测距离短，探测距离一般在20m左右，很难满足现场施工要求。另外测试时受洞内金属网架干扰严重，有效信号识别复杂，因此地质雷达法在地质预报方面作用有限。红外探水仅用于对隧道工作面前方岩层是否含水进行定性判断，无法判断含水位置和水量大小，且受洞内温度干扰明显，效果较差，仅能预报是否含水的单一功能难以满足隧道施工的超前地质预报的要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种简便易行，准确率高的采用水平声波剖面测试进行隧道超前地质预报的方法。

本发明方法包括以下步骤：

(1)、沿隧道轴线自工作面向后方在隧道的一侧壁上等距水平布置N个声波激发孔，在隧道另一侧壁上对应于声波激发孔布置N个声波接收孔，激发孔和接收孔构成一个水平声波测试剖面，激发孔从一端、接收孔从另一端开始两两对应构成第一组至第N组水平声波测试组，

(2)、将连接于声波仪的用于激发声波信号的声波激发器和接收声波信号的接收检波器依序放入各组声波激发孔和接收孔中，逐组完成各组声波信号的激发和接收，所接收到的声波信号储存在声波仪中，

(3)、将声波仪接收到的声波信号送入内置有专门的水平声波剖面信号分析处理软件的处理器处理，给出地质预报结果。

本发明方法的原理如下：

根据惠更斯-菲涅尔原理和费马原理，声波在岩土体中的传播速度及幅度等参数和岩土体的组成成分、密度、弹性模量及岩体的结构状态等有关，不良地质体(带)如断层、风化破碎带、岩溶洞穴、地下水富集带等与周边地质体存在明显的声学特性差异，当声波传播遇到两种不同介质之间的界面时，声波将发生折射、反射和波形转换。

测试时，将声波激发器和接收检波器放入第一组声波发射孔和接收孔，由声波激发器激发出声波信号，声波信号以球面波的形式向各方面传播。声波信号一路以直达波的形式经接收孔中的接收检波器接收后传输给声波仪，另一路沿岩体向工作面前方传播，遇到各种地质界面时形成各种不同的反射波。这些反射波经接收孔中的接收检波器接收后也传输给声波仪，完成一组声波信号的激发和接收。然后取出声波激发器和接收检波器放入第二组声波发射孔和接收孔，按上述方法完成第二组信号的接收，依次类推，完成整个水平测试剖面内的全部测试组的测试。测试组的数量、测试点间的距离都可以视需要确定。测试点的高度以取在隧道高度的中部为宜。

将声波仪接收到的声波信号送入内置有专门的水平声波剖面信号分析处理软件的处理器处理，处理器按测试组序号分别在时间域和频率域进行排列，我们知道，根据水平声波测试剖面的布置特点，各测试组中声波信号的直达波时间走时和各测试组声波发射点和声波接收点间距离成正比，因此第一组和最后一组声波信号中的直达波走时最长且相等，最中间的组的直达波走时最短，其余各组由两端向中间其直达波走时递减，即各测试组直达波在时间域上和频率域上的波形排列呈双曲线；同理，反射波的时间走时与声波发射点到前方地质界面和声波接收点到前方地质界面的距离之和成正比，因此反射波时间走时仅决定于前方地质界面的位置，而和其组所在位置无关，因此反射波在时间域上和频率域上排列的形态和前方地质界面的形态、方位一致。