CN110988981B - 一种适用于钻爆法隧道的相控阵声波超前预报系统及方法 - Google Patents
一种适用于钻爆法隧道的相控阵声波超前预报系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种适用于钻爆法隧道的相控阵声波超前预报系统及方法，包括声波换能装置和主机系统，声波换能装置发射和接收声波；数据暂存模块存储三维探测获得的声波反射信号数据与聚焦声波反射信号数据；采集模块，其内导入有声波换能装置的三维坐标，其根据三维坐标计算并控制各声波换能装置的发射时间和激发顺序，使之延时发射形成聚焦声波；控制模块，将采集数据暂存至数据暂存模块，并将数据发送至数据处理成像模块；数据处理成像模块，运用深度学习的算法对地质异常体边界进行自动识别判断，对信息进行处理分析整合形成三维探测成像结果，最终得到掌子面前方高分辨率的三维探测成像。
Description
技术领域
本发明涉及隧道超前预报领域，尤其涉及一种适用于钻爆法隧道的相控阵声波超前预报系统及方法。
背景技术
随着我国西部建设的大发展，公路、铁路、水利等工程项目数量增多，隧道在西部的基础建设中不可或缺。在隧道掘进中，钻爆法施工方法对地质条件具有较强的适应性。我国已建成的隧道、隧洞中，其中90％以上是通过钻爆法完成施工的，钻爆法至今在我国仍是重要的和常用的隧道施工方法。隧道爆破技术已经相当成熟，但是其发展空间仍然很大，发展前途依旧光明，在我国未来的隧道建设中仍将发挥不可取代的作用。
隧道超前预报是隧道施工中重要的环节，隧道前方的断层破碎带、岩溶空腔、含水体等不良地质体容易在隧道施工中造成塌方、突水突泥等地质灾害，轻则延缓施工进度，重则威胁施工人员安全，所以准确的超前预报是十分必要的。
在隧道超前预报方法中，最早的探测如超前钻孔探测、超前导坑等方法，属于破坏性方法，工作量大且浪费时间，不符合工程施工效率的要求。人们需要研究探测长度较远，精度较高、操作方便快捷的超前预报方法，经过大量的研究及现场施工发现，利用反射波进行地震勘探对隧道长距离超前预报具有很好的效果，准确率较高，发展也较为成熟，是目前隧道施工中主要应用的一种地球物理探测方法。但是发明人发现当下使用的地震法，普遍存在分辨率低、能量衰减严重、噪音干扰严重、无法识别含水体、无法对断层和破碎带进行定性判断等缺点。
综上所述，在当今的钻爆法隧道超前预报领域，缺乏一种分辨率高且探测距离远、方便快捷的超前预报系统及方法。
发明内容
为了克服现有技术不足，本发明提供了一种适用于钻爆法隧道的相控阵声波超前预报系统及方法，能够实现掌子面前方地质异常体的自动化超前预报，生成高分辨率的三维地质成像，为施工方案的优化、保障施工安全提供借鉴。
为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
第一方面，本发明提出了一种适用于钻爆法隧道的相控阵声波超前预报系统，包括声波换能装置和主机系统，所述的声波换能装置包括声波发射接收器、无线通讯模块、数据暂存模块和供电模块；所述的主机系统包括数据处理成像模块、控制模块和供电模块；
所述的声波发射接收器，用于发射和接收声波；
所述的无线通讯模块，通过无线方式实现声波换能装置与主机系统之间的控制信号及数据传输；
所述的数据暂存模块，暂时存储三维探测获得的声波反射信号数据与发射聚焦声波获得的反射信号数据，并通过无线通讯模块将存储数据发送至数据处理成像系统；
所述的控制模块，其内导入各声波发射接收器的三维坐标，并控制各声波发射接收器的发射时间和激发顺序，使之延时发射形成聚焦声波，然后将采集得到并暂存的数据通过无线通讯模块发送至数据处理成像模块；
所述的数据处理成像模块，运用深度学习算法对地质异常体边界进行自动识别判断，对采集得到的数据进行处理分析整合形成三维探测成像结果，最终得到掌子面前方高分辨率的三维探测成像。
进一步的，所述声波换能装置整体为一个圆柱体，在圆柱体一端呈阵列状排布有多个声波发射接收器，用于组合发射接收声波，可增大声波能量进而压制随机干扰；圆柱状的另一端接有无线通讯模块、数据暂存模块与供电模块。
进一步的，所述的声波换能装置在隧道掌子面上设置多个，各个声波换能装置在主机系统的控制下独立工作。
进一步的，所述的适用于钻爆法隧道的相控阵声波超前预报系统还包括固定套管，所述的固定套管为圆柱形，在固定套管的外壁上设有多圈的摩擦纹，在固定套管的末端还设有固定销，实现声波换能装置在隧道掌子面上的安装；钻孔后在孔内充填定量速凝剂，然后将固定套管塞入，探测结束后将声波换能装置从固定套管中取出即可，固定套管为一次性使用。
进一步的，所述声波换能装置，其现场布置需要人工冲击钻钻孔，孔径略大于固定套管直径，钻孔深度等于或小于固定套管长度。
进一步的，所述声波换能装置，其现场布置需要速凝剂。
第二方面，本发明基于上述的适用于钻爆法隧道的相控阵声波超前预报系统，提出一种施工方法，包括以下步骤：
步骤(1)：根据掌子面实际形状及大小设计观测系统，按照观测系统的设计在掌子面打孔；
步骤(2)：在钻孔内充填定量速凝剂，将声波换能装置的固定套管安置到钻孔底部，然后插入声波换能装置，保证声波换能装置顶部与围岩耦合良好；
步骤(3)：在隧道中测量出所布置全部声波换能装置的三维坐标，并将三维坐标导入主机系统；
步骤(4)：主机系统无线控制多个声波换能装置的交替发射与接收，使之一点激发面积接收，不断变换激发点位置，保持面积接收的采集方式，完成掌子面前方的三维数据采集；
步骤(5)：主机系统对采集到的三维数据进行处理，得到三维探测成像结果；
步骤(6)：主机系统利用深度学习算法，将三维探测成像结果进行分析处理，得到地质异常体可能存在的初步规模与位置信息；
步骤(7)：主机系统根据各点的三维坐标计算并控制各声波换能装置的发射时间，使之延时发射形成聚焦声波，对异常体可能存在位置进行重点精细探测；
步骤(8)：主机系统对聚焦声波反射回来的数据信息，进行数据无线回传并处理分析整合三维探测成像结果，最终得到掌子面前方高分辨率的三维探测成像，以优化隧道施工方案。
作为进一步的技术方案，步骤(1)中的钻孔，孔径略大于固定套管的直径，钻孔深度等于或小于固定套管长度。
作为进一步的技术方案，步骤(5)的具体过程如下：
1)道集编辑，实现对坏道切除和有效数据长度截取；
2)频谱分析以及带通滤波，采用傅里叶变换将反射波信号从时间域变换到频率域，根据有效波与干扰波在频谱上的差异来达到滤波的效果，提高反射波记录的信噪比；
3)初至波拾取，确定直达波到达时间；
4)静校正，将各检波器及发射源校正到同一参考面上，并消除由于不同发射源引起的记录道超前或滞后效应；
5)道集均衡，包括道内均衡和道间均衡；
6)有效反射波提取，采用反Q滤波和倾角滤波压制干扰波，自动提取来自掌子面前方和侧面来的有效反射波；
7)反Q滤波，补偿由于地层非弹性体导致的能量和频率衰减，校正子波相位的拉伸效应；
8)速度分析，在初至波波速的基础上通过对时距曲线的反复迭代，建立工作面前方岩体的速度模型；
9)逆时偏移，在速度分析的基础上，采用Kirchoff积分法的叠前深度偏移、反射光谱成像和菲涅耳体偏移相结合的混合三维深度偏移方法分别对反射波记录进行偏移归位，使得到的成像剖面能够更加清晰准确地展示波阻抗界面的空间形态和真实位置。
作为进一步的技术方案，步骤(6)中首先使用选择性搜索算法生成一系列候选目标区域，然后通过深度神经网络提取目标候选区域的特征，最后用这些特征进行分类，以及目标真实边界的回归。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过阵列发射聚焦声波，可增大有效波能量，补偿衰减能量，从而增加超前探测距离，压制噪音干扰；
(2)由于声波主频高，可实现高分辨率成像，提升超前预报的准确性；
(3)本发明可实现仪器观测系统的多样化设计，多个声波换能装置的布置实现对掌子面的全覆盖探测；
(4)本发明利用无线传输控制信号和数据，减少有线仪器的操作繁琐和运输困难；
(5)本发明利用三维探测技术和聚焦声波探测成像技术，双重探测提升探测结果的准确度和可信度；
(6)本发明利用深度学习算法自动识别地质异常体赋存位置，提升数据的处理速度，节省超前预报的探测时间。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明相控阵声波超前预报系统连接示意图；
图2为本发明声波换能装置图；
图3为本发明固定套管图；
其中：1、掌子面；2、声波换能装置；3、主机；4、声波发射接收模块；5、固定鞘；6、无线、电池模块；7、天线；8、摩擦纹；9、固定鞘。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术部分所描述，当下使用的地震法，普遍存在分辨率低、能量衰减严重、噪音干扰严重、无法识别含水体、无法对断层和破碎带进行定性判断等缺点。在当今的钻爆法隧道超前预报领域，缺乏一种分辨率高且探测距离远、方便快捷的超前预报装置及方法。因此本发明提出了一种适用于钻爆法隧道的相控阵声波超前预报系统及方法。
下面结合附图对本发明进行详细说明：
如图1、图2所示，本实施例中公开的适用于钻爆法隧道的相控阵声波超前预报系统，包括声波换能装置和主机系统；声波换能装置包括声波发射接收器、无线通讯模块、数据暂存模块和供电模块；主机系统包括采集模块、数据处理成像模块、控制模块和供电模块；
声波发射接收器，包括多个，设置在隧道的掌子面上，用于发射和接收声波；
无线通讯模块，通过无线方式实现声波换能装置与主机系统之间的控制信号及数据的传输；
数据暂存模块，暂时存储三维探测获得的声波反射信号数据与聚焦声波反射信号数据，并通过无线通讯模块将存储数据返回至数据处理成像模块；
所述的控制模块，其内导入各声波发射接收器的三维坐标，并控制各声波发射接收器的发射时间和激发顺序，使之延时发射形成聚焦声波，然后将采集得到并暂存的数据通过无线通讯模块发送至数据处理成像模块；
所述的数据处理成像模块，运用深度学习算法对地质异常体边界进行自动识别判断，对采集得到的数据进行处理分析整合形成三维探测成像结果，最终得到掌子面前方高分辨率的三维探测成像。
具体的，声波换能装置2的结构如图2所示，其包括一个圆柱形壳体，在圆柱形壳体的一端安装有声波发射接收器4；圆柱形壳体的外壁上安装有固定鞘5、圆柱形壳体内安装有数据暂存模块、供电模块和无线通讯模块6，在壳体另外一个端部设有天线7，天线7作为无线通讯模块；多个声波发射接收器4在圆柱体端部呈阵列状排布，用于组合发射接收声波，可增大声波能量进而压制随机干扰。圆柱体的另一端接有供电模块和无线通讯模块6，同于向声波发射接收器4供电，各个声波换能装置2在主机系统的控制下独立工作；
图3为固定套管，声波换能装置安装该固定套管内，在固定套管的外壁上设有一圈一圈的摩擦纹8，在固定套管的末端还设有固定销9，实现声波换能装置2在隧道掌子面上的安装。
声波换能装置2，其现场布置需要人工冲击钻在隧道的掌子面上钻孔，钻孔孔径略大于固定套管直径，钻孔深度等于或小于固定套管长度。所述声波换能装置2，其现场布置需要速凝剂。
下面对具体的施工方法进行详细介绍：
首先，在掌子面上布置相控阵声波超前预报系统的声波换能装置；
工作人员需要根据掌子面的形状和大小进行观测系统的设计。设计好后可在掌子面喷漆标记，然后可使用携带的便携式冲击钻打孔，此时较高处位置需要脚架或者梯子。冲击钻在掌子面钻孔时，要注意圆柱形钻孔的轴线与隧道的走向保持一致。在打孔的同时，可使用全站仪对标记的位置点测量三维坐标，并生成指定格式的坐标文件。钻孔完成后，可由另一名工作人员将一定量的速凝剂放入钻孔最深处，然后将固定套管塞入钻孔，随后将声波换能装置塞入固定套管中，使得声波换能装置塞入端在速凝剂的作用下与钻孔孔壁耦合密实。防止声波发射接收端与围岩之间存在空腔从而影响声波的传播与接收。
然后，连接相控阵声波超前预报系统的主机系统。在声波换能装置全部布置完成后，需要使用全站仪测量各个布置点的三维坐标，然后转化为指定格式的坐标文件，使用主机系统上安装的采集软件直接读取坐标文件，即可获取本次探测所使用的观测系统。随后设定面元大小、偏移距、最大非纵距、最大方位角动校正时差、接收线距、覆盖次数等参数。此外还需要确定观测系统的整体方案，如正交、斜交还是砖墙式，中间激发还是端点激发。
参数方案设置完毕，主机系统根据各布置点的三维坐标计算并控制各声波发射接收器的发射时间和激发顺序，使之延时发射形成聚焦声波，声波发射接收器接收到的数据暂存至声波换能装置的数据存储模块中；数据存储模块中的数据通过天线7自动传输到主机系统的数据处理成像模块。
数据处理成像模块然后采用下述反射波的自动处理方法，进行处理：
(1)道集编辑，实现对坏道切除和有效数据长度(依据预报长度)截取，使此后的处理重点突出，提高处理效率；
(2)频谱分析以及带通滤波，采用傅里叶变换将反射波信号从时间域变换到频率域，根据有效波与干扰波在频谱上的差异来达到滤波的效果、提高反射波记录的信噪比；
(3)初至波拾取，确定直达波到达时间，为后续数据处理工作提供必要而可靠的参数。采用比值法自动拾取反射事件，不需要手动拾取，大大提高了计算结果的准确性和稳定性；
(4)静校正，将各检波器及发射源校正到同一参考面上，并消除由于不同发射源引起的记录道超前或滞后效应。由于隧道内不存在常规地震的低速带，因此采用最小二乘算法直接进行线性拟合；
(5)道集均衡，具体包括道内均衡和道间均衡。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发射源点激发能量差异，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；
(6)有效反射波提取，采用反Q滤波和倾角滤波压制干扰波，自动提取来自掌子面前方和侧面来的有效反射波；
(7)反Q滤波，补偿由于地层非弹性体导致的能量和频率衰减，校正子波相位的拉伸效应，达到提高弱反射能量，改善同相轴连续性和提高成像分辨率的目的；
(8)速度分析，在初至波波速的基础上通过对时距曲线的反复迭代，建立工作面前方岩体的速度模型。采用共成像点道集拉平准则进行速度扫描，首先由拾取的初至数据换算成声波速度，然后定义探测区域空间范围，并为此区域网格剖分进行速度扫描；
(9)逆时偏移，在速度分析的基础上，采用Kirchoff积分法的叠前深度偏移、反射光谱成像和菲涅耳体偏移相结合的混合三维深度偏移方法分别对反射波记录进行偏移归位，使得到的成像剖面能够更加清晰准确地展示波阻抗界面的空间形态和真实位置。Kirchoff积分法的叠前深度偏移相对于叠后偏移和叠前时间偏移对于构造复杂、横向速度变化剧烈的地区成像效果更好，同时Kirchoff积分法特别适用于隧道内各种不规则观测系统采集的反射波数据。同时，本专利在克希霍夫叠前深度偏移的基础上，进一步引入反射光谱成像和菲涅耳体偏移方法，反射光谱成像方法对非均匀介质十分有效，可以压制低频带中的散射效应，并提高高频段的分辨率；菲涅耳体偏移方法能够进一步提高反射面的清晰度，并消除结果中的假象。
逆时偏移成像是很重要的一项技术，在声波探测的高分辨率下，逆时偏移成像对成像准确性的提升较大。声波方程属于双程声波方程，其在时域的逆时偏移属于叠前深度偏移，与传统的单程波波动方程和克希霍夫积分偏移相比，具有众多优点，比如不受前方断层倾角限制，对小倾角断层成像效果较好，对绕射波和回转波成像准确，含有更准确的动力学信息等。
经过上述处理过程，可得三维探测的成像结果，接下来数据处理模块运用深度学习的算法对地质异常体边界进行自动识别判断。
首先使用选择性搜索算法(Selective Search,SS)、Bing、EdgeBoxes这些目标候选区域生成算法生成一系列候选目标区域，然后通过深度神经网络提取目标候选区域的特征，最后用这些特征进行分类，以及目标真实边界的回归，记录边界方位，进行下一步的聚焦声波探测。
主机系统根据各个声波换能装置的三维坐标，自动计算各个声波换能装置触发的延时时间，以便形成聚焦声波束，对深度学习判别的异常体赋存位置进行精细探测。
聚焦声波探测完成，探测数据将通过无线模块自动传输至主机系统，进而进行聚焦声波的成像处理，然后综合三维探测成像结果，最终得到高分辨率的三维地质成像。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种适用于钻爆法隧道的相控阵声波超前预报系统，其特征在于，包括声波换能装置和主机系统，所述的声波换能装置包括声波发射接收器、无线通讯模块、数据暂存模块和供电模块；所述的主机系统包括数据处理成像模块、控制模块和供电模块；
所述的声波发射接收器，用于发射和接收声波；
所述的无线通讯模块，通过无线方式实现声波换能装置与主机系统之间的控制信号及数据传输；
所述的数据暂存模块，暂时存储三维探测获得的声波反射信号数据与发射聚焦声波获得的反射信号数据，并通过无线通讯模块将存储数据发送至数据处理成像模块；
所述的控制模块，其内导入各声波发射接收器的三维坐标，并控制各声波发射接收器的发射时间和激发顺序，使之延时发射形成聚焦声波，然后将采集得到并暂存的数据通过无线通讯模块发送至数据处理成像模块；
所述的数据处理成像模块，运用深度学习算法对地质异常体边界进行自动识别判断，对采集得到的数据进行处理分析整合形成三维探测成像结果，最终得到掌子面前方高分辨率的三维探测成像；
所述的主机系统首先利用深度学习算法，将三维探测成像结果进行分析处理，得到地质异常体可能存在的初步规模与位置信息；而后主机系统根据各点的三维坐标计算并控制各声波换能装置的发射时间，使之延时发射形成聚焦声波，对异常体可能存在位置进行重点精细探测；
所述声波换能装置整体为一个圆柱体，在圆柱体一端呈阵列状排布有多个声波发射接收器，用于组合发射接收声波，圆柱状的另一端接有无线通讯模块、数据暂存模块与供电模块。
2.如权利要求1所述的一种适用于钻爆法隧道的相控阵声波超前预报系统，其特征在于，所述的声波换能装置在隧道掌子面上设置多个，各个声波换能装置在主机系统的控制下独立工作。
3.如权利要求1所述的一种适用于钻爆法隧道的相控阵声波超前预报系统，其特征在于，还包括固定套管，所述的固定套管为圆柱形，在固定套管的外壁上设有多圈的摩擦纹，在固定套管的末端还设有固定销。
4.如权利要求1-3任一所述的适用于钻爆法隧道的相控阵声波超前预报系统的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：根据掌子面实际形状及大小设计观测系统，按照观测系统的设计在掌子面打孔；
步骤(2)：在钻孔内充填定量速凝剂，将声波换能装置的固定套管安置到钻孔底部，然后插入声波换能装置，保证声波换能装置顶部与围岩耦合良好；
步骤(3)：在隧道中测量出所布置全部声波换能装置的三维坐标，并将三维坐标导入主机系统；
步骤(4)：主机系统无线控制多个声波换能装置的交替发射与接收，使之一点激发面积接收，不断变换激发点位置，保持面积接收的采集方式，完成掌子面前方的三维数据采集；
步骤(5)：主机系统对采集到的三维数据进行处理，得到三维探测成像结果；
步骤(6)：主机系统利用深度学习算法，将三维探测成像结果进行分析处理，得到地质异常体可能存在的初步规模与位置信息；
步骤(7)：主机系统根据各点的三维坐标计算并控制各声波换能装置的发射时间，使之延时发射形成聚焦声波，对异常体可能存在位置进行重点精细探测；
步骤(8)：主机系统对聚焦声波反射回来的数据信息，进行数据无线回传并处理分析整合三维探测成像结果，最终得到掌子面前方高分辨率的三维探测成像，以优化隧道施工方案。
5.如权利要求4所述的施工方法，其特征在于，步骤(1)中的钻孔，孔径略大于固定套管的直径，钻孔深度等于或小于固定套管长度。
6.如权利要求4所述的施工方法，其特征在于，步骤(5)的具体过程如下：
(1)道集编辑：实现对坏道切除和有效数据长度截取；
(2)频谱分析以及带通滤波，采用傅里叶变换将反射信号从时间域变换到频率域，根据有效波与干扰波在频谱上的差异来达到滤波的效果、提高反射波记录的信噪比；
(3)初至波拾取，确定直达波到达时间；
(4)静校正，将各检波器及发射源校正到同一参考面上，并消除由于不同发射源引起的记录道超前或滞后效应；
(5)道集均衡，包括道内均衡和道间均衡；
(6)有效波提取，采用反Q滤波和倾角滤波压制干扰波，自动提取来自掌子面前方和侧面来的有效波；
(7)反Q滤波，补偿由于地层非弹性体导致的能量和频率衰减，校正子波相位的拉伸效应；
(8)速度分析，在初至波波速的基础上通过对时距曲线的反复迭代，建立工作面前方岩体的速度模型；
(9)逆时偏移，在速度分析的基础上，采用Kirchoff积分法的叠前深度偏移、反射光谱成像和菲涅耳体偏移相结合的混合三维深度偏移方法分别对反射波记录进行偏移归位，使得到的成像剖面能够更加清晰准确地展示波阻抗界面的空间形态和真实位置。
7.如权利要求4所述的施工方法，其特征在于，步骤(6)中首先使用选择性搜索算法生成一系列候选目标区域，然后通过深度神经网络提取目标候选区域的特征，最后用这些特征进行分类，以及目标真实边界的回归。
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