隧道掘进机施工聚能剪切声波超前地质探测方法与装置

本发明属于隧道施工探测领域，尤其涉及一种隧道掘进机施工聚能剪切声波超前地质探测方法与装置。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、复杂地形条件下地下工程施工一般面临孤石、溶洞、破碎带等灾害源，上述不良地质的隐蔽性更强、多灾害共存相互影响下易诱发重大灾害，易引发塌方卡机、人员伤亡等灾害，因此准确探明该类隐蔽性灾害源对保证隧道掘进机施工安全十分必要。

3、现有的隧道掘进机施工不良地质超前预报方法，主要包括：地震波法和激发计划法。其中，地震波法如德国isp技术，将气动冲击震源安装在tbm撑靴上用以激发脉冲信号，将六个检波器安装在隧道侧壁锚杆内用于接收信号，利用瑞雷面波-横波-横波-瑞雷面波的信号转换关系进行成像，从而实现隧道掌子面前方异常地质体探；地震波法也可采用sap技术，其采用机械震源激励地震波信号、利用高灵敏的三分量加速度传感接收反射回波信号，通过后续的数据处理和成像实现掌子面前方不良地质体的探测。但是，地震波法主频在几百赫兹，频率相对较低，探测分辨率难以满足孤石、溶洞等米级、亚米级隐蔽灾害源精细探测需求。激发计划法如电阻率方法，其利用tbm停机时间进行探测，该方法利用探测对象与周围介质之间的激电效应差异，通过观测和研究人工建立的激电场分布规律，进行含水构造超前探测，由于该类方法具有体积效应，其分辨率通常不如地震波法。

4、综上所述，现有技术无法对米级-亚米级等中小型不良地质体进行准确探测。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种隧道掘进机施工聚能剪切声波超前地质探测方法与装置，其能够获得隧道掘进机前方地质与不良地质体的分布情况，以及对掘进机前方米级-亚米级等中小型不良地质体的赋存情况做出较准确评估，可以对隧道掘进机前方的岩体质量进行预报并及时发现可能诱发地质灾害的不良地质体，可据此优化隧道掘进机的施工方案，实现不良地质体的主动避灾，为保障隧道掘进机施工安全提供借鉴。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一个方面提供一种隧道掘进机施工聚能剪切声波超前地质探测装置。

4、一种隧道掘进机施工聚能剪切声波超前地质探测装置，包括：

5、剪切波激发模块、反射波采集模块及信号处理模块；

6、所述剪切波激发模块利用多点源信号延时激发聚焦原理激发产生高频聚焦声波，使得高频聚焦声波在掘进机前方实现声波能量汇聚并转换为横波；

7、所述反射波采集模块用于采集当横波遇到异常体时所产生的反射波；

8、所述信号处理模块与所述反射波采集模块相连；所述信号处理模块用于接收所述反射波采集模块采集的反射波，并使用时频域极化加权滤波方法提取出所述反射波中的横波信号，再基于逆时偏移成像，以实现米级-亚米级异常体精细成像。

9、作为一种实施方式，在所述信号处理模块中，使用时频域极化加权滤波方法根据反射波采集模块处纵横波偏振方向的差异，利用纵横波极化参数的差异实现地震记录中纵横波的分离，其过程包括：

10、计算三分量声波数据极化主轴与x轴、y轴和z轴的方位角，作为极化参数特征；

11、根据极化参数特征，设计隧道纵横波分离滤波器；

12、基于隧道纵横波分离滤波器对三分量声波时频谱进行纵横波分离计算，提取出所需的有效横波成分。

13、作为一种实施方式，隧道纵横波分离滤波器包括p波、sh波和sv波滤波器，分别为：

14、

15、

16、

17、上式中，、和分别为p波、sh波和sv波滤波器；和分别为极化主轴与x轴的方位角，极化主轴与y轴或z轴的方位角；、、、、、分别表示极化主轴在xoy面投影与x轴的方位角、极化主轴在xoz面投影与x轴的方位角、极化主轴在xoz面投影与z轴的方位角、极化主轴在yoz面投影与z轴的方位角、极化主轴在xoy面投影与y轴的方位角、极化主轴在yoz面投影与y轴的方位角。

18、作为一种实施方式，提取出所需的有效横波成分的公式为：

19、

20、

21、

22、其中、和分别代表三分量检波器地震数据对应的同步挤压小波变换时频谱；、和分别代表了滤波后含有p波、sh波和sv波有效成分的时频谱。

23、作为一种实施方式，在所述信号处理模块中，逆时偏移成像的过程包括：

24、利用震源波场正传，确定出震源波场；其中，震源波场正传的计算公式为：；为地震波场正传算子；为震源波场；表示震源时间函数,即震源子波；为脉冲函数；为空间位置矢量；为震源空间位置矢量；为波传播时间；

25、利用检波点波场反传，确定出检波点波场；其中，检波点波场反传的计算公式为：；为地震波场延拓伴随算子；为检波点波场；为地震记录；为检波点空间位置矢量；

26、利用震源波场及检波点波场进行互相关成像，其表达式为：

27、；为偏移成像剖面；为地震记录时长。

28、作为一种实施方式，所述剪切波激发模块包括伸缩机构和剪切波激发头，所述伸缩机构用于控制剪切波激发头进行伸缩动作。

29、作为一种实施方式，所述伸缩机构包括液压伸缩控制器和液压伸缩油缸；所述液压伸缩油缸与剪切波激发头相连；所述液压伸缩控制器与液压伸缩油缸相连，用于控制液压伸缩油缸运动，以带动剪切波激发头自动伸缩。

30、作为一种实施方式，所述剪切波激发头的外部为锯齿状耦合装置，以实现剪切波激发头与围岩的充分接触；所述剪切波激发头的内部设置有多个串联连接的剪切震动子模块，各个剪切震动子模块在电流作用下产生振动，激发出编码信号。

31、作为一种实施方式，所述剪切波激发模块安装在掘进机护盾上；所述反射波采集模块安装于掘进机刀盘上；所述反射波采集模块为三分量传感器阵列。

32、本发明的第二个方面提供一种隧道掘进机施工聚能剪切声波超前地质探测方法。

33、一种隧道掘进机施工聚能剪切声波超前地质探测方法，包括：

34、利用多点源信号延时激发聚焦原理激发产生高频聚焦声波，使得高频聚焦声波在掘进机前方实现声波能量汇聚并转换为横波；

35、获取当横波遇到异常体时所产生的反射波；

36、使用时频域极化加权滤波方法提取出所述反射波中的横波信号，再基于逆时偏移成像，以实现米级-亚米级异常体精细成像。

37、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

38、（1）本发明利用多点源信号延时激发聚焦原理激发产生高频聚焦声波，提出的多源点激发方式，发射多频声波沿某一方向传播，控制其在探测目标区的能量汇聚并产生转换横波（即剪切波），通过延时聚焦实现了声波诱导剪切波的可控大能量激发，相比于传统地震波单点激发方式，提升了探测距离和分辨率。

39、（2）本发明利用高频聚焦声波在掘进机前方实现声波能量汇聚并转换为横波来进行异常体探测，相比纵波对异常体等不良地质的探测分辨率更高。

40、（3）本发明使用时频域极化加权滤波方法提取出反射波中的横波信号再进行逆时偏移成像，从原始数据（纵波和横波偏振方向不同）、波场分离（到时和频率差异特征）两个角度进行横波提取，能够获取高分辨的横波信号，有效提升不良地质的成像质量。

41、（4）本发明将剪切波激发模块安装在掘进机护盾上，通过伸缩机构控制剪切波激发头进行伸缩动作，可实现剪切波激发模块自动化激发信号。

42、（5）本发明的反射波采集模块采用三分量传感器阵列且安装于掘进机刀盘上，可自动化采集信号，不依赖人工采集，有效提升不良地质探测效率。

43、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。