一种基于多波的单孔孤石立体探测方法

摘要

本发明公开了一种基于多波的单孔孤石立体探测方法，具体涉及工程地质勘查技术领域。其解决了现有单孔弹性波孤石探测技术只利用单一类型波信号而无法实现全域探测的不足。该方法具体包括：选用中低频脉冲震源，八分量加速度传感器接和姿态传感器组成接收探头，以及信号记录仪组成单孔多波信号采集系统；对同一孔中采集的数据进行旋转、合成、选排和波场分离；通过绕射速度分析，实施深度‑时间波形记录实施偏移成像；分别基于管波信号和反射波成像结果，联合解释得到以钻孔为中心的圆柱体空间中，孤石的尺度及空间展布信息。从而为隧道盾构施工及其他建筑工程建设中排除孤石影响，提供准确的地质信息。

说明书

技术领域

本发明涉及工程地质勘查技术领域，具体涉及一种基于多波的单孔孤石立体探测方法。

背景技术

孤石是指花岗岩和凝灰岩的不均匀风化所致而形成的孤立岩石体，其形状各异，粒径从亚米到米级不等。孤石在我国南方地区普片存在，广东、福建更为集中。孤石的存在不仅对隧道盾构掘进造成困难，而且会对盾构机刀片产生严重磨损，同时对施工作业区域地层造成强扰动，影响施工安全。此外，孤石的存在还容易造成边坡失稳、建筑基础差异沉降及桩基沉桩断桩等工程地质问题。因此查明孤石的空间分布对工程建设十分重要。

根据孤石与周围介质的物性参数差异，孤石探测方法主要有电阻率CT(Computertomograpy，层析成像)，弹性波(或声波)CT，电磁波CT和微动探测法。由于孤石和土层的速度、密度差异很大，因此，相比其他方法，弹性波(声波)探测法具有较好的物性基础。运用这些方法，既可以从隧道里进行超前探测，也可以从地面上进行探测。在地面上探测具有不中断盾构施工的优点，但由于地面干扰强，浅地表结构复杂，在地面上基于钻孔的探测方法的分辨率更高。相比两孔或多孔的孔间弹性波探测，单孔弹性波探测不需要大量钻孔，具有探测成本低，施工准备快的特点。近几年在声波测井技术的基础上单孔弹性波探测孔旁地质异常体的方法得到了快速发展，主要有管波探测、共振波探测和声波远探测等方法。

管波探测是利用一种沿着钻孔传播的瑞雷面波对孔旁溶洞、软弱夹层等不良地质体有效探测的方法。该方法只能对井旁极小小范围地质情况进行探测，不能对远孔区域进行探测，且该方法无法确定异常方位。共振波探测主要依赖地质异常体受激诱发的共振信号进行目标体的定位，因共振信号产生的条件较为严苛，且其能量极弱，很难在钻孔中接收并提取出共振信号。因此，这种方法尚未见较好的实际应用效果的文献报道。声波远探测方法主要用于油气田测井中，受不能破坏油气井井壁的限制，其采用压电陶瓷换能器发射的声波功率不能太高，且频率较高。由于孤石主要分布于沉积土层中，属于慢速地层，高频信号衰减快，探测距离不大。此外，该方法运用的信号源是反射波，根据其探测原理可知，其无法对近孔区域异常体成像不佳。

专利号为CN1245637C(03/2006)、CN102565848B(11/2015)、CN103558637B(01/2016)、CN105589103B(02/2018)、CN208000384U(10/2018)、CN105604557B(03/2018)、CN106324683A(01/2017)、CN105804763B(03/2017)、CN103790594B(02/2016)、CN108693249A(10/2018)、CN107065014A(08/2017)的中国专利。

李学文，等.管波及其工程应用.《物探与化探》，2005，第29卷(第5期)，第463-466页.

张玉池，等.管波探测方法在岩土工程中的应用.《工程勘察》，2010，增刊(第s1期)，第640-645页.

唐晓明，等.偶极横波远探测测井技术进展及其应用.《测井技术》，2013，第37卷(第4期)，第333-339页.

李国英，等.方位远探测反射声波成像测井仪器.《测井技术》，2018，第42卷(第2期)，第221-226页.

上述专利或文献集中介绍了孤石探测的方法种类，以及单孔弹性波(管波、共振波、反射波)地质异常体探测方法特点。其现有单孔弹性波探测方法存在显著不足之处在于：单一方法只重点采集和利用单一类型波信号，使得成像范围受限。本发明介绍了一种基于单个钻孔，选用中低频激发源，多方位接收，同步采集全波信号，并利用管波和反射波联合解释，实现基于多波单孔孤石立体全域准确探测的方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足，提出了一种基于单个钻孔，选用中低频脉冲振动波激发源，多方位接收，同步采集全波信号，并利用管波和反射波联合解释，实现基于多波单孔孤石立体全域准确探测的方法。

本发明具体采用如下技术方案：

一种基于多波的单孔孤石立体探测方法，具体包括：

a.选用中低频脉冲波激发仪作为震源，八分量加速度传感器接和姿态传感器组成接收探头，以及信号记录仪为主组成单孔多波信号采集系统；

b.固定激发和接收探头距离，在同一钻孔中，由深至浅按固定步距提升，完成不同深度的全波信号数据采集和探头姿态信息记录；

c.根据姿态传感器提供的不同采集深度对应的接收探头方位，对获取的八分量信息进行旋转并合成得到固定坐标系下的十六分量信息；

d.选排组合得到固定坐标系下不同方位的深度-时间波形剖面，对管波和反射波波场分离；

e.对分离得到的反射波剖面，采用绕射速度分析方法获取不同方位、不同深度的纵波速度；

f.利用分析所得的速度场信息，对反射波剖面深度-时间波形记录实施偏移成像；

g.分别基于管波信号和反射波成像结果联合解释得到以钻孔为中心的圆柱体空间中，孤石的尺度及空间展布信息。

进一步地，所述单孔多波信号采集系统中的脉冲波激发仪为激发频率范围在几百赫兹到几千赫兹、能量大于1万焦耳的电火花类型震源，八分量加速度传感器为环状45度等方位间隔分布，姿态传感器能测出探头方位角、俯仰角和横滚角，信号记录仪采样率最高采样率可达0.1ms。

进一步地，所述固定激发和接收探头距离取值范围0.5m-2m，固定步距取值范围0.25m-1m。

进一步地，所述全波信号至少包含有管波和反射波信息。

进一步地，所述的旋转合成为校正探头的俯仰角和横滚角，并采用相控阵信号合成方法合成固定坐标系下指定方位的信号。

进一步地，所述固定坐标系为地球正北向为0度，按逆时针递增，十六分量信息为在固定坐标系下方位间隔为22.5度情况下的分量信息。

进一步地，所述的联合解释是利用管波信息解释近孔区域孤石分布情况，同时利用反射波成像结果解释远孔区域孤石分布情况，综合二者解释成果实现近孔和远孔全域立体孤石探测。

优选地，所述管波和反射波波场分离采用拉动变换。

优选地，所述反射波偏移成像采用绕射叠前偏移成像。

本发明所述的一种基于多波的单孔孤石立体探测方法具有的有效果是：

(1)选用中低频脉冲波激发仪作为震源，八分量加速度传感器接和姿态传感器组成接收探头，以及信号记录仪为主组成单孔多波信号采集系统，能够一次激发、多方位多类型波信号同步接收，适合低速土层中的孤石探测的情况，具有远距离多方位探测的能力。

(2)能够基于管波信号和反射波成像结果联合解释，解决了只利用单一信号解释存在探测盲区的缺点，可实现以钻孔为中心的圆柱体空间的全域孤石探测，获得其探测区孤石尺度及空间展布信息。

(3)该方法数据采集装置便携、施工简单、工期短、成本低、精度高，能够为隧道盾构施工及其它建筑工程建设中排除孤石影响，提供准确的地质信息。

附图说明

图1本方明方法所提供的单孔立体多波探测孤石方法流程图；

图2本发明方法所提供的单孔立体多波探测孤石的数据采集示意图；

图3实施例一中单一孤石空间分布方位模型图；

图4实施例一模型模拟得到的孤石深度不同方位深度-时间波形剖面图；

图5实施例二中孤石群空间分布、管波和反射波全波剖面及联合解释成果图。

图中：1-地面信号记录仪；2-地面震源控制器；3-激发电缆；4-信号电缆；5-井口滑轮；6-；7-接收探头；8-姿态传感器；9-信号传感器；10-震源发射头；11-钻孔；12-孤石；13-反射波；14-管波。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，但不作为对本发明进行任何限制的依据。

实施例一：

在实施例一中，探测对象为如图3所示的一个单一孤石，且远离钻孔的地质模型。孤石位于固定坐标系下方位角约为90度，埋深10m，距孔15m的位置，大小约为直径2m。采用高阶有限差分弹性波动方程正演模拟算法进行模拟，按图1所示本发明方法所提供的单孔立体多波探测孤石方法流程，具体包括：

a.按图2所示本发明方法所提供的单孔立体多波探测孤石的数据采集示意图，将震源头[10]和接收探头[7]，通过井口滑轮[5]输送至同一钻孔[11]中，部分激发电缆[3]和信号电缆[4]一并入井。控制地面震源控制器[2]，发出指令使震源发射头[10]放电激发出脉冲声波。利用接收信号传感器[9]同步接收来自不同方位反射纵波[13]信息、以及沿着井孔传播的管波[14]信号，通过信号电缆[4]，由地面信号记录仪[1]进行数据采集、模数转换并存储。同时，信号记录仪也将姿态传感器[8]记录的井中探头方位角、俯仰角和横滚角等信息记录存储。

b.按图2所示本发明方法所提供的单孔立体多波探测孤石的数据采集示意图，固定激发和接收探头距离1m，在同一钻孔中，由深(17m)至浅(2m)按固定步距(1m)提升，完成不同深度的全波信号数据采集和探头姿态信息记录。

c.根据姿态传感器提供的不同采集深度对应的接收探头方位，对获取的八分量信息进行旋转并合成得到固定坐标系下的十六分量信息。根据姿态传感器提供的不同采集深度对应的接收探头方位，对获取的八分量信息进行旋转，合成得到固定坐标系下的十六方位信息。对于某一深度h记录的数据，根据姿态传感记录的探头俯仰角θ，横滚角φ，对每一分量数据(i是分量序号，为传感器定义的0度方位与地球正北向之间的夹角，这里定义为传感器的方位角)都按下式做倾角校正：

根据姿态传感记录的接收传感器方位角采用相控阵接收波形合成法(该方法为本领域成熟方法)合成十六分量波形信号，因此本发明方位分辨率可达22.5度，图4所示为其中八个分量的波形剖面(方位角分别为0，45，90，135，180，225，270，315)。通过改用更高分量接收传感器，方位分辨率可进一步提高。按照上述方法，对所有深度测量所得的数据，都进行倾角校正和相控阵波形合成。值得注意的是：在实施例一中，所有数据的方位角、俯仰角和横滚角均为0，且八方位信号是由模拟所得水平XY分量信号合成的。

图4所示为不同方位深度-时间波形剖面中，孤石的反射波呈绕射双曲线形态，其中能量最强的绕射波位于90度方位角，绕射波顶点与孤石埋深一致。孤石偏离钻孔的距离为r＝vt₀/2，v为土层速度，t₀为绕射点自激自收旅行时。因此可以通过绕射波的能量和形态特征直接解释孤石的空间位置。也可进一步做偏移成像，进行孤石空间分布精确定位。图4所示剖面中无管波存在，其原因是由于钻孔旁无地质异常体存在，且模拟过程中未考虑地面和钻孔底部的管波反射问题。

d.对步骤c所合成的数据进行选排，组合得到不同方位的深度-时间波形剖面，使用拉东变换进行管波和反射纵波波场分离。拉东变换将时间-深度域内的波场沿着不同斜率、不同截距进行数据叠加，得到斜率-截距(τ-p)域内的波场，对于具有不同同相轴的波场经过变换以不同形式分布在τ-p域内不同位置对τ-p域内分离的波场进行拾取，再反变换即可得到分离的波场，实现波场分离。本发明中输入信号用表示，其中为方位角，z为深度，t为时间，拉东变换结果为：

变换到τ-p域中，其中τ为截距，p为斜率。根据初至波、管波和反射波在τ-p域中的分布特征，分别确定管波分离滤波器F_t(τ，p)和反射波分离滤波器F_r(τ，p)，并进行如下反变换：

从而实现管波和反射波提取。

e.对步骤d分离得到的反射波剖面，采用绕射速度分析方法获取不同方位不同深度介质的纵波速度。由于孤石尺度及形态特征，其反射信息主要以绕射被形式存在。这里假设主要以土层为主，其纵波速度为常数，绕射双曲线方程为：

其中z为激发接收中点与绕射点的垂直高度差，d为激发接收间距，v为土层速度，t₀为绕射点自激自收旅行时，t_z为激发接收中点偏离绕射点垂直高度差为z时的旅行时。按照上述公式(5)，即可进行基于绕射双曲线方程的速度扫描分析。

f.利用步骤e分析所得的速度场信息，对各方位二维深度-时间反射波记录实施偏移处理。首先把满足方程(5)的曲线上的地震能量(即采样点振幅)全部送到对应的绕射双曲线的顶点上去叠加，其顶点对应时间为

在此基础上，需要把叠加能量输送到零激发接收间距绕射双曲线的顶点上，从而实现绕射叠前偏移成像。因为非零激发接收间距绕射波顶点和零激发接收间距绕射双曲线顶点在深度上相同，上述叠加能量的只需在时间上做时移，时移计算公式如下：

按照上述步骤，对深度-时间剖面所有样点全部实施偏移，将偏移后的数据叠加即完成一个二维剖面的绕射叠前偏移处理。对所有方位反射波数据按此方法处理，孤石反射能量即可归位，恢复出其真实的空间形态。也可按照绕射双曲面做三维偏移，可以获得更高空间分辨率。

实施例二：

在实施例二中，探测对象为如图5(a)所示左侧孤石群模型，其中含2个孤石，孤石1靠近钻孔，孤石2远离钻孔，分布在同一方位不同深度的钻孔同一侧。孤石1位于固定坐标系下方位角为90度，埋深17m，距孔0.2m的位置，直径约2m。孤石2位于固定坐标系下方位角为90度，埋深23m，距孔12m的位置，直径约2m。采用高阶有限差分弹性波动方程正演模拟算法进行模拟，按图1所示本发明方法所提供的单孔立体多波探测孤石方法流程，具体包括：

a.按图2所示本发明方法所提供的单孔立体多波探测孤石的数据采集示意图，布设数据观测方式(与实施例一相同，不再赘述)。

b.按图2所示本发明方法所提供的单孔立体多波探测孤石的数据采集示意图，固定激发和接收探头距离1m，在同一钻孔中，由深(40m)至浅(1m)按固定步距(1m)提升，完成不同深度的全波信号数据采集和探头姿态信息记录。

c.根据姿态传感器提供的不同采集深度对应的接收探头方位，对获取的八分量信息进行旋转并合成得到固定坐标系下的十六分量信息(具体实施措施与实施例一相同)。图5(b)所示为合成方位角为90度所对应深度-时间全波波形剖面。图中含清晰可见的初至波(直达波)、反射波和管波。管波的特征表现为在孤石1界面上的反射，因此管波从0时刻就开始发育，且孤石上下均有反射现象，在波形剖面上呈V字形分布。V字形交叉处对应孤石1的空间位置。除此之外，管波还表现出频散特性。远离钻孔的孤石2表现出明显的反射现象，呈反射双曲线，无频散特性。反射双曲线的顶点对应深度为孤石2的埋深。孤石偏离钻孔的距离为r＝vt₀/2，v为土层速度，t₀为绕射点自激自收旅行时。

d.对步骤c所合成的数据进行选排，组合得到不同方位的深度-时间波形剖面，使用拉东变换进行管波和反射纵波波场分离(具体实施方案与实施例一相同，不再赘述)。

e.对步骤d分离得到的反射波剖面，采用绕射速度分析方法获取不同方位不同深度介质的纵波速度(具体实施方案与实施例一相同，不再赘述)。

f.利用步骤e分析所得的速度场信息，对反射波剖面深度-时间波形记录实施绕射叠前偏移成像。

g.分别基于管波信号和反射波成像结果联合解释得到以钻孔为中心的圆柱体空间中，不同孤石的尺度及空间展布信息。图5(c)所示为方位角为90度的综合成像结果，孤石群的分布特征与模型完全吻合。

由实施例一和实施例二可以看出，利用本发明方法可以综合利用管波和反射波，进行联合解释成像，既可以利用管波对近孔区域探测，也可同时利用反射波对远孔区域探测，避免了只利用单一信号解释存在探测盲区的缺点。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。