本發(fā)明涉及孤石探測，具體涉及用于地鐵盾構(gòu)隧道前方孤石探測的聲波裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著城市化建設步伐的加快，中心城市不斷向周邊輻射，軌道交通建設的緊迫性逐步增加。未來的幾十年，我國的軌道交通建設將迎來其發(fā)展的繁盛時期，地鐵軌道交通的建設已經(jīng)成為時代發(fā)展的必然需求。在地鐵軌道交通建設過程中，盾構(gòu)法施工得到了越來越多的應用，相比于其他方法，盾構(gòu)法施工對周邊環(huán)境的影響小、能有效控制土層沉降、組織管理方便、施工速度快。盾構(gòu)法施工適用于松軟地層和相對均質(zhì)的地質(zhì)條件，而我國不同區(qū)域的地質(zhì)情況差異很大，在廣州、深圳、長沙等地鐵盾構(gòu)法施工過程中常遇到單軸抗壓強度極高的孤石，易導致刀盤刀具嚴重磨損并產(chǎn)生卡刀、斜刀、掉刀、刀具偏磨等情況，嚴重影響施工的進度，嚴重時還可能導致工作面噴涌、塌方，引起突發(fā)地質(zhì)災害。因此，提前探明地鐵盾構(gòu)待掘區(qū)域內(nèi)孤石的賦存狀態(tài)，是地鐵盾構(gòu)工程施工過程中亟需解決的難題。

現(xiàn)有的孤石探測方法以地表鉆探或物探為主。其中，地質(zhì)鉆探法直接取巖芯進行觀察，可以直觀地判斷孤石的存在，但所需鉆孔數(shù)量多、施工成本較高、花費時間較長，且存在著“一孔之見”的局限，因此通過鉆探能揭露到的孤石十分有限。地表工程物探方法利用孤石與圍巖的物性差異對孤石進行探測，常用的物探方法有地震反射波法、二維微動剖面法、跨孔電阻率CT法和跨孔地震CT法等，但由于城市路面硬化、建筑物阻礙和交通活動頻發(fā)等原因，使得地表物探方法布置存在困難，而且地震反射波法、二維微動剖面法等地表探測方法的精度及分辨率有限，地表跨孔方法雖然分辨率較高，但需要多個鉆孔，探測過程繁瑣、成本也較高，因此，地表探測技術(shù)在孤石探測實踐中效果不佳，難以推廣。

整體上而言，地表孤石探測方法容易受到地表環(huán)境限制，因此現(xiàn)有孤石探測方法正逐漸向洞內(nèi)探測發(fā)展。SSP(sonic soft-ground probing)是一種集成于盾構(gòu)機上的孤石探測方法，其將激震裝置和接收傳感器固定在刀盤上，并利用盾構(gòu)機工作期間與掌子面巖體接觸進行聲波的激發(fā)與接收，因此SSP的觀測空間局限于掌子面、采集到的信號也容易受到掘進過程中機械噪聲的干擾，在處理方法上，SSP未能很好的解決高頻信號吸收衰減速度快的問題，導致孤石定位不準確、空間分辨率也不理想，目前SSP技術(shù)的應用較少。同時，國內(nèi)有關學者通過在盾構(gòu)機刀盤上布設的鉆孔通道鉆取多個探測孔，利用超聲波檢測儀在孔中前后移動進行孤石探測，該方法需要在掌子面上打多個鉆孔，不僅探測成本高，時間長，而且受到盾構(gòu)機內(nèi)空間的限制，操作不便。

綜上所述，現(xiàn)有盾構(gòu)施工中孤石探測方法存在的主要問題總結(jié)如下：

(1)現(xiàn)有地表孤石探測方法容易受到城市路面硬化、建筑物阻礙和交通活動頻發(fā)等因素的限制，部分段落難以進行地面探測工作，城市噪音、工業(yè)電流等因素也會對地震法、電磁法等物探方法產(chǎn)生較大干擾，地質(zhì)鉆探和跨孔方法所需探測孔數(shù)量較多，探測過程繁瑣、成本也較高，影響施工進度。

(2)受到盾構(gòu)隧道電磁干擾嚴重、觀測空間狹小、掘進速度快等條件的影響，現(xiàn)有洞內(nèi)孤石探測方法對孤石位置、形態(tài)和規(guī)模的判斷效果并不理想，洞內(nèi)跨孔方法在探測精度上具有優(yōu)勢，但時間和經(jīng)濟成本較高，難以得到大規(guī)模推廣應用，總的來說，洞內(nèi)孤石探測方法還并不成熟，亟需設計一種適應于盾構(gòu)施工復雜環(huán)境的快速、高效的裝置及方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的第一目的是提供用于地鐵盾構(gòu)隧道前方孤石探測的聲波裝置，該裝置利用已有超前鉆孔在隧道巖體中發(fā)射聲波，并在后方已有的錨桿端部安裝接收傳感器采集反射回來的聲波信號，其充分利用盾構(gòu)隧道施工環(huán)境、操作簡單、探測時間短、成本低。

本發(fā)明的第二目的是提供一種用于地鐵盾構(gòu)隧道前方孤石探測的方法，該方法采用上述的聲波裝置用于測定孤石的存在，簡單可靠。

本發(fā)明的第三目的是提供一種用于地鐵盾構(gòu)隧道前方孤石探測的方法，該方法給出了具體測定過程，并且針對孤石這類小尺寸地質(zhì)異常體引入高分辨率數(shù)據(jù)處理方法和散射成像手段，從而能夠方便、快速、準確的對地鐵盾構(gòu)隧道前方孤石進行探測。

本發(fā)明提供的第一個方案是：

用于地鐵盾構(gòu)隧道前方孤石探測的聲波裝置，包括聲波發(fā)射系統(tǒng)與聲波接收系統(tǒng)，聲波發(fā)射系統(tǒng)包括設于隧道鉆孔內(nèi)的用于發(fā)射聲波信號的聲波換能器，聲波接收系統(tǒng)包括設于隧道圍巖內(nèi)錨桿端部的聲波接收傳感器，以避免管片與圍巖接觸面上產(chǎn)生的強反射干擾，聲波換能器與聲波接收傳感器分別與控制系統(tǒng)單獨連接，控制系統(tǒng)處理由聲波接收傳感器采集的聲波數(shù)據(jù)以判斷隧道前方孤石的有無。

通過上述聲波裝置的設置，聲波發(fā)射系統(tǒng)設于隧道圍巖的鉆孔內(nèi)，再通過設于聲波發(fā)射系統(tǒng)后方的聲波接收傳感器接收聲波信息并反饋給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)對采集到的聲波信息進行處理，得到盾構(gòu)工作面前方的地質(zhì)情況，布置聲波換能器、聲波接收傳感器快速，有效避開掌子面前方泥水區(qū)對聲波激發(fā)的衰減作用、提高探測效果。

其中，為了保護聲波換能器，所述聲波換能器置于推送桿一端，推送桿的另一端與壓入機構(gòu)連接以將推送桿帶動聲波換能器推入鉆孔內(nèi)。壓入機構(gòu)為常規(guī)用于壓入錨桿的設備或者是電動推缸，能將推送桿送入鉆孔內(nèi)。

為了充分利用現(xiàn)場條件實現(xiàn)傳感器的快速安裝，所述聲波接收傳感器通過連接器與錨桿連接，實現(xiàn)拆卸方便。

具體地，所述連接器包括固定管，固定管內(nèi)通過隔板分為兩空腔，所述聲波接收傳感器設于固定管的一空腔內(nèi)并通過旋蓋可旋緊，空腔內(nèi)設置螺紋實現(xiàn)與旋蓋擰緊，固定管另一空腔與錨桿的端部固定，可通過空腔內(nèi)部的螺紋擰在錨桿出露的端部進行固定。

為了便于對聲波發(fā)射系統(tǒng)的支撐，所述壓力機構(gòu)設于盾構(gòu)機的主梁上，壓力機構(gòu)的動力源與所述的控制系統(tǒng)連接，由控制系統(tǒng)控制壓力機構(gòu)的動作。

所述聲波接收系統(tǒng)沿著隧道空腔縱向截面、橫向截面均勻布設，可以在隧道空腔的橫向截面內(nèi)設置四處或者更多處的聲波接收系統(tǒng)。

本發(fā)明提供的第二個方案是：

一種用于地鐵盾構(gòu)隧道前方孤石探測的方法，采用所述的聲波裝置。

本發(fā)明提供的第三個方案是：

一種用于地鐵盾構(gòu)隧道前方孤石探測的方法，具體步驟如下：

1)固定聲波換能器于推送桿中；

2)通過壓入機構(gòu)將推送桿壓入隧道鉆孔內(nèi)；

3)在連接器內(nèi)設置聲波接收傳感器，并將連接器固定于錨桿的端部；

4)將聲波換能器和聲波接收傳感器連接到帶控制系統(tǒng)的控制儀，由控制儀控制聲波換能器發(fā)射聲波，并同時開始控制聲波接收傳感器接收聲波信息，聲波接收傳感器采集到的聲波信號傳輸?shù)娇刂苾x，并進行存儲；

5)控制系統(tǒng)對采集到的聲波信息進行處理，得到盾構(gòu)工作面前方的地質(zhì)情況，判斷孤石是否存在。

其中，所述步驟5)中，控制系統(tǒng)對采集到的聲波信息進行處理的方法如下：在常規(guī)的聲波處理方法的基礎上加入反褶積和反Q濾波高分辨率數(shù)據(jù)處理方法，一方面補償聲波信號在軟土地層中能量和頻率的衰減，另一方面，能夠壓縮所得聲波信號的子波、提高探測分辨率。

具體地，所述步驟5)中控制系統(tǒng)對采集到的聲波信息進行處理的方法具體如下：

2-1)道集處理：將壞道切除和并截取有效數(shù)據(jù)長度；

2-2)幾何擴散真振幅補償：補償聲波因幾何擴散造成的振幅損失，使其保持相對真振幅；

2-3)頻譜分析及帶通濾波；

2-4)初至波拾取；

2-5)反Q濾波：補償由于地層非彈性體導致的能量和頻率的衰減，校正子波相位的拉伸效應；

本發(fā)明使用的反Q濾波的具體方法為：

將觀測得到的聲波信號數(shù)據(jù)乘上地層吸收補償因子h(t，τ)：

y(t)＝x(t)*h(t，τ)

$h(t,\mathrm{\τ})={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}{e}^{\frac{\mathrm{\π}t}{Q}G\left(f\right)}{e}^{i2\mathrm{\π}f\mathrm{\τ}}df$

其中，y(t)是經(jīng)過反Q濾波后的聲波數(shù)據(jù)；

x(t)未經(jīng)反Q濾波處理的聲波數(shù)據(jù)；

Q是品質(zhì)因子，用于描述聲波的衰減；

G(f)＝f+iH(f)，符號H(·)表示Hilbert變換，f代表聲波頻率；

τ為激發(fā)點到接收點的聲波旅行時；

2-6)反褶積：壓縮所得聲波數(shù)據(jù)的子波，可以明顯提高時間分辨率；

本發(fā)明使用的反褶積的具體方法為：

為了更有效的提高聲波記錄的時間分辨率，在疊前和疊后對聲波信號數(shù)據(jù)各進行一次反褶積處理。

首先對數(shù)據(jù)進行預白化處理，即在聲波信號的功率譜中從低頻到高頻統(tǒng)一加白噪聲，一般取0.5％～5％，可以增加方程組求解的穩(wěn)定性；然后聲波信號子波w(t)做時間延遲m的自相關得到函數(shù)r_ww(m)，對子波w(t)和期望輸出d(t)做時間延遲m的互相關；下一步通過下式求得反濾波器的濾波因子a(t)：

實際處理中，反射系數(shù)和子波均為未知，設反射系數(shù)是白噪序列，則聲波記錄的自相關就是聲波子波的自相關，即計算中用聲波記錄的自相關來代替聲波子波的自相關進行計算。

最后再讓觀測得到的聲波信號與濾波因子相乘，即可完成反褶積。

2-7)速度分析：建立盾構(gòu)機前方巖體的縱橫波速度模型；

2-8)深度偏移：對采集到的聲波數(shù)據(jù)進行偏移成像處理，展示聲波阻抗界面的位置和形態(tài)。

本發(fā)明的有益效果是：

1)本發(fā)明提出的聲波裝置，充分利用現(xiàn)場已有鉆孔、錨桿，實現(xiàn)聲波發(fā)射和接收裝置的布置，成本低、安裝迅速、對施工影響小。

2)本發(fā)明利用盾構(gòu)施工隧道中已有的超前地質(zhì)鉆孔，進行聲波發(fā)射系統(tǒng)的快速布置，能夠有效避開掌子面前方泥水區(qū)對聲波激發(fā)的衰減作用、提高探測效果；另一方面，本發(fā)明利用已有支護錨桿安裝接收傳感器，能夠更好的接收來自巖體內(nèi)部的聲波信號，避開了管片和圍巖接觸面上所產(chǎn)生的強反射干擾。

3)本發(fā)明在常規(guī)聲波數(shù)據(jù)處理方法的基礎上，加入反褶積及反Q濾波的信號處理方法，能夠有效補償聲波在軟土地層中的能量和頻率衰減，提高了探測結(jié)果分辨率；同時特別引入了散射成像技術(shù)，更適用于孤石這類小尺度地質(zhì)異常體的成像，與常規(guī)反射聲波偏移成像方法能夠互相補充、互相印證，大大提高了孤石探測結(jié)果的可靠性。

附圖說明

圖1為地鐵盾構(gòu)施工聲波法孤石探測裝置整體圖；

圖2地鐵盾構(gòu)施工聲波法孤石探測裝置換能器裝置倉示意圖；

圖3地鐵盾構(gòu)施工聲波法孤石探測裝置錨桿與接收傳感器的連接器示意圖。

其中，1.聲波發(fā)射系統(tǒng)，2.聲波采集系統(tǒng)，3.控制儀，4.推送桿，5.換能器裝置倉，6.壓入機構(gòu)，7.超前地質(zhì)鉆孔，8.連接器，9.錨桿，10.隧道空腔，11.圍巖，12.管片，13.掌子面，14.護盾，15.主梁，16.聲波換能器，17.耦合劑，18.聲波接收傳感器，19.旋蓋，20.出線孔，21.中隔板。

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖具體實施例對本發(fā)明作進一步的描述：

實施例1

盾構(gòu)機用于盾構(gòu)隧道，形成隧道空腔10，并設置管片12進行支撐圍巖11，用于地鐵盾構(gòu)隧道前方孤石探測的聲波裝置，如圖1所示，包括聲波發(fā)射系統(tǒng)1、聲波收集系統(tǒng)2、控制儀3。工作時，控制儀3控制聲波換能器16發(fā)射聲波信號，同時控制聲波接收傳感器18采集數(shù)據(jù)，并將所采集的數(shù)據(jù)實時傳輸給控制儀3中的控制系統(tǒng)。

聲波發(fā)射系統(tǒng)1包括聲波換能器16、推送桿4和壓入機構(gòu)6。聲波換能器16用于發(fā)射聲波信號，可通過控制儀3按照需要實時調(diào)整發(fā)射頻率，聲波換能器16置于換能器裝置倉5內(nèi)，換能器裝置倉5置于推送桿4的一端。推送桿4長1.5m，采用中空設計，用于將放置聲波換能器16放置在鉆孔深1m處，在壓入機構(gòu)6的控制下可以伸入已有的超前地質(zhì)鉆孔7中，在聲波激發(fā)完成后可以被整體拔出。壓入機構(gòu)6采用常見的壓入錨桿9的設備，用于將便攜推送桿4壓入到超前地質(zhì)鉆孔7中，因超前地質(zhì)鉆孔7相對于隧道水平面傾斜且朝向隧道待開挖方向，推送桿4相對于護盾14傾斜設置。超前地質(zhì)鉆孔7的位置一般在掌子面13后方約6m的位置。

所述壓入機構(gòu)6設于盾構(gòu)機的主梁15上。

聲波收集系統(tǒng)2包括錨桿9、聲波接收傳感器18、連接器8。錨桿9可以利用現(xiàn)場已安裝完畢的錨桿，選取8個以上具有水平、豎直、隧道軸線這三個方向偏移距的錨桿9，且錨桿9需露出管片3cm以上，如圖1所示。然后利用連接器8將錨桿9外露的部分與聲波接收傳感器18連接在一起。連接時注意保持連接器8、錨桿9和聲波接收傳感器18互相之間的良好耦合，連接器8包括固定管，固定管內(nèi)通過中隔板21分為兩空腔，所述聲波接收傳感器18設于固定管的一空腔內(nèi)并通過旋蓋19可旋緊，空腔內(nèi)設置螺紋實現(xiàn)與旋蓋19擰緊，固定管另一空腔內(nèi)設有螺紋，可擰在錨桿9的端部進行固定，并將聲波接收傳感器18的線從出線孔20中穿出。

控制儀3連接聲波換能器16和聲波接收傳感器18，用于在激發(fā)聲波的同時控制聲波接收傳感器18開始記錄聲波信號，并對聲波信息進行實時采集、存儲與處理。

實施例2

一種用于地鐵盾構(gòu)隧道前方孤石探測的方法，采用實施例1所述的聲波裝置。

實施例3

本發(fā)明還提出一種用于地鐵盾構(gòu)隧道前方孤石探測的方法，主要包括以下步驟：

步驟1)將換能器裝置倉從推送桿上擰下，將聲波換能器放置在換能器裝置倉中，并向換能器裝置倉中充滿耦合劑17，然后將換能器裝置倉倉蓋與推送桿擰緊；將聲波接收傳感器放置在連接器中，在聲波接收傳感器與隔板間涂抹耦合劑，將旋蓋旋緊，使接收傳感器與隔板緊貼。

步驟2)利用已有的超前地質(zhì)鉆孔，使用壓入機構(gòu)將推送桿壓入超前鉆孔中；

步驟3)將已連接聲波接收傳感器的連接器擰在錨桿外露的部分，直至錨桿頂部緊貼連接器的隔板；

步驟4)將聲波換能器和聲波接收傳感器連接到控制儀，由控制儀控制聲波換能器激發(fā)聲波，并同時開始控制接收傳感器接收聲波信息，聲波接收傳感器采集到的聲波信號經(jīng)由連接線快速傳輸?shù)娇刂苾x，并進行存儲；

步驟5)控制儀對采集到的聲波信息進行處理，得到盾構(gòu)工作面前方的地質(zhì)情況。

本發(fā)明在常規(guī)的聲波處理方法的基礎上特別加入了反褶積和反Q濾波的過程，處理方法包括：

2-1)道集處理：將壞道切除和并截取有效數(shù)據(jù)長度；

2-2)幾何擴散真振幅補償：補償聲波因幾何擴散造成的振幅損失，使其保持相對真振幅；

2-3)頻譜分析及帶通濾波；采用傅里葉變換將聲波信號從時間域變換到頻率域，根據(jù)有效波與干擾波在頻譜上的差異來達到濾波的效果；

2-4)初至波拾?。捍_定縱橫波初至到達時間；

2-5)靜校正：將聲波發(fā)射點及聲波接收點校正到同一參考面上；

2-6)道內(nèi)均衡：壓縮各道淺層能量較強的波、增大深部能量較弱的波，使振幅控制在一定動態(tài)范圍內(nèi)；

2-7)反Q濾波：補償由于地層非彈性體導致的能量和頻率的衰減，校正子波相位的拉伸效應。

本發(fā)明使用的反Q濾波的具體方法為：

將觀測得到的聲波信號數(shù)據(jù)乘上地層吸收補償因子h(t，τ)：

y(t)＝x(t)*h(t，τ)

$h(t,\mathrm{\τ})={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}{e}^{\frac{\mathrm{\π}t}{Q}G\left(f\right)}{e}^{i2\mathrm{\π}f\mathrm{\τ}}df$

其中，y(t)是經(jīng)過反Q濾波后的聲波數(shù)據(jù)；

x(t)未經(jīng)反Q濾波處理的聲波數(shù)據(jù)；

Q是品質(zhì)因子，用于描述聲波的衰減；

G(f)＝f+iH(f)，符號H(·)表示Hilbert變換，f代表聲波頻率；

τ為激發(fā)點到接收點的旅行時。

2-8)反褶積：壓縮所得聲波數(shù)據(jù)的子波，可以明顯提高時間分辨率。

本發(fā)明使用的反褶積的具體方法為：

為了更有效的提高聲波記錄的時間分辨率，在疊前和疊后對聲波信號數(shù)據(jù)各進行一次反褶積處理。

首先對數(shù)據(jù)進行預白化處理，即在聲波信號的功率譜中從低頻到高頻統(tǒng)一加白噪聲，一般取0.5％～5％，可以增加方程組求解的穩(wěn)定性；然后聲波信號子波w(t)做時間延遲m的自相關得到函數(shù)r_ww(m)，對子波w(t)和期望輸出d(t)做時間延遲m的互相關；下一步通過下式求得反濾波器的濾波因子a(t)：

實際處理中，反射系數(shù)和子波均為未知，設反射系數(shù)是白噪序列，則聲波記錄的自相關就是聲波子波的自相關，即計算中用聲波記錄的自相關來代替聲波子波的自相關進行計算。

最后再讓觀測得到的聲波信號與濾波因子相乘，即可完成反褶積。

2-9)速度分析：建立盾構(gòu)機前方巖體的縱橫波速度模型；

2-10)深度偏移：對采集到的聲波數(shù)據(jù)進行偏移成像處理，展示聲波阻抗界面的位置和形態(tài)。

本發(fā)明提出的聲波信息處理的方法在常規(guī)的聲波處理方法的基礎上加入反褶積和反Q濾波的過程，提高了聲波信號記錄的分辨率，對于孤石的探測具有良好的成像效果。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不是本發(fā)明的全部實施例，不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

除說明書所述技術(shù)特征外，其余技術(shù)特征均為本領域技術(shù)人員已知技術(shù)，為了突出本發(fā)明的創(chuàng)新特點，上述技術(shù)特征在此不再贅述。