本發明屬于地質預測，涉及隧道超前地質預測技術，具體為一種錘擊掌子面前方危巖超前地質探測方法及系統。

背景技術：

1、在隧道和地下工程施工過程中，掌子面前方圍巖的探測對于施工安全和工程質量至關重要，并且機械化、自動化成為復雜環境下隧道和地下工程的變革方向。在早期的隧道勘探施工實踐中，超前預報探測的技術手段多以地質雷達探測、人工或爆破產生的震源來激發地震波為主。參見申請為cn201710371184.6的專利文獻，其公開了一種用于隧道超前地質預報的多源地震干涉法，包括先在開挖隧道的一端掌子面設置多個震源，另一端掌子面和邊墻上布設地震檢波器組；然后同時引爆所有震源，激發地震波；通過布設好的地震檢波器組采集透射地震波，形成地震記錄；最后對這些地震記錄進行地震干涉處理，獲得隧道未開挖區域的特征圖譜，通過分析所述特征圖譜，對隧道進行超前地質預報。該專利文獻所記載的超前地質預測技術在施工時需要先在掌子面開設引爆孔，然后再進行引爆檢測，其不僅占用隧道內較大的空間，且從準備到實施過程耗時較長，通常至少需要2小時，導致了施工進度停滯，降低了工程效率。

技術實現思路

1、針對上述背景技術中所描述的，現有的超前地質預測技術，其實施過程耗時長，存在影響工程效率的技術問題，針對該技術問題，本發明提出了一種錘擊掌子面前方危巖超前地質探測方法及系統。

2、本發明是將手持式鑿巖機作為震源激發裝置，然后采集地震波信號，并經地震采集儀將地震波信號傳輸給處理模塊進行處理，無需額外增加設備，也無需打孔引爆，對施工進度影響較小，大大提高了作業效率，且減少了施工人員處在危險區域的工作時間，降低了安全風險。

3、為了解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：

4、本發明一種錘擊掌子面前方危巖超前地質探測方法，包括以下步驟：

5、s1：在隧道洞身中的錨桿底部或在垂直于隧道洞壁的位置安裝檢波器組，在手持式鑿巖機上安裝先導檢波器，先導檢波器和檢波器組均與地震采集儀通信連接，地震采集儀通過無線自組網的方式與處理模塊通信連接；

6、s2：使用手持式鑿巖機在隧道洞身敲擊形成陣列式地震波信號；

7、s3：檢波器組和先導檢波器配合地震采集儀采集每個震源激發點的地震波信號，其中，地震波信號包括檢波器組采集的檢波器信號、先導檢波器采集的檢波器信號和地震采集儀采集的震源信號，并記錄每個震源激發點的位置信息，將每個震源激發點的地震波信號傳輸給處理模塊；

8、s4：處理模塊基于每個震源激發點的位置信息、檢波器組采集的檢波器信號和先導檢波器采集的檢波器信號形成前向地震波束；

9、處理模塊對每個震源激發點的檢波器組采集的檢波器信號和地震采集儀采集的震源信號進行預處理，形成每個震源激發點的去噪地震波信號，并根據每個震源激發點的位置信息和去噪地震波信號計算地震波波速；

10、s5：基于地震波波速確定地震橫波速度分布和地震縱波速度分布，形成速度分布結果；

11、s6：基于前向地震波束和速度分布結果，利用插值算法形成正演圖像，通過正演圖像觀察掌子面前方危巖超前探測結果。

12、進一步限定，所述步驟s2中，陣列式地震波信號是指在隧道洞身不同位置進行敲擊，形成多點式分布的地震波信號。

13、進一步限定，所述步驟s4中，前向地震波束的形成過程為：

14、對每個震源激發點的先導檢波器采集的檢波器信號和檢波器組采集的檢波器信號進行降噪處理，通過降噪處理后先導檢波器的檢波器信號和檢波器組的檢波器信號計算觀測系統的時間差；

15、根據每個震源激發點的位置信息以及觀測系統的時間差確定地震波波速，以調整地震波在不同時間的相位，形成具有良好聚焦性和方向性的前向地震波束。

16、進一步限定，所述步驟s4中，處理模塊對每個震源激發點的檢波器組采集的檢波器信號和地震采集儀采集的震源信號進行預處理具體包括：通過互相關算法將每個震源激發點的檢波器組采集的檢波器信號和地震采集儀采集的震源信號進行互相關處理，構建虛擬地震道，并形成多個虛擬地震道信號，通過多個虛擬地震道信號進行噪聲抑制和信號增強，形成每個震源激發點的增強地震波信號，對增強地震波信號進行降噪處理，形成去噪地震波信號；

17、其中，通過互相關算法將每個震源激發點的檢波器組采集的檢波器信號和地震采集儀采集的震源信號進行互相關處理的計算模型為：

18、

19、dij(τmax)＝di(t+τmax)

20、式中，di為檢波器組中第i個檢波器采集的檢波器信號；τ為時間延遲；t為采集時間；s(t)為地震采集儀采集的震源信號；ccfij(τ)為互相關函數；τmax最大時間延遲；j為震源激發點的編號。

21、進一步限定，所述降噪處理采用能量平衡、帶通濾波、自動增益控制、反射波提取或縱波橫波分離中的任意一種。

22、進一步限定，所述步驟s6中利用插值算法形成正演圖像具體包括：通過前向地震波束與速度分布結果，確定空間網格點對應的地震波傳播速度，再基于空間網格點對應的地震波傳播速度利用插值算法確定每個空間點處的地震波傳播速度；

23、其中，基于空間網格點對應的地震波傳播速度利用插值算法確定每個空間點處的地震波傳播速度的計算公式為：

24、

25、式中，v(x,y,z)為每個空間點處的地震波傳播速度，單位：m/s；b為空間網格點的序號，單位：個；n為空間網格點的總數，單位：個；ωb為第b個空間網格點的插值權重，無量綱；v(xb,yb,zb)為第b個空間網格點的地震波傳播速度。

26、進一步限定，所述第b個空間網格點的插值權重是基于反距離加權法、雙線性插值法或樣條插值法確定的。

27、本發明一種錘擊掌子面前方危巖超前地質探測系統，應用于上述的錘擊掌子面前方危巖超前地質探測方法，包括手持式鑿巖機、檢波器組、先導檢波器、地震采集儀、處理模塊和觀測模塊，所述檢波器組和先導檢波器均與地震采集儀通信連接，所述地震采集儀通過無線自組網的方式與處理模塊通信連接，所述地震采集儀將每個震源激發點的地震波信號發送給處理模塊，所述處理模塊和觀測模塊連接，所述地震波信號包括檢波器組采集的檢波器信號、先導檢波器采集的檢波器信號和地震采集儀采集的震源信號；所述先導檢波器安裝在手持式鑿巖機上，所述檢波器組安裝在隧道洞身中的錨桿底部或安裝在垂直于隧道洞壁的位置；

28、所述手持式鑿巖機：用于在隧道洞身敲擊形成陣列式地震波信號；

29、所述處理模塊：用于基于每個震源激發點的位置信息、檢波器組采集的檢波器信號和先導檢波器采集的檢波器信號形成前向地震波束；對每個震源激發點的檢波器組采集的檢波器信號和地震采集儀采集的震源信號進行預處理，形成每個震源激發點的去噪地震波信號，并根據每個震源激發點的位置信息和去噪地震波信號計算地震波波速；基于地震波波速確定地震橫波速度分布和地震縱波速度分布，形成速度分布結果，并將前向地震波束和速度分布結果發送給觀測模塊；

30、觀測模塊，用于接收前向地震波束和速度分布結果，并基于前向地震波束和速度分布結果利用插值算法形成正演圖像，通過正演圖像觀察掌子面前方危巖超前探測結果。

31、進一步限定，所述檢波器組和地震采集儀組成觀測系統；

32、其中，檢波器組中包括多組檢波器，每組檢波器包括多個檢波器，且每組中的多個檢波器均與地震采集儀連接；

33、每組檢波器中相鄰兩個檢波器的間距為1.5m-2m。

34、進一步限定，陣列式地震波信號是使用手持式鑿巖機在隧道洞身沿直線進行多點式敲擊形成的，其中，第一個震源激發點距離掌子面不超過3米，之后相鄰的兩個震源激發點之間的距離不超過2米。

35、與現有技術相比，本發明的有益效果在于：

36、1、本發明一種錘擊掌子面前方危巖超前地質探測方法，其將手持式鑿巖機作為震源激發裝置，然后采集地震波信號，并經地震采集儀將地震波信號傳輸給處理模塊進行處理，無需額外增加設備，也無需打孔引爆，對施工進度影響較小，其不需要暫停工程施工，可以一邊進行工程施工，一邊實施探測，大大提高了作業效率，且減少了施工人員處在危險區域的工作時間，降低了安全風險。

37、2、本發明利用手持式鑿巖機作為震源激發裝置，手持式鑿巖機能夠快速、便捷地產生大量高質量的震源信號，其敲擊位置、強度及時間均可精確控制。

38、3、本發明中，地震采集儀通過無線自組網的方式與處理模塊通信連接，采用自組網無線傳輸方式，有效避免了傳統預測方法中布線的復雜性，簡化了安裝和維護過程。

39、4、本發明的觀測系統設計用于在隧道洞身中長期布設，不影響施工，無需頻繁的裝拆，提高了觀測的穩定性和可靠性。

40、5、本發明利用互相關算法對每個震源激發點的檢波器組采集的檢波器信號和地震采集儀采集的震源信號進行互相關處理，構建多個虛擬地震道信號，并利用這些虛擬信號進行噪聲抑制和信號增強，并形成多個虛擬地震道信號，通過多個虛擬地震道信號進行噪聲抑制和信號增強，形成每個震源激發點的增強地震波信號，從而提高地震波信號的信噪比。

41、6、本發明中，采用能量平衡、帶通濾波、自動增益控制、反射波提取或縱波橫波分離中的任意一種增強地震波信號進行降噪處理，實現了每個震源激發點的地震波信號中噪音的有效去除。