石少帅，孙昊政，李术才,2，许新骥,2，周宗青,2，郭伟东，曹天宇

(1.山东大学齐鲁交通学院，山东济南，250061；2.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南，250061；3.中国铁路经济规划研究院，北京，100038)

我国已成为世界上隧道修建规模最大的国家，复杂地质环境造成隧道施工开挖中的坍塌、冒顶、涌水等地质灾害频繁发生。因此，在隧道施工中，对掌子面前方不良地质进行预报是未来隧道施工中必不可少的环节[1]。与此同时，伴随着劳动力成本增加和工程机械设备(TBM、凿岩台车等)的快速发展，国内隧道施工由传统人工为主的施工方式向全环节机械化施工方式快速转变，未来高度机械化配套的隧道建设方式将成为隧道施工的主流[2]，因此，研究能匹配机械化施工效率的超前预报方式是未来隧道预报方法的发展趋势之一。

基于我国钻爆法隧道机械化施工设备凿岩台车大规模应用的背景，将施工机械凿岩台车与隧道地震波超前探测法相结合，提出了以凿岩台车施工期间钻头破岩作为震源，对掌子面前方不良地质进行地震波勘探的预报新方法—凿岩台车破岩震源隧道地震波超前预报方法。传统隧道地震波探测方法(TSP、TRT 和陆地声纳法等)在数据采集中需停止施工，造成了一定工期延误[3]；而本方法变噪为源，通过凿岩台车掌子面钻孔破岩激发地震波，其采集数据过程伴随着凿岩台车施工同时进行，因此，该方法能够减少隧道超前地质预报对施工时间的影响，实现高效预报和施工。

本文以较成熟的随钻地震技术为基础开展研究。随钻地震技术是一种利用钻头破岩产生的连续振动作为震源的地震勘探技术。随钻地震技术可以追溯到20世纪30年代。WEATHERBY[4]利用顿钻产生的振动信号对地下构造进行了成像。随着电子计算机、数学处理技术以及弱信号检测技术的不断发展，STARON等[5]提出了钻机地震的工作模式，即以钻头破岩的振动作为震源，在钻柱顶部获取钻头振动的参考信号，通过与地面检波器阵列记录的地震波信号互相关得到地震波旅行时间，但还不能得到很好的结果。针对钻头信号中干扰成分压制问题，RECTOR[6]提出了利用参考信号自相关提取反褶积因子来消除先导信号周期干扰的方法。罗斌[7]通过线性约束最小平方反褶积对钻头先导信号进行了噪声压制处理，较好地压制了井场噪声干扰。高伟[8]提出了基于独立变量分析的先导信号反褶积，该方法在信噪比较低条件下也能够取得较好的效果。秦显科等[9]针对随钻地震资料信噪比较低的难题，将稀疏表示理论引入随钻地震参考信号处理，恢复了钻头震源信号，改善了随钻地震资料的信噪比。

随钻地震技术的研究和应用大多针对石油钻井牙轮钻头，其钻进方式为切削回钻破岩，而凿岩台车钻进方式分为冲击破岩和切削回转破岩2种方式。由于2种破岩方式具有相互独立的特点，若直接将先导信号与检波器信号互相关，会导致重构地震记录中2种破岩方式激发的有效信号相互混叠难以识别。常规的随钻地震记录重构后对于有效信号的识别仍有一定难度，重构地震记录信噪比差。

针对以上问题，本文作者在某钻爆法机械化施工隧道开展凿岩台车地震预报方法现场试验，以凿岩台车单臂钻进激发地震波为研究对象，采集大量凿岩台车钻头破岩地震数据。运用最小平方反褶积方法提取钻头单次冲击脉冲信号，并在常规随钻地震记录重构方法中引入垂直叠加技术，提高重构地震记录信噪比，形成一套适用于凿岩台车的钻头破岩震源地震记录重构方法。通过现场试验当前里程TSP 预报结果及开挖情况与重构地震记录相互验证，初步论证了凿岩台车钻头破岩震源隧道地震波预报方法的可行性。本文研究成果为凿岩台车钻头破岩震源隧道地震波预报技术的实现奠定了基础，向施工机械化隧道提供了“变噪为源”的预报方法新思路。

1 方法原理与试验数据获取

1.1 方法原理

凿岩台车破岩震源隧道地震波超前地质预报方法利用在钻爆法隧道中凿岩台车掌子面打孔时钻头破岩产生的剧烈震动作为地震勘探的震源。该方法的震源布置方案和掌子面钻眼设计方案一致，预报原理如图1所示。由图1可见：在钻臂安装先导传感器采集钻头破岩信号，在隧道边墙上安装检波器采集地震波反射信号。将采集到的先导传感器信号与检波器信号进行处理，重构地震记录并提取出有效反射信息，从而预测掌子面前方的地质情况，实现凿岩台车施工过程中的实时探测。

图1 凿岩台车破岩震源隧道地震波超前地质预报方法原理Fig.1 Principle of tunnel advanced geological prediction method for drilling jumbo rock-breaking source

图2所示为凿岩台车冲击和回转破岩过程示意图[10]。由图2可见：这2 种方法均可激发地震波，使得2种地震波场混杂，地震记录无法直接处理与解释，其中钻头冲击过程在破碎岩石中起主要作用，而钻头回转切削过程在破碎岩石中起辅助作用。且钻头冲击频率和能量远比钻头回转切削的大[11]，因此，本方法主要利用钻头冲击震源进行探测，并视钻头回转造成振动信号为干扰。

图2 凿岩台车冲击和回转破岩过程示意图[10]Fig.2 Diagram of drilling jumbo impact and rotary breaking rock process[10]

1.2 试验数据获取

本文在某隧道内采集凿岩台车钻头破岩震源信号，获取第一手数据。机械化施工设备为铁建重工ZYS113型凿岩台车，本次数据采集试验所用设备有DAQlink III分布式地震仪、5个三分量加速度传感器、1台笔记本电脑。

凿岩台车钻头破岩地震预报技术所用震源具有连续性和实时性的特点，因此，该试验的地震数据采集是实时的，并贯穿于凿岩台车钻进的全过程[12]。通过现场调查可知，凿岩台车打1个炮孔所用钻进时间为30～50 s，钻进深度约为1 m，故数据采集时长设为60 s，采样间隔为0.5 ms。

地震观测系统设计如下：1个先导传感器安装固定在凿岩台车钻臂靠近钻头位置；检波器布置方案选择线性布置，每4 m 一道，1 号检波器与掌子面距离为10 m，震源间距为掌子面钻眼间距，为0.5～1.3 m，如图1所示。

2 先导信号特征分析及处理

由于本方法震源激发的特殊性，在试验中固定在钻臂上的先导传感器接收到的先导信号并非理想的钻头震源信号，存在大量干扰，干扰一般包括凿岩台车工作自身产生的机械干扰和环境噪声干扰。钻头震源信号由2 种破岩方式产生，因此，先导信号成分复杂，需分析特征和成分，为钻头震源信号的提取提供依据[13−14]。下面采用了傅里叶变换、连续小波变换和自相关等方法分析总结先导信号的频谱、时域和周期特征。

2.1 频谱分析

图3所示为采集到的某次凿岩台车钻头破岩震源先导信号(钻进过程为30 s)。由该先导信号作为本文的主要研究对象，先导信号与常规的脉冲震源信号不同，凿岩台车钻头在钻进的过程中时时刻刻都在产生振动信号，并没有明确的开始时间，具有连续随机的特点。

图3 凿岩台车钻头先导信号Fig.3 Drilling jumbo bit pilot signal

对试验先导信号进行傅里叶变换得到频谱图，如图4(a)所示。由图4(a)可见：凿岩台车钻头先导信号主频范围为60～110 Hz。但频谱图中还存在另一幅值较大的成分，频率范围为30～50 Hz，ZYS113 型凿岩台车最大回钻速度为290 r/min，且钻头回钻相比其他机械干扰能量较大，因此推断该成分是钻头回钻造成的。同时选取另外3组先导信号对比分析其频谱特征，其他3组主频范围分别为65～110，60～120 和60～110 Hz，主频要低于炸药、锤击等脉冲震源的主频，在探测分辨率上低于传统隧道地震波超前预报方法的探测分辨率。对试验先导信号进行连续小波变换，母小波采用Morlet 小波，选取0～500 Hz 频率范围进行分析，得到时域频谱图，如图4(b)所示。先导信号在时间域上表现出较强随机性。同时，发现小于60 Hz的低频噪声，大于120 Hz的高频噪声以及50 Hz的工频干扰，且噪声具有连续性差的特点。

图4 凿岩台车先导信号频域及时域特征Fig.4 Frequency and time domain characteristics of drilling jumbo pilot signal

2.2 自相关分析

由于凿岩台车自身产生机械振动大多具有周期性，因此，需分析先导信号的周期特征，探明周期成分来源。自相关函数可以描述随机信号x(t)在任意2 个不同时刻t1和t2的取值之间的相关程度[15]。基于此特点对先导信号进行自相关，凿岩台车先导信号自相关函数计算公式如下。

先导信号函数x(t)为

式中：p(t)为钻头冲击震源信号；n(t)为随机干扰；N(t)为具有周期特性的噪声。

先导信号自相关函数rxx(τ)为

N(t)在k

分析先导信号的周期性时，其时长选择不宜过长也不宜过短，时长过长造成峰值周期性难以分辨，时长过短造成信号中可能缺少周期性成分。取先导信号振幅变化较稳定的25～27 s 段进行自相关分析，结果如图5(b)所示。由图5(b)可见：先导信号自相关中存在多处峰值，凿岩台车在实际钻进中很难匀速钻进，在自相关中难以形成有规律的周期成分；凿岩台车机械干扰在自相关中形成约为0.3 s 的峰值间隔，这与凿岩台车回转速度基本相符(最大钻速290 r/min)，因此，推断先导信号中的周期成分主要是由钻头回转切削造成的。

图5 先导信号25～27 s 段的自相关结果Fig.5 Autocorrelation results of 25−27 s segment of pilot signal

2.3 停机环境噪声分析

为了分析隧道环境噪声对先导信号的影响，现场试验中在先导信号接收传感器相同位置获取了凿岩台车停机时的隧道环境噪声，如图6所示。对比图3和图6发现，先导信号的振幅是环境噪声的100～200倍，因此，本文忽略停机环境噪声对先导信号的影响。

图6 停钻时先导传感器信号Fig.6 Pilot sensor signal when drilling stops

2.4 先导信号反褶积

与常规随钻地震中使用的牙轮钻头回转切削破岩激发地震波信号相比，凿岩台车先导信号不仅存在钻头冲击信号，还存在着周期性的钻头回转信号，这2种破岩方式激发的地震波导致地震波场混合难以区分。

在本研究中仅利用钻头冲击产生的P 波、SV波研究地震记录重构方法[16]。为了在地震记录重构中获得仅钻头冲击信号作用下的地震记录，本研究中视式(1)中连续随机的震源信号p(t)为凿岩台车钻头各个冲击信号事件发生的时间因子T(t)和单次冲击地震子波s(t)的褶积，得到式(3)，建立了最小平方反褶积求取s(t)的信号提取方法。

然而，实际情况采集的先导信号存在着噪声干扰，因此联立式(1)和(3)得到先导信号x(t)表达式：

采用最小平方反褶积方法，设计反褶积滤波器，设期望获得的输出为s(t)，反褶积因子为T'(t)，反褶积后的实际输出x(t)*T'(t)，输出误差ε(t)=x(t)*T'(t)−s(t)，均方误差Q为按照最小平方滤波准则，最小平方滤波器的实际输出与期望输出的均方差最小时可压制噪声，且实际输出与期望输出近似。设T'(t)为所求的最小平方滤波因子，并令Q对T'(t)的一阶导数等于零，即

对均方误差Q求导得

通过式(6)得到toeplitz 方程，可求解反褶积因子T'(t)

为了提取单次冲击激发的脉冲地震子波，在反褶积中设计期望的钻头单次冲击地震子波输出为δ单位脉冲，则式(7)可简化为[17]

式中：c(0)为常数，本文设c(0)=1。

此处仍选取25～27 s 段先导信号进行反褶积处理，求取反褶积因子T'(t)，对先导信号x(t)反褶积，得到凿岩台车钻头单次冲击地震子波s'(t)，即先导信号反褶积结果，如图7(a)所示。

为了检验反褶积后先导信号中周期性干扰压制情况，利用自相关的周期性检验先导信号的反褶积效果，得到反褶积后25～27 s 段先导信号自相关结果如图7(b)所示，与图5(b)对比发现，反褶积后先导信号自相关中周期成分已基本得到压制，反褶积结果比较理想。

图7 反褶积后25～27 s段先导信号及自相关结果Fig.7 Deconvolution and autocorrelation results of 25−27 s segment of pilot signal

3 地震记录重构方法

与常规的脉冲震源不同，连续的钻头震源导致凿岩台车原始地震记录中存在多个钻头破岩地震波场，各地震波场之间混叠无法直接解译，从“杂乱无章”的地震记录中提取得到有效反射信号并得到可解释的地震记录剖面，这是实现该预报方法的关键。本节以单次钻头冲击地震子波与检波器信号互相关为核心，压制干扰信号，得到等效脉冲震源的地震记录，并引入分段叠加技术，进一步提高地震记录信噪比，实现了凿岩台车地震记录的常规化。

3.1 基于互相关处理的等效脉冲震源地震记录重构

互相关处理技术是随钻地震记录中的核心处理方法，本文通过凿岩台车钻头单次冲击地震子波与检波器信号互相关构建虚拟地震道[18−19]。

设隧道边墙检波器接收信号g(t)为

式中：w(t)为地层响应；n'(t)为噪声干扰。

对信号g(t)和s'(t)进行Z变换，反褶积后先导信号与检波器信号的互相关Rsg(Z)为

由于s′(t)是以期望输出为δ单位脉冲的实际输出结果，那么有S'(1/Z)P(Z)的互相关等效为脉冲信号E(Z)，则有

由式(11)可知：反褶积后的先导信号和检波器信号互相关可得到等效脉冲震源激励条件下单道地震记录，并能衰减地震数据中不相干的噪声成分。

对现场采集的地震信号进行互相关处理，记录时间为0.3 s，反褶积后先导信号和归一化的检波器信号如图8所示，反褶积后先导信号和检波器信号互相关结果如图9所示。由图9可见：反褶积后先导信号和检波器信号经过互相关处理后能得到等效于脉冲震源激震下的单道地震记录，且互相关函数是一个时移函数，互相关结果的最大值处2个信号相似程度最高，此处时移为直达波的初至时刻。

图8 0.3 s时长先导信号反褶积和归一化检波器信号Fig.8 Deconvoluted pilot signal and normalized geophone for 0.3 s time length

图9 反褶积后先导信号和检波器信号互相关结果Fig.9 Cross-correlation results between deconvoluted pilot signal and geophone

3.2 长时间地震记录分段叠加

常规随钻地震技术互相关后，在重构地震记录中识别有效信号仍比较困难，本文引入长时间地震记录分段互相关叠加技术提高重构地震记录信噪比。根据信噪比r计算公式(式(12))，叠加次数越高，信噪比越高[20−21]。

式中：Es和En分别为有效信号能量和噪声信号能量；l1和l2为有效信号时段；l3和l4为噪声时段。将30 s整段震源信号和检波器信号分为100段，每段0.3 s，每段互相关处理后进行100 次垂直叠加处理，得到图10。对比图9和10发现，多段地震数据互相关结果垂直叠加后，信噪比有所提升，通过互相关结果最大值，基本能够反映出直达波的初至为0.003 5 s，且有效信号范围为0～0.075 0 s。

图10 分段互相关叠加100次结果Fig.10 Result of segmented cross-correlation superimposed 100 times

4 工程验证

4.1 现场试验地质情况

在某隧道开展凿岩台车地震法预报的现场试验。该隧址区属溶蚀、构造侵蚀中低山河谷地貌区。上覆第四系全新统坡残积粉质黏土、坡崩积碎石土。下伏基岩为志留系罗惹坪组页岩夹砂岩、新滩组页岩夹砂岩。地表水主要为地表径流、沟水，地下水主要为孔隙水、基岩裂隙水。试验隧道地质剖面图如图11所示。

图11 隧道地质剖面图Fig.11 Geological profile of tunnel

4.2 现场TSP预报对比

采用本文提出的地震记录重构方法，其流程图如图12所示，对其他3个检波器信号进行处理，选取有效信号0～0.075 0 s段得到重构地震记录如图13(b)所示。由图13可见，经过地震记录重构后，最初复杂非常规的地震记录能够转化为可以继续进行处理的脉冲震源地震记录。

图12 地震记录重构流程图Fig.12 Flow chart of seismic record reconstruction

图13 凿岩台车重构地震记录与原始地震记录对比Fig.13 Comparison of reconstructed seismic records and original seismic records with drilling jumbo

选取较明显的反射波同相轴区域①和②分别进行分析，计算得到①和②反射波视速度分别为3.0 km/s 和3.5 km/s，根据①和②反射波走时分别为0.010 5 s和0.032 5 s，基于地震波运动学理论推测前方大约10 m和50 m处存在地质反射界面。通过当前试验里程处TSP 预报结果如图14所示，对比基本验证了该推测，在实际开挖中掌子面前方10 m 处存在页岩与砂岩的互层现象，且围岩较破碎，初步证明了凿岩台车钻头破岩地震记录重构方法的有效性。但存在10～50 m 反射波信息较弱、直达横波干扰的问题，对于重构后的地震记录仍需继续进行处理，增强反射波，提高预报精度。

图14 试验里程处TSP预报结果Fig.14 TSP forecast results at test mileage

4.3 试验结果讨论

从试验结果来看，利用提出的方法重构的地震记录可以有效识别初至和部分反射波同相轴，使复杂的原始地震记录常规化。相比常规隧道地震勘探方法，本方法单次钻进得到的地震记录存在干扰较多，预报结果精度有限。但本方法中凿岩台车−循环施工掌子面钻眼将近100 个，可采集的地震数据量远比常规方法的大，如对大量地震数据进行合理地综合处理，可以提高该方法地震记录的预报精度。本文重构后地震记录中部分段反射波能量较弱，如继续研究凿岩台车三臂同时钻进激发震源预报方法，地震波场将更复杂，重构地震记录信噪比将更低，因此，研究信噪比提升方法是为未来的研究重点。

5 结论

1)通过傅里叶变换、连续小波变换和自相关对凿岩台车先导信号进行特征分析，得到先导信号主频范围为60～120 Hz；先导信号成分复杂，其中存在周期约为0.3 s 的机械干扰，影响地震记录重构精度。

2)利用最小平方反褶积方法对连续钻头先导信号进行反褶积，可压制先导信号中的周期成分并能从中提取出钻头单次冲击脉冲信号。

3)基于互相关干涉，将反褶积后的先导信号与检波器信号分段互相关叠加处理，能够将凿岩台车破岩震源地震记录转化为脉冲震源地震记录，提高重构地震记录信噪比，有效解决了原始地震记录无法识别、解释的问题，形成了一套适用于凿岩台车破岩震源的地震记录重构方法。

4)通过现场验证，本文提出的方法所获得的地震记录重构结果与现场当前里程的TSP 地质预报及实际开挖结果基本一致，初步验证了本文预报方法的可行性。