一种钻进地震融合的隧道不良地质识别方法及系统

本发明属于隧道超前地质风险量化领域，尤其涉及一种钻进地震融合的隧道不良地质识别方法及系统。

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、在钻爆法隧道施工过程中，掌子面前方地质条件具有较强的不确定性，常见不良地质包括断层破碎带、岩溶空洞、富水带、软弱夹层、突泥突水通道以及软硬岩突变界面等。上述不良地质体一旦未能在开挖前及时识别，可能引发塌方、涌水、突泥、超欠挖加剧、支护结构失稳以及施工进度受阻等工程风险。因此，在掌子面开挖前对前方地质条件进行超前探测和风险识别，是保障隧道安全施工和优化施工组织的重要技术环节。

3、目前，钻爆法隧道常用的超前地质预报手段主要包括地质素描、超前水平钻探、tsp地震预报、瞬变电磁法、地质雷达、红外探水以及随钻参数分析等。其中，地震波法由于具有探测距离较远、对波阻抗界面敏感、适合识别断层破碎带和软硬岩界面等优点，已成为隧道超前地质预报中的重要技术手段。特别是被动源地震方法能够利用施工过程中自然产生的钻进振动作为激发源，不需要频繁布置主动震源，具有不停机、连续观测和与施工过程同步的潜力。

4、然而，隧道地震超前预报结果通常存在较强的不确定性。一方面，隧道施工环境复杂，检波器布设空间受限，观测孔径有限，机械噪声强，信噪比不稳定，导致地震记录质量受到影响；另一方面，掌子面前方地下介质往往具有强非均匀性和复杂构造特征，而常规解释中常采用简化速度模型或均匀介质假设，在进行时间—距离转换和异常体定位时容易引入误差。此外，地震分辨率受波长、频带宽度和信噪比限制，远距离小尺度异常体可能难以被稳定识别；观测数据与地质属性之间的映射关系也并非唯一，同一反射事件可能对应软硬岩界面、破碎带、富水带或岩性突变等不同地质成因。因此，即使获得了地震异常响应，其空间位置、异常类型和风险等级仍然存在不可忽略的不确定性。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种钻进地震融合的隧道不良地质识别方法及系统，其能够充分利用钻爆法施工过程中已有的超前钻探作业和被动源振动信息，在不显著增加施工干扰的情况下，实现对掌子面前方不良地质风险的连续化、定量化和可解释化识别。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一方面提供一种钻进地震融合的隧道不良地质识别方法，包括如下步骤：

4、获取被动源地震数据及钻进参数，在连续采集被动源地震数据的同时，同步采集超前地质钻探过程中的钻进参数；

5、对采集的被动源地震信号进行预处理，并构建经验格林函数或虚拟炮记录，得到重构后的被动源地震记录；

6、将重构后的被动源地震记录按照不同频带进行分解，候选反射位置、候选传播速度和参考走时修正进行扫描，并采用相干函数计算地震相干响应；

7、将地震相干响应进行背景扣除、非负化和面积归一化，得到每次被动源地震观测对位置x的似然函数；

8、利用钻进参数建立岩性识别模型，结合输出的不良岩性概率和岩性突变概率构建工程先验概率分布；

9、将当前被动源地震观测的似然函数与前一次更新后的先验概率进行贝叶斯更新，得到融合本次观测后的风险后验概率分布；

10、根据最终的风险后验概率分布，计算风险区间积分概率及综合风险函数并据此输出风险峰值位置、风险宽度、风险等级和施工处置建议。

11、进一步地，地震相干响应表示为：

12、，

13、其中，表示第k次被动源地震观测在候选位置x、频带f、候选传播速度v和参考走时修正条件下计算得到的地震相干响应；表示由互相关或反卷积得到的第k次观测对应的第i道被动源记录；为第i道记录的道权重；n为参与相干计算的检波器道数；m为时间窗内采样点序号；表示时间窗内第m个采样点相对于预测走时的局部时间偏移；表示候选位置x对应第i道记录的预测走时，为防止分母为零的稳定项。

14、进一步地，第次被动源地震观测对位置的似然函数，表示为：

15、，

16、其中，表示在候选位置、频带、候选传播速度和参考走时修正条件下，第k次被动源地震观测数据对该位置存在不良地质异常的支持程度；表示第k次被动源地震观测在候选位置x、频带f、候选传播速度v和参考走时修正条件下计算得到的地震相干响应；表示第k次被动源地震观测数据；ξ为空间积分变量，用于在超前探测区间内进行归一化；为背景相干水平；为当前观测覆盖的超前探测区间；为稳定项，用于避免归一化分母为零。

17、进一步地，工程先验概率分布为：

18、,

19、,

20、,

21、其中，表示位置处的工程先验概率分布，表示经限幅处理后的未归一化工程先验风险值，表示先验概率下限，表示先验概率上限，表示由地质素描、钻孔编录或经验地质信息形成的补充先验，、、分别表示不良岩性概率、岩性突变概率和补充地质先验的权重系数，表示位置处属于不良地质或高风险岩性类别的概率，表示位置x处发生岩性突变、软硬岩接触、断层接触带或结构界面的概率，为空间积分变量，ω为超前探测区间。

22、进一步地，位置处属于不良地质或高风险岩性类别的概率的计算公式为：

23、，

24、位置处发生岩性突变、软硬岩接触、断层接触带或结构界面的概率的计算公式为：

25、，

26、其中，b表示不良地质或高风险岩性类别的索引集合，表示在给定位置x处钻进参数的条件下，该位置属于第c类岩性的概率，表示位置x左侧距离δ处属于第c类岩性的概率，δ为空间窗口半宽度，c为岩性类别总数，表示位置x左侧距离δ处属于第c类岩性的概率，表示位置x右侧距离δ处属于第c类岩性的概率。

27、进一步地，贝叶斯更新公式为：

28、，

29、其中，为融合第k次被动源地震观测后的风险后验概率分布，表示第k次被动源地震观测数据在候选位置x处的似然函数，表示融合第k1次观测后得到的风险后验概率分布，并作为第k次更新的先验，ω表示超前探测区间；ξ表示空间积分变量；表示第k次观测数据在空间位置处的似然函数；表示上一轮风险后验概率在空间位置ξ处的取值。

30、本发明的第二方面提供一种钻进地震融合的隧道不良地质识别系统，包括：

31、参数采集模块，用于获取被动源地震数据及钻进参数，在连续采集被动源地震数据的同时，同步采集超前地质钻探过程中的钻进参数；

32、数据重构模块，用于对采集的被动源地震信号进行预处理，并构建经验格林函数或虚拟炮记录，得到重构后的被动源地震记录；

33、地震相干响应计算模块，用于将重构后的被动源地震记录按照不同频带进行分解，候选反射位置、候选传播速度和参考走时修正进行扫描，并采用相干函数计算地震相干响应；

34、风险后验概率分布确定模块，用于将地震相干响应进行背景扣除、非负化和面积归一化，得到每次被动源地震观测对位置的似然函数；利用钻进参数建立岩性识别模型，结合输出的不良岩性概率和岩性突变概率构建工程先验概率分布；将当前被动源地震观测的似然函数与前一次更新后的先验概率进行贝叶斯更新，得到融合本次观测后的风险后验概率分布；

35、风险量化模块，用于根据最终的风险后验概率分布，计算风险区间积分概率及综合风险函数并据此输出风险峰值位置、风险宽度、风险等级和施工处置建议。

36、本发明的第三方面提供一种计算机可读存储介质。

37、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的一种钻进地震融合的隧道不良地质识别方法中的步骤。

38、本发明的第四方面提供一种计算机设备。

39、一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的一种钻进地震融合的隧道不良地质识别方法中的步骤。

40、本发明的第五方面提供一种程序产品，所述程序产品为计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述所述的一种钻进地震融合的隧道不良地质识别方法中的步骤。

41、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

42、本发明将钻进参数岩性识别模型输出作为工程先验，将连续被动源地震观测结果转化为地震似然函数，并通过贝叶斯推断进行序贯更新，从而得到掌子面前方不良地质风险的后验概率分布。能够充分利用钻爆法施工过程中已有的超前钻探作业和被动源振动信息，在不显著增加施工干扰的情况下，实现对掌子面前方不良地质风险的连续化、定量化和可解释化识别。与传统单次地震解释或经验综合判别方法相比，该方法能够将钻进参数反映的岩性先验、被动源地震反映的前方波场响应以及观测不确定性统一纳入概率更新过程，从而提高不良地质识别的可靠性，并为超前支护、注浆加固、爆破参数调整和施工风险预警提供更加客观的数据支撑。

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。