一种用于TBM掘进扰动区声波精细探测的观测系统设计方法

本公开涉及隧道超前地质预报，具体涉及一种用于tbm掘进扰动区声波精细探测的观测系统设计方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、由于全断面隧道掘进机 (tunnel boring machine，tbm) 具有施工速度快、效率高、安全风险低、洞体成型质量好以及施工绿色化等优势，已成为隧道建设的主导工法。但tbm对复杂地质条件适应性差，尤其在遭遇断层破碎带时，由于断层破碎带内部岩体破碎、结构面发育、整体稳定性差，因而在tbm开挖扰动与地应力耦合作用影响下，隧道围岩内部结构面进一步扩展和发育，并在持续tbm开挖扰动作用下表现出渐进式失稳特征，从而导致隧道围岩大变形、拱顶塌方以及tbm卡机等灾害。因而亟待研究tbm扰动区岩体失稳的动态探测技术，为tbm卡机灾害预警提供地质信息。

3、现有tbm穿越断层破碎带扰动区岩体失稳阵列声波动态探测方法，采用高频声波对扰动区内部岩失稳过程进行高分辨刻画，其本质是通过对扰动区响应信号的到时变化特征进行反演计算，从而获得扰动区发育过程的动态成像，因而，如何实现扰动区响应信号的充分观测系统设计是实现tbm扰动区岩体失稳动态成像的先决条件。

4、现有公开的隧道超前地质预报观测系统设计方法，主要通过对比异常体的成像效果，从而优选观测系统形式，然而该方法缺乏有效的评价指标，严重依赖专家经验。

技术实现思路

1、本公开为了解决上述问题，提出了一种用于tbm掘进扰动区声波精细探测的观测系统设计方法，基于互易定理，采用反向波场照明分析方法，获得隧道拱顶对掌子面前方异常的响应能量曲线，通过设定能量阈值实现测线长度的优选；基于点扩散函数结果，构建成像能量信噪比指标，确定适用于tbm扰动区有效观测的测点数量，进而实现tbm扰动区阵列声波观测系统的设计。

2、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

3、一种用于tbm掘进扰动区声波精细探测的观测系统设计方法，包括：

4、在测线范围设计方面，确定tbm扰动区探测目标区，在所述观测目标区内设置虚拟震源点；

5、采用反向照明分析方法，在虚拟震源点激发雷克子波，并通过声波正演模拟获得隧道拱顶波场能量分布特征，进而通过能量曲线梯度变化情况优选强能量响应范围，从而确定最优观测范围；

6、在测点数量设计方面，在tbm扰动区探测目标区内设置散射点；

7、基于所述最优观测范围，分别设置包含不同数量震源和检波器的观测系统，并求解所述观测系统组合下的点扩散函数结果，构建成像能量信噪比指标；

8、基于成像能量信噪比收敛曲线，确定最优观测系统测点数量；

9、根据所述最优观测范围和最优观测系统测点数量，构建适用于断层破碎带tbm扰动区探测的最优观测系统。

10、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

11、一种用于tbm掘进扰动区声波精细探测的观测系统设计系统，包括：

12、初始化模块，用于在测线范围设计方面，确定tbm扰动区探测目标区，在所述观测目标区内设置虚拟震源点；

13、观测范围确定模块，用于采用反向照明分析方法，在虚拟震源点激发雷克子波，并通过声波正演模拟获得隧道拱顶波场能量分布特征，进而通过能量曲线梯度变化情况优选强能量响应范围，从而确定最优观测范围；

14、观测点数量求解模块，用于在测点数量设计方面，在tbm扰动区探测目标区内设置散射点；基于所述最优观测范围，分别设置包含不同数量震源和检波器的观测系统，并求解所述观测系统组合下的点扩散函数结果，构建成像能量信噪比指标；基于成像能量信噪比收敛曲线，确定最优观测系统测点数量；

15、观测系统设计模块，用于根据所述最优观测范围和最优观测系统测点数量，构建适用于断层破碎带tbm扰动区探测的最优观测系统。

16、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

17、一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的一种用于tbm掘进扰动区声波精细探测的观测系统设计方法。

18、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

19、一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现所述的一种用于tbm掘进扰动区声波精细探测的观测系统设计方法。

20、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

21、一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现所述的一种用于tbm掘进扰动区声波精细探测的观测系统设计方法。

22、与现有技术相比，本公开的有益效果为：

23、本公开的一种用于tbm掘进扰动区声波精细探测的观测系统设计方法，针对tbm扰动区围岩失稳过程声波场响应的观测难题，提出了基于照明分析与点扩散函数联合的观测系统设计方法。首先，基于波场互易性定理，利用反向照明分析获得了tbm隧道拱顶波场能量分布曲线，通过能量阈值优选观测系统观测范围；在此基础上，利用非充分观测引入成像噪声的特征，构建了成像信噪比评价指标，在上述优选的观测范围内，分别设置不同数量的震源和检波器，通过计算不同测点数量下的点扩散函数成像信噪比实现了最优测点数量的优选，进而用于后续tbm扰动区阵列声波探测观测系统的构建应用，为后续tbm扰动区岩体失稳动态探测奠定了基础。

24、本公开的一种用于tbm掘进扰动区声波精细探测的观测系统设计方法，采用了反向照明分析方法进行最优观测范围的设计。同传统基于覆盖次数的观测系统设计方法相比，该方法基于波动方程，考虑了声波在地下介质中传播的动力学特征，能够更好地适用于tbm穿越断层破碎带复杂地质条件下的观测系统设计；同正向照明分析相比，本公开方法更加突出异常体有效信号在测线上的能量分布情况，因此对于观测目标的针对性更强、计算效率更高。

25、本公开的一种用于tbm掘进扰动区声波精细探测的观测系统设计方法，采用了点扩散函数结果的成像信噪比指标进行最优测点数量优选。同传统基于成像效果分析的观测系统设计方法相比，本公开方法能够直接评估观测系统的空间分辨率和成像结果质量，同时本公开方法基于非充分观测引入成像噪声的特征规律，提出了更加明确的定量化评价指标，摆脱了传统方法依赖专家经验的缺陷。

1.一种用于tbm掘进扰动区声波精细探测的观测系统设计方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的一种用于tbm掘进扰动区声波精细探测的观测系统设计方法，其特征在于，所述采用反向照明分析方法，在虚拟震源点激发雷克子波，并通过声波正演模拟获得隧道拱顶波场能量分布特征，进而通过能量曲线梯度变化情况优选强能量响应范围，从而确定最优观测范围，包括：

3.如权利要求2所述的一种用于tbm掘进扰动区声波精细探测的观测系统设计方法，其特征在于，声波场描述隧道模型内部各点在不同时刻下的振动情况，对于一个二维模型，其波场照明表示为：

4.如权利要求2所述的一种用于tbm掘进扰动区声波精细探测的观测系统设计方法，其特征在于，根据波场互易定理，若将目标点作为虚拟震源，将波场进行由目标点到观测系统的反向传播，则观测系统处的反向照明能量与目标点获得的正向波场照明能量是相同的，反向波场照明分析通过单次正演模拟获得隧道围岩上所有位置的能量分布情况，反向波场照明分析表示为：

5.如权利要求1所述的一种用于tbm掘进扰动区声波精细探测的观测系统设计方法，其特征在于，所述在测点数量设计方面，在tbm扰动区探测目标区内设置散射点；基于所述最优观测范围，分别设置包含不同数量震源和检波器的观测系统，并求解所述观测系统组合下的点扩散函数结果，构建成像能量信噪比指标，包括：

6.如权利要求5所述的一种用于tbm掘进扰动区声波精细探测的观测系统设计方法，其特征在于，根据获得的点扩散函数结果的fwhm生成二值图像，由于点扩散函数通常呈单峰分布，为避免噪声或旁瓣干扰，仅保留包含已知散射点的主区域，进而实现非充分观测条件下点扩散函数成像能量信噪比的求解，求解过程为：

7.如权利要求6所述的一种用于tbm掘进扰动区声波精细探测的观测系统设计方法，通过点扩散函数成像能量信噪比对不同观测系统组合下的点扩散函数结果进行评价，能量信噪比越大，则表明观测系统越好，观测越充分。

8.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7任一项所述的一种用于tbm掘进扰动区声波精细探测的观测系统设计方法。

9.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如权利要求1-7任一项所述的一种用于tbm掘进扰动区声波精细探测的观测系统设计方法。

10.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如权利要求1-7任一项所述的一种用于tbm掘进扰动区声波精细探测的观测系统设计方法。