[發明專利]基于鉆孔地質雷達技術的三維精細化成像系統和方法

有效

• 申請號: 201310008274.0
• 申請日: 2013-01-10
• 公開（公告）號: CN103076606A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: 李術才;劉斌;徐磊;孔凡年;聶利超;宋杰;劉征宇;孫懷鳳;王傳武;許新驥;郝亭宇;周浩;張慶松;李樹忱
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01S13/89
• 分類號: G01S13/89
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 張勇

技術領域

本發明涉及一種三維精細化成像系統和方法，尤其涉及一種隧道施工中，基于鉆孔地質雷達技術的三維精細化成像系統和方法。

背景技術

進入21世紀后，一大批鐵路公路交通工程、水利水電工程等重大基礎工程陸續提上建設日程，極大的促進了隧道工程的建設。截止2010年底，我國交通、水電等領域每年建設隧道約450公里，已建成鐵路與公路隧道超過10000公里。預計2020年僅我國鐵路隧道建設將達到“兩個一萬”(10000km/10000座)。我國已是世界上隧道建設規模與難度最大的國家，由于隧道在施工前期難以全部查清沿線不良地質情況，突發災害成因極為復雜，導致施工過程中往往遭遇突水突泥、塌方等重大地質災害，嚴重影響了隧道工程建設安全。因此，在隧道施工期間對掌子面前方的地質情況進行超期地質預報具有十分重要的意義。現有的超前地質預報方法主要包括地震反射法(如TSP法、TRT法等)、電磁類方法(如瞬變電磁法、地質雷達法等)、電法類方法(如直流電阻率法等)。由于受到隧道觀測空間狹小、環境干擾強烈、自身分辨率與識別精度低等因素的影響，現有超前地質預報方法對較大規模的不良地質體有較好的探測效果，如大型斷層、大型溶洞、大型暗河等，但對較小的地質體定位和識別效果很差，如裂隙、中小溶洞等，無法滿足工程需求。因此，亟待開展三維精細化超前預報方法的研究和發明。

目前，超前地質鉆探被視為一種精細化超前預報方法，在工程中應用較多。但是超前地質鉆孔受到施工進度和經濟性的影響，僅能在隧道掌子面布置少量鉆孔(1-3個)，智能探明鉆孔局部區域的地質情況。對于不在鉆孔區域的不良地質體無法揭露，無法實現精細化探測，極易遺漏地質災害隱患，可見超前地質鉆探具有“一孔之見”的明顯缺陷。針對該問題，本發明利用孔中地質雷達擴展地質鉆孔探測范圍的解決思路。利用已有的地質鉆孔和掌子面，布置地質雷達孔中發射天線和孔外輻射狀接收測線，實現鉆孔周圍地質情況的三維成像，解決了超前地質鉆孔“一孔之見”的問題，有效提高了地質鉆孔的利用率。

但是，已有的單孔地質雷達不能滿足隧道施工期超前地質預報精細化探測的需求。已有的單孔地質雷達發射天線和接收天線同在一個鉆孔中并固定間距沿鉆孔上下移動，以固定間距觸發，僅能實現二維探測，可以得到反射體的與鉆孔之間的距離，反射體在鉆孔深度方向上的相對位置，但是無法確定反射體的方位，不能滿足工程需要。

為解決以上問題，有人提出了不同的解決方案。例如：專利《巖溶隧道施工用綜合性地質預測預報方法》，申請號201110143482.2，該方法首先采用傳統的地質雷達方法在隧道掌子面探測，然后通過打多個互相平行的水平鉆孔進行復核；專利《一種煤田火區上部地層孔隙度分布的探測方法》，申請號201110335168.4，該方法首先在煤田火區上部的地表面布置多條測線，在各測線間隔設置多個測點，逐一對每條測線上的測點施工鉆孔，然后逐一在同一測線上相鄰的兩個鉆孔中分別設置發射天線和接收天線，并依次對每條測線上的所有鉆孔進行鉆孔雷達多偏移距跨孔透射探測。以上兩種方法對異常體的探測都是通過打多個平行鉆孔，而在實際施工中，打鉆孔會大大增加施工成本，浪費大量時間耽誤施工工期，因此要運用到實際施工中并不實際。

針對上述問題，本發明設計一種隧道單孔地質雷達三維精細化成像超前預報系統與方法，提出了“單鉆孔發射天線加掌子面360°輻射狀測線”的立體三維觀測方法，實現了多次覆蓋的掃描性探測，再利用基于約束反演的速度成像方法和三維插值方法，實現鉆孔周圍介質的三維探測。該發明需要解決的關鍵問題如下：①單孔地質雷達無法確定目標體的方位，本發明需要設計一種360°立體三維觀測方法；②360°立體三維觀測方法要求孔中的發射天線和掌子面上的接收天線按一定的規則進行移動和掃描性探測，需要研制一種地質雷達天線自動遞送和傳動裝置；③目前尚沒有用于上述觀測方式的三維地質雷達數據的反演成像方法，需要提出一種高精度的三維成像及反演方法。

發明內容

本發明的目的就是為了解決上述問題，提供一種基于鉆孔地質雷達技術的三維精細化成像系統和方法，它具有提高了深部分辨率，同時提高了地質異常體三維定位的精度的優點。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：