Método de procesamiento y adquisición de señales sísmicas durante la construcción de un túnel.

Método para la adquisición y procesamiento de señales sísmicas durante la perforación de un túnel que comprende las siguientes etapas:

disposición de uno o más sensores piloto (P1, P2, etc.) sobre la cabeza de una máquina de perforación (TBM), disposición de uno o más sensores sísmicos (G1, G2, etc.) en contacto con una formación de roca a ser perforada para registro de una señal sísmica reflejada y/o transmitida,

división virtual de la formación de roca a ser perforada en volúmenes parciales,

registro continuo de señales detectadas por medio de los sensores mencionados anteriormente (P1, P2,... G1, G2,...)

caracterizado por que dicho método comprende adicionalmente las siguientes etapas:

creación de ventanas de tiempo de las señales piloto registradas por dichos sensores piloto (P1, P2, etc.) cuando pasan a través de dichos volúmenes parciales predefinidos, para obtener al menos un trazado piloto independiente para cada uno de dichos volúmenes parciales, relacionando dicho al menos un trazado piloto con dicha señal sísmica reflejada y/o transmitida para la caracterización de la formación de roca a ser perforada.

Método de procesamiento y adquisición de señales sísmicas durante la construcción de un túnel Campo de la invención

[1] La presente invención se refiere a un método de adquisición y procesamiento de señales sísmicas durante la perforación de un túnel.

Técnica anterior

[2] La cabeza de corte de una máquina de perforación, indicada de aquí en adelante con el acrónimo TBM (del inglés, "Tunnel Boring Machine"), está provista en general con cortadores, que se distribuyen sobre su superficie. Estos cortadores son puntos en los que se ejerce una acción concentrada que rompe la roca y son los puntos principales de contacto del frontal de la TBM con la formación que se va a perforar.

[3] La rotación continua de la cabeza de corte, que se presiona contra la formación mediante prensas hidráulicas (gatos hidráulicos), produce la pulverización de la roca y crea un sonido sísmico por las vibraciones que se generan en cada uno de estos puntos de contacto. Estas vibraciones se transmiten a la formación y se irradian como ondas sísmicas y acústicas. Más aún, estas vibraciones se transmiten también a la TBM en sí, en la que se propaga, excitando modos de vibración característicos. Las señales sísmicas se generan también por la fricción de la superficie lateral de la TBM contra la roca que la rodea, durante el avance de la cabeza de la TBM bajo la acción de las prensas hidráulicas.

[4] La operación de la TBM también produce otros sonidos/vibraciones, por ejemplo el de los motores, bombas hidráulicas y sistemas mecánicos para la retirada del material de roca pulverizado producido por la perforación.

[5] Los métodos conocidos para la adquisición y procesamiento de señales sísmicas mientras se perfora en el túnel se indican generalmente con el acrónimo inglés TSWD.

[6] Éstos utilizan el sonido sísmico producido por la máquina de perforación/excavación para la investigación y caracterización del frente de roca sobre el que la máquina ha de trabajar, para detectar a tiempo obstáculos inesperados en el recorrido de perforación y anticipar situaciones críticas dado que puede haber riesgos técnicos así como riesgos posibles para la integridad del túnel en sí, para el personal, así como riesgos económicos de los costes de las operaciones de reparación a consecuencia de un incidente.

[7] Estos métodos usan típicamente mediciones de referencia, también denominadas mediciones piloto, adquiridas por medio de sensores montados sobre la TBM para el registro del sonido en el "origen", y ser así capaz de identificarlo y usarlo como "señal", producida por la cabeza de la TBM durante la perforación, junto con las mediciones sísmicas adquiridas con geófonos y/o acelerómetros, o bien insertados/fijos directamente en/sobre la roca o bien instalados/situados sobre la TBM de modo que se acople a la roca, o al exterior. Estas mediciones piloto y sísmicas se correlacionan entre sí y se procesan por métodos conocidos para obtener sismogramas que se pueden interpretar mientras se perfora. Estos sismogramas se producen en puntos fijos o a intervalos regulares de avance del frente de excavación y se usan para la obtención de perfiles sísmicos en el túnel y para procesamiento de imágenes sísmicas, acústicas, sónicas y ultrasónicas, construcción estructural y mapas estratigráficos para predicción de la formación a ser perforada y para caracterización de la roca ya perforada.

[8] Los métodos conocidos de análisis sísmico mientras se perforan túneles usan sensores pilotos que registran unidas las señales producidas aleatoriamente por puntos sin identificar del frente de perforación sobre la cabeza de la TBM. De ese modo, los datos adquiridos en estos métodos son la suma de las señales recibidas desde varias posiciones de la cabeza de corte y producen resultados sísmicos promediados en el espacio.

[9] Así, se obtiene un efecto de filtro paso bajo para las frecuencias, es decir un efecto del filtrado paso alto para las longitudes de onda de la señal resultante.

[1] Por esta razón, los componentes de la señal en la formación con longitudes de onda más pequeñas o del orden de magnitud del diámetro de la TBM pueden ser altamente atenuadas mediante interferencia. Especialmente con las máquinas TBM con grandes dimensiones radiales. Este efecto de filtrado paso bajo limita, de una manera no despreciable, la resolución temporal y espacial de la caracterización del frente de excavación y de ese modo limita la capacidad para obtener imágenes detalladas de objetos en el frente de, y alrededor de, el frente de excavación.

[11] Por ejemplo, para la observación, con el criterio de resolución que adopta el límite de Rayleigh Xd/4, donde Xd es la longitud de onda dominante, de un objeto inesperado por delante del frente de excavación, por ejemplo una falla, un cuerpo de roca, un obstáculo, una fundación, con un tamaño de 1 m, es necesario usar señales con una longitud de onda dominante Xd < 4 m. Por lo tanto, las señales con un ancho de banda adecuado deben contener incluso longitudes de onda menores. Con una TBM con un diámetro de 15 metros incluso asumiendo que

produce señales con frecuencias del orden de magnitud de un millar de hercios puede ser difícil obtener señales sísmicas que contengan dichas longitudes de onda e imágenes detalladas de estructuras geológicas con dimensiones de unos pocos metros cuando la señal del origen se promedia.

[12] Son conocidos métodos que usan generadores y receptores de señales sobre la cabeza de la TBM. Estos sistemas acústicos sólo se pueden aplicar efectivamente con las TBM presurizadas, sin abordar el problema de la utilización de vibraciones de la excavación en sí, que están siempre disponibles mientras se perfora.

[13] Otro sistema concibe el uso de sensores y acelerómetros de emisión acústica sobre la cabeza de la TBM para obtener información sobre las condiciones de los discos de la cortadora y las condiciones de la máquina de perforación. Sin embargo, este sistema no es capaz de proporcionar una información sísmica adecuada/detallada sobre las formaciones de roca por delante de la TBM.

[14] Otro sistema utiliza fuentes de vibración activas con una técnica similar al Vibraseis, que encuentran aplicación con las TBM de un tipo particular denominado EPB por el acrónimo inglés de "Earth Pressure Balanced" o "presión de tierra equilibrada", adecuado para la excavación en terrenos blandos de tipo arcilloso, limoso y arenoso. Con un sistema de ese tipo es difícil instalar geófonos a lo largo del recorrido del túnel perforado.

Sumario de la invención

[15] El propósito de la presente invención es proporcionar un método para la adquisición y procesamiento de señales sísmicas durante la perforación de un túnel que sea capaz de permitir una investigación y caracterización más detallada del frente de roca sobre el que ha de trabajar una TBM.

[16] La presente invención se refiere a un método para la adquisición y procesamiento de señales sísmicas durante la perforación de un túnel, de acuerdo con la reivindicación 1.

[17] El presente método concibe el uso de una pluralidad de sensores piloto adecuadamente distribuidos sobre la cabeza de la máquina de perforación preferiblemente con un sensor cerca de cada cortador de la cabeza de la TBM, con la finalidad de identificar tan precisamente como sea posible el punto o puntos de generación de la señal/sonido sísmico producido por la interacción de la TBM con la roca.

[18] Las señales detectadas se comparan entonces con al menos un registro obtenido a una distancia adecuada por medio de al menos un geófono o por medio de un sensor de vibración sobre la máquina en sí para detectar las señales de vibración sísmica que se propagan a través de la roca que se reflejan y/o refractan dentro de ella.

[19] El uso de varios sensores mejora grandemente la detección de los orígenes de la señal acústica, pero cuando la cabeza de la TBM es muy rígida, las señales de vibración se propagan sobre ella con cortos retardos, de modo que las señales generadas por los cortadores que están al menos próximos tienden a solaparse y detectarse juntos por los sensores respectivos.

[2] Ventajosamente, la presente invención describe un método para el aislamiento en la señal acústica registrada por cada sensor de las contribuciones de los cortadores próximos, de modo que sea capaz de atribuir, con la mayor certeza y precisión, la posición del origen del sonido sobre el frente de roca para la caracterización de dicho frente de roca.

[21] Con más detalle, la presente invención consigue el objetivo anteriormente mencionado agrupando juntos los... [Seguir leyendo]

1. Método para la adquisición y procesamiento de señales sísmicas durante la perforación de un túnel que comprende las siguientes etapas:

disposición de uno o más sensores piloto (P1, P2, etc.) sobre la cabeza de una máquina de perforación (TBM), disposición de uno o más sensores sísmicos (G1, G2, etc.) en contacto con una formación de roca a ser perforada para registro de una señal sísmica reflejada y/o transmitida, división virtual de la formación de roca a ser perforada en volúmenes parciales,

registro continuo de señales detectadas por medio de los sensores mencionados anteriormente (P1, P2,... G1, G2,...)

caracterizado por que dicho método comprende adicionalmente las siguientes etapas:

creación de ventanas de tiempo de las señales piloto registradas por dichos sensores piloto (P1, P2, etc.) cuando pasan a través de dichos volúmenes parciales predefinidos, para obtener al menos un trazado piloto independiente para cada uno de dichos volúmenes parciales, relacionando dicho al menos un trazado piloto con dicha señal sísmica reflejada y/o transmitida para la caracterización de la formación de roca a ser perforada.

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que dichos sensores piloto son capaces de detectar componentes de vibración, de aceleración y/o de fuerza de acuerdo con un primer sistema de referencia asociado con la cabeza de la máquina de perforación, en el que un eje de coordenadas de referencia se asocia con el eje de rotación de la máquina.

3. Método de acuerdo con las reivindicaciones precedentes, que comprende adicionalmente una etapa de registro de parámetros instantáneos de la excavación/perforación, que incluye el avance y/o ángulo de rotación y/o velocidad de penetración ROP y/o velocidad de rotación ROP y/o empuje.

4. Método de acuerdo con la reivindicación 3, que comprende, cuando el avance y el ángulo de rotación de la máquina de perforación son conocidos, una etapa adicional de asociación con dicha formación de roca, de un segundo sistema de referencia integral con ella y realización de la transformación de coordenadas de dichos componentes de vibración desde dicho primer sistema de referencia a dicho segundo sistema de referencia.

5. Método de acuerdo con las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que dicha etapa de relación de dicho al menos un trazado piloto con dicha señal sísmica reflejada comprende una operación de correlación y/o deconvolución entre dichas señales.

6. Dispositivo para la adquisición y procesamiento de señales sísmicas durante la perforación de un túnel que comprende medios de procesamiento capaces de ejecutar las etapas descritas en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes.

7. Programa de ordenador que comprende medios para programas codificados adaptados para realizar las etapas de las reivindicaciones 1 a 5, cuando dicho programa se ejecuta en un ordenador.

8. Medio legible por ordenador que comprende un programa grabado, comprendiendo dichos medios legibles por ordenador medios para programas codificados adaptados para realizar las etapas de las reivindicaciones 1 a 5, cuando dicho programa se ejecuta en un ordenador.