本發(fā)明涉及隧道與地下工程掘進(jìn)機(jī)的地質(zhì)超前探測(cè)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在鐵路、公路、水利與地鐵的隧道建設(shè)中，大量使用掘進(jìn)機(jī)施工。價(jià)格昂貴，施工速度快，質(zhì)量好，國(guó)內(nèi)外已有很多生產(chǎn)廠家。掘進(jìn)機(jī)適合硬巖環(huán)境的掘進(jìn)，如果遇到斷裂帶、軟巖、巖溶、含水帶等軟弱地質(zhì)條件將會(huì)發(fā)生停機(jī)、卡鉆、突泥涌水等工程事故，處理不好甚至導(dǎo)致全部報(bào)廢。因而，對(duì)于掘進(jìn)施工安全是頭等重要的問題。采用高科技手段，探知掌子面前方的地質(zhì)情況，以便采取預(yù)防措施，是保障安全的可靠途徑。

目前國(guó)內(nèi)外在隧道與地下工程中使用的tsp、tst隧道超前預(yù)報(bào)技術(shù)，需要在隧道側(cè)壁上打孔放炮，這可能損壞隧道襯砌和防水板，這在掘進(jìn)機(jī)施工中是不容許的。在盾構(gòu)施工中有在地表通過鉆孔雷達(dá)和電阻率跨孔ct進(jìn)行孤石探測(cè)的方法，但這在一般的掘進(jìn)機(jī)施工中難以應(yīng)用。為了施工安全，2000年開始，德國(guó)在掘進(jìn)機(jī)上集成安裝isis、beam、ssp探測(cè)系統(tǒng)，雖經(jīng)多年試驗(yàn)，但是由于方法原理上存在缺陷，至今尚未取得有效結(jié)果。國(guó)內(nèi)至今尚未出現(xiàn)在掘進(jìn)機(jī)上集成地震超前探測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種應(yīng)用于掘進(jìn)機(jī)的地震超前探測(cè)系統(tǒng)及方法，能夠?qū)κ┕に淼勒谱用媲胺降臄鄬?、巖溶、軟巖、空洞、采空區(qū)、孤石等不利地質(zhì)對(duì)象進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：一種應(yīng)用于掘進(jìn)機(jī)的地震超前探測(cè)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)安裝在掘進(jìn)機(jī)的護(hù)盾內(nèi)，所述系統(tǒng)包括控制器、震源和檢波器，所述控制器安裝在控制室內(nèi)，護(hù)盾前端靠近刀盤安裝至少一個(gè)震源，護(hù)盾外殼布置有至少一個(gè)檢波器；

所述震源用于與巖石發(fā)生撞擊激發(fā)地震波；

所述檢波器用于在挖掘里程上接收地震波獲得多組三維空間觀測(cè)數(shù)據(jù)；

所述控制器用于對(duì)檢波器和震源進(jìn)行控制并對(duì)三維空間觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和記錄。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明能夠在施工隧道掌子面前方的斷層、巖溶、軟巖、空洞、采空區(qū)等不利地質(zhì)對(duì)象的超前預(yù)報(bào)，整個(gè)探測(cè)與處理過程在十分鐘內(nèi)即可完成，探測(cè)距離大于50m，分辨尺度可達(dá)1m。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。

進(jìn)一步，所述護(hù)盾外殼上開設(shè)有與震源和檢波器相對(duì)應(yīng)的窗口。

上述進(jìn)一步技術(shù)方案的有益效果是：震源和檢波器能夠通過相應(yīng)的窗口伸出護(hù)盾，方便震源與巖體直接接觸，同時(shí)也方便檢波器在探測(cè)數(shù)據(jù)完成后收回至護(hù)盾中，保護(hù)檢波器。

進(jìn)一步，所述檢波器通過伺服機(jī)構(gòu)送至巖體表面耦合。

上述進(jìn)一步技術(shù)方案的有益效果是：通過伺服機(jī)構(gòu)將檢波器送至巖體表面耦合，不需要在巖石上打孔安裝，更加方便，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)便，同時(shí)也大大降低了器件的損耗。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明還提出了一種應(yīng)用于掘進(jìn)機(jī)的地震超前探測(cè)方法，所述方法包括：

s1、根據(jù)軟巖和硬巖隧道，采取不同的震源；

s2、在掘進(jìn)機(jī)行進(jìn)過程中不同的里程接收的地震波中獲得多組三維空間觀測(cè)數(shù)據(jù)；

s3、對(duì)多組三維空間觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析和成像，輸出可視化的巖石波速分布圖像和地質(zhì)界面偏移成像。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明能夠在施工隧道掌子面前方的斷層、巖溶、軟巖、空洞、采空區(qū)等不利地質(zhì)對(duì)象的超前預(yù)報(bào)，整個(gè)探測(cè)與處理過程在十分鐘內(nèi)即可完成，探測(cè)距離大于50m，分辨尺度可達(dá)1m。

進(jìn)一步，所述s31的具體實(shí)現(xiàn)過程為：在掘進(jìn)機(jī)每前進(jìn)一個(gè)里程后進(jìn)行一次探測(cè)，組合大于或等于2次的探測(cè)數(shù)據(jù)，形成縱向長(zhǎng)為2次觀測(cè)以上的間距、橫向最大偏移距為直徑的三維空間觀測(cè)數(shù)據(jù)。

上述進(jìn)一步技術(shù)方案的有益效果是：掘進(jìn)機(jī)在每前進(jìn)一個(gè)里程之后都會(huì)進(jìn)行一次探測(cè)，直至獲取到了足夠多的探測(cè)數(shù)據(jù)后生成三維空間觀測(cè)數(shù)據(jù)，足夠多的探測(cè)數(shù)據(jù)能夠?yàn)椴▓?chǎng)分離提供更多的縱向數(shù)據(jù)，波場(chǎng)分離的效果更好，分析結(jié)果的精度更高。

進(jìn)一步，所述s32的具體實(shí)現(xiàn)過程為：對(duì)多次探測(cè)的三維空間觀測(cè)數(shù)據(jù)按照區(qū)域進(jìn)行分組，根據(jù)各組反射波視速度的差異，采用t-p濾波方式實(shí)現(xiàn)三維波場(chǎng)分離。

進(jìn)一步，所述s33的具體實(shí)現(xiàn)過程為：

s331、將震源的入射波與反射波校正到掌子面上，獲得掌子面上的入射點(diǎn)與反射點(diǎn)的位置以及掌子面后方射線的走時(shí)；

s332、對(duì)s331中獲得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算獲得掌子面前方圍巖的速度的三維分布。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例所述的地震超前探測(cè)系統(tǒng)中的震源與檢波器的安裝位置示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例所述的三分量檢波器與地震波的接收示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例所述的三維空間觀測(cè)數(shù)據(jù)與參考點(diǎn)的位置示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提出一種應(yīng)用于掘進(jìn)機(jī)的地震超前探測(cè)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)安裝在掘進(jìn)機(jī)的護(hù)盾內(nèi)，所述系統(tǒng)包括控制器、震源和檢波器，控制器安裝在控制室內(nèi)，震源與檢波器安裝在掘進(jìn)機(jī)的護(hù)盾內(nèi)。

優(yōu)選的震源有兩種，在硬巖隧道中應(yīng)用氣爆震源，在軟巖隧道應(yīng)用氣錘震源，安裝在護(hù)盾最前端，靠近刀盤的位置，左、右兩側(cè)布置；檢波器有六個(gè)，每個(gè)三個(gè)分量，方向分別沿隧道的徑向、軸向和切向。

檢波器沿護(hù)盾外殼圓周等間距布置，在一個(gè)垂直軸向的大圓內(nèi)。檢波器的截面在震源后方10m以內(nèi)。護(hù)盾外殼為震源與檢波器留有窗口。震源與巖體直接接觸，檢波器探測(cè)時(shí)伸出，之后收回。

如圖1所示，掘進(jìn)機(jī)外形為圓柱體，切削巖體的部分為刀盤，在的最前端。護(hù)盾緊接刀盤，有一堅(jiān)固外殼，內(nèi)部安裝設(shè)備。震源安裝的截面緊靠刀盤，安裝檢波器的接收截面在震源截面后10m以內(nèi)。震源在護(hù)盾殼左右兩側(cè)，檢波器在左右兩側(cè)及上下60°的位置上。

本實(shí)施例所述系統(tǒng)在掘進(jìn)機(jī)停下來安裝襯砌管片時(shí)進(jìn)行探測(cè)，首先通過控制器將檢波器從護(hù)盾側(cè)面推出，與圍巖緊密接觸；然后啟動(dòng)氣爆震源，具體為：打開電磁開關(guān)注入液化石油氣，充氣到設(shè)定氣壓自動(dòng)關(guān)閉，然后自動(dòng)啟動(dòng)氧氣注入開關(guān)，到設(shè)定氣壓時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，并立即打火點(diǎn)燃混合氣體，氣體瞬間燃爆增壓，推動(dòng)活塞撞擊側(cè)壁圍巖，產(chǎn)生強(qiáng)烈地震波，遇到地質(zhì)障礙物反射回來，被檢波器接收。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)控制器進(jìn)行處理，可以將結(jié)果顯示在監(jiān)視屏幕上，通過增加報(bào)警電路來起到預(yù)警作用。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提出一種應(yīng)用于掘進(jìn)機(jī)的地震超前探測(cè)方法，所述方法包括：

s1、根據(jù)軟巖和硬巖隧道，采取不同的震源；

s2、在掘進(jìn)機(jī)行進(jìn)過程中不同的里程接收的地震波中獲得多組三維空間觀測(cè)數(shù)據(jù)；

s3、對(duì)多組三維空間觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析和成像，輸出可視化的巖石波速分布圖像和地質(zhì)界面偏移成像。

地下圍巖中的地震波場(chǎng)是三維的。三維波場(chǎng)的一個(gè)含義是波的傳播方向是三維的，來自四面八方；另一個(gè)含義是波的類型有縱波和橫波?？v波的振動(dòng)方向平行于傳播方向，橫波的振動(dòng)垂直于傳播方向。三分量檢波器的軸向指平行隧道軸線方向，記錄掌子面前方反射的縱波和徑向與切向反射的橫波；徑向指平行隧道半徑的方向，記錄徑向反射的縱波和軸向與切向反射的橫波；切向是指與軸向、徑向垂直，與隧道外園相切的方向，記錄切向反射的縱波和軸向與徑向反射的橫波。每一個(gè)分量記錄的地震波是橫波和縱波的疊加，它們來自不同的方向。

為進(jìn)行三維地質(zhì)成像，必須要有空間三維的觀測(cè)數(shù)據(jù)，如圖2所示。在施工中，利用安裝襯砌管片的時(shí)機(jī)進(jìn)行地震探測(cè)。左右兩個(gè)震源先后激發(fā)，得到兩個(gè)地震記錄，每個(gè)記錄中包含6個(gè)檢波器、3個(gè)分量和18道數(shù)據(jù)。這是在一個(gè)斷面上的觀測(cè)數(shù)據(jù)，包含震源與檢波器間的不同的偏移距。掘進(jìn)機(jī)每前進(jìn)4m，進(jìn)行一次探測(cè)。組合6次以上的探測(cè)記錄，就形成了縱向長(zhǎng)24m以上、橫向最大偏移距為直徑的三維空間觀測(cè)數(shù)據(jù)。

觀測(cè)數(shù)據(jù)的縱向展布，是三維波場(chǎng)分離的技術(shù)要求?？v向數(shù)據(jù)越多，波場(chǎng)分離的效果越好；觀測(cè)數(shù)據(jù)的橫向偏移距是波速分析的要求，偏移距越大，速度分析精度越高。

震源激發(fā)的縱波與橫波在地下圍巖內(nèi)向四周傳播，護(hù)盾上安裝的檢波器每一個(gè)分量接收到的是從不同方向返回的縱波與橫波的疊加。如圖3所示，超前探測(cè)需要的是掌子面前方返回的縱波與橫波，它攜帶有掌子面前方各種地質(zhì)障礙的信息。為做到這一點(diǎn)必須使用三維波場(chǎng)分離技術(shù)，取出前方返回的地震波，用于超前預(yù)報(bào)。

在三維波場(chǎng)分離時(shí)，首先對(duì)記錄道進(jìn)行分組。對(duì)于6次以上的探測(cè)，一共12個(gè)以上的記錄，總數(shù)據(jù)超過216道。將具有相同區(qū)域?qū)Χ啻翁綔y(cè)的數(shù)據(jù)分組，分成9組，根據(jù)各組反射波視速度的差異，使用t-p濾波技術(shù)，就可以將他們分離開來，取出前方回波。前方的反射橫波，主要集中在徑向分量。

圍巖波速是反映巖土介質(zhì)力學(xué)性狀最敏感的物理量，它是反應(yīng)掌子面前方圍巖巖性與障礙物屬性的技術(shù)指標(biāo)。對(duì)掌子面前方圍巖的波速分布進(jìn)行分析與成像，可清晰地展現(xiàn)斷層、巖溶、軟巖、空洞、采空區(qū)等低速異常體的空間位置與規(guī)模，據(jù)此提出地質(zhì)預(yù)報(bào)與預(yù)警，這是本項(xiàng)探測(cè)技術(shù)最顯著的特點(diǎn)。

另外，本發(fā)明所述的檢波器是通過伺服機(jī)構(gòu)送至巖體表面耦合的，與震源都不需要在巖壁上打孔安裝，更加方便，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)便，同時(shí)也大大降低了器件的損耗。

以上所述的震源以及檢波器的個(gè)數(shù)僅僅是較佳的實(shí)施例個(gè)數(shù)，具體個(gè)數(shù)需考慮應(yīng)用的實(shí)際場(chǎng)景和環(huán)境。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。