本技術(shù)屬于強(qiáng)震監(jiān)測的，具體涉及一種豎向鉆井臺(tái)陣強(qiáng)震觀測裝置及其安裝方法。

背景技術(shù)：

1、場地效應(yīng)是工程地震學(xué)、巖土地震工程學(xué)和地震學(xué)中重要研究課題之一，對于近斷層地震動(dòng)模擬、地震動(dòng)預(yù)測方程建立、地震災(zāi)區(qū)的震害評估、地震小區(qū)劃、建筑物的選址及其抗震設(shè)防等具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。特別是，我國西部地區(qū)水利資源豐富，但斷層運(yùn)動(dòng)活躍，地震烈度大，河床覆蓋層深厚（數(shù)十米至數(shù)百米），開展強(qiáng)地震動(dòng)現(xiàn)場觀測，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面地獲得強(qiáng)震作用下含深厚覆蓋層的壩基場地的地震動(dòng)反應(yīng)，對于深厚覆蓋層水電大壩抗震設(shè)計(jì)與震害評估具有重要意義。

2、近二十年來，世界各國和地區(qū)相繼建設(shè)了數(shù)量眾多的豎向鉆井地震臺(tái)陣（簡稱井下臺(tái)陣）。這些井下臺(tái)陣通過在同一觀測場地的不同鉆孔深度安裝三分向力平衡加速度計(jì)，與地層緊密相連，旨在捕獲近地表幾十米至幾百米范圍內(nèi)豐富的強(qiáng)地震動(dòng)觀測數(shù)據(jù)。借助井下臺(tái)陣的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，可以直觀地把握地震動(dòng)在土體內(nèi)部的時(shí)空分布規(guī)律，定量評估場地對地震動(dòng)的放大效應(yīng)，識(shí)別土體動(dòng)力特性參數(shù)。因此，井下臺(tái)陣被公認(rèn)為研究地震動(dòng)場地效應(yīng)最直接、最有效的方法之一。

3、目前，井下臺(tái)陣面臨的主要技術(shù)難題是三分向力平衡加速度計(jì)體積大、質(zhì)量重、價(jià)格高及安裝維護(hù)復(fù)雜，導(dǎo)致臺(tái)陣中加速度計(jì)的布置密度稀疏，觀測數(shù)據(jù)稀缺、觀測能力不足。以kik-net井下臺(tái)陣為例，每個(gè)臺(tái)陣往往僅裝備一只三分向力平衡加速度計(jì)。作為井下臺(tái)陣加速度計(jì)布置量之最，美國的wla臺(tái)陣也僅配備9只三分向力平衡加速度計(jì)。并且，這9只加速度計(jì)分散安裝在不同的鉆井內(nèi)，進(jìn)一步推高建設(shè)與運(yùn)維成本。面對100米或更深地層的場地的地震動(dòng)精細(xì)化觀測需求，數(shù)只加速度計(jì)的布置數(shù)量明顯過于稀疏，尤其是在土層剖面表現(xiàn)出顯著變異性時(shí)，這種加速度計(jì)數(shù)量的不足對場地效應(yīng)評估產(chǎn)生極其不利的影響。

4、相較于傳統(tǒng)的加速度計(jì)，mems加速度計(jì)具有體積小、質(zhì)量輕、功耗及電磁干擾低、溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，且因微機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展已實(shí)現(xiàn)低成本大規(guī)模生產(chǎn)。近年來，噪聲低于1μg/hz^(1/2)的mems加速度計(jì)，如瑞士colibrys公司的sf1500型地震加速度計(jì)、美國ionva公司的vectorseis.ml21型數(shù)字式三軸mems地震加速度計(jì)、美國hp公司的電容式mems地震加速度計(jì)，已應(yīng)用于地球物理領(lǐng)域?？梢灶A(yù)見，高精度mems加速度計(jì)在極端環(huán)境、低成本、高密度地球物理探測中應(yīng)用前景廣闊，并有逐漸替代現(xiàn)有傳統(tǒng)地球物理儀器的趨勢。

5、然而，國內(nèi)外井下臺(tái)陣尚無在同一鉆孔中高密度布置地震加速度計(jì)（如每1-3米布置1只加速度計(jì)）的應(yīng)用先例，諸如加速度計(jì)分段組裝、分層填注、密封防水、同步采集、總線傳輸、多加速度計(jì)融合解算等與地震加速度計(jì)高密度觀測相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)也未見文獻(xiàn)涉及。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本技術(shù)提供一種豎向鉆井臺(tái)陣強(qiáng)震觀測裝置及其安裝方法，通過高密度布置多級數(shù)字三分向地震加速度探頭于同一鉆井的不同深度，構(gòu)建地震加速度觀測陣列，同時(shí)簡化安裝填注流程，消除管波干擾與方位角偏差，提供具備高信噪比特性的地震動(dòng)三分向加速度連續(xù)波形觀測記錄，實(shí)現(xiàn)地震動(dòng)從土層深處至地表傳播的全程精細(xì)監(jiān)測。

2、第一方面，本技術(shù)提供一種豎向鉆井臺(tái)陣強(qiáng)震觀測裝置，采用如下的技術(shù)方案：

3、一種豎向鉆井臺(tái)陣強(qiáng)震觀測裝置，包括：設(shè)置在地表上的地震采集站、多級由井口垂直向下至井底設(shè)置的數(shù)字三分向地震加速度探頭、連接在相鄰的數(shù)字三分向地震加速度探頭之間的用于隔震的級間連接筒組件和沿井深度設(shè)置于井內(nèi)的注漿組件；

4、相鄰的所述數(shù)字三分向地震加速度探頭和級間連接筒組件之間通過接頭組件連接；

5、各級所述數(shù)字三分向地震加速度探頭電連接一起，所述地震采集站和靠近井口處所述數(shù)字三分向地震加速度探頭電連接。

6、通過采用上述技術(shù)方案，若干級的數(shù)字三分向地震加速度探頭逐級布置于同一個(gè)豎向鉆井的不同設(shè)計(jì)深度，且相鄰探頭間的布置距離不限，共同構(gòu)成呈線性分布的地震加速度觀測陣列，實(shí)時(shí)同步觀測地震波從地層深處向上傳播時(shí)的近場地震動(dòng)加速度波形；

7、級間連接筒組件用于隔震作用，有效阻斷沿鉆孔傳播的管波影響，防止相鄰的上下兩級數(shù)字三分向地震加速度探頭之間發(fā)生信號(hào)交叉干擾，確保地震動(dòng)信號(hào)的采集質(zhì)量。注漿組件用于向鉆井內(nèi)灌注膨脹水泥砂漿，確保每級數(shù)字三分向地震加速度探頭均與井壁充分耦合。

8、可選的，各級數(shù)字三分向地震加速度探頭均包括三軸mems加速度計(jì)和架設(shè)在所述三軸mems加速度計(jì)周圍的扶正支架組件；

9、所述三軸mems加速度計(jì)包括不銹鋼外筒、位于所述不銹鋼外筒兩端的葛蘭頭、位于所述不銹鋼外筒內(nèi)的三分向mems加速度集成電路板和居中固定所述三分向mems加速度集成電路板的居中定位板；

10、所述三分向mems加速度集成電路板包含控制存儲(chǔ)模塊、與所述控制存儲(chǔ)模塊均電連接的采集模塊、校時(shí)模塊、通信模塊和供電模塊。

11、通過采用上述技術(shù)方案，扶正支架組件可在數(shù)字三分向地震加速度探頭與鉆井井壁之間形成較大空腔，使得漿液可以將數(shù)字三分向地震加速度探頭完全包裹，可確保數(shù)字三分向地震加速度探頭與孔壁充分耦合，形成良好波阻抗匹配，使周圍巖土體中的地震波信號(hào)能夠無衰減地傳遞至探頭，實(shí)現(xiàn)mems加速度計(jì)對地震加速度信號(hào)的精準(zhǔn)觀測；

12、不銹鋼外筒和兩個(gè)葛蘭頭形成一個(gè)密閉腔室，用于封裝三分向mems加速度集成電路板。由于不銹鋼材質(zhì)具有堅(jiān)固性和耐久性，能夠在惡劣井下環(huán)境中有效保護(hù)內(nèi)部的電子元件；

13、控制存儲(chǔ)模塊用于操控校時(shí)模塊、通信模塊自主完成本地時(shí)鐘的校時(shí)、上位機(jī)指令的接收與應(yīng)答，操控采集模塊自主完成三分向加速度信號(hào)的采集、觸發(fā)、錄波與上傳，供電模塊用于給各個(gè)模塊進(jìn)行供電。

14、可選的，所述扶正支架組件包括由多根弧形鋼絲圍成的回轉(zhuǎn)體、位于所述回轉(zhuǎn)體上下兩端的法蘭盆、位于回轉(zhuǎn)體內(nèi)且連接在各個(gè)弧形鋼絲上的環(huán)形箍，所述環(huán)形箍抱持所述三軸mems加速度計(jì)的不銹鋼外筒；

15、所述法蘭盆上和所述不銹鋼外筒上均設(shè)置方向一致的x/y方向識(shí)別標(biāo)。

16、通過采用上述技術(shù)方案，環(huán)形箍固定三軸mems加速度計(jì)，弧形鋼絲與上、下法蘭盆以及環(huán)形箍焊接形成金屬骨架。當(dāng)漿液凝固時(shí)，漿液與井壁、金屬骨架、不銹鋼外筒構(gòu)成類似鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)整體，可確保數(shù)字三分向地震加速度探頭與孔壁充分耦合，形成良好波阻抗匹配，使周圍巖土體中的地震波信號(hào)能夠無衰減地傳遞至探頭，實(shí)現(xiàn)三軸mems加速度計(jì)對地震加速度信號(hào)的精準(zhǔn)觀測。扶正支架組件可確保三軸mems加速度計(jì)的z軸方向始終平行于鉆孔軸線方向，同時(shí)可防止三軸mems加速度計(jì)偏心過大，導(dǎo)致漿液包裹不均勻，影響耦合。

17、可選的，所述級間連接筒組件包括一個(gè)連接筒或者多個(gè)串聯(lián)的連接筒；當(dāng)所述連接筒為多個(gè)時(shí)，相鄰的兩個(gè)連接筒由套筒接頭連接一起；

18、所述連接筒包括連接筒筒殼和填充于連接筒筒殼內(nèi)的輕質(zhì)隔震材料，所述連接筒筒殼內(nèi)穿設(shè)連接筒多芯電纜，所述連接筒筒殼兩端均設(shè)置有x/y方向識(shí)別標(biāo)；

19、所述三分向mems加速度集成電路板電連接探頭多芯電纜，所述探頭多芯電纜的兩端分別由所述不銹鋼外筒的兩端伸出，且分別和相鄰的所述連接筒多芯電纜電連接。

20、通過采用上述技術(shù)方案，連接筒外徑略小于鉆井孔徑，連接筒筒殼內(nèi)部填充輕質(zhì)隔震材料，不僅可實(shí)現(xiàn)各級數(shù)字三分向地震加速度探頭之間的分層填充，而且可有效充當(dāng)數(shù)字三分向地震加速度探頭之間的隔震層，消除相鄰數(shù)字三分向地震加速度探頭之間的管波干擾；

21、連接筒的節(jié)數(shù)由所連接的數(shù)字三分向地震加速度探頭的布置距離、連接筒的設(shè)計(jì)長度來決定。級間連接筒組件包含多節(jié)連接筒時(shí)，相鄰的連接筒分別插入套筒接頭的兩端，先通過瞬干膠連接，再通過定位螺釘固定，實(shí)現(xiàn)相鄰兩節(jié)連接筒的連接；在連接過程中，通過確保相鄰兩連接筒的x/y方向識(shí)別標(biāo)一致，可確保所有數(shù)字三分向地震加速度探頭三軸裝配同向性。

22、連接筒筒殼內(nèi)穿設(shè)多芯電纜，其兩端經(jīng)水密公頭和水密母頭插接可分別與相鄰的地震加速度探頭或連接筒內(nèi)穿設(shè)的多芯電纜進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)各級探頭的電氣連通。數(shù)字三分向地震加速度探頭、級間連接筒組件可預(yù)先制作，便于運(yùn)輸，同時(shí)可以簡化現(xiàn)場安裝流程，確保安裝質(zhì)量。

23、可選的，所述接頭組件包括連接數(shù)字三分向地震加速度探頭與所述連接筒之間的對接堵頭；

24、所述對接堵頭包括一端設(shè)置有底座的堵頭筒殼，所述底座上固定有隔震阻尼，所述隔震阻尼連接所述扶正支架組件的端部，所述堵頭筒殼的另一端呈開口且用于連接筒的插入。

25、通過采用上述技術(shù)方案，設(shè)置隔震阻尼，可有效阻斷軸向震動(dòng)傳導(dǎo)，消除連接筒豎向管波對數(shù)字三分向地震加速度探頭信號(hào)的干擾，提高信噪比；

26、對接堵頭開口端的內(nèi)徑略大于連接筒的外徑，可確保連接筒插入對接堵頭的開口端內(nèi)，兩者通過瞬干膠連接，再通過定位螺釘固定。

27、可選的，所述注漿組件包括塑料材質(zhì)的注漿管和沿所述注漿管長度間隔設(shè)置的爆破閥，所述連接筒上卡設(shè)有大c形卡箍，所述大c形卡箍背離所述連接筒一側(cè)設(shè)置有開口的彈簧卡箍，所述注漿管卡設(shè)于彈簧卡箍上。

28、通過采用上述技術(shù)方案，一體設(shè)置的大c形卡箍和彈簧卡箍，注漿管卡設(shè)在彈簧卡箍上，連接筒卡接在大c形卡箍上，進(jìn)而使注漿管卡扣固定在級間連接筒組件的外壁。沉孔時(shí)，注漿管能夠跟隨級間連接筒組件下沉至鉆井底部；

29、沿注漿管長度方向，分段設(shè)置多級的爆破閥，用于控制注漿壓力和流量，確保注漿均勻。在膨脹水泥砂漿注漿過程中，爆破閥自孔底起依次開啟，通過漿液擠壓抬升，置換孔中存水，使?jié){液充滿鉆井內(nèi)所有間隙，確保數(shù)字三分向地震加速度探頭、級間連接筒組件與鉆井內(nèi)壁緊密耦合。

30、可選的，所述數(shù)字三分向地震加速度探頭和所述連接筒均為一體化式預(yù)制備。

31、通過采用上述技術(shù)方案，數(shù)字三分向地震加速度探頭各單元的裝配及其內(nèi)部電路焊接封裝、連接筒各單元的裝配及其內(nèi)部電路走線封裝、接頭組件和注漿組件的套設(shè)均在工廠提前完成，簡化現(xiàn)場繁瑣組裝流程。整條多芯電纜分段為探頭多芯電纜和連接筒電纜，分別在數(shù)字三分向地震加速度探頭和級間連接筒組件內(nèi)腔走線封裝，避免運(yùn)輸安裝過程中因電纜暴露導(dǎo)致電纜出現(xiàn)摩擦破損。

32、可選的，所述地震采集站包括地震采集站集成電路；

33、所述地震采集站集成電路包括地震采集微處理器，與所述地震采集微處理器均電連接的秒脈沖授時(shí)模塊、時(shí)鐘同步模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、供電管理模塊、控制面板、存儲(chǔ)器和通訊模塊。

34、通過采用上述技術(shù)方案，秒脈沖授時(shí)模塊與外部授時(shí)設(shè)備連接，實(shí)時(shí)接收外部授時(shí)設(shè)備周期性發(fā)送的1pps秒脈沖參考時(shí)鐘信號(hào)，通過鎖相環(huán)技術(shù)，確保本地時(shí)鐘與參考時(shí)鐘保持同步；

35、時(shí)鐘同步模塊與兩芯時(shí)鐘同步總線的一端連接，通過兩芯時(shí)鐘同步總線，向各級數(shù)字三分向地震加速度探頭內(nèi)的三軸mems加速度計(jì)廣播下發(fā)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)；

36、數(shù)據(jù)傳輸模塊與兩芯數(shù)據(jù)傳輸總線的一端連接，通過兩芯數(shù)據(jù)傳輸總線與各級數(shù)字三分向地震加速度探頭內(nèi)的三軸mems加速度計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；

37、供電管理模塊向各個(gè)模塊供電，通訊模塊與外部通訊設(shè)備連接，通過外部通訊設(shè)備向服務(wù)器傳送地震觀測數(shù)據(jù)。

38、可選的，地震采集站為主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，用于實(shí)時(shí)接收外部授時(shí)設(shè)備周期性發(fā)送的1pps秒脈沖參考時(shí)鐘信號(hào)，并通過時(shí)鐘同步模塊使輸出的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘與參考時(shí)鐘保持同步；

39、各級所述數(shù)字三分向地震加速度探頭為從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)接收時(shí)鐘同步模塊輸出的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，并使本地從時(shí)鐘與參考時(shí)鐘保持同步。

40、通過采用上述技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)外部授時(shí)設(shè)備的參考時(shí)鐘、地震采集站的主時(shí)鐘和數(shù)字三分向地震加速度探頭的從時(shí)鐘三者保持時(shí)鐘同步，從而確保各級探頭陣列按照外部授時(shí)設(shè)備提供的參考時(shí)鐘，同步采集井周土層三分向地震加速度信號(hào)。

41、第二方面，本技術(shù)提供一種豎向鉆井臺(tái)陣強(qiáng)震觀測裝置的安裝方法，采用如下的技術(shù)方案：

42、一種豎向鉆井臺(tái)陣強(qiáng)震觀測裝置的安裝方法，用于前述的豎向鉆井臺(tái)陣強(qiáng)震觀測裝置，包括步驟：

43、根據(jù)觀測設(shè)計(jì)要求，調(diào)取鉆機(jī)在待測場地施工鉆井，并利用鉆井套管保護(hù)井壁，鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最低端埋設(shè)深度后，將鉆桿拔出，并在井口附近搭建臨時(shí)工作平臺(tái)，準(zhǔn)備安裝豎向鉆井臺(tái)陣強(qiáng)震觀測裝置所需的設(shè)備和材料；

44、將各級數(shù)字三分向地震加速度探頭、各個(gè)級間連接筒組件、注漿組件和接頭組件分別運(yùn)至現(xiàn)場；

45、利用井口機(jī)具、拉繩等輔助裝置，采用逐級安裝方式，先用拉繩綁住第一級的數(shù)字三分向地震加速度探頭沉放井內(nèi)，留端部在井口以上，并確保探頭x軸指向水平正東方向、探頭y軸指向水平正北方向，然后使用井口機(jī)具固定，通過接頭組件連接第一級的級間連接筒組件，在第一級的級間連接筒組件上卡接注漿組件；再將第二級的數(shù)字三分向地震加速度探頭沉放井內(nèi)并通過接頭組件連接第二級的級間連接筒組件上方端部，在第二級的級間連接筒組件上卡接注漿組件；在連接過程中，確保各級數(shù)字三分向地震加速度探頭的x/y方向識(shí)別標(biāo)與級間連接筒組件的x/y方向識(shí)別標(biāo)一致，并用定位螺釘固定；

46、依次順序，直至所有數(shù)字三分向地震加速度探頭、級間連接筒組件、注漿組件和接頭組件沉入孔內(nèi)；

47、安裝地震采集站，調(diào)試檢測各級探頭的工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，確保各級探頭工作正常，數(shù)據(jù)傳輸和時(shí)鐘同步準(zhǔn)確無誤；

48、將注漿組件與注漿泵連接，并將鉆井套管慢慢上提；隨著鉆井套管慢慢的往上移動(dòng)，利用注漿組件對多級的數(shù)字三分向地震加速度探頭、級間連接筒組件與井壁之間孔隙進(jìn)行滿孔注漿。

49、綜上所述，本技術(shù)包括以下至少一種有益技術(shù)效果：

50、1．可在同一鉆孔中高密度布置地震加速度計(jì)，（如每3米布置一只數(shù)字三分向地震加速度探頭），可在降低觀測成本的情況下，有效解決觀測數(shù)據(jù)稀缺、觀測能力不足問題。

51、2．采用總線設(shè)計(jì)方式，同一鉆井內(nèi)所有數(shù)字三分向地震加速度探頭共用一條多芯電纜，兩芯用于供電，兩芯用于數(shù)據(jù)傳輸，兩芯用于時(shí)鐘同步，可有效降低觀測成本，簡化安裝工藝。

52、3．連接筒組件具有如下功能：1）方便數(shù)字三分向地震加速度探頭進(jìn)行拼接組裝和拆卸運(yùn)輸，且可準(zhǔn)確安裝到井下設(shè)計(jì)深度。2）拼接組裝后，可確保所有探頭內(nèi)部數(shù)字三分向地震加速度探頭xyz三軸裝配同向性。沉孔安裝時(shí)，因整套裝置具有較大扭轉(zhuǎn)剛度，可有效防止扭轉(zhuǎn)形變，確保各級探頭井下安裝后mems加速度計(jì)之間不出現(xiàn)方位角偏差。3）電纜在連接筒組件內(nèi)部走線，可避免運(yùn)輸安裝過程中因電纜暴露導(dǎo)致電纜出現(xiàn)摩擦破損；4）連接筒筒殼內(nèi)部填充輕質(zhì)隔震材料，不僅可方便實(shí)現(xiàn)地震加速度探頭之間的分層填充，而且可有效充當(dāng)?shù)卣鸺铀俣忍筋^之間的隔震層，消除相鄰探頭之間的管波干擾。