CN109375263B - 一种适用于钻爆法隧道的地震超前预报装置、***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于钻爆法隧道的地震超前预报装置、***及方法，它解决了现有技术中超前地质探测自动化程度较低、探测时间较长、探测质量不高的问题，能够实现掌子面前方地质异常体的自动化超前预报，为施工方案优化、保障施工安全提供借鉴；其技术方案为：包括激震模块、刚度加强模块、定位模块和控制模块，刚度加强模块安装有压力传感器，压力传感器实时感知压力值并反馈至控制模块，通过控制模块实现可控支撑；定位模块包括用于定位激震方向的红外线定位装置和用于拍摄激震点周围岩体情况的图像定位装置；像定位装置将采集到的图像信号传输至控制模块，控制模块自动识别激震模块与岩体表面的空间位置关系，以控制激震模块角度。

Description

一种适用于钻爆法隧道的地震超前预报装置、***及方法

技术领域

本发明涉及隧道超前地质预报领域，尤其涉及一种适用于钻爆法隧道的地震超前预报装置、***及方法。

背景技术

随着我国国民经济水平的不断提高、基础设施建设力度不断加大，我国隧道建设得到了前所未有的发展，我国已经成为世界上隧道及地下工程建设规模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家。其中，钻爆法施工以其经济、地质适应性较强等优势，在隧道施工建设中起着十分重要的作用。在钻爆法隧道建设过程中经常遭遇岩溶、断层破碎带等各种不良地质情况，如若不能提前发现并及时处理，容易引发突水突泥、塌方等灾害，轻则造成工期延误和经济损失，重则造成人员伤亡等灾难性后果。

因此，需要在实际施工过程中提前探明掌子面前方的地质情况以制定合理的施工方案和应对措施来规避灾害事故的发生，超前地质预报方法正在发挥越来越重要的作用。

其中，地震波法在地质体刻画和定位方面具有优势，而且探测距离远，是隧道超前地质探测中的重要手段。然而，在钻爆法施工隧道地震超前探测中，目前仍以人工探测为主，探测自动化程度较低，费时费力，而地震波法探测过程中要求工程停工，探测时间过长会影响工期。另外，对于地震超前探测来说，可靠稳定的震源是探测的基础，而目前常用激震方式仍以***震源激震、超磁致伸缩震源激震和人工重锤激震三种方式为主：***震源危险性高，操作不当则极易造成人员伤亡和设备受损，安全风险较大；超磁致伸缩震源由于制备材料昂贵因此售价十分高昂，而且在施工中极易受到损坏，因此在实际工程中较少采用；人工重锤击打隧道边墙激震方法，因操作水平不同，导致激震可重复性差，常常导致地震波反射信号不稳定，影响探测质量。

总之，在隧道地震超前探测当中缺乏一种适用于钻爆法施工隧道的地震超前预报自动化激震及探测装置、***及方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种适用于钻爆法隧道的地震超前预报装置、***及方法，能够实现掌子面前方地质异常体的自动化超前预报，为施工方案优化、保障施工安全提供借鉴。

本发明采用下述技术方案：

一种适用于钻爆法隧道的地震超前预报装置，包括：

激震模块，用于实现对隧道的多方位激震；

刚度加强模块，其安装有压力传感器，压力传感器实时感知压力值并反馈至控制模块，通过控制模块实现可控支撑；

定位模块，包括用于定位激震方向的红外线定位装置和用于拍摄激震点周围岩体情况的图像定位装置；图像定位装置将采集到的图像信号传输至控制模块，控制模块自动识别激震模块与岩体表面的空间位置关系，以控制激震模块角度。

进一步的，所述激震模块包括冲击锤、冲击油缸，所述冲击锤与冲击油缸相连，冲击油缸推进冲击锤锤击目标激震区域；

所述激震模块还包括收纳仓，用于容纳收缩后的冲击锤。

进一步的，所述冲击油缸由主油路提供动力，冲击油缸连接用于控制压力大小的液压控制回路。

进一步的，所述冲击锤的端部具有球形部。

进一步的，所述刚度加强模块包括杆槽和沿杆槽周向均匀分布的支撑杆，所述支撑杆由控制模块控制可沿杆槽轴向伸缩。

进一步的，所述图像定位装置包括工业相机和蓝牙传输器，工业相机通过蓝牙传输器与控制模块进行信号传输。

进一步的，所述控制模块包括信号接收装置和中控台，所述中控台通过蓝牙信号与信号接收装置相连接。

一种适用于钻爆法隧道的地震超前预报***，包括凿岩台车和上述地震超前预报装置，

所述激震模块安装于凿岩台车的升降平台下方，依靠凿岩台车的机械臂的移动实现对岩体的多方位激震；

所述控制模块安装于凿岩台车内部，所述红外线定位装置安装于凿岩台车前方，图像定位装置固定在收纳仓内部；

所述激震模块、凿岩台车的机械臂均配置刚度加强模块。

一种适用于钻爆法隧道的地震超前预报方法，采用上述的地震超前预报***，包括以下步骤：

步骤(1)：凿岩台车到达隧道掌子面前方设定距离，输入观测方式模型；在凿岩台车上方及两侧安装检波器自动布设装置，自动向隧道边墙或拱顶布置检波器；

步骤(2)：调整升降平台至掌子面前方特定位置，机械臂上的刚度加强模块的支撑杆打开，固定装填升降平台机械臂；

步骤(3)：工业相机拍摄激震目标区域并将信号传输至控制模块，控制模块计算激震角度，并输出信息调整激震模块角度，激震模块推进刚度加强模块的支撑杆打开，固定激震模块位置；

步骤(4)：激震模块稳定后，激震模块快速启动垂直击打目标激震区域，激震模块回缩；

步骤(5)：检波器接收激震模块所激发的地震波，信号传输至控制模块进行储存、计算；根据计算结果反馈探测需求，判断最佳异常体探测能量，选择激震方式；

步骤(6)：刚度加强模块的支撑杆回缩，进行下一循环；

步骤(7)：所有位置激震结束后，控制模块输出计算结果，调整施工方案。

进一步的，所述检波器自动布设装置包括固定块、第一推进机构、第二推进机构，固定块与第一推进机构相连，第一推进机构可带动固定块直线运动；

所述固定块通过架体结构连接检波器，第二推进机构设于固定块内部且能够推动所述检波器升高。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过激震模块、控制模块能，能够实现掌子面、拱顶、边墙等任意位置上的自动化激震，具有快速高效、强度可控、可重复性好的优势；配合凿岩台车的机械臂实现多方位激震，可根据探测需要激发产生纵波能量占优(掌子面激震)和横波能量占优(拱顶、边墙激震)的震源，更好的实现纵横波联合探测；

(2)本发明可以实现激震模块和岩体表面之间空间位置关系的自动识别，实现冲击锤垂直锤击目标岩体，保证激震效果最佳；通过伞状(发散状)可收缩的刚度加强模块，保证激震信号稳定，提高地震探测质量；

(3)本发明可以实现钻爆法施工隧道中地震超前探测的一体化、自动化运行，为施工方案优化、保障施工安全提供借鉴；同时探测时间较短，能够保证工期。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明地震超前预报***的结构示意图；

图2为本发明的刚度加强模块结构示意图；

图3-图4为本发明的不同观测方式示例图；

图5为本发明检波器自动布设装置的结构示意图；

图6为本发明检波器自动布设装置的局部结构示意图；

其中：1、激震模块，1-1、冲击锤，1-2、推进杆，1-3、收纳仓；

2、刚度加强模块，2-1、第一刚度加强模块，2-2、第二刚度加强模块，2-3、第三刚度加强模块；

3、定位模块，3-1、图像定位装置，3-2、红外线定位装置；

4、支撑杆，5、杆槽，6、激震点，7、检波器，8、固定轴，9、固定杆，10、固定架，11、固定块，12、第二传动腔，13、齿轮，14、齿条，15、推杆，16、推块，17、螺纹套，18、第一传动腔，19、壳体，20、第一电机，21、第一转轴，22、减速器，23、第二转轴，24、第一锥齿轮，25、螺纹杆，26、液压缸，27、保护轴，28、第二锥齿轮，29、液压杆。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在超前地质探测自动化程度较低、探测时间较长、探测质量不高的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种适用于钻爆法隧道的地震超前预报装置、***及方法。

本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种适用于钻爆法隧道的地震超前预报装置，包括激震模块1、刚度加强模块2、定位模块3和控制模块，其中，所述定位模块3包括红外线定位装置和图像定位装置。

激震模块1为自动液压激震装置，采用多级液压震源，包括冲击锤1-1、冲击油缸、主油路、液压控制回路和收纳仓1-3，所述冲击锤1-1与冲击油缸安装推进杆1-2(伸缩杆)的一端相连，冲击油缸安装于收纳仓1-3内部，推进杆1-2可回缩至收纳仓1-3内部。

所述冲击锤1-1的端部具有球形部，用于锤击掌子面、拱顶和隧道边墙；球形部便于锤击时形成激震点6。

所述冲击油缸由主油路提供动力，冲击油缸向前作用推进冲击锤1-1锤击目标激震区域。

冲击油缸连接用于控制压力大小的液压控制回路。

刚度加强模块2，如图2所示，包括杆槽5和沿杆槽5周向均匀分布的支撑杆4。

所述杆槽5呈环形设置，支撑杆4滑动连接于杆槽5内侧，可相对滑槽5伸出或回缩，多个支撑杆4与杆槽5形成类似于伞形的结构。

在杆槽5内设有与支撑杆4相连的微型多级液压油缸，控制模块通过控制多级液压油缸实现支撑杆4的伸缩。

支撑杆4的可伸出端侧面安装有压力传感器，压力传感器实时感知压力值并反馈给控制模块，当压力达到一定值时，控制模块输出信息控制支撑杆4固定，实现对其安装位置的装置进行可控支撑，以增加其刚度。

当使用完毕后，支撑杆4由控制模块控制自动回缩，收纳于杆槽5内部。

所述图像定位装置包括工业相机和蓝牙传输器，工业相机用于拍摄激震点6附近的岩体情况，其采集到的图像信号通过蓝牙传输器及时传输至控制模块，控制模块采用图像识别方法处理分析后，自动识别激震模块与岩体表面之间的空间位置关系，并调整激震模块角度，实现冲击锤1-1以垂直角度锤击目标岩体。

所述控制模块包括信号接收装置和中控台，所述中控台通过蓝牙信号与信号接收装置相连接，控制模块用于进行探测数据的分析处理工作，并依据数据输出控制信号，实现钻爆法施工隧道的自动化、效果最大化探测。

本申请的另一种实施方式中，如图1所示，提供了一种适用于钻爆法隧道的地震超前预报***，包括凿岩台车和上述实施方式中的地震超前预报装置。

所述激震模块1安装于凿岩台车装填升降平台的下方，依靠凿岩台车机械臂的自由移动实现对掌子面、拱顶和隧道边墙的多方位激震。

所述收纳仓1-3固定于装填升降平台的下方。

在一些实施方式中，收纳仓1-3与装填升降平台采用焊接的方式固定。

所述控制模块包括安装在凿岩台车内部的信号接收装置和中控台。

所述红外线定位装置安装于凿岩台车前方，图像定位装置固定在收纳仓1-3内部靠近底部位置，且收纳仓1-3底部开设用于工业相机伸出的开口。

激震模块1的推进杆1-2位置安装第一刚度加强模块2-1，杆槽5与推进杆1-2的末端固定。

凿岩台车第一机械臂的铰接位置安装第二刚度加强模块2-2，凿岩台车第二机械臂的铰接位置安装第三刚度加强模块2-3。

当机械臂伸出达到预计位置或激震模块1推出达到一定位置时，控制模块输出信号控制刚度加强模块2打开，支撑杆4向前伸出并抵在前方机械平面上，安装在支撑杆4末端侧壁的压力传感器实时感知压力值并反馈给控制模块。

当压力达到一定值时，控制模块输出信息控制支撑杆4固定，实现对铰接位置和激震模块1的推进杆1-2末端进行可控支撑，以增加其刚度；当机械臂和激震模块1的推进杆1-2使用完毕后，支撑杆4自动回缩，收纳于杆槽5内部。

采用本实施方式中地震超前预报***进行地震超前地质探测的方法为：

步骤(1)：凿岩台车到达隧道掌子面前方一定距离(此距离根据实际岩体情况而定)。

步骤(2)：在凿岩台车的左右两侧和上方安装地震波检波器自动布设装置，并展开装置将检波器靠在隧道边墙，确定固定准确牢固；

步骤(3)：调整装填升降平台至掌子面前方特定位置，机械臂上的刚度加强模块2的支撑杆4打开，固定装填升降平台机械臂。

步骤(4)：工业相机由收纳仓1-3伸出，拍摄激震目标区域并将信号传输至控制模块，综合红外线定位信息，控制模块计算激震角度，并输出信息调整激震模块1角度，激震模块1推进刚度加强模块2的支撑杆4打开，固定激震模块1位置。

步骤(5)：激震模块1稳定后，激震模块1快速启动垂直击打目标激震区域，激震模块1回缩。

步骤(6)：检波器7接收激震模块1所激发的地震波，信号传输至控制模块进行储存、计算。

步骤(7)：根据计算结果反馈探测需求，判断最佳异常体探测能量，选择激震方式为掌子面激震、拱顶激震、边墙激震或联合激震方式。

步骤(8)：刚度加强模块2的支撑杆4回缩，进行下一循环。

步骤(9)：所有位置激震结束后，控制模块输出计算结果，调整施工方案。

其中，所述检波器自动布设装置包括壳体19、第一推进机构、第二推进机构、架体结构。

所述壳体19内设有第一传动腔18，第一推进机构设于第一传动腔18中，第一传动腔18内部第一推进机构的一侧还设有辅助推进机构，固定块11设于第一传动腔18开口处。

第一推进机构包括通过第一电机20驱动的锥齿轮组(第一锥齿轮24和第二锥齿轮28)，锥齿轮组中第二锥齿轮28套设于螺纹杆25上，螺纹杆25端部设置推块16。

所述辅助推进机构一端与壳体19连接，另一端与固定块11连接；辅助推进机构为带有液压杆29的液压缸26，所述液压杆29与固定块11连接，所述液压杆29末端连接保护轴27。

第二推进机构设于固定块11内的第二传动腔12中，第二推进机构为第二电机带动的齿轮齿条传动机构，所述齿轮齿条传动机构中齿条14与推杆15连接，推杆15与固定架10连接。

所述架体结构包括固定架10、固定杆9和固定轴8，所述固定架10为门型固定架，如图6所示，固定架10内侧设置多个固定轴8，每一固定轴8的端部分别安装有检波器7；且固定架10内通过固定杆9支撑固定轴8。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种适用于钻爆法隧道的地震超前预报装置，其特征在于，包括：

激震模块，用于实现对隧道的多方位激震；所述激震模块安装于凿岩台车的升降平台下方，依靠凿岩台车的机械臂的移动实现对岩体的多方位激震；所述激震模块包括冲击锤、冲击油缸，所述冲击锤与冲击油缸相连，所述冲击锤的端部具有球形部，所述冲击油缸推进冲击锤锤击目标激震区域，所述激震模块还包括收纳仓，用于容纳收缩后的冲击锤；

刚度加强模块，其安装有压力传感器，压力传感器实时感知压力值并反馈至控制模块，通过控制模块实现可控支撑；所述刚度加强模块包括杆槽和沿杆槽周向均匀分布的支撑杆，支撑杆的可伸出端侧面安装有压力传感器，压力传感器实时感知压力值并反馈给控制模块，所述支撑杆由控制模块控制可沿杆槽轴向伸缩；所述杆槽呈环形设置，所述支撑杆滑动连接于杆槽内侧，可相对杆槽伸出或回缩，多个支撑杆与杆槽形成类似于伞形的结构；当使用完毕后，所述支撑杆由控制模块控制自动回缩，收纳于所述杆槽内部；在所述杆槽内设有与所述支撑杆相连的微型多级液压油缸；激震模块的推进杆位置安装第一刚度加强模块，杆槽与推进杆的末端固定，凿岩台车第一机械臂的铰接位置安装第二刚度加强模块，凿岩台车第二机械臂的铰接位置安装第三刚度加强模块；

定位模块，包括用于定位激震方向的红外线定位装置和用于拍摄激震点周围岩体情况的图像定位装置；图像定位装置包括工业相机和蓝牙传输器，工业相机通过蓝牙传输器与控制模块进行信号传输；图像定位装置将采集到的图像信号传输至控制模块，控制模块自动识别激震模块与岩体表面的空间位置关系，以控制激震模块角度；

检波器自动布设装置包括壳体、第一推进机构、第二推进机构、架体结构，所述壳体内设有第一传动腔，第一传动腔内部第一推进机构的一侧还设有辅助推进机构，第一推进机构包括通过第一电机驱动的锥齿轮组，锥齿轮组中第二锥齿轮套设于螺纹杆上，螺纹杆端部设置推块，所述辅助推进机构一端与壳体连接，另一端与固定块连接；辅助推进机构为带有液压杆的液压缸，所述液压杆与固定块连接；所述检波器自动布设装置包括固定块、第一推进机构、第二推进机构，固定块与第一推进机构相连，第一推进机构可带动固定块直线运动；所述固定块通过架体结构连接检波器，第二推进机构设于固定块内部且能够推动所述检波器升高。

2.根据权利要求1所述的一种适用于钻爆法隧道的地震超前预报装置，其特征在于，所述冲击油缸由主油路提供动力，冲击油缸连接用于控制压力大小的液压控制回路。

3.根据权利要求1所述的一种适用于钻爆法隧道的地震超前预报装置，其特征在于，所述控制模块包括信号接收装置和中控台，所述中控台通过蓝牙信号与信号接收装置相连接。

4.一种适用于钻爆法隧道的地震超前预报***，其特征在于，包括凿岩台车和如权利要求1-3任一所述的地震超前预报装置，

所述激震模块安装于凿岩台车的升降平台下方，依靠凿岩台车的机械臂的移动实现对岩体的多方位激震；

所述控制模块安装于凿岩台车内部，所述红外线定位装置安装于凿岩台车前方，图像定位装置固定在收纳仓内部；

所述激震模块、凿岩台车的机械臂均配置刚度加强模块。

5.一种适用于钻爆法隧道的地震超前预报方法，其特征在于，采用如权利要求4所述的地震超前预报***，包括以下步骤：

步骤(1)：凿岩台车到达隧道掌子面前方设定距离，输入观测方式模型；在凿岩台车上方及两侧安装检波器自动布设装置，自动向隧道边墙或拱顶布置检波器；

步骤(2)：调整升降平台至掌子面前方特定位置，机械臂上的刚度加强模块的支撑杆打开，固定装填升降平台机械臂；

步骤(3)：工业相机拍摄激震目标区域并将信号传输至控制模块，控制模块计算激震角度，并输出信息调整激震模块角度，激震模块推进刚度加强模块的支撑杆打开，固定激震模块位置；

步骤(4)：激震模块稳定后，激震模块快速启动垂直击打目标激震区域，激震模块回缩；

步骤(5)：检波器接收激震模块所激发的地震波，信号传输至控制模块进行储存、计算；根据计算结果反馈探测需求，判断最佳异常体探测能量，选择激震方式；

步骤(6)：第一、第二和第三刚度加强模块的支撑杆回缩，进行下一循环；

步骤(7)：所有位置激震结束后，控制模块输出计算结果，调整施工方案。

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