CN110376654A - 一种用于tbm的隧道超前探测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于TBM的隧道超前探测***，包括：用于产生第一地震波信号的第一激发震源；用于产生第二地震波信号的第二激发震源，第一激发震源与第二激发震源交替工作；检波器，用于接收第一地震波信号的反射波以便于预报第一预设距离内的地质情况，并接收第二地震波信号的反射波以便于预报第二预设距离内的地质情况，第一预设距离小于第二预设距离。通过采用两个激发震源的方式，产生两个地震波信号，并利用检波器探测两个地震波信号的反射波，以此来预报掌子面前方的地质情况，从而增强超前预报的效果，提高地质预报的准确性。本发明还公开了一种用于TBM的隧道超前探测方法，具有上述有益效果。

Description

一种用于TBM的隧道超前探测***及方法

技术领域

本发明涉及隧道施工设备技术领域，更具体地说，涉及一种用于TBM的隧道超前探测***。此外，本发明还涉及一种用于TBM的隧道超前探测方法。

背景技术

在采用TBM进行隧道掘进的过程中，为了避免因地质不良造成TBM机械卡机或报废等，并保证施工人员安全，通常需要采用超前地质预报来探明掌子面前方的地质情况。

目前比较主流的超前地质预报方法是地震法，其工作原理是：通过激发弹性波，在弹性波向三维空间传播的过程中，遇到声阻抗界面会产生反射波，并利用检波装置接收反射波，然后通过对反射波信号进行处理，即可拾取掌子面前方岩体中的阻抗界面信息，达到超前地质预报的目的。

现有技术中，适用于TBM隧道施工的地震法超前地质预报***，通常包括地震波激震器和地震波检波器，地震波激震器包括安装有激震器的机械臂，通过控制机械臂在设定位置的击打，完成设定压力下的一次地震波产生；地震波检波器包括设置有检波器的伸缩杆，通过伸缩杆的伸出将检波器送入注浆孔或指定位置，以接收激震器产生的地震波，完成一次探测。这种地震法超前地质预报***的布置方式快速灵活、便于安装、自动化程度较高，解决了传统方法主要依靠人工安装激震器和检波装置，且多数需要停工进行仪器安装的问题，施工效率相对较高。

然而，现有的地震法超前地质预报***均为单一震源，相应地，产生的地震波信号也为单一地震波信号，通常只能预报一定距离的地质情况，预报工作的准确性较低。

综上所述，如何提供一种能够提高地质预报准确性的超前探测***，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于TBM的隧道超前探测***及方法，可以提高地质预报的准确性。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于TBM的隧道超前探测***，包括：

用于产生第一地震波信号的第一激发震源；

用于产生第二地震波信号的第二激发震源，所述第一激发震源与所述第二激发震源交替工作；

检波器，用于接收所述第一地震波信号的反射波以便于预报第一预设距离内的地质情况，并接收所述第二地震波信号的反射波以便于预报第二预设距离内的地质情况，所述第一预设距离小于所述第二预设距离。

优选地，所述第一激发震源为用于搭载在TBM上的凿岩机和锚杆钻机，所述凿岩机和所述锚杆钻机工作时产生的冲击为所述第一地震波信号。

优选地，所述凿岩机和所述锚杆钻机均设有用于接收所述第一地震波信号的加速度传感器和应力传感器。

优选地，所述第二激发震源为用于搭载在TBM的护盾上的液压式可控锤击震源、电控冲击震源、气压冲击震源或电磁震源。

优选地，所述第二激发震源包括：

用于与隧道岩壁紧密贴合的冲击头；

与所述冲击头相连、用于驱动所述冲击头伸缩的伸缩驱动装置，以使所述冲击头从护盾上预设的预留孔内伸出或收回。

优选地，所述第二激发震源的冲击频率可调。

优选地，所述检波器的数量为至少四个的偶数个，两两一组，成组的两个所述检波器用于沿隧道轴线对称设置。

优选地，所述检波器包括用于与锚杆孔或注浆孔紧密贴合的探头。

一种用于TBM的隧道超前探测方法，包括：

利用凿岩机和锚杆钻机工作时产生的冲击作为第一地震波信号；

利用预先布设好的检波器接收所述第一地震波信号的反射波，以便于预报第一预设距离内的地质情况；

在安装钢拱架的间隙，启动搭载在TBM的护盾上的第二激发震源，以产生第二地震波信号；

利用所述检波器接收所述第二地震波信号的反射波，以便于预报第二预设距离内的地质情况。

优选地，所述的在安装钢拱架的间隙，启动搭载在TBM的护盾上的第二激发震源，以产生第二地震波信号，包括：

在所述第二激发震源和与之最接近的所述检波器之间的距离为9～11m时，在安装钢拱架的间隙，首次启动所述第二激发震源；

每当所述TBM向前掘进2～3m，在安装钢拱架的间隙，再次启动所述第二激发震源；

当所述TBM向前掘进10～15m后，将距离所述第二激发震源最远的一组所述检波器向掘进方向前移，以使前移后的所述检波器与所述第二激发震源之间的距离为9～11m。

本发明提供的用于TBM的隧道超前探测***，采用第一激发震源和第二激发震源两个激发震源，产生两个地震波信号，即第一地震波信号和第二地震波信号，并利用检波器探测两个地震波信号的反射波，以此来预报掌子面前方第一预设距离和第二预设距离内的地质情况，从而增强了超前预报的效果，提高地质预报的准确性。

本发明提供的用于TBM的隧道超前探测方法，利用凿岩机和锚杆钻机工作时产生的冲击作为第一地震波信号，并利用搭载在TBM的护盾上的第二激发震源产生第二地震波信号，通过检波器探测两个地震波信号的反射波，以此来预报掌子面前方第一预设距离和第二预设距离内的地质情况，从而增强了超前预报的效果，提高地质预报的准确性。

同时，利用凿岩机和锚杆钻机工作时产生的冲击作为第一地震波信号，挖掘了凿岩机和锚杆钻机的新用途，在保留两者钻孔作用的基础上，使两者还具有超前地质预报的作用。一方面，避免了安装专门的第一激发震源装置，简化了TBM的结构，同时，在凿岩机和锚杆钻机进行正常的钻孔工作的同时，利用检波器检测两者产生的冲击信号，将地震波探测过程与TBM掘进过程紧密配合，节约了施工时间，提高了施工效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施例所提供的用于TBM的隧道超前探测***安装到TBM上时的示意图；

图2为图1所示的隧道超前探测***在TBM掘进过程中检波器的重新布设状态示意图；

图3为本发明具体实施例所提供的用于TBM的隧道超前探测方法的流程图；

图4为图3中启动第二激发震源的流程图。

图1-图2中的附图标记如下：

1为第一激发震源、11为凿岩机、12为锚杆钻机、2为第二激发震源、3为检波器、31为第一组检波器、32为第二组检波器、33为第三组检波器、4为护盾、虚线方框01为掘进过程中激发震源激发点的推进状态、虚线方框02为掘进过程中检波器的重新布设状态。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种用于TBM的隧道超前探测***及方法，可以提高地质预报的准确性。

请参考图1和图2，图1为本发明具体实施例所提供的用于TBM的隧道超前探测***安装到TBM上时的示意图；图2为图1所示的隧道超前探测***在TBM掘进过程中检波器的重新布设状态示意图。其中，图1和图2中的实心圆表示激发震源的激发点，实心长方形表示检波器。

在一个具体实施例中，本发明提供一种用于TBM的隧道超前探测***，包括第一激发震源1、第二激发震源2和检波器3，第一激发震源1用于产生第一地震波信号，第二激发震源2用于产生第二地震波信号，第一激发震源1与第二激发震源2交替工作，以避免第一地震波信号与第二地震波信号产生干涉；检波器3用于接收第一地震波信号的反射波以便于预报第一预设距离内的地质情况，并接收第二地震波信号的反射波以便于预报第二预设距离内的地质情况，第一预设距离小于第二预设距离。

也就是说，本发明通过采用两个激发震源的方式，产生两个地震波信号，并利用检波器3探测两个地震波信号的反射波，以此来预报掌子面前方的地质情况，从而增强超前预报的效果，提高地质预报的准确性。

可以理解的是，第一激发震源1的打击力度小于第二激发震源2的打击力度，以使第一地震波信号能够预报的前方地质的距离小于第二地震波信号能够预报的前方地质的距离。

本领域技术人员可以根据实际隧道的地质环境来设定第一激发震源1和第二激发震源2的打击力度，以使第一预设距离和第二预设距离具有较大的探测意义。例如，可以通过控制第一激发震源1和第二激发震源2的打击力度，使第一地震波信号和第二地震波信号分别适用于短距离地质预报(例如50米以内的地质预报)和中长距离地质预报(例如200米以内的地质预报)。

需要说明的是，本发明对第一激发震源1和第二激发震源2的具体结构不做限定，只要能够对隧道的岩壁产生击打冲击，以产生第一地震波信号和第二地震波信号即可。

考虑到结构的简单及施工的方便性，在上述实施例的基础之上，第一激发震源1为用于搭载在TBM上的凿岩机11和锚杆钻机12，凿岩机11和锚杆钻机12工作时产生的冲击为第一地震波信号。

也就是说，本实施例巧妙的利用TBM本身自带的结构，将凿岩机11和锚杆钻机12作为第一激发震源1，并将凿岩机11和锚杆钻机12钻孔时产生的冲击信号作为第一地震波信号，用于预报第一预设距离内的地质情况，实际探测表明，凿岩机11和锚杆钻机12钻孔时产生的冲击频率，能够实现50米以内的短距离地质预报。

也即，本实施例挖掘了凿岩机11和锚杆钻机12的新用途，在保留两者钻孔作用的基础上，使两者还具有超前地质预报的作用。一方面，避免了安装专门的第一激发震源1装置，简化了TBM的结构，同时，在凿岩机11和锚杆钻机12进行正常的钻孔工作的同时，利用检波器3检测两者产生的冲击信号，将地震波探测过程与TBM掘进过程紧密配合，节约了施工时间，提高了施工效率。

为了便于对凿岩机11和锚杆钻机12产生的第一地震波信号的反射波进行分析，在上述实施例的基础之上，凿岩机11和锚杆钻机12均设有用于接收第一地震波信号的加速度传感器和应力传感器。

也就是说，本实施例通过在凿岩机11和锚杆钻机12上加设加速度传感器和应力传感器，来检测凿岩机11和锚杆钻机12在钻孔过程中产生的原始冲击信号，也即，第一地震波信号，以便于在对凿岩机11和锚杆钻机12产生的第一地震波信号的反射波进行分析时，使第一地震波信号的反射波与原始的第一地震波信号进行对比分析，同时，方便获取第一地震波信号的激发时刻。

考虑到第二激发震源2产生第二地震波信号的具体实现方式，在上述实施例的基础之上，第二激发震源2为用于搭载在TBM的护盾4上的液压式可控锤击震源、电控冲击震源、气压冲击震源或电磁震源。

也就是说，第二激发震源2搭载在TBM机的护盾4上，无需在TBM停工时专门再安装第二激发震源2，以提高施工效率。

第二激发震源2的激发形式可以为液压式可控锤击震源、电控冲击震源、气压冲击震源或电磁震源中的任意一者，也即，可通过液压驱动、电控驱动、气压驱动或电磁驱动的方式，实现第二激发震源2对隧道岩壁的击打冲击。

考虑到第二激发震源2的具体结构，在上述实施例的基础之上，第二激发震源2包括冲击头和用于驱动冲击头伸缩的伸缩驱动装置，优选地，冲击头的形状具有预设弧度，用于与隧道岩壁紧密贴合，以保证激发效果。伸缩驱动装置与冲击头相连，以带动冲击头伸出护盾4上预设的预留孔，保证冲击头能够通过预留孔并作用于岩壁上；在非工作状态下，可通过伸缩驱动装置带动冲击头收回至护盾4内，以避免影响TBM的正常掘进。

优选地，伸缩驱动装置为伸缩油缸，以通过伸缩油缸的驱动，实现冲击头的伸出或收回。

为了更精准的预报第二预设距离内的前方地质情况，在上述实施例的基础之上，第二激发震源2的冲击频率可调。例如，第二激发震源2上安装有控制器，以通过控制器控制液压式可控锤击震源的液压、或电控冲击震源的电压、或气压冲击震源的气压、或电磁震源的电磁力等，来实现第二激发震源2频率的调节。

考虑到检波器3的布置方式，在上述各实施例的基础之上，检波器3的数量为偶数个，且至少为四个，每两个检波器3为一组，成组的两个检波器3用于沿隧道轴线对称设置。

也就是说，本实施例采用分别布设在隧道岩壁两侧的至少两组检波器3，实现对第一地震波信号和第二地震波信号的连续动态观测，以提高超前探测的准确性。

优选地，检波器3的数量为六个，六个检波器3构成三组。

安装检波器3时，任意相邻的两组检波器3之间的距离优选为10米；每组检波器3分别布设在隧道岩壁两侧的预设高度处，以使检波器3与第一激发震源1、第二激发震源2形成三维排布的结构，从而可提高超前预报的分辨率。

考虑到检波器3的具体形状和设置位置，在上述实施例的基础之上，检波器3包括用于与锚杆孔或注浆孔紧密贴合的探头。

也就是说，本实施例中的检波器3用于设置在锚杆孔或注浆孔内，且探头的形状与锚杆孔或注浆孔的形状一致，以使探头与锚杆孔或注浆孔紧密贴合，实现机械耦合，保证对第一地震波信号和第二地震波信号的反射波的接收效果。

在将检波器3放入锚杆孔或注浆孔内时，优选地，检波器3的放入深度范围为1.5～2m。

考虑到检波器3回收的方便性，在上述实施例的基础之上，检波器3的尾部设有用于拉拽检波器3以便回收检波器3的钢丝绳。在回收检波器3时，可经过收拉钢丝绳将检波器3直接拽出锚杆孔或注浆孔。

请参考图3和图4，图3为本发明具体实施例所提供的用于TBM的隧道超前探测方法的流程图；图4为图3中启动第二激发震源的流程图。

除了上述用于TBM的隧道超前探测***，本发明还提供一种用于TBM的隧道超前探测方法，包括步骤S1至步骤S4：

步骤S1：利用凿岩机和锚杆钻机工作时产生的冲击作为第一地震波信号。

也就是说，将凿岩机和锚杆钻机作为第一激发震源，将凿岩机和锚杆钻机进行正常的钻孔工作时产生的冲击信号作为第一地震波信号，用于超前地质预报。

步骤S2：利用预先布设好的检波器接收第一地震波信号的反射波，以便于预报第一预设距离内的地质情况。

也就是说，在凿岩机和锚杆钻机进行正常的钻孔工作时，利用检波器接收凿岩机和锚杆钻机钻孔时的冲击信号，以便于检波器将该冲击信号发送至数据处理器，通过对该冲击信号的放大、数据采集和处理，拾取第一预设距离内的地质情况。

需要说明的是，第一预设距离为凿岩机和锚杆钻机钻孔时产生的冲击信号能够预报的地质情况的距离，实际探测表明，第一预设距离为50米左右。

步骤S3：在安装钢拱架的间隙，启动搭载在TBM的护盾上的第二激发震源，以产生第二地震波信号。

也就是说，本发明通过在TBM的护盾上搭载第二激发震源，来产生第二地震波信号。

为了提高施工效率，本发明选择在安装钢拱架的间隙来启动第二激发震源。

优选地，第二激发震源为液压式可控锤击震源，通过液压油缸控制冲击头多次撞击隧道岩壁的同一位置，产生多次冲击信号。更加优选地，多次冲击信号为变频率信号。

步骤S4：利用检波器接收第二地震波信号的反射波，以便于预报第二预设距离内的地质情况。

也就是说，在第二激发震源产生冲击的过程中时，利用预先布设好的检波器接收第二地震波信号，以便于检波器将该第二地震波信号发送至数据处理器，通过对该第二地震波信号的放大、数据采集和处理，拾取第二预设距离内的地质情况。

第二预设距离由第二地震波信号的参数来确定，本领域技术人员可以根据实际施工隧道的地质环境来设定第二激发震源的冲击力度和频率。

考虑到第二激发震源的启动时机，在上述实施例的基础之上，步骤S3包括步骤S31至步骤S33：

步骤S31：在第二激发震源和与之最接近的检波器之间的距离为9～11m时，在安装钢拱架的间隙，首次启动第二激发震源。

也就是说，在第一次启动第二激发震源时，第二激发震源和与之最接近的检波器之间的距离为9～11m；优选地，在第一次启动第二激发震源时，第二激发震源和与之最接近的检波器之间的距离为10米。

也就是说，在第二激发震源和与之最接近的检波器之间的距离为10米左右且需要安装钢拱架时，第一次启动第二激发震源。

步骤S32：每当TBM向前掘进2～3m，在安装钢拱架的间隙，再次启动第二激发震源。

也就是说，在TBM的掘进过程中，每向前掘进2～3米后，在安装钢拱架的间隙，再激发第二激发震源一次。

步骤S33：当TBM向前掘进10～15m后，将距离第二激发震源最远的一组检波器向掘进方向前移，以使前移后的检波器与第二激发震源之间的距离为9～11m。

也就是说，为了保证较好的接收效果，在第二激发震源和与之最接近的检波器之间的距离超过一定的距离后，需重新布设检波器的位置。考虑到检波器重新布置的方便性，为了节约时间，减少重新布设检波器的步骤，本实施例采用前移与第二激发震源最远的检波器的方式，将与第二激发震源最远的检波器沿掘进方向向前移动至与第二激发震源距离最近的位置，同时，保持9～11m的距离，其它检波器的位置保持不变，也即，通过不断推移与第二激发震源最远的检波器，实现检波器组的重新布设，节省了超前探测的时间，提高了施工效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的用于TBM的隧道超前探测***及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于TBM的隧道超前探测***，其特征在于，包括：

用于产生第一地震波信号的第一激发震源(1)；

用于产生第二地震波信号的第二激发震源(2)，所述第一激发震源(1)与所述第二激发震源(2)交替工作；

检波器(3)，用于接收所述第一地震波信号的反射波以便于预报第一预设距离内的地质情况，并接收所述第二地震波信号的反射波以便于预报第二预设距离内的地质情况，所述第一预设距离小于所述第二预设距离。

2.根据权利要求1所述的用于TBM的隧道超前探测***，其特征在于，所述第一激发震源(1)为用于搭载在TBM上的凿岩机(11)和锚杆钻机(12)，所述凿岩机(11)和所述锚杆钻机(12)工作时产生的冲击为所述第一地震波信号。

3.根据权利要求2所述的用于TBM的隧道超前探测***，其特征在于，所述凿岩机(11)和所述锚杆钻机(12)均设有用于接收所述第一地震波信号的加速度传感器和应力传感器。

4.根据权利要求1所述的用于TBM的隧道超前探测***，其特征在于，所述第二激发震源(2)为用于搭载在TBM的护盾(4)上的液压式可控锤击震源、电控冲击震源、气压冲击震源或电磁震源。

5.根据权利要求4所述的用于TBM的隧道超前探测***，其特征在于，所述第二激发震源(2)包括：

用于与隧道岩壁紧密贴合的冲击头；

与所述冲击头相连、用于驱动所述冲击头伸缩的伸缩驱动装置，以使所述冲击头从护盾(4)上预设的预留孔内伸出或收回。

6.根据权利要求4所述的用于TBM的隧道超前探测***，其特征在于，所述第二激发震源(2)的冲击频率可调。

7.根据权利要求1-6任一项所述的用于TBM的隧道超前探测***，其特征在于，所述检波器(3)的数量为至少四个的偶数个，两两一组，成组的两个所述检波器(3)用于沿隧道轴线对称设置。

8.根据权利要求7所述的用于TBM的隧道超前探测***，其特征在于，所述检波器(3)包括用于与锚杆孔或注浆孔紧密贴合的探头。

9.一种用于TBM的隧道超前探测方法，其特征在于，包括：

利用凿岩机和锚杆钻机工作时产生的冲击作为第一地震波信号；

利用预先布设好的检波器接收所述第一地震波信号的反射波，以便于预报第一预设距离内的地质情况；

在安装钢拱架的间隙，启动搭载在TBM的护盾上的第二激发震源，以产生第二地震波信号；

利用所述检波器接收所述第二地震波信号的反射波，以便于预报第二预设距离内的地质情况。

10.根据权利要求9所述的用于TBM的隧道超前探测方法，其特征在于，所述的在安装钢拱架的间隙，启动搭载在TBM的护盾上的第二激发震源，以产生第二地震波信号，包括：

在所述第二激发震源和与之最接近的所述检波器之间的距离为9～11m时，在安装钢拱架的间隙，首次启动所述第二激发震源；

每当所述TBM向前掘进2～3m，在安装钢拱架的间隙，再次启动所述第二激发震源；

当所述TBM向前掘进10～15m后，将距离所述第二激发震源最远的一组所述检波器向掘进方向前移，以使前移后的所述检波器与所述第二激发震源之间的距离为9～11m。