CN113721290A - 一种施工同步的凿岩台车地震波超前探测观测***及方法 - Google Patents

一种施工同步的凿岩台车地震波超前探测观测***及方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种施工同步的凿岩台车地震波超前探测观测***及方法，包括检波器三维观测***、震源多点检测***、信号通讯***和处理***；检波器三维观测***，包括多组环状检测单元，各组环状检测单元依次沿隧道断面布置，每组环状检测单元均包括多个沿断面呈环状设置的三分量检波器；震源多点检测***，包括设置于凿岩台车机械臂上的检测元件，检测凿岩台车施工状态时对掌子面各震源点的震动激发信号，检测信息通过无线方式进行传输；根据震源点检测元件和三分量检波器的检测信息，进行掌子面前方不良地质体三维成像。本公开的预报工作与施工钻进同步进行，不影响隧道的施工进度。

Description

一种施工同步的凿岩台车地震波超前探测观测***及方法
技术领域
本公开属于地震波超前地质预报技术领域，具体涉及一种施工同步的凿岩台车地震波超前探测观测***及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
钻爆法施工是目前岩石隧道的主要施工方法之一。其中，凿岩台车钻孔***法具有施工速度快、自动化程度高、施工安全、施工质量高、减轻劳动强度等优点，因此在隧道施工中的应用愈加广泛。
塌方、岩溶、突水突泥等不良地质灾害为隧道施工带来了极大的安全隐患，因此有必要对隧道掌子面前方的不良地质体进行探查，为隧道安全施工提供保障。地震波勘探方法能够探明隧道掌子面前方赋存的断层、破碎带等不良地质体，且探测距离远，是一种高效的隧道施工超前地质预报方法。
综上所述，地震波法超前地质预报技术具有其独特的优势，但仍然存在以下问题：
(1)目前尚无适用于凿岩台车边施工边进行超前地质预报的技术方案，传统预报方法需停止施工钻进，影响施工进度，不适用于隧道大型机械化施工。
(2)隧道边墙检波器布置形式简单，大多采用线性布置，无法准确获取掌子面前方岩体的三维波场信息，对于不良地质体易出现漏报、错报等现象。
(3)隧道施工环境复杂，给检波器布线和数据采集设备接线带来了很大的困难。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种施工同步的凿岩台车地震波超前探测观测***及方法，本公开能够利用施工钻头破岩振动作为震源，隧道边墙布置检波器接收信号，其预报工作与施工钻进同步进行，不影响隧道的施工进度，与大型机械化施工相契合。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种施工同步的凿岩台车地震波超前探测观测***，包括检波器三维观测***、震源多点检测***、信号通讯***和处理***，其中：
所述检波器三维观测***，包括多组环状检测单元，各组环状检测单元依次沿隧道断面布置，每组环状检测单元均包括多个沿断面呈环状设置的三分量检波器；
所述震源多点检测***，包括设置于凿岩台车机械臂上的检测元件，用于检测凿岩台车施工状态时对掌子面各震源点的震动激发信号；
所述信号通讯***，包括多个无线通信模块，将震源点检测元件和三分量检波器的检测信息通过无线方式进行传输；
所述处理***，被配置为根据震源点检测元件和三分量检波器的检测信息，进行掌子面前方不良地质体三维成像。
作为可选择的实施方式，每一组环状检测单元均包括至少四个三分量检波器，所述三分量检波器按照环形断面圆周依次设置。
作为可选择的实施方式，不同组环状检测单元的对应的三分量检波器中至少有一部分设置高度不一致。
作为可选择的实施方式，不同组环状检测单元的三分量检波器在不同断面上，具有水平、垂向或/和隧道轴向三个方向上的偏移距。
作为可选择的实施方式，相邻断面之间的间距相同。或不同。
作为可选择的实施方式，所述三分量检波器通过固定装置固定于隧道侧壁上，所述固定装置包括固定底座和固定块，所述固定底座至少一部分嵌入侧壁内，所述固定块和固定底座螺纹连接，所述固定块上固定所述三分量检波器。
作为可选择的实施方式，所述三分量检波器还连接或包括有无线通信模块。
作为可选择的实施方式，所述震源点检测元件为三分量加速度传感器，通过磁铁吸附于凿岩台车机械臂上，距离钻头设定范围内。
作为可选择的实施方式，所述三分量加速度传感器连接或包括有无线通信模块。
作为可选择的实施方式，所述掌子面上的震源点呈两列对称布置，每列震源点数量一致，且对应震源点的设置高度一致。
基于上述***的工作方法，包括以下步骤：
沿隧道不同环形断面分别布置一组环状检测单元依次，每组环状检测单元包括多个沿断面圆周设置的三分量检波器；
凿岩台车机械臂上钻头附近设置检测元件，掌子面上设置多个震源点，检测凿岩台车施工状态时对掌子面各震源点的震动激发信号；
检测元件和三分量检波器的检测信息通过无线方式传输给处理***，处理***基于检测信号进行掌子面前方不良地质体三维成像。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开利用凿岩台车钻头破岩振动作为震源，隧道边墙处布置检波器接收信号，预测工作与施工钻进同步进行，不影响隧道的施工进度，与大型机械化施工相契合。
本公开震源和检波器的布置采用三维空间观测方式，可获取掌子面前方岩体的三维波场信息，实现不良地质体的有效探测。
本公开震源检测元件和检波器中均设计有无线模块和电源模块，可以通过无线方式实现数据传输，避免繁重的接线工作，节省了人力和时间。
为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为凿岩台车地震波超前地质预报观测***布置流程图；
图2为掌子面震源布置示意图；
图3为检波器三维空间布置示意图；
图4(a)、(b)、(c)分别为各环形断面检波器布置示意图；
图5为震源信号采集装置布置示意图；
图6为检波器固定装置示意图；
图中：1.隧道掌子面，2.震源点，3.环形断面，4.三分量检波器，5.凿岩台车机械臂，6.钻头，7.三分量加速度传感器，8.隧道侧壁，9.固定柱，10.固定器，11.螺纹。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开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公开的示例性实施方式。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。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
一种施工同步的凿岩台车地震波超前探测观测***，原理如图1所示，包括检波器三维观测***、震源多点检测***、信号通讯***和处理***，其中：
所述检波器三维观测***，包括多组环状检测单元，各组环状检测单元依次沿隧道断面布置，每组环状检测单元均包括多个沿断面呈环状设置的三分量检波器；
所述震源多点检测***，包括设置于凿岩台车机械臂上钻头附近的检测元件，用于检测凿岩台车施工状态时对掌子面各震源点的震动激发信号；
所述信号通讯***，包括多个无线通信模块，将震源点检测元件和三分量检波器的检测信息通过无线方式进行传输；
所述处理***，被配置为根据震源点检测元件和三分量检波器的检测信息，进行掌子面前方不良地质体三维成像。
震源多点检测***的布置方式，如图2所示。以往的钻爆法隧道施工超前地质预报方法，多以******或锤击作为震源，因此在震源激发和信号采集时需停止施工，影响施工进度。而凿岩台车超前地质预报方法与上述不同，采用钻头破岩振动作为震源，凿岩台车打孔钻进即实现震源激发，因此可与隧道施工同步进行。
本实施例以钻头破岩振动作为震源，因此震源点2需布置在掌子面1上，如图2所示。在本实施例中，震源点在隧道掌子面上呈2列对称布置，共8个震源点，每列4个。最下方的震源点距离隧道底板1.5m，每一列中的震源点间距为1.5m。两列震源点的列间距为5m。
当然，在其他实施例中，上述参数或震源点的布置方式可以根据具体情况进行变更。
检波器三维观测***的布置方式如图3所示，多组检波器按照三维空间形式布设于隧道侧壁，在本实施例中，包括三个环形断面，断面之间的间隔为5m，第一个环形断面与掌子面的距离为10m，第二个环形断面与掌子面的距离为15m，第三个环形断面与掌子面的距离为20m，其空间位置如图3所示。当然，在其他实施例中，上述环形断面的个数以及与掌子面的距离可以根据具体情况进行调整。
在本实施例中，每个环形断面均包含4个检波器，但各个断面中检波器的布设位置有所不同。图4(a)所示为第一个环形断面，检波器呈对称布置，其与隧道底板的垂直距离分别为1.5m和2.5m。图4(b)所示为第二个环形断面，检波器呈对称布置，其与隧道底板的垂直距离分别为1.5m和3.5m。图4(c)所示为第三个环形断面，检波器呈对称布置，其与隧道底板的垂直距离分别为1.5m和4.5m。检波器以三维空间形式布置，具有水平、垂向和隧道轴向三个方向上的偏移距(道间距)，此种布置形式有助于获得较为准确的速度分布以及充分的三维空间波场信息，还能够有效地扩大对掌子面前方地质异常体的识别范围。
在其他实施例中，上述环形断面布置的检波器的个数以及设置参数可以根据具体情况进行调整。
钻头破岩振动信号是连续随机的，非线性的、非脉冲信号。目前由于技术和设备上的限制，还不能直接记录钻头震源信号。因此提出一种搭载方式，即用强力磁铁将三分量加速度传感器7固定于凿岩台车机械臂5靠近钻头6处，距离钻头6的距离以能够获取符合信息处理要求强度为限制，如图5所示，此种方式可较为准确地获取震源信号，减少钻柱传输的影响，提高信噪比。此外，加速度传感器还含有无线模块和电源模块，可实现信号数据的无线传输，省去了仪器接线的复杂工作，安全高效。
图6中，三分量检波器4通过固定装置固定于隧道侧壁8上，实现对各类地震波信号的采集工作。固定装置包括固定柱9和固定器10，固定器10包括一个金属托盘和一个金属杆，二者连为一体，金属托盘内设置有螺纹11，与固定柱9外侧设置的螺纹11相匹配。
检波器的固定操作如下：(1)首先在隧道侧壁打孔；(2)将适量速凝剂充填进钻孔中；(3)将固定器10金属杆一端插进隧道侧壁，通过速凝剂实现与隧道侧壁的良好耦合；(4)检波器4安装在固定柱9上；(5)固定柱9的外侧设有螺纹，固定器10的金属托盘内侧设有螺纹，因此固定柱9可通过旋转拧紧实现与固定器10的良好耦合。此种方法使得检波器的安装和拆卸非常便利。此外，检波器4还含有无线模块和电源模块，可实现信号数据的无线传输，省去了接线的复杂工作，安全高效。
处理***，采用现有三维成像处理方法处理采集的信号即可。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种施工同步的凿岩台车地震波超前探测观测***，其特征是：包括检波器三维观测***、震源多点检测***、信号通讯***和处理***，其中：
所述检波器三维观测***，包括多组环状检测单元，各组环状检测单元依次沿隧道断面布置，每组环状检测单元均包括多个沿断面呈环状设置的三分量检波器；
所述震源多点检测***，包括设置于凿岩台车机械臂上的检测元件，用于检测凿岩台车施工状态时对掌子面各震源点的震动激发信号；
所述信号通讯***，包括多个无线通信模块，将震源点检测元件和三分量检波器的检测信息通过无线方式进行传输；
所述处理***，被配置为根据震源点检测元件和三分量检波器的检测信息，进行掌子面前方不良地质体三维成像。
2.如权利要求1所述的一种施工同步的凿岩台车地震波超前探测观测***，其特征是：每一组环状检测单元均包括至少四个三分量检波器，所述三分量检波器按照环形断面圆周依次设置。
3.如权利要求1所述的一种施工同步的凿岩台车地震波超前探测观测***，其特征是：不同组环状检测单元的对应的三分量检波器中至少有一部分设置高度不一致。
4.如权利要求1所述的一种施工同步的凿岩台车地震波超前探测观测***，其特征是：不同组环状检测单元的三分量检波器在不同断面上，具有水平、垂向或/和隧道轴向三个方向上的偏移距。
5.如权利要求1所述的一种施工同步的凿岩台车地震波超前探测观测***，其特征是：所述三分量检波器通过固定装置固定于隧道侧壁上，所述固定装置包括固定底座和固定块，所述固定底座至少一部分嵌入侧壁内，所述固定块和固定底座螺纹连接，所述固定块上固定所述三分量检波器。
6.如权利要求1所述的一种施工同步的凿岩台车地震波超前探测观测***，其特征是：所述三分量检波器还连接或包括有无线通信模块。
7.如权利要求1所述的一种施工同步的凿岩台车地震波超前探测观测***，其特征是：所述震源点检测元件为三分量加速度传感器，通过磁铁吸附于凿岩台车机械臂上，距离钻头设定范围内。
8.如权利要求1所述的一种施工同步的凿岩台车地震波超前探测观测***，其特征是：所述三分量加速度传感器连接或包括有无线通信模块。
9.如权利要求1所述的一种施工同步的凿岩台车地震波超前探测观测***，其特征是：所述掌子面上的震源点呈两列对称布置，每列震源点数量一致，且对应震源点的设置高度一致。
10.基于权利要求1-9中任一项所述的***的工作方法，其特征是：包括以下步骤：
沿隧道不同环形断面分别布置一组环状检测单元依次，每组环状检测单元包括多个沿断面圆周设置的三分量检波器；
凿岩台车机械臂上钻头附近设置检测元件，掌子面上设置多个震源点，检测凿岩台车施工状态时对掌子面各震源点的震动激发信号；
检测元件和三分量检波器的检测信息通过无线方式传输给处理***，处理***基于检测信号进行掌子面前方不良地质体三维成像。
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