CN104932006A - 隧道地质超前预报中人工地震波的机械能自动化无损激发装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道地质超前预报中人工地震波的机械能自动化无损激发装置，其特征是保护筒上部设有半圆形手把，筒体外壁设置挡片开关下侧设有触发开关，底部有滚轮，滚轮放置在隧道底板放垫板上；触发开关通过信号传输线连接地震波采集仪器，再通过信号传输线与埋于隧道掌子面内的检波器连接；筒体内激发球为金属球体，顶部连有压力弹簧，连接摇杆拉绳通过压力弹簧与摇杆连接，激发球上的凹槽结构卡在内壁两侧设有弹性挡片。本发明使得地震波法地质超前预报既能安全可控、无破坏性，又能实现自动化控制过程，通过这种无损方式激发地震波，实现对隧道已施工段衬砌无破坏的前提下进行地震波法地质超前预报。

Description

隧道地质超前预报中人工地震波的机械能自动化无损激发装置

技术领域

本发明涉及隧道地质超前预报技术领域，具体是指隧道地质超前预报中人工地震波的机械能自动化无损激发装置，通过这种无损方式激发地震波，实现对隧道已施工段衬砌无破坏的前提下进行地震波法地质超前预报，实现了地震波超前地质预报过程自动化控制。

背景技术

随着我国交通建设事业的快速发展，越来越多的隧道工程需要穿越更为复杂的地质条件，既有围岩软弱、节理裂隙发育、稳定性差、易坍塌的影响；也有穿越岩溶地区时，各种岩溶水系统的相互作用，易造成涌突水、突泥等特大灾害的困惑; 还有地铁穿越市区建筑物、立交桥等市政设施、穿越河流与浅埋软弱人工填土及特殊地层，极易突水、塌方等难题。如何排除险情、防止坍塌、确保施工安全已成为地下工程发展丞待解决的重要问题。（参见叶英. 隧道施工超前地质预报可靠性研究[J]. 铁道工程学报, 2013, (1):66-71.）。因此对在隧道施工中进行隧道地质超前预报是隧道施工不可缺的重要工序，是隧道等洞室工程安全施工的指导书。尤其在复杂地质条件下的隧道工程应在施工前（及过程中）进行地质超前预报具有重大意义。通过超前地质预报可以提前发现隧道开挖过程中可能遇到的地质病害，预报可能发生的事故和险情，以便及时采取措施，防患于未然，保证施工安全；同时也为隧道施工的方法、支护形式的变更提供依据，减少施工的盲目性，节约隧道工程建设的投资。

隧道施工超前地质预报是指对隧道开挖掌子面前方地质变化情况及不良地质体的工程性质、位置及形状进行探测、分析解释及预报，并提出工程措施建议。随着超前预报技术在隧道应用中越来越广泛，预报方法种类也越来越多，综合国内外研究现状，常见的有地质类方法、超前钻探法、地球物理探测类等。当前，物理探测技术因其探测成本低、时间短、灵活方便、占用空间资源少等特点，是隧道地质超前预报主要采用的检测技术。地质超前预报的物探技术主要有地震波、高密度电、电磁波等多种技术。在众多隧道超前预报方法中，地震波法隧道超前探测技术精度高，探测距离远，技术方法也相对比较成熟（参见杜立志. 隧道施工地质地震波法超前探测技术研究[D]. 吉林大学博士学位论文, 2008）。是利用弹性波在均匀介质中反射折射基本原理，主要工作内容包括在隧道掌子面一侧布置检波器和有规律的爆源，对布置的震源依次进行激发，产生有规律的地震波，地震波在岩体中传播，当遇到岩体性质变化的分界面时，地震波会产生不同程度的反射和折射，应用布置好的检波器接收反射回来的波形图像，再应用配套的专业分析软件分析，推断前方岩层的基本变化。在地震波法隧道超前地质预报中人工地震波的激发其中的一个关键环节和技术，只有恰当的激发方式和激发能量才能最大程度降低杂波干扰，提高预报精度。一般来讲，如TSP技术等应用非常广泛的地震波地质超前预报方法中，人工地震波的激发都是用钻孔炸药爆破的方式获取，虽然这种方法得到的地震波能量大，传播距离远，但是却存在着操作工序复杂、破坏性强、声波发育严重和存在安全隐患等问题，尤其在洞口或弱围岩地带应用受到很大限制。为了解决这一问题，可以采用安全可控的机械能方式代替炸药爆破方式激发地震波，现有的陆地声纳法探测技术就是利用了一原理用锤击法进行地震波激发（参见邱道宏, 钟世航, 李术才等. 陆地声纳法在隧道不良地质超前预报中的应用[J]. 山东大学学报：工学版, 2009, (4):17-20.），而这种锤击的方式是一种手工操作方式，受人为因素影响大，敲击能量不能有效控制，导致数据离散型大，不利于预报分析。

因此，为了解决地震波法隧道地质超前预报中炸药爆破方式破坏性强、安全隐患大、声波发育明显的问题，机械能激发装置是一种很好的选择，而为了让机械能激发装置既能安全可控、操作便捷，又能实现自动化控制过程，发明一种新型的地震波超前预报自动化装置是非常有必要的。

发明内容

基于上述，为了使得地震波法地质超前预报既能安全可控、无破坏性，又能实现自动化控制过程，本发明的目的旨在提供一种隧道地质超前预报中人工地震波的机械能自动化无损激发装置，通过这种无损方式激发地震波，实现对隧道已施工段衬砌无破坏的前提下进行地震波法地质超前预报，并实现了地震波超前地质预报过程实现自动化控制。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种隧道地质超前预报中人工地震波的机械能自动化无损激发装置，包括机械能自动化激发装置，地震波接收装置两部分：所述械能自动化激发装置包括激发球、弹性挡片、挡片开关、摇杆、摇杆拉绳、压力弹簧、保护筒、手把、滚轮、垫板，触发开关；所述地震波接收系统包括信号传输线、检波器、地震波采集仪器，保护筒上部设有半圆形手把，筒体外壁设置挡片开关下侧设有触发开关，底部有滚轮，滚轮放置在隧道底板的垫板上；触发开关通过信号传输线连接地震波采集仪器，地震波采集仪器通过信号传输线与埋于隧道掌子面内的检波器连接；筒体内激发球为金属球体，顶部连有压力弹簧，连接摇杆拉绳通过压力弹簧与摇杆连接，激发球上的凹槽结构卡在内壁两侧设有弹性挡片上。

本发明的主要优点和产生的有益效果是：

（1）本发明不在衬砌上打孔，不破坏衬砌和防水板，不影响隧道施工质量；

（2）本发明不使用炸药，利用机械能量来激发地震波，不仅有效压制声波或使声波微弱，不干扰反射数据，而且彻底解决了炸药爆破给地质超前预报工作带来的安全隐患问题；

（3）本发明的机械能自动化激发装置实现了人工地震波激发过程从手动刘敲击到激发球自由落体的转变，大大提高了检测效率；

（4）本发明占用的人力、物力、空间资源低，不影响施工；

（5）本发明还具有工作原理明确、检测流程简单快捷、易于操作等优点。

附图说明

图1是隧道地质超前预报中人工地震波的机械能自动化无损激发装置示意图；

图2是利用本发明对甘肃省梁家山黄土隧道超前地质预报平面布置图；

图3是利用本发明对甘肃省梁家山黄土隧道超前地质预报采集的原始波形图；其中：（a）为左侧探头P、SH、SV波形图，（b）为右侧探头P、SH、SV波形图

图4是利用本发明对甘肃省梁家山黄土隧道超前地质预报综合偏移处理成果图。其中：（a）为左侧偏移处理成果图，（b）为右侧偏移处理成果图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明技术方案再做进一步的说明：

如图1所示，隧道地质超前预报中人工地震波的机械能自动化无损激发装置，包括机械能自动化激发装置，地震波接收装置两部分。所述械能自动化激发装置包括激发球1、弹性挡片2、挡片开关3、摇杆4、摇杆拉绳5、压力弹簧6、保护筒7、手把8、滚轮9、垫板10，触发开关11；所述地震波接收系统包括信号传输线12、检波器13、地震波采集仪器14。激发球1为金属球体，重量可根据激发能量要求自行选择。激发球1顶部连接有压力弹簧6为其提供冲击地震波时需要的储备能量。与激发球1连接摇杆拉绳5通过压力弹簧6与摇杆4连接，并通过摇杆4实现其在地震波激发完成后回到初始位置。而在初始位置处的保护筒7内壁两侧设有弹性挡片2，激发球1上设有凹槽，激发球1上的凹槽结卡在内壁两侧设有弹性挡片2上，可通过挡片开关3控制其伸缩，实现在不使用状态下弹性挡片2将激发球1控制在初始位置。保护筒7为钢质材料制成，高为80cm~100cm，口径为30cm，上部设有半圆形手把8，底部有滚轮9，放置在隧道底板16的垫板10上，方便移动和位置调节。在筒体外壁下侧设有触发开关11，当激发球1冲击垫板10产生振动后触动触发开关11，通过信号传输线12连接的地震波采集仪器14收到采集信号，激发后产生的地震波及反射波信息通过检波器13拾取，并传输到地震波采集仪器14采集和存储。

实施过程中，先对地震波激发点与接收点的布置形式和位置进行规划，在规划好的接收点位置如隧道掌子面15进行钻孔后，将检波器13放置在孔内，通过信号传输线12与地震波采集仪器14相连。在规划好的激发点位置如隧道底板16放置好垫板10，将整个机械能自动化激发装置放置在垫板10上，通过手把8和滚轮9可进行位置的移动和微调，调整好位置后，将触发开关11通过信号传输线12与地震波采集仪器14连接。准备工作完成后，打开挡片开关3，弹性挡片2随之缩退，激发球1在压力弹簧6和重力作用下急速下降至垫板10，完成地震波的第一次激发，同时在接收到振动信号后触发开关11自动打开，地震波采集仪器14开始采集和存储检波器13接收到的地震直达波和反射波。第一次激发完成后，摇动摇杆4，通过连接在其上的摇杆拉绳5将激发球1恢复到初始位置，弹性挡片2推进，将激发球1控制在初始位置。然后将整个机械能自动化激发装置移动至第二个激发点，重复上述步骤进行下一次工作。

测试实例

为了证实本发明产生的效果，本发明选取具有典型弱性围岩特征的甘肃省梁家山黄土隧道进行隧道地质超前预报现场试验研究。梁家山隧道围岩基本无自稳能力，相关单位要求不能使用炸药进行地震波的激发，以防止围岩失稳坍塌，即：不以使用常规TSP技术进行梁家山隧道的地质超前预报。隧道围岩如下：

隧道进出口段：围岩岩性主要为一般新黄土、亚粘土、强风化泥岩。该段围岩整体性极差，土体强度低，呈松软结构。围岩有季节性上层滞水，雨季隧道洞内可能出现淋雨状或涌流状出水，此段围岩无自稳能力。洞身段围岩岩性为青灰色、灰绿色、灰褐色强～弱风化泥岩，富水性较弱。泥岩的成岩性较差～差，开挖后易风化，遇水易软化，属极软岩。节理裂隙发育，呈裂隙块状或中厚层状结构，岩体较破碎~破碎，围岩基本无自稳能力，易发生大的坍塌或塌方。洞内可能出现点滴状出水或渗水。

如图2所示，隧道左右侧壁为7，隧道掌子面为6，预报检测时掌子面里程为XK98+719；掌子面接收孔的里程为XK98+719；激发点布置在隧道中轴线，激发点的起止里程为XK98+727～XK98+750，激发孔的间距为1.0m，共布置24个激发点。接收孔距离掌子面的距离为0米，接收孔距离最近的激发点8米，具体参数见表1。

表1甘肃省梁家山黄土隧道超前地质预报检测段岩体参数表

利用本发明对甘肃省梁家山黄土隧道超前地质预报结论：

（1）在XK98+692-XK98+672左侧、XK98+683右侧、XK98+653左侧、XK98+646右侧，反射强。推断：围岩层理及裂隙发育，岩体破碎，一致性差，围岩极易渗水、极易坍塌；

（2）在XK98+719-XK98+629段其它段落无明显强反射界面。推断：围岩较完整、较一致。

以上预报结果与现场开挖实际相吻合：在XK98+692-XK98+672左腰至拱顶发生大范围的渗水坍塌；在XK98+683、XK98+653、XK98+646处左右局部发生掉块渗水现象。

Claims (2)

1.一种隧道地质超前预报中人工地震波的机械能自动化无损激发装置，包括机械能自动化激发装置，地震波接收装置两部分：所述械能自动化激发装置，包括激发球（1）、弹性挡片（2）、挡片开关（3）摇杆（4）、摇杆拉绳（5）、压力弹簧（6）、保护筒（7）、手把（8）、滚轮（9）、垫板（10），触发开关（11）；所述地震波接收系统，包括信号传输线（12）、检波器（13）、地震波采集仪器（14），其特征是保护筒（7）上部设有半圆形手把（8），筒体外壁设置挡片开关（3）下侧设有触发开关（11），底部有滚轮（9），滚轮（9）放置在隧道底板（16）的垫板（10）上；触发开关（11）通过信号传输线（12）连接地震波采集仪器（14），地震波采集仪器（14）通过信号传输线（12）与埋于隧道掌子面（15）内的检波器（13）连接；筒体内激发球（1）为金属球体，顶部连有压力弹簧（6），连接摇杆拉绳（5）通过压力弹簧（6）与摇杆（4）连接，激发球（1）上的凹槽结构卡在内壁两侧设有弹性挡片（2）上。

2.根据权利要求1所述的一种隧道地质超前预报中人工地震波的机械能自动化无损激发装置，其特征是保护筒（7）材料为铁质、或钢质材料制成，高为80cm~100cm，口径为30cm。