CN107085235A - 一种应用于掘进机的地震超前探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于掘进机的地震超前探测系统及方法，涉及隧道与地下工程的地质超前探测领域。所述系统安装在掘进机的护盾内，所述系统包括控制器、震源和检波器，所述控制器安装在控制室内，护盾前端靠近刀盘安装至少一个震源，护盾外壳布置有至少一个检波器。采用震源与岩石发生撞击激发地震波；在挖掘里程上接收地震波获得多组三维空间观测数据；对观测数据进行分析和记录；计算出隧道未开挖部分的三维地质成像；可以对该预报结果在任意里程切片展现；探测过程中不需要在洞壁上打孔。能够做掘进机施工隧道掌子面前方的断层、岩溶、软岩、空洞、采空区等不利地质对象的超前预报。

Description

一种应用于掘进机的地震超前探测系统及方法

技术领域

本发明涉及隧道与地下工程掘进机的地质超前探测领域。

背景技术

在铁路、公路、水利与地铁的隧道建设中，大量使用掘进机施工。价格昂贵，施工速度快，质量好，国内外已有很多生产厂家。掘进机适合硬岩环境的掘进，如果遇到断裂带、软岩、岩溶、含水带等软弱地质条件将会发生停机、卡钻、突泥涌水等工程事故，处理不好甚至导致全部报废。因而，对于掘进施工安全是头等重要的问题。采用高科技手段，探知掌子面前方的地质情况，以便采取预防措施，是保障安全的可靠途径。

目前国内外在隧道与地下工程中使用的TSP、TST隧道超前预报技术，需要在隧道侧壁上打孔放炮，这可能损坏隧道衬砌和防水板，这在掘进机施工中是不容许的。在盾构施工中有在地表通过钻孔雷达和电阻率跨孔CT进行孤石探测的方法，但这在一般的掘进机施工中难以应用。为了施工安全，2000年开始，德国在掘进机上集成安装ISIS、BEAM、SSP探测系统，虽经多年试验，但是由于方法原理上存在缺陷，至今尚未取得有效结果。国内至今尚未出现在掘进机上集成地震超前探测系统的技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于掘进机的地震超前探测系统及方法，能够对施工隧道掌子面前方的断层、岩溶、软岩、空洞、采空区、孤石等不利地质对象进行超前预报。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种应用于掘进机的地震超前探测系统，所述系统安装在掘进机的护盾内，所述系统包括控制器、震源和检波器，所述控制器安装在控制室内，护盾前端靠近刀盘安装至少一个震源，护盾外壳布置有至少一个检波器；

所述震源用于与岩石发生撞击激发地震波；

所述检波器用于在挖掘里程上接收地震波获得多组三维空间观测数据；

所述控制器用于对检波器和震源进行控制并对三维空间观测数据进行分析和记录。

本发明的有益效果是：本发明能够在施工隧道掌子面前方的断层、岩溶、软岩、空洞、采空区等不利地质对象的超前预报，整个探测与处理过程在十分钟内即可完成，探测距离大于50m，分辨尺度可达1m。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述护盾外壳上开设有与震源和检波器相对应的窗口。

上述进一步技术方案的有益效果是：震源和检波器能够通过相应的窗口伸出护盾，方便震源与岩体直接接触，同时也方便检波器在探测数据完成后收回至护盾中，保护检波器。

进一步，所述检波器通过伺服机构送至岩体表面耦合。

上述进一步技术方案的有益效果是：通过伺服机构将检波器送至岩体表面耦合，不需要在岩石上打孔安装，更加方便，结构更加简便，同时也大大降低了器件的损耗。

为了解决上述技术问题，本发明还提出了一种应用于掘进机的地震超前探测方法，所述方法包括：

S1、根据软岩和硬岩隧道，采取不同的震源；

S2、在掘进机行进过程中不同的里程接收的地震波中获得多组三维空间观测数据；

S3、对多组三维空间观测数据进行联合分析和成像，输出可视化的岩石波速分布图像和地质界面偏移成像。

本发明的有益效果是：本发明能够在施工隧道掌子面前方的断层、岩溶、软岩、空洞、采空区等不利地质对象的超前预报，整个探测与处理过程在十分钟内即可完成，探测距离大于50m，分辨尺度可达1m。

进一步，所述S31的具体实现过程为：在掘进机每前进一个里程后进行一次探测，组合大于或等于2次的探测数据，形成纵向长为2次观测以上的间距、横向最大偏移距为直径的三维空间观测数据。

上述进一步技术方案的有益效果是：掘进机在每前进一个里程之后都会进行一次探测，直至获取到了足够多的探测数据后生成三维空间观测数据，足够多的探测数据能够为波场分离提供更多的纵向数据，波场分离的效果更好，分析结果的精度更高。

进一步，所述S32的具体实现过程为：对多次探测的三维空间观测数据按照区域进行分组，根据各组反射波视速度的差异，采用T-P滤波方式实现三维波场分离。

进一步，所述S33的具体实现过程为：

S331、将震源的入射波与反射波校正到掌子面上，获得掌子面上的入射点与反射点的位置以及掌子面后方射线的走时；

S332、对S331中获得的数据信息进行计算获得掌子面前方围岩的速度的三维分布。

附图说明

图1为本发明实施例所述的地震超前探测系统中的震源与检波器的安装位置示意图；

图2为本发明实施例所述的三分量检波器与地震波的接收示意图；

图3为本发明实施例所述的三维空间观测数据与参考点的位置示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本实施例提出一种应用于掘进机的地震超前探测系统，所述系统安装在掘进机的护盾内，所述系统包括控制器、震源和检波器，控制器安装在控制室内，震源与检波器安装在掘进机的护盾内。

优选的震源有两种，在硬岩隧道中应用气爆震源，在软岩隧道应用气锤震源，安装在护盾最前端，靠近刀盘的位置，左、右两侧布置；检波器有六个，每个三个分量，方向分别沿隧道的径向、轴向和切向。

检波器沿护盾外壳圆周等间距布置，在一个垂直轴向的大圆内。检波器的截面在震源后方10m以内。护盾外壳为震源与检波器留有窗口。震源与岩体直接接触，检波器探测时伸出，之后收回。

如图1所示，掘进机外形为圆柱体，切削岩体的部分为刀盘，在的最前端。护盾紧接刀盘，有一坚固外壳，内部安装设备。震源安装的截面紧靠刀盘，安装检波器的接收截面在震源截面后10m以内。震源在护盾壳左右两侧，检波器在左右两侧及上下60°的位置上。

本实施例所述系统在掘进机停下来安装衬砌管片时进行探测，首先通过控制器将检波器从护盾侧面推出，与围岩紧密接触；然后启动气爆震源，具体为：打开电磁开关注入液化石油气，充气到设定气压自动关闭，然后自动启动氧气注入开关，到设定气压时自动关闭，并立即打火点燃混合气体，气体瞬间燃爆增压，推动活塞撞击侧壁围岩，产生强烈地震波，遇到地质障碍物反射回来，被检波器接收。采集到的数据经控制器进行处理，可以将结果显示在监视屏幕上，通过增加报警电路来起到预警作用。

实施例2

本实施例提出一种应用于掘进机的地震超前探测方法，所述方法包括：

S1、根据软岩和硬岩隧道，采取不同的震源；

S2、在掘进机行进过程中不同的里程接收的地震波中获得多组三维空间观测数据；

S3、对多组三维空间观测数据进行联合分析和成像，输出可视化的岩石波速分布图像和地质界面偏移成像。

地下围岩中的地震波场是三维的。三维波场的一个含义是波的传播方向是三维的，来自四面八方；另一个含义是波的类型有纵波和横波。纵波的振动方向平行于传播方向，横波的振动垂直于传播方向。三分量检波器的轴向指平行隧道轴线方向，记录掌子面前方反射的纵波和径向与切向反射的横波；径向指平行隧道半径的方向，记录径向反射的纵波和轴向与切向反射的横波；切向是指与轴向、径向垂直，与隧道外园相切的方向，记录切向反射的纵波和轴向与径向反射的横波。每一个分量记录的地震波是横波和纵波的叠加，它们来自不同的方向。

为进行三维地质成像，必须要有空间三维的观测数据，如图2所示。在施工中，利用安装衬砌管片的时机进行地震探测。左右两个震源先后激发，得到两个地震记录，每个记录中包含6个检波器、3个分量和18道数据。这是在一个断面上的观测数据，包含震源与检波器间的不同的偏移距。掘进机每前进4m，进行一次探测。组合6次以上的探测记录，就形成了纵向长24m以上、横向最大偏移距为直径的三维空间观测数据。

观测数据的纵向展布，是三维波场分离的技术要求。纵向数据越多，波场分离的效果越好；观测数据的横向偏移距是波速分析的要求，偏移距越大，速度分析精度越高。

震源激发的纵波与横波在地下围岩内向四周传播，护盾上安装的检波器每一个分量接收到的是从不同方向返回的纵波与横波的叠加。如图3所示，超前探测需要的是掌子面前方返回的纵波与横波，它携带有掌子面前方各种地质障碍的信息。为做到这一点必须使用三维波场分离技术，取出前方返回的地震波，用于超前预报。

在三维波场分离时，首先对记录道进行分组。对于6次以上的探测，一共12个以上的记录，总数据超过216道。将具有相同区域对多次探测的数据分组，分成9组，根据各组反射波视速度的差异，使用T-P滤波技术，就可以将他们分离开来，取出前方回波。前方的反射横波，主要集中在径向分量。

围岩波速是反映岩土介质力学性状最敏感的物理量，它是反应掌子面前方围岩岩性与障碍物属性的技术指标。对掌子面前方围岩的波速分布进行分析与成像，可清晰地展现断层、岩溶、软岩、空洞、采空区等低速异常体的空间位置与规模，据此提出地质预报与预警，这是本项探测技术最显著的特点。

另外，本发明所述的检波器是通过伺服机构送至岩体表面耦合的，与震源都不需要在岩壁上打孔安装，更加方便，结构更加简便，同时也大大降低了器件的损耗。

以上所述的震源以及检波器的个数仅仅是较佳的实施例个数，具体个数需考虑应用的实际场景和环境。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应用于掘进机的地震超前探测系统，其特征在于，所述系统安装在掘进机的护盾内，所述系统包括控制器、震源和检波器，所述控制器安装在控制室内，护盾前端靠近刀盘安装至少一个震源，护盾外壳布置有至少一个检波器；

所述震源用于与岩石发生撞击激发地震波；

所述检波器用于在挖掘里程上接收地震波获得多组三维空间观测数据；

所述控制器用于对检波器和震源进行控制并对三维空间观测数据进行分析和记录。

2.根据权利要求1所述的一种应用于掘进机的地震超前探测系统，其特征在于，所述护盾外壳上开设有与震源和检波器相对应的窗口。

3.根据权利要求1所述的一种应用于掘进机的地震超前探测系统，其特征在于，所述检波器通过伺服机构送至岩体表面耦合。

4.一种应用于掘进机的地震超前探测方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、根据软岩和硬岩隧道，采取不同的震源；

S2、在掘进机行进过程中不同的里程接收的地震波中获得多组三维空间观测数据；

S3、对多组三维空间观测数据进行联合分析和成像，输出可视化的岩石波速分布图像和地质界面偏移成像。

5.根据权利要求4所述的一种应用于掘进机的地震超前探测方法，其特征在于，所述S3包括：

S31、接收地震波的观测数据获得三维空间观测数据；

S32、根据三维空间观测数据进行三维波场分离；

S33、对分离后的三维波场进行围岩波速分析。

6.根据权利要求5所述的一种应用于掘进机的地震超前探测方法，其特征在于，所述S31的具体实现过程为：在掘进机每前进一个里程后进行一次探测，组合大于或等于2次的探测数据，形成纵向长为2次观测以上的间距、横向最大偏移距为直径的三维空间观测数据。

7.根据权利要求6所述的一种应用于掘进机的地震超前探测方法，其特征在于，所述S32的具体实现过程为：对多次探测的三维空间观测数据按照区域进行分组，根据各组反射波视速度的差异，采用T-P滤波方式实现三维波场分离。

8.根据权利要求7所述的一种应用于掘进机的地震超前探测方法，其特征在于，所述S33的具体实现过程为：

S331、将震源的入射波与反射波校正到掌子面上，获得掌子面上的入射点与反射点的位置以及掌子面后方射线的走时；

S332、对S331中获得的数据信息进行计算获得掌子面前方围岩的速度的三维分布。