CN110988978B - 适用于隧道内部的组装式车载地震映像探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于隧道内部的组装式车载地震映像探测系统及方法，包括底座系统、伸长臂系统、震源系统、检波器系统和控制系统，其中：底座系统包括底座、电源装置、导轨装置和横向调节装置；在底座上放置一个横向调节装置，横向调节装置在驱动装置的驱动下在圆弧形凹槽内沿其轴线旋转；在柱形结构内设有导轨装置，导轨装置可控制行进伸长臂系统在导轨内前后移动；在每个导轨内安装一个伸长臂系统，伸长臂系统包括行进导轮、纵向调节装置、伸缩杆件、连接装置；行进导轮沿着导轨移动；行进导轮安装在纵向调节装置底部，纵向调节装置上部安装伸缩杆件，伸缩杆件通过连接装置连接震源系统或检波器系统。

Description

适用于隧道内部的组装式车载地震映像探测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种适用于隧道内部的组装式车载地震映像探测系统及方法。

背景技术

在隧道建设过程中，常采用地震波法作为探测不良地质体的方法。由于隧道内情况复杂，多道形式的地震波法有时难以实施，因此常采用单道形式的地震映像法，以更好地适应隧道内的环境。

发明人发现当前，在对隧道拱顶等位置进行地震映像探测时，需要通过台车等将操作人员抬升至一定高度，安全性较差；在进行长距离的探测时，不仅效率较低，探测数据的精度也难以得到保证。同时，震源激发的形式仍以人工锤击的方式为主，无法保证每一道的数据质量和每次激发的能量一致。此外，在硬度较高的围岩中，检波器难以与围岩紧密耦合，以致进一步影响数据采集质量。

发明内容

本发明为解决上述问题，提高隧道内地震映像探测工作的效率和质量，提出了一种适用于隧道内部的组装式车载地震映像探测系统及方法。该装置可作为车载装置，采用自动化装置对隧道各个位置进行地震映像探测，同时无需将工作人员进行抬升等措施，提高了工作效率，保证了工作人员的安全。

为实现上述目的，本发明采用如下方案：

第一方面，本发明提供了一种适用于隧道内部的组装式车载地震映像探测系统，包括底座系统、伸长臂系统、震源系统、检波器系统和控制系统，其中：

所述底座系统包括底座、电源装置、导轨装置和横向调节装置；

在所述的底座上设有两个半圆柱形凹槽，在每个半圆柱形凹槽内放置一个横向调节装置，横向调节装置为一个柱形构件，柱形构件在驱动装置的驱动下在圆弧形凹槽内沿其轴线旋转；在所述的柱形结构内设有导轨装置，所述的导轨装置可控制行进伸长臂系统在导轨内前后移动，并在合适的位置锁定；

在每个导轨内安装一个伸长臂系统，伸长臂系统包括行进导轮、纵向调节装置、伸缩杆件、连接装置；所述的行进导轮沿着导轨移动；行进导轮安装在纵向调节装置底部，纵向调节装置上部安装伸缩杆件，伸缩杆件通过连接装置连接震源系统或检波器系统；

所述的控制系统控制底座系统、伸长臂系统、震源系统和检波器系统。

进一步的，所述震源系统包括震源锤、第二线性电机、无线触发器、弹簧底座、连接装置；所述的震源锤包括锤柄、锤头；所述的锤柄由第二线性电机的动子控制其移动；第二线性电机的定子与连接装置相连，锤头上安装无线触发器，弹簧底座安装在震源锤下方。

进一步的，所述检波器系统包括无线式钻头式检波器、无线式平底式检波器、第三线性电机、第四线性电机和旋转电机、连接装置；第三线性电机、第四线性电机安装在连接装置上，第三线性电机控制无线式钻头式检波器移动；第四线性电机控制无线式平底式检波器移动，所述的旋转电机驱动无线式钻头式检波器旋转。

进一步的，所述的底座系统与一个固定装置相连，固定装置可将底座固定在工作车辆上，保证探测装置的稳定性，同时易于拆卸，即装即用。

进一步的，所述导轨装置包括导轨槽和导轮控制器，所述导轮控制器由控制轴承和线性电机组成,所述的控制轴承用于调整伸长臂行进导轮的位置；所述的线性电机具有锁止功能，能在控制装置运行到合适的位置后锁定位置，防止因外界干扰造成的滑动。

进一步的，所述电源装置与控制系统均整合在底座系统内部，电源系统为装置整体供电，控制系统通过接收无线控制信号协调各装置，保证应用该装置进行探测工作时可实现自动化，提高工作效率。

进一步的，每个伸长臂下方均装有沿导轨方向排列的两个行进导轮，以起到更好的稳固作用。

进一步的，所述纵向调节装置包括一个内部带有锁止功能的大扭矩旋转电机和一个驱动轴，所述的伸缩杆件安装在所述的驱动轴上，使伸缩杆件能在因为地面倾斜等情况导致的底座轴线与测线不平行时进行调节，保证震源及检波器能对准震源点或测点。

进一步的，所述连接装置为装有具有自动旋转及锁定功能的轴承，可以进一步调节震源和检波器位置，减小震源点和检测点的布设偏移误差。

第二方面，本发明还提供了一种基于适用于隧道内部的组装式车载地震映像探测系统的探测方法，包括以下步骤：

1.将底座系统固定在工作车辆上，并依次安装伸长臂、震源及检波器系统各装置；

2.控制工作车辆沿测线方向行驶，在测点位置停车；

3.调节伸长臂系统下端的行进导轮，待震源及检波器基本对准相应的点后，锁定行进导轮；继而调节横向调节装置、纵向调节装置、伸缩杆件以及伸缩杆件上端的连接轴，使震源及检波器精确对准震源点及测点；

4.对于适合使用钻头式检波器的围岩，可先利用检波器后方的伸缩杆使检波器与测点位置的围岩接触，再开启旋转电机，同时伸缩杆继续以合适的推力推动检波器，使其钻入围岩之内，并能获得良好的耦合性；对于适合使用平底式检波器的情况，可旋转检波器系统与伸长臂系统的连接装置，使平底式检波器对准测点后，再伸长其后方的伸缩杆，使其与围岩紧密接触；

5.使用震源锤敲击震源点，采集地震数据；如需叠加，重复步骤4～5，直至当前测点数据采集工作完成；

6.重复步骤2～5，直至完成测线上所有测点的探测工作。

与当前普遍采用的隧道内地震映像探测装置和方法相比，本发明的有益效果为：

1.本发明可实现自动化探测，无需将探测人员运送至探测位置，保证了工作人员的安全；

2.本发明采用机械可控式震源，可根据实际情况调节震源强度，并能最大限度地保证每一道的数据质量和每次激发的能量一致；

3.本发明采用的钻头式检波器可更好地与不同条件的围岩耦合，从而保证探测效果；另一方面可通过反旋的方式将检波器拔出，避免了传统的直插式检波器在布设和回收时因地面过硬等因素受到的损坏。

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为装置整体示意图；

图2为底座系统示意图；

图3为伸长臂系统示意图；

图4为震源系统示意图；

图5为检波器系统示意图；

其中：1.底座，2.导轮控制器，3.导轨槽，4.横向调节装置轴承，5.横向调节装置，6.线性电机动子，7.线性电机定子，8.底座固定装置，9.行进导轮，10.纵向调节装置，11.连接装置固定端，12.伸缩杆件，13.弹簧底座，14.震源锤锤柄，15.无线式触发器，16.圆台式震源锤头，17-1.连接装置，17-2连接装置，18.无线传输钻头式检波器，19.旋转钻机主轴，20.旋转钻机，21.检波器伸缩杆，22.平底式检波器，23.工作车辆，24线性电机动子，25线性电机定子，26线性电机动子，27线性电机定子。

具体实施方式

下面结合附图与实例对本发明作进一步说明。

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。

在本发明中，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发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

名词解释部分：本发明中的横向是指沿着隧道横截面的方向，纵向是指沿隧道纵向的方向。

如图1所示，一种适用于隧道内部的组装式车载地震映像探测系统，主要由底座系统、伸长臂系统、震源系统以及检波器系统四个部分组成。

本系统的底座系统包括底座1，在底座1上设有两套完全一样的横向调节装置，一套用于控制检波器的移动，一套用于控制震源系统的移动，以便在不同的情况下改变震源和检波器的前后位置关系，从而更好地适应不同的隧道环境。如图2左边的圆柱形结构为一套，右边的圆柱形结构为一套；具体的，左边的圆柱形结构和右边的圆柱形结构相同，包括导轮控制器2、导轨槽3、横向调节装置轴承4、横向调节装置5、线性电机动子6和线性电机定子7等，底座系统通过固定装置8整体固定在工作车辆23上；底座1内整合有电源、无线信号接收装置及控制系统，通过协调各装置工作状态完成探测任务。

导轨装置包括导轨槽3和导轮控制器2，所述导轮控制器2由控制轴承和线性电机组成。控制轴承用于调整伸长臂的行进导轮的位置；线性电机具有锁止功能，能在控制装置运行到合适的位置后锁定位置，防止因外界干扰造成的滑动。

线性电机由线性电机动子6和线性电机定子7组成，动子6与导轨控制器2相连，可控制行进导轮9在导轨槽3内前后移动，并在合适的位置锁定。

横向调节装置5可带动其他装置绕轴承4在底座横截面内旋转，起到该平面内装置位置的调节作用。

进一步的，所述横向调节装置为带有导轨槽等装置的柱形构件，安装在该弧形槽内，两端有用于装置旋转的电动机，实现装置在一定角度内的自由旋转。同时，该装置在底座上设有两套，分别控制检波器和震源系统，以便在不同的情况下改变震源和检波器的前后位置关系，从而更好地适应不同的隧道环境。

如图3所示，伸长臂系统通过底端的行进导轮9安装在底座系统之上，进导轮9分为一前一后两组，以提高上方装置的稳定性；

纵向调节装置10可带动上端的震源或检波器装置沿测线方向(隧道纵向方向)前后移动，便于装置对准震源及监测点，其功能主要由内部带有锁止功能的大扭矩旋转电机实现。

纵向调节装置10节伸缩杆件，使其能在因为地面倾斜等情况导致的底座轴线与测线不平行时进行调节，保证震源及检波器能对准震源点或测点。

如图4所示，震源锤16采用圆台式，以提供更好的震源质量，其上固定有无线式触发器15；线性电机可推动锤柄14做功，为震源锤提供动能；

锤柄下方设有弹簧底座13，在震源锤回收时起到保护作用，减少震动引起的线性电机损坏。

震源锤16通过连接装置17-1与连接装置固定端11相连。

锤柄末端与线性电机动子24相互固定，使震源锤能在线性电机的作用下锤击震源点，线性电机定子25与17-1连接装置相连。

如图5所示，检波器系统分为两部分，一端采用钻头式检波器18，可在线性电机和旋转电机20的作用下钻入围岩，并获得良好的耦合性；另一端为平底式检波器22，可在检波器伸缩杆21的作用下与围岩紧密贴合，此检波器主要在不便钻孔的情况下使用。线性电机包括线性电机动子26和线性电机定子27；平底式检波器22和钻头式检波器18在线性电机动子26的驱动下上下移动；且检波器系统通过连接装置17-2与连接装置固定端11相连。

钻头式检波器和平底式检波器均采用无线式，可直接将探测结果传输至主机。

震源系统级检波器系统均通过连接装置17-2和连击装置固定端11连接至伸长臂，且连接装置17-2同样具有旋转和锁止功能，保证震源和检波器能对准相应的点位。

固定在震源锤上的触发器与检波器系统的两种检波器均具有无线传输功能，可将地震信号直接传输到主机。

连接装置17-1、连接装置17-2主要为装有具有自动旋转及锁定功能的轴承，可以进一步调节震源和检波器位置，减小震源点和检测点的布设偏移误差。

线性电机具有锁止功能，能在控制装置运行到合适的位置后锁定位置，防止因外界干扰造成的滑动。

检波器系统可根据实际需要进行增减，并通过伸长臂系统安装在底座导轨上，探测时可通过调节伸长臂间距和各伸长臂的倾斜角度以及长度使检波器间距符合预设的道间距。

所述检波器系统含有钻头式和平底式两种形式的检波器，可根据实际情况进行选择，两种检波器均由线性电机提供升降的动力；此外，钻头式检波器后方设有旋转电机，能使检波器钻入围岩之中，获得更好的耦合性。

所述电源装置与控制装置均整合在底座系统内部，电源系统为装置整体供电，控制系统通过接收无线控制信号协调各装置，保证应用该装置进行探测工作时可实现自动化，提高工作效率。

需要指出的是，以上各部件均为可拆卸式，便于使用过程中的维护及修理工作。

上述装置及系统的操作方法，包括：

1.利用固定装置，将底座系统固定在工作车辆上，并依次安装伸长臂、震源及检波器系统各装置；

2.控制工作车辆沿测线方向行驶，在测点位置停车；

3.根据偏移距等相关参数，调节伸长臂系统下端的行进导轮，待震源及检波器基本对准相应的点后，锁定行进导轮；继而调节横向调节装置、纵向调节装置、伸缩杆件以及伸缩杆件上端的连接轴，使震源及检波器垂直对准震源点及测点；

4.对于适合使用钻头式检波器的围岩，可先利用检波器后方的伸缩杆使检波器与测点位置的围岩接触，再开启旋转电机，同时伸缩杆继续以合适的推力推动检波器，使其钻入围岩之内，并能获得良好的耦合性；对于适合使用平底式检波器的情况，可旋转检波器系统与伸长臂系统的连接装置，使平底式检波器对准测点后，再伸长其后方的伸缩杆，使其与围岩紧密接触；

5.使用震源锤敲击震源点，采集地震数据；如需叠加，重复步骤4～5，直至当前测点数据采集工作完成；

6.重复步骤2～5，直至完成测线上所有测点的探测工作。

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。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种适用于隧道内部的组装式车载地震映像探测系统，其特征在于，包括底座系统、伸长臂系统、震源系统、检波器系统和控制系统，其中：

所述底座系统包括底座、电源装置、导轨装置和横向调节装置；

在所述的底座上设有两个半圆柱形凹槽，在每个半圆柱形凹槽内放置一个横向调节装置，横向调节装置为一个柱形构件，柱形构件在驱动装置的驱动下在圆弧形凹槽内沿其轴线旋转；在所述的柱形构件内设有导轨装置，所述的导轨装置可控制伸长臂系统在导轨内前后移动，并在合适的位置锁定；

在每个导轨装置内安装一个伸长臂系统，伸长臂系统包括行进导轮、纵向调节装置、伸缩杆件、连接装置；所述的行进导轮沿着导轨移动；行进导轮安装在纵向调节装置底部，纵向调节装置上部安装伸缩杆件，伸缩杆件通过连接装置连接震源系统或检波器系统；所述纵向调节装置包括一个内部带有锁止功能的大扭矩旋转电机和一个驱动轴，所述的伸缩杆件安装在所述的驱动轴上；所述连接装置为装有具有自动旋转及锁定功能的轴承；

所述导轨装置包括导轨槽和导轮控制器，所述导轮控制器由控制轴承和线性电机组成,所述的控制轴承用于调整伸长臂行进导轮的位置；所述的线性电机具有锁止功能，能在控制装置运行到合适的位置后锁定位置；

每个伸长臂系统下方均装有沿导轨方向排列的两个行进导轮，以起到更好的稳固作用；

所述的控制系统控制底座系统、伸长臂系统、震源系统和检波器系统。

2.如权利要求1所述的一种适用于隧道内部的组装式车载地震映像探测系统，其特征在于，所述震源系统包括震源锤、第二线性电机、无线触发器、连接装置；所述的震源锤包括锤柄、锤头；所述的锤柄由第二线性电机的动子控制其移动；第二线性电机的定子与连接装置相连，锤头上安装无线触发器。

3.如权利要求2所述的一种适用于隧道内部的组装式车载地震映像探测系统，其特征在于，还包括一个弹簧底座，所述的弹簧底座安装在震源锤下方。

4.如权利要求1所述的一种适用于隧道内部的组装式车载地震映像探测系统，其特征在于，所述检波器系统包括无线式钻头式检波器、无线式平底式检波器、第三线性电机、第四线性电机和旋转电机、连接装置；第三线性电机、第四线性电机安装在连接装置上，第三线性电机控制无线式钻头式检波器移动；第四线性电机控制无线式平底式检波器移动，所述的旋转电机驱动无线式钻头式检波器旋转。

5.如权利要求1所述的一种适用于隧道内部的组装式车载地震映像探测系统，其特征在于，所述的底座系统与一个固定装置相连，固定装置可将底座固定在工作车辆上。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的适用于隧道内部的组装式车载地震映像探测系统的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将底座系统固定在工作车辆上，并依次安装伸长臂、震源及检波器系统各装置；

2）控制工作车辆沿测线方向行驶，在测点位置停车；

3）调节伸长臂系统下端的行进导轮，待震源及检波器基本对准相应的点后，锁定行进导轮；继而调节横向调节装置、纵向调节装置、伸缩杆件以及伸缩杆件上端的连接轴，使震源及检波器精确对准震源点及测点；

4）对于适合使用钻头式检波器的围岩，可先利用检波器后方的伸缩杆使检波器与测点位置的围岩接触，再开启旋转电机，同时伸缩杆继续以合适的推力推动检波器，使其钻入围岩之内，并能获得良好的耦合性；对于适合使用平底式检波器的情况，可旋转检波器系统与伸长臂系统的连接装置，使平底式检波器对准测点后，再伸长其后方的伸缩杆，使其与围岩紧密接触；

5）使用震源锤敲击震源点，采集地震数据；如需叠加，重复步骤4）~5），直至当前测点数据采集工作完成；

6）重复步骤2）~5），直至完成测线上所有测点的探测工作。

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