CN113311480A - 一种基于高频弹性波的隧道不良地质超前探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于高频弹性波的隧道不良地质超前探测系统及方法，包括：激光投影定位装置，用于在隧道掌子面处进行投影，并通过控制投影焦距使纵向测线和横向测线垂直且交点位于隧道掌子面中心，在纵向测线和横向测线上选定测点；自动激震装置，用于沿测线方向冲击隧道掌子面的测点，激发地震波信号；高频检波器，用于沿测线方向采集由掌子面测点传输的地震波信号；数据处理单元，被配置为对接收的地震波信号进行滤波和反演成像后得到地震波信号的偏移成像波形图，根据偏移成像波形图得到不良地质的探测结果。建立极小偏移距探测模式，实现高频弹性波自动采集，实现隧道亚米级小尺度不良地质体精细化探测。

Description

一种基于高频弹性波的隧道不良地质超前探测系统及方法

技术领域

本发明涉及隧道不良地质超前探测技术领域，特别是涉及一种基于高频弹性波的隧道不良地质超前探测系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

隧道超前地质预报工作是隧道安全建设的必备环节和重要保障，超前地质预报已经成为隧道施工的工序之一，是隧道施工地质勘察工作的有机组成部分之一，是对隧道前期勘察成果的细化、补充、修改和完善。弹性波法是隧道超前地质预报应用较早也是最常用的地球物理方法，其中弹性波反射对具明显弹性波阻抗差异的岩土体有较敏感的响应，传统的弹性波法超前预报技术可有效识别大尺度的断层、破碎带等米级地质构造，然而对于裂隙、节理等小尺度地质体的探测效果欠佳。

为了避免先于反射波到达的直达波、地滚波、声波、折射波的干扰，偏移距(离震源最近的检波器的震检距称为偏移距)必需足够大；而探查浅层或超浅层对象时，大的偏移距将导致波的入射角和反射角过大，即产生宽角反射，大大降低反射信号的强度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于高频弹性波的隧道不良地质超前探测系统及方法，在凿岩台车上搭载自动激震装置、三维高频检波器以及激光投影定位装置，建立极小偏移距探测模式，实现高频弹性波自动采集，实现隧道亚米级小尺度不良地质体精细化探测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种基于高频弹性波的隧道不良地质超前探测系统，包括：

激光投影定位装置，用于在隧道掌子面处进行投影，并通过控制投影焦距使纵向测线和横向测线垂直且交点位于隧道掌子面中心，在纵向测线和横向测线上选定测点；

自动激震装置，用于沿测线方向冲击隧道掌子面的测点，激发地震波信号；

高频检波器，用于沿测线方向采集由掌子面测点传输的地震波信号；

数据处理单元，被配置为对接收的地震波信号进行滤波和反演成像后得到地震波信号的偏移成像波形图，根据偏移成像波形图得到不良地质的探测结果。

第二方面，本发明提供一种基于高频弹性波的隧道不良地质超前探测方法，包括：

通过控制投影焦距在隧道掌子面处进行投影，使纵向测线和横向测线垂直且交点位于隧道掌子面中心，并在纵向测线和横向测线上选定测点；

获取经冲击测点后产生的地震波信号，对地震波信号进行滤波和反演成像后得到地震波信号的偏移成像波形图，根据偏移成像波形图得到不良地质的探测结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出的基于高频弹性波的隧道不良地质精细化和快速化预报技术，提前掌握隧道沿线不良地质分布情况，为隧道防灾减灾提供技术保障。

本发明在震源附近放置检波器，由于前述干扰波都远早于反射波到达，所以不会产生干扰。

本发明建立极小偏移距探测模式，利用高频弹性波实现对隧道前方百米范围内不良地质体的精细化探测，探测精度高。

本发明在凿岩台车上搭载探测装备，实现探测机械化、自动化和数据化，机械代替人工，重复性强、操作精准且参数可以量化。

本发明通过激光投影装置，不需要提前进行人工选点和标记，精确度高且激光投影在隧道阴暗环境中更加明显和清楚。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1提供的基于高频弹性波的隧道不良地质超前探测系统示意图；

图2为本发明实施例1提供的激光投影仪工作示意图；

其中，1、隧道掌子面；2、纵向测线；3、横向测线；4、测点；5、激光投影仪；6、套筒；7、固定夹板；8、连接杆；9、底座；10、凿岩台车；11、自动激震装置；12、三维高频检波器；13、激光投影定位装置；14、控制终端。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种基于高频弹性波的隧道不良地质超前探测系统，包括：

激光投影定位装置，布设在凿岩台车的头部，在进行激震和地震波采集工作时，在隧道掌子面处进行激光定位；并通过控制投影焦距使纵向测线和横向测线垂直且交点位于隧道掌子面中心，在纵向测线和横向测线上选定测点；

自动激震装置，布设在凿岩台车的一个机械臂端部，在进行隧道不良地质超前探测时，沿测线方向自动冲击隧道掌子面的测点，激发地震波信号；

三维高频检波器，布设在凿岩台车的一个机械臂端部，在进行隧道不良地质超前探测时，自动贴紧掌子面，沿测线方向采集由掌子面测点传输的地震波信号；

数据处理单元，被配置为对接收的地震波信号进行滤波和反演成像后得到地震波信号的偏移成像，根据偏移成像得到不良地质的探测结果；

控制终端，用于控制自动激震装置、三维高频检波器、激光定位装置以及数据处理单元。

在本实施例中，所述激光投影定位装置包括：激光投影仪5、套筒6、固定夹板7、连接杆8、底座9；在底座9上安装连接杆8，在连接杆8上设有固定夹板7，连接杆8的另一端连接套筒6，在套筒6内安装激光投影仪5，通过套筒6和连接杆8调整激光投影仪的角度，通过拧紧套筒6处的固定螺丝和固定夹板7来固定激光投影仪，并通过调节激光投影仪的焦距，使投影画面布满隧道掌子面；同时调整激光投影仪使纵向测线2和横向测线3互相垂直且交点位于隧道掌子面1中心。

优选地，选定的相邻测点之间的距离一致。

优选地，选定的相邻测点之间的距离设为20-30cm。

在本实施例中，在凿岩台车的机械臂上安装的自动激震装置包括控制单元、动力单元、定位单元和激震单元，控制单元下达激震指令至动力单元，动力单元驱动激震单元击打隧道掌子面1，同时，定位单元将激震单元的位置实时传送至控制终端。

在本实施例中，在凿岩台车另一个机械臂上安装的三维高频检波器上设有定位模块，以便将三维高频检波器的位置实时传送至控制终端；

优选地，三维高频检波器采用压电式三维高频检波器。

在本实施例中，调节凿岩台车机械臂，将自动激震装置与压电式三维高频检波器贴紧掌子面，自动激震装置位于测点处，压电式三维高频检波器与其保持偏移距0.5-1m；在控制终端下达指令时，自动激震装置冲击隧道掌子面，采集地震波数据，同时记录激震时间，在同一测点处进行三次采集，叠加数据以提高信噪比；

然后，自动激震装置与压电式三维高频检波器沿测线方向移动，并保持固定偏移距(0.5-1m)，继续采集其他测点的数据；

数据采集结束之后，对地震波信号进行滤波和反演成像处理后，通过傅里叶变换得到其频谱特征，基于变分模态方法进行降噪处理，得到高信噪比的信号，对其进行有效滤波后进行反褶积和波形反演，得到有效地震波的偏移成像，将偏移成像波形图进行分析，以此得到隧道掌子面前方不良地质的情况，有效指导隧道施工。

实施例2

本实施例提供一种基于高频弹性波的隧道不良地质超前探测方法，包括：

通过控制投影焦距在隧道掌子面处进行投影，使纵向测线和横向测线垂直且交点位于隧道掌子面中心，并在纵向测线和横向测线上选定测点；

获取经冲击测点后产生的地震波信号，对地震波信号进行滤波和反演成像后得到地震波信号的偏移成像波形图，根据偏移成像波形图得到不良地质的探测结果。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

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 (10)

1.一种基于高频弹性波的隧道不良地质超前探测系统，其特征在于，包括：

激光投影定位装置，用于在隧道掌子面处进行投影，并通过控制投影焦距使纵向测线和横向测线垂直且交点位于隧道掌子面中心，在纵向测线和横向测线上选定测点；

自动激震装置，用于沿测线方向冲击隧道掌子面的测点，激发地震波信号；

高频检波器，用于沿测线方向采集由掌子面测点传输的地震波信号；

数据处理单元，被配置为对接收的地震波信号进行滤波和反演成像后得到地震波信号的偏移成像波形图，根据偏移成像波形图得到不良地质的探测结果。

2.如权利要求1所述的一种基于高频弹性波的隧道不良地质超前探测系统，其特征在于，所述激光投影定位装置包括激光投影仪、套筒、连接杆、底座；所述连接杆一端设于底座上，一端连接套筒，在套筒内安装激光投影仪。

3.如权利要求2所述的一种基于高频弹性波的隧道不良地质超前探测系统，其特征在于，通过套筒和连接杆调整激光投影仪的角度。

4.如权利要求2所述的一种基于高频弹性波的隧道不良地质超前探测系统，其特征在于，在连接杆上设有固定夹板，通过套筒处的固定螺丝和固定夹板固定激光投影仪。

5.如权利要求1所述的一种基于高频弹性波的隧道不良地质超前探测系统，其特征在于，纵向测线和横向测线上的相邻测点间的距离一致。

6.如权利要求1所述的一种基于高频弹性波的隧道不良地质超前探测系统，其特征在于，自动激震装置沿测线方向冲击隧道掌子面的测点时，高频检波器与自动激震装置之间的偏移距保持一致。

7.如权利要求1所述的一种基于高频弹性波的隧道不良地质超前探测系统，其特征在于，对地震波信号通过傅里叶变换得到频谱特征，对频谱特征基于变分模态方法进行降噪处理。

8.如权利要求1所述的一种基于高频弹性波的隧道不良地质超前探测系统，其特征在于，所述自动激震装置包括控制单元、动力单元和激震单元，控制单元发送激震指令至动力单元，动力单元驱动激震单元击打隧道掌子面的测点。

9.如权利要求1所述的一种基于高频弹性波的隧道不良地质超前探测系统，其特征在于，所述自动激震装置和高频检波器上均还包括定位单元，用于分别获取自动激震装置和高频检波器的位置。

10.一种基于高频弹性波的隧道不良地质超前探测方法，其特征在于，包括：

通过控制投影焦距在隧道掌子面处进行投影，使纵向测线和横向测线垂直且交点位于隧道掌子面中心，并在纵向测线和横向测线上选定测点；

获取经冲击测点后产生的地震波信号，对地震波信号进行滤波和反演成像后得到地震波信号的偏移成像波形图，根据偏移成像波形图得到不良地质的探测结果。

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