CN113960653B - 相控阵声波超前探测仪器及超前地质预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道掘进机施工过程中的超前地质预报领域，提供了一种相控阵声波超前探测仪器及超前地质预报方法。其中，相控阵声波超前探测仪器包括声波阵元组、时间控制装置和压力传感器；所述声波阵元组包含多个声波元件，每个声波元件用于独立发射声波和接收反射波；所述时间控制装置用于控制各个声波元件的激发时间，以使得分时激发或并时激发多个元件，实现声波的偏转和聚焦；所述压力传感器用于测量所述相控阵声波超前探测仪器与掌子面间的压力值，以检测是否接触良好。

Description

相控阵声波超前探测仪器及超前地质预报方法

技术领域

本发明属于隧道掘进机施工过程中的超前地质预报领域，尤其涉及一种相控阵声波超前探测仪器及超前地质预报方法。

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。

在隧道开挖过程中，“安全”是第一要务，“高效”是最终目标。然而，在隧道施工中，掌子面前方易遭遇溶洞、断层破碎带等不良地质，极易导致塌方、冒顶、突水突泥等地质灾害。而掘进机施工对不良地质的适应性较差，当遭遇上述地质灾害时，易出现掘进机异常损毁和卡机事故，严重制约着隧道工程的安全、进度和经济，甚至会造成无可挽回的人员和财产损失，因此能够提前探测出掌子面前方的不良地质对保证隧道工程安全高效推进是十分重要的。隧道超前探测是一种有效的方法，可以提前探明隧道前方不良地质体的存在，进而对掘进参数和支护形式做出调整，可以有效规避地质灾害，保障人员、设备安全和隧道工程高效掘进。

最早的隧道超前探测方法主要有超前导洞、超前钻孔等，这类方法仅能反映前方小范围的地质情况，无法获取整个前方空间的地质情况，不仅浪费了人力物力和时间，而且对掘进机施工干扰大，降低了施工效率，不满足掘进机快速、高效掘进的要求。在研究远距离探测、减小施工干扰的过程中，逐渐形成了地质雷达、地震波法等隧道超前探测方法。发明人发现，由于掘进过程中掘进机占据了隧道掌子面后方的大部分空间，掌子面后方的边墙基本不具备铺设超前探测测线以及激发装置与传感器的条件，导致能够进行超前探测的观测空间极为狭小，精度较高的雷达方法无法在掌子面进行探测，而地震波法分辨率较低，有严重的能量衰减和噪声干扰。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种相控阵声波超前探测仪器及超前地质预报方法，其可以实现掌子面前方全局空间的聚焦效果，所得到的成像结果具有较高的分辨率，能够准确定位异常体位置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种相控阵声波超前探测仪器，其包括声波阵元组、时间控制装置和压力传感器；

所述声波阵元组包含多个声波元件，每个声波元件用于独立发射声波和接收反射波；

所述时间控制装置用于控制各个声波元件的激发时间，以使得分时激发或并时激发多个元件，实现声波的偏转和聚焦；

所述压力传感器用于测量所述相控阵声波超前探测仪器与掌子面间的压力值，以检测是否接触良好。

本发明的第二个方面提供一种利用如上述所述的相控阵声波超前探测仪器的超前地质预报方法，其包括：

步骤1：利用压力传感器保证探测仪器与掌子面形成良好的接触；

步骤2：通过时间控制装置触发单个声波阵元组发射声波，所有声波阵元组接收反射回波信息，保存所有声波阵元组接收的数据，至此全矩阵数据采集结束；

步骤3：根据声波阵元组接收到的数据中直达波的接收时间和对应声波发射-接收阵元的位置，求解掌子面前方地质的直达波波速，得到背景速度场；

步骤4：将掌子面前方不同探测距离的待测区域划分为网格，建立坐标系，记录每个声波阵元组和网格的坐标，求取声波自发射阵元组传播到各个网格点再传回接收阵元组的传播距离，根据传播距离和背景速度场求取声波在“发射阵元组→网格点→接收阵元组”的传播时间；

步骤5：将接收的数据集中所有发射-接收对在该网格点传播时间处的幅值叠加，结果即为该点的信号幅值；

步骤6，重复步骤4-步骤5，通过改变网格点位置进行数据处理，直至完成掌子面前方所有网格点的信号幅值求取，将所有网格点的幅值进行成像，即为掌子面前方地质情况，至此全聚焦成像结束。

本发明的有益效果是：

(1)本发明设计了一种相控阵声波超前探测仪器，提出了掘进机和探测仪器间的便捷搭载方法，能够实现对掘进机掘进进程干扰较小的前提下进行掌子面前方超前探测，具有施工干扰小的优势；同时该仪器可以通过发射聚焦声波获得较强的声波激发能量，增加了探测距离，提高了探测分辨率。

(2)本发明提出了一种利用声波方向特性优化阵元间距的算法，通过改变阵元间距观察声波是否具有良好的指向性，进而选择最优阵元间距，为仪器在刀盘的安装间距提供理论依据。

(3)本发明将无损检测中的全矩阵数据采集和全聚焦成像方法引入隧道超前探测中，并利用本发明所设计的仪器进行实现。该方法可以实现掌子面前方全局空间的聚焦效果，所得到的成像结果具有较高的分辨率，能够准确定位异常体位置，为掘进机施工提供参考。

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为本发明实施例的相控阵声波超前探测仪器在掘进机上的搭载位置示意图；

图2为本发明实施例的相控阵声波超前探测仪器及搭载装置示意图；

图3为本发明实施例的相控阵声波方向特性图；

图4为本发明实施例的全矩阵数据采集和全聚焦成像示意图。

图中：1、保护门；2、掘进机刀盘；3、掘进机台车；4、声波阵元组；5、压力传感器；6、时间控制装置；7、金属壳；8、液压伸缩杆；9、数据传输电缆。

具体实施方式

下面结合附图与实施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，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。

为解决现有技术上的缺陷，实现掘进机在掘进过程中快速精确地探测前方地质情况，本实施例提出了一种相控阵声波超前探测仪器。该相控阵声波超前探测仪器包含一个声波阵元组，每个声波阵元组包含多个声波元件，每个声波元件可以实现独立发射声波和接收反射波的功能，能够满足不同观测方式的要求。该仪器包含一个时间控制装置，可以实现声波阵元组复杂布置条件下的声波聚焦发射。本实施例还将无损检测中的全矩阵数据采集和全聚焦成像引入隧道超前探测中，可以实现掌子面前方全局空间的聚焦效果，所得到的成像结果具有较高的分辨率，能够准确定位异常体位置。

相控阵声波超前探测仪器在掘进机上的搭载如图1所示，超前探测仪器安装在刀盘内侧，方便掘进机的生产时安装和已投入施工的掘进机的后期加装。

如图2所示，相控阵声波超前探测仪器由一个声波阵元组4、一个压力传感器5和一个时间控制装置6组成，数据传输方式为有线传输。相控阵声波超前探测仪器以二维面阵的形式安装在刀盘上，由时间控制装置6控制阵元分时激发、并时激发和分时接收、并时接收，以满足不同观测方式的需求。压力传感器5用于保证仪器和掌子面的紧密贴合，通过给定压力传感器的预设值，当仪器与掌子面接触的压力值达到预设值时，认为仪器与掌子面贴合紧密，可以进行超前探测工作。

掘进机中有大量的电缆系统，易与数据传输电缆9产生互感现象，为消除其不利影响，在数据传输电缆9外包裹一层屏蔽层，并做接地处理。

相控阵声波超前探测仪器安装在刀盘内侧金属壳7中，通过液压伸缩装置8与金属壳7连接。液压伸缩装置8可在进行探测时将仪器送至掌子面位置。金属壳7与刀盘的连接面设置可自动开启和关闭的保护门11。保护门1可以人为控制开启和关闭，开启后可以保证仪器自由进出而不会发生碰撞损毁。保护门11开启后的截面应大于仪器最大截面，允许仪器进出刀盘而不产生摩擦损毁。

金属壳7采用曲面金属壳，曲面金属壳材料为不锈合金，既可以起到保护内部仪器的作用，又能防止金属壳在隧洞内潮湿环境中的锈蚀。本实施例的曲面金属壳，可以实现相控阵声波超前探测仪器在掘进机上的便捷搭载。

在具体实施中，利用声波方向特性优化阵元间距的算法获取声波阵元组中声波元件的最优阵元间距。其中，声波阵元组中声波元件的最优阵元间距的获取过程为：

保持声波阵元组的数量和发射声波主频两个参数不变，仅改变阵元间距，绘制相应的声波方向特性图；

当方向特性图呈现出预设要求的指向性时，此时该间距即为最优阵元间距。

掌子面前方扫描角为α的方向函数：

其中，θ为偏离掌子面法线方向的声波聚焦角度，N为阵元个数，f为阵元主频，d为阵元间距，v为掌子面前方地质波速。

在确定了声波聚焦角度θ，阵元个数N，阵元主频f，阵元间距d参数后，掌子面前方扫描角α由0°扫描至180°，根据方向函数的结果可以得到方向特性图，根据方向特性图可以判断在声波聚焦角度θ方向上指向性是否良好。

通过控制变量法控制阵元个数N、阵元主频f、波速v保持不变，通过改变阵元间距d值观察得到的在特定声波聚焦角度θ的指向性是否良好，以此确定最优阵元间距。

在本实施例中，选择偏离掌子面法线方向30°为声波聚焦角度，阵元个数为10，阵元主频为2000Hz，地质波速为2000m·s^-1。通过改变阵元间距由0.1米至0.8米，每次增加0.1米，对比所得到的方向特性图，可以发现当阵元间距为0.5米时，在30°声波聚焦角度上的指向性较好，如图3所示。由此确定在该阵元个数和阵元主频下，最优阵元间距为0.5米。

本实施例还将无损检测中的全矩阵数据采集和全聚焦成像引入到隧道超前探测中，并利用上述相控阵声波超前探测仪器进行实现，具体如下，如图4所示：

步骤1)，控制打开仪器的保护门，伸缩杆往前推动相控阵声波超前探测仪器至掌子面，当压力传感器的值达到预设值时，认为探测仪器与掌子面形成良好的接触，可以进行超前探测；

步骤2)，通过时间控制装置触发单个声波阵元组发射声波，所有声波阵元组并时接收反射回波信息，保存所有声波阵元组接收的数据；

步骤3)，根据步骤2)中声波阵元组接收到的数据中直达波的接收时间和对应声波阵元发射-接收对的位置，求解掌子面前方地质的直达波波速；

步骤4)，重复步骤2)，本实施例共采用52个声波阵元组，自第一个阵元组依次激发至第52个阵元组，保存相应的所有52个声波阵元组并时接收的数据，共计接收52×52组数据，将数据通过传输电缆传输到处理成像系统，控制液压伸缩杆收回，关闭保护门，至此全矩阵数据采集结束；

步骤5)，建立坐标系，掌子面所在平面高度方向为X轴，掌子面所在平面宽度方向为Y轴，掌子面前方为Z轴。将掌子面前方不同探测距离的待测区域划分为网格，网格间距0.05m，记录每个声波阵元组和网格的坐标，求取声波自发射阵元组传播到各个网格点再传回接收阵元组的传播距离，根据传播距离和背景速度场求取声波在“发射阵元组→网格点→接收阵元组”传播路径的传播时间，构成一个52×52的矩阵；

步骤6)，将接收的52×52组数据集中每组数据在步骤5)中求解的52×52的矩阵相应位置处的幅值叠加，累计叠加2704次，其结果即为该点的信号幅值；

步骤7)，重复步骤5)、步骤6)，通过改变网格点位置进行数据处理，直至完成掌子面前方所有网格点的信号幅值求取，将所有网格点的幅值进行成像，即为掌子面前方地质情况，至此全聚焦成像结束。

此处需要说明的是，步骤3)的目的是得到背景波速场，步骤4)的目的是声波波场数据采集，步骤5)时利用步骤3)得到的背景波速场计算传播时间，步骤6)是利用步骤4)采集的数据进行幅值叠加。步骤3)和步骤4)两个步骤是相互不影响的，可以互换，互换后对应的步骤5)和步骤6)也应该互换。这样互换步骤之后，并不影响探测掌子面前方地质情况的最终结果。

以上所述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。

Claims (3)

1.一种利用相控阵声波超前探测仪器进行超前地质预报的方法，其特征在于，所述相控阵声波超前探测仪器包括声波阵元组、时间控制装置和压力传感器；

所述相控阵声波超前探测仪器安装在掘进机刀盘内侧的金属壳中；金属壳与刀盘的连接面设置可自动开启和关闭的保护门；保护门开启后的截面大于相控阵声波超前探测仪器的最大截面；所述相控阵声波超前探测仪器的数据传输方式为有线传输；所述相控阵声波超前探测仪器的数据传输电缆包裹有屏蔽层，并在连接端做接地处理；

所述声波阵元组包含多个声波元件，每个声波元件用于独立发射声波和接收反射波；

所述时间控制装置用于控制各个声波元件的激发时间，以使得分时激发或并时激发多个元件，实现声波的偏转和聚焦；

所述压力传感器用于测量所述相控阵声波超前探测仪器与掌子面间的压力值，以检测是否接触良好；

所述超前地质预报方法包括：

步骤1：利用压力传感器保证探测仪器与掌子面形成良好的接触；

步骤2：通过时间控制装置触发单个声波阵元组发射声波，所有声波阵元组接收反射回波信息，保存所有声波阵元组接收的数据，至此全矩阵数据采集结束；

步骤3：根据声波阵元组接收到的数据中直达波的接收时间和对应声波发射-接收阵元的位置，求解掌子面前方地质的直达波波速，得到背景速度场；

步骤4：建立坐标系，掌子面所在平面高度方向为X轴，掌子面所在平面宽度方向为Y轴，掌子面前方为Z轴，将掌子面前方不同探测距离的待测区域划分为网格，网格间距0.05m，记录每个声波阵元组和网格的坐标，求取声波自发射阵元组传播到各个网格点再传回接收阵元组的传播距离，根据传播距离和背景速度场求取声波在“发射阵元组→网格点→接收阵元组”的传播时间；

步骤5：将接收的数据集中所有发射-接收对在该网格点传播时间处的幅值叠加，结果即为该点的信号幅值；

步骤6，重复步骤4-步骤5，通过改变网格点位置进行数据处理，直至完成掌子面前方所有网格点的信号幅值求取，将所有网格点的幅值进行成像，即为掌子面前方地质情况，至此全聚焦成像结束；

所述声波阵元组中声波元件的最优阵元间距的获取过程为：

保持声波阵元组的数量和发射声波主频两个参数不变，仅改变阵元间距，绘制相应的声波方向特性图；当方向特性图呈现出预设要求的指向性时，此时该间距即为最优阵元间距；具体的，已知掌子面前方扫描角为α的方向函数：

其中，θ为偏离掌子面法线方向的声波聚焦角度，N为震源个数，f为震源主频，d为震源间距，v为掌子面前方地质波速；

在确定了声波聚焦角度θ，震源个数N，震源主频f，震源间距d参数后，掌子面前方扫描角α由0°扫描至180°，根据方向函数的结果得到方向特性图，根据方向特性图判断在声波聚焦角度θ方向上指向性是否良好；通过控制变量法控制阵元个数N、阵元主频f、波速v保持不变，通过改变阵元间距d值观察得到的在特定声波聚焦角度θ的指向性是否良好，以此确定最优阵元间距。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相控阵声波超前探测仪器与金属壳通过液压推进装置的伸缩杆连接。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属壳的表面为曲面。