CN117270028A - 超前探测气动震源驱动机构、激震系统、tbm及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超前探测气动震源驱动机构、激震系统、TBM及方法，油缸前段设置有第一储气构件，油缸尾部设置有第二储气构件，所述油缸后端连接有储气罐；气源通过不同的连接管路分别连接所述储气罐、第一储气构件和第二储气构件，且所述连接管路上均配置有用于开/断连接管路的控制阀。本发明可实现自动化激震，相较于可搭载的液压震源，本发明出锤速度和数据质量上有所提升，并能够产生更强的冲击能量，相较于其他气动震源，通过TBM搭载能够使其更适用于TBM施工的隧道环境。

Description

超前探测气动震源驱动机构、激震系统、TBM及方法

技术领域

本发明属于岩土探测技术领域，具体涉及一种超前探测气动震源驱动机构、激震系统、TBM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。

隧道中利用TBM进行掘进施工的过程中受到不良地质的影响较大，当遇到破碎地层、断层区域等不良地质时，可能会发生卡机停机，甚至人员伤亡等风险。

在隧道施工中，地震波法可以在TBM施工期间有效的进行断层等不良地质体的探测，为隧道施工提供了有效的指导作用。

在地震波法超前预报实施过程中，对环境的适应性和震源的激发质量，对于预报结果的准确性有着很大影响。相较于地表勘探、海洋勘探等应用场景，由于TBM掘进过程中，机械占据隧道的绝大多数空间，这也使得TBM施工的隧道环境有着探测施工环境狭小的特殊性，使得常见的地震波激发装置的应用存在一定的局限性。

炸药震源是地震波法常用的激发手段，但不适用于TBM施工的隧道环境，在隧道狭小环境下操作不当可能会损坏掘进设备。

人工锤击震源依靠锤击产生地震波，由于隧道环境的复杂性和人工激发震源的不可控，当隧道环境复杂以及围岩质量较差时激发的震源质量较差，会导致接收到的地震数据不理想。

超磁致伸缩震源多应用在地表勘探、测井检测及锚杆检测中，并以便携式设备为主，由于隧道中探测施工环境狭小，所以在TBM施工的隧道环境中使用存在局限性。

液压震源可适用于TBM施工的隧道环境下，并且施加的震源强度高，但依然存在因设备构造复杂而导致的现场搭载和应用不便的问题；由于液压油的压缩比很小，所以油缸出锤速度较慢，而且由于液压震源无法在锤击到岩壁后及时收回，在一定程度上影响了数据质量。

气动震源由于其激发速度快、装置轻便简单的优势，常用于地震勘探领域。目前，气动震源用于地表勘探时，常采用便携式气动震源设备，由于TBM施工的隧道环境下探测施工空间狭小，因此便携式设备在此环境下使用存在一定局限性；在煤矿勘探领域，气动震源多采用孔中激震的形式使用，激发震源前需要进行钻孔作业，而由于TBM掘进过程中钻孔作业空间狭小、掌子面和边墙被机械占据等因素，钻孔实施不方便；在海洋勘探领域，气动震源常采用拖拉搭载的形式，为了适应海洋环境，震源放于漂浮在水面或位于水面以下一定深度的承载体内，通过锤击承载体来产生震源，属于海洋环境下的特化设备，难以直接应用在TBM施工的隧道环境下。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种超前探测气动震源驱动机构、激震系统、TBM及方法，本发明可实现自动化激震，相较于可搭载的液压震源，本发明出锤速度和数据质量上有所提升，并能够产生更强的冲击能量，相较于其他气动震源，通过TBM搭载能够使其更适用于TBM施工的隧道环境。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种超前探测气动震源驱动机构，包括气源、油缸、储气罐、第一储气构件、第二储气构件和控制阀，其中：

所述油缸前段设置有第一储气构件，油缸尾部设置有第二储气构件，所述油缸后端连接有储气罐；

所述气源通过不同的连接管路分别连接所述储气罐、第一储气构件和第二储气构件，且所述连接管路上均配置有用于开/断连接管路的控制阀。

当油缸推出前，所述第一储气构件内具有一定气压，以保证所述油缸在第二储气构件的压力小于设定值时，不会冲出，所述储气罐内的压力气体用于为油缸推出时补充冲击能量。

作为可选择的实施方式，所述控制阀为电磁阀。

作为可选择的实施方式，所述气源通过第一通路连接第一连接管路，所述第一连接管路连接所述第一储气构件；所述气源通过第二通路连接第二连接管路和第三连接管路，所述第二连接管路连接所述第二储气构件，第三连接管路和储气罐连接。

作为进一步的限定，所述气源上设置有控制球阀，以控制气源的开关。

作为可选择的实施方式，所述第一通路上设置有第一调节阀，所述第二通路上设置有第二调节阀，以控制相应通路的充气压力。

作为可选择的实施方式，所述第一储气构件和第二储气构件均具有进气/排气孔。

作为可选择的实施方式，所述油缸外侧设置有止转杆，所述止转杆的布设方向与所述油缸布设方向一致。

作为可选择的实施方式，所述控制阀并排设置。

作为可选择的实施方式，所述控制阀、油缸和储气罐分列设置。

一种超前探测气动震源系统，包括激振锤、上述驱动机构和控制器，所述激振锤设置于油缸前端，且激振锤上设置有加速度传感器；

所述控制器和加速度传感器电连接；

所述控制器和各控制阀之间电连接。

一种TBM，包括上述超前探测气动震源系统或驱动机构。

上述系统的工作方法，包括以下步骤：

启动气源；

向第一储气构件充气，以保持油缸前段的第一储气构件的气压，保证油缸在尾部有足够冲击压力前不会冲出；向储气罐输送气体，保证储气罐内充有一定量的压力气体，保证后续油缸推出时有足够的冲击能量；

消除第一储气构件内的气体，撤除其压力，为油缸尾部的第二储气构件提供压力气体，使油缸尾部有充足的推出气压；油缸前端气压骤降，尾部气压升高，使得油缸快速推出，并冲击向岩体；

当锤击到岩体后，向第一储气构件充气，第二储气构件内的气体消散，使油缸前端产生回推的气压，油缸回推。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种TBM搭载式的气动震源，以适应TBM施工条件下的隧道环境，达到重量轻、响应快、环境适应性强的目标。

本发明通过油缸底部进气孔和储气罐的两路气源，保证油缸推出时的充足气压和快速补气，气缸能够快速冲击，保证了震源质量和强度。

油缸前段锤击到岩体后，加速度传感器识别到加速度的变化，通过控制电磁阀的给点断电，使得油缸能够快速回推，保证了锤头与岩体之间不会发生多次弹击，保证了震源的激发质量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

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(a)-(c)是本发明的驱动机构装配左视、正视、俯视图；

图2是本发明的驱动机构控制原理图。

其中，1.球阀，2.气体调节阀，3.气体调节阀，4.通气管道，5.电磁阀，6.电磁阀，7.电磁阀，8.进/排气孔，9.进/排气孔，10.进/排气孔，11.储气空间(第二储气构件)，12.油缸，13.储气罐，14.储气空间(第一储气构件)，15.止转杆，16.加速度传感器。

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。

实施例一

一种超前探测气动震源驱动机构，包括气源(图中未示出)、油缸12、储气罐13、第一储气构件、第二储气构件和控制阀，其中：

如图1(a)所示，所述油缸12前段设置有第一储气构件，油缸12尾部设置有第二储气构件，所述油缸12的后端连接有储气罐13；

所述气源通过不同的连接管路分别连接所述储气罐、第一储气构件和第二储气构件，且所述连接管路上均配置有用于开/断连接管路的控制阀。

当油缸12推出前，所述第一储气构件内具有一定气压，以保证所述油缸12在第二储气构件的压力小于设定值时，不会冲出，所述储气罐13内的压力气体用于为油缸12推出时补充冲击能量。

在本实施例中，控制阀为电磁阀。

在本实施例中，如图2所示，气源通过第一通气管道连接第一连接管路，所述第一连接管路连接所述第一储气构件；所述气源通过第二通气管道连接第二连接管路和第三连接管路，所述第二连接管路连接所述第二储气构件，第三连接管路和储气罐连接。

气源上设置有控制球阀1，以控制气源的开关。

第一通气管道上设置有第一调节阀，所述第二通气管道上设置有第二调节阀，以控制相应通气管道的充气压力。

调节阀为气体调节阀。

第一储气构件和第二储气构件均具有进气/排气孔。

油缸外侧设置有止转杆15，止转杆15的布设方向与所述油缸12布设方向一致。

为了节约装配空间/体积，本实施例中，如图1(c)所示，控制阀并排设置。且控制阀、油缸12和储气罐13分列设置。

实施例二

如图2所示，本系统工作时，具体步骤包括：

1、启动气动震源时，主机控制球阀1打开，气体通过输气管4开始输送。

2、气体调节阀2和3控制两条通路的充气压力。

3、油缸12推出前阶段：电磁阀5和7得电，电磁阀5得电后向进气孔8充气，用于保持油缸12前段的储气空间14的气压，保证油缸12在尾部有足够冲击压力前不会冲出；电磁阀7得电用于向储气孔10输送气体，保证储气罐13内充有一定量的压力气体，保证后续油缸12推出时能够快速补气，因此能够有足够的冲击能量。

4、油缸12推出阶段：电磁阀5断电，消除储气空间14内的气体，撤除其压力；电磁阀6得电，通过进气孔9输送气体，为油缸12尾部的储气空间11提供压力气体，使油缸尾部有充足的推出气压；油缸12前端气压骤降，尾部气压升高，使得油缸12可以快速推出，并冲击向岩体。

5、油缸12回推阶段：当油缸12的锤头锤击到岩体后，锤头上安装的加速度传感器(图1装配图中的构件7)检测到加速度急剧变化的信息，迅速给控制软件信号。此时，电磁阀5得电，电磁阀6、7断电，气体可以通过进气孔8进入储气空间14，而油缸尾部气压可以快速消散，使得油缸12前段产生回推的气压并快速回推。

实施例三

一种超前探测气动震源系统，包括激振锤、上述驱动机构和控制器，所述激振锤设置于油缸前端，且激振锤上设置有加速度传感器16；

所述控制器和加速度传感器16电连接；

所述控制器和各控制阀之间电连接。

实施例二的方法也适用于本实施例。

实施例四

一种TBM，包括上述超前探测气动震源系统或驱动机构。

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，本领域技术人员不需要付出创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超前探测气动震源驱动机构，其特征是，包括气源、油缸、储气罐、第一储气构件、第二储气构件和控制阀，其中：

所述油缸前段设置有第一储气构件，油缸尾部设置有第二储气构件，所述油缸后端连接有储气罐；

所述气源通过不同的连接管路分别连接所述储气罐、第一储气构件和第二储气构件，且所述连接管路上均配置有用于开/断连接管路的控制阀。

2.如权利要求1所述的一种超前探测气动震源驱动机构，其特征是，所述气源通过第一通路连接第一连接管路，所述第一连接管路连接所述第一储气构件；所述气源通过第二通路连接第二连接管路和第三连接管路，所述第二连接管路连接所述第二储气构件，第三连接管路和储气罐连接。

3.如权利要求2所述的一种超前探测气动震源驱动机构，其特征是，所述气源上设置有控制球阀，以控制气源的开关。

4.如权利要求2或3所述的一种超前探测气动震源驱动机构，其特征是，所述第一通路上设置有第一调节阀，所述第二通路上设置有第二调节阀，以控制相应通路的充气压力。

5.如权利要求1所述的一种超前探测气动震源驱动机构，其特征是，所述第一储气构件和第二储气构件均具有进气/排气孔。

6.如权利要求1所述的一种超前探测气动震源驱动机构，其特征是，所述油缸外侧设置有止转杆，所述止转杆的布设方向与所述油缸布设方向一致。

7.如权利要求1所述的一种超前探测气动震源驱动机构，其特征是，所述控制阀并排设置；

或/和，所述控制阀、油缸和储气罐分列设置。

8.一种超前探测气动震源系统，其特征是，包括激振锤、权利要求1-7中任一项所述的驱动机构和控制器，所述激振锤设置于油缸前端，且激振锤上设置有加速度传感器；

所述控制器和加速度传感器电连接；

所述控制器和各控制阀之间电连接。

9.一种TBM，其特征是，包括权利要求8所述的超前探测气动震源系统或权利要求1-7中任一项所述的驱动机构。

10.权利要求1-7中任一项所述的驱动机构或权利要求8所述的超前探测气动震源系统或权利要求9所述的TBM的工作方法，其特征是，包括以下步骤：

启动气源；

向第一储气构件充气，以保持油缸前段的第一储气构件的气压，保证油缸在尾部有足够冲击压力前不会冲出；向储气罐输送气体，保证储气罐内充有一定量的压力气体，保证后续油缸推出时有足够的冲击能量；

消除第一储气构件内的气体，撤除其压力，为油缸尾部的第二储气构件提供压力气体，使油缸尾部有充足的推出气压；油缸前端气压骤降，尾部气压升高，使得油缸快速推出，并冲击向岩体；

当锤击到岩体后，向第一储气构件充气，第二储气构件内的气体消散，使油缸前端产生回推的气压，油缸回推。