CN211123299U - 用于盾构隧道施工的地质超前预报系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于盾构隧道施工的地质超前预报系统，该系统包括：钻孔装置，钻孔装置用于经密封球阀穿过盾构机的支撑环盘周的预留孔，在盾构施工隧道边壁上钻出多个沿隧道径向且环形分布的孔；激振装置，激振装置用于安装在钻孔装置钻出的一个孔中；检波装置，检波装置包括多个安装在钻孔装置钻出的其余孔中且用于接收反射波的检波器；数据处理终端，数据处理终端与所述检波装置通讯连接，数据处理终端用于接收检波装置传输的反射波信号，并对反射波信号进行分析，判断前方地质情况，以实现地质超前预报。本实用新型的地质超前预报系统设有独立的激振装置作为震源，其振动信号比较集中，识别率高，地质超前预报结构准确。

Description

用于盾构隧道施工的地质超前预报系统

技术领域

本实用新型涉及土木工程施工技术领域，尤其涉及一种用于盾构隧道施工的地质超前预报系统。

背景技术

随着我国经济的不断发展，隧道工程建设也得到了快速发展，而其中最重要的就是隧道施工过程中的安全问题。我国很多隧道地质环境较为复杂，突泥突水等地质灾害时有发生，因而需要采用隧道超前预报技术提前发现隧道开挖过程中的不利地质条件、预报掌子面前方的风险，从而保障施工进度和施工人员安全。采用先进的、科学的隧道超前预报方法来准确预报隧道所通过范围内的不良地质体的性质、规模和状态显得很重要，尤其是在地质条件复杂地段和采用盾构现代施工技术的情况下，为隧道施工的方法、支护形式的变更提供了重要依据，从而减少了施工的盲目性，因而超前预报在隧道施工中具有重大意义。

我国在建的隧道中盾构施工的隧道占比很大，由于盾构法隧道施工对不良地质条件的适应性较差，因盾构机庞大结构及施工特点，很多常规地质预报方法在盾构施工隧道内都无法使用或受到很大限制，致使比较成熟的专门针对或适合于盾构施工的地质超前预报系统较少，或不成熟。

目前盾构隧道施工地质超前预报的方法主要包括BEAM法及声波反射法等。BEAM探测系统的主要部件由可以放置在盾构机操作室里的测量单元和作为测量电极的盾构机刀盘组成。测量单元连接盾构机的制导系统和可编程控制器(PLC)，接收盾构机的位置和掘进状况信号，从而充分数据自动采集和实时显示。声波反射法是中铁西南科学院在“HSP水平声波剖面法”基础上的地质超前预报技术改进，其原理和地震波探测原理相同，利用盾构机掘进时刀盘切割岩石所产生的声波信号作为声波反射法的激发信号。

这些方法中存在的问题包括：1.背景电磁躁声干扰过大，影响预报效果。2.该方法的震源采用的是盾构机刀盘，整个刀盘所产生的振动信号比较发散，利用这种振动信号分辨率低。3.信号采集传感器需要放置在预制混凝土管片后的围岩内，有可能破坏隧道防水。

因此，业界一般认为在盾构法隧道施工中无法应用弹性波法进行地质超前地质预报。

实用新型内容

鉴于此，本实用新型实施例提供了一种用于盾构隧道施工的地质超前预报系统，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷。

本实用新型的技术方案如下：

一种用于盾构隧道施工的地质超前预报系统，该系统包括：钻孔装置，所述钻孔装置用于经密封球阀穿过盾构机的支撑环盘周的预留孔，在盾构施工隧道边壁上钻出多个沿隧道径向且环形分布的孔；激振装置，所述激振装置用于安装在所述钻孔装置钻出的一个孔中；检波装置，所述检波装置包括多个安装在所述钻孔装置钻出的其余孔中且用于接收反射波的检波器；数据处理终端，所述数据处理终端与所述检波装置通讯连接，所述数据处理终端用于接收所述检波装置传输的反射波信号，并对反射波信号进行分析，判断前方地质情况，以实现地质超前预报。

在一些实施例中，所述检波器为三分量检波器，用于接收X、Y、Z三个方向上的地震波。

在一些实施例中，所述检波器的顶端或中部的外周面一侧设有推靠弹簧，所述推靠弹簧将检波器推靠在另一侧的孔壁上，以使得所述检波器与周围岩体可靠耦合。

在一些实施例中，所述检波装置还包括与所述检波器连接的采集站，所述检波装置通过采集站与所述数据处理终端通讯连接。

在一些实施例中，所述钻孔装置为电动冲击锤，所述电动冲击锤具有杆长0.5—1m的钎杆。

在一些实施例中，所述激振装置为伪随机编码震源，所述伪随机编码震源以单点激发的方式冲击围岩或孔壁以产生振动信号，所述伪随机编码震源按照预先编程时间控制的冲击序列在其冲击周期内产生冲击能量积累形成叠加震源。

在一些实施例中，所述激振装置为将钻头替换为平头或曲面锤头的所述电动冲击锤。

在一些实施例中，所述检波器的后端为设有定位安装管，定位安装管为钢丝管或橡胶钢丝复合管，检波器的末端设有用于与采集站连接的信号传输线。

在一些实施例中，所述检波器内设有速度型或加速度型拾振传感器。

在一些实施例中，所述数据处理终端为多通道地震数据采集仪，所述多通道地震数据采集仪与所述采集站无线连接。

根据本实用新型的用于盾构隧道施工的地质超前预报系统，可获得的有益效果至少包括：

本实用新型的地质超前预报系统适用于盾构机庞大结构及施工，该系统采用独立的激振装置，不需采用盾构机刀盘作为震源，其振动信号比较集中，识别率高，地质超前预报结构准确。

本实用新型的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本实用新型的实践而获知。本实用新型的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本实用新型实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本实用新型能够实现的上述和其他目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本实用新型的原理。为了便于示出和描述本实用新型的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本实用新型实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：

图1为本实用新型一实施例中的地质超前预报系统使用方法的示意框图。

图2为本实用新型一实施例中的地质超前预报系统的示意图。

图3为本实用新型一实施例中的激振点和多个检波点组成的环形观测系统的示意图。

图4为本实用新型一实施例中的地质超前预报系统的组成示意图。

图5为本实用新型一实施例中的检波器的结构示意图。

图6为本实用新型一实施例中的伪随机编码震源的组成示意图。

图中：1盾构机刀盘，2盾构机支撑环，5隧道壁，10检波装置，11检波孔，12推靠弹簧，13检波器芯体，14定位安装管，15信号传输线，20激振装置，21参考道，22基站，25信号采集站，30数据处理终端，41伪随机编码信号发生器，42信号控制器，44电源开关，45锤头，46钎杆，48电磁结构。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本实用新型做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施方式及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。

在下文中，将参考附图描述本实用新型的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

盾构施工中超前预报的目的在于发现施工作业面前方不良地质体的类型、规模、并对可能造成的地质灾害提出预警，从而做好施工预案及工程措施，将不良地质条件造成的损失降到最低，保证盾构顺利、安全地施工。

本实用新型提供一种在盾构隧道施工的地质超前预报系统，以提高预报效果，保证盾构隧道施工安全，降低地质灾害发生的机率和危害程度，为优化施工提供地质依据。

在一些实施例中，图1为本实用新型一实施例中的盾构施工超前预报方法的示意框图。图2为本实用新型一实施例中的地质超前预报系统的示意图，如图2所示，盾构机由刀盘1、支撑环2和盾尾等构成，盾构机支撑环2是直接钻行在土体中的，支撑环2的外壳既是支撑结构，又是机器的保护结构，它在前进的过程中也要受到土体的摩擦力。本实用新型的盾构施工超前预报方法可在盾构施工休息中途或更换刀具时进行，支撑环2的外周一般设有环形分布的预留孔，该预留孔可采用密封球阀保持密封。在盾构机正常掘进过程中，预留孔可为关闭状态，在需要时经密封球阀打开。本实用新型的地质超前预报系统可以利用该预留孔及密封球阀进行钻孔、安装检波器和安装激振装置等。

该系统包括钻孔装置、激振装置20、检波装置30和数据处理终端30等。

其中，钻孔装置用于经密封球阀穿过盾构机的支撑环盘周的预留孔，在盾构施工隧道边壁5上钻出多个沿隧道径向且环形分布的孔，这些孔可包括一个用于放置激振装置20的激振孔和其余多个用于安装检波装置10的检波孔，以形成一点激发、多点接收的环形观测系统。本实用新型的地质超前预报系统适用于盾构机庞大结构及施工，该系统采用独立的激振装置，不需采用盾构机刀盘作为震源，其振动信号比较集中，识别率高，地质超前预报结构准确。

激振装置20用于安装在钻孔装置钻出的激振孔中。在一些实施例中，钻孔装置可采用电动冲击锤，电动冲击锤具有杆长0.5—1m的钎杆，以钻出0.5—1m的浅孔。在其他实施例中，电动冲击锤也可采用如图6中的伪随机编码震源的结构。

检波装置10包括多个用于接收反射波的检波器和与检波器有线连接的采集站25，检波器用于分别安装在钻孔装置钻出的检波孔中。在一些实施例中，检波器为三分量检波器，用于接收X、Y、Z三个方向上的地震波。如图5所示，检波器的顶端或中部的外周面一侧设有推靠弹簧12，推靠弹簧12将检波器推靠在检波孔11另一侧的孔壁上，以使得检波器与内周围岩体可靠耦合。检波器内的检波器芯体13内置三分量传感器，检波器的后端设有定位安装管14。定位安装管14可为钢丝管或橡胶钢丝复合管，具有一定的柔性，可盘成环形，便于携带，定位安装管上具有方位标识。检波器的尾端设有用于与采集站连接的信号传输线。

本实用新型中地质超前预报系统的激振装置和检波装置皆利用盾构密封装置的球阀，从而保证了盾构的密封不被破坏。

具体实施时，数据处理终端通讯选用多通道地震数据采集仪，电动冲击锤、7或11个检波器可通过无线通讯与多通道地震数据采集仪连接，多通道地震数据采集仪对电信号进行分析处理。检波器采集经地层反射回来的钻头振动信号，这些信号在岩体性质发生改变的地方反射，被用来构建描述隧道工作面前方及高于或低于隧道走向的不同地质状况(如异常岩体、岩性和喀斯特特征等)的三维结构图，实现地质超前预报。

本实用新型的数据处理终端与采集站通讯连接，优选为无线连接，以减少对开挖施工的干扰。数据处理终端用于接收检波装置经采集站传输的反射波信号，并对反射波信号进行分析，判断前方地质情况，以实现超前预报。

图2为本实用新型一实施例中的地质超前预报系统的示意图。如图1和图2所示，该地质超前预报系统可包括如下使用方法：

采用钻孔装置穿过盾构机支撑环2盘周的预留孔对隧道进行造孔，以形成沿隧道径向且环形分布的多个孔。在一些实施例中，钻孔装置可以采用电动冲击锤，可由技术人员手持进行钻孔操作。

在多个孔的至少一个孔中放入用于接收反射波的检波装置10。

在容纳检波装置的孔之外的一个孔中放入激振装置20。

利用激振装置20冲击围岩，激振装置20产生的振动作为隧道地质预报震源，检波装置10接收经地层反射回来的反射波信号并通讯传输到数据处理终端30，数据处理终端30对电信号进行分析，从而判断前方地质情况，以实现超前预报。

本实用新型的地质超前预报系统的使用方法将激振点和检波点设置在非掌子面的隧道边壁上，适用于盾构机庞大结构，符合盾构施工特点。本实用新型的地质超前预报系统设置专门的激振装置，不需采用盾构机刀盘作为震源，其振动信号比较集中，识别率高，地质超前预报结构准确。

在一些实施例中，钻孔装置钻取的孔可包括一个用作激振点的激振孔和其余多个用作检波点的检波孔，激振孔和检波孔可为沿隧道径向的0.5至1m的浅孔，激振点和检波点在盾构机支撑环的周边组成环形观测系统。例如，在盾构机支撑环周边采用多点接收(例如7点、11点)，组成环形立体布点方式。环形观测系统能描绘到隧道水平和垂直方向的所有异常。而其它方法用于描绘几乎垂直于隧道的充满空气或水的裂隙，而且只能描绘靠近的垂直裂隙，不能描绘稍远距离的第二或第三裂隙(尤其是充气裂隙)。

在一些实施例中，为克服盾构施工噪声干扰的问题，本实用新型的激振装置20可为伪随机编码震源。伪随机编码震源可采用单点激发的方式冲击围岩或孔壁以产生振动信号，伪随机编码震源按照预先编程时间控制的冲击序列在其冲击周期内产生冲击能量积累形成性能稳定、噪声强度可控的伪随机编码叠加震源。本实用新型优选地选用伪随机编码震源，可有效缓解盾构施工对弹性波类预报噪声干扰大严重影响预报效果的问题。例如，伪随机编码震源冲击围岩或孔壁激发地震信号，每次冲击能量是24J，每秒钟冲击25次，在25秒冲击可产生24J×25×25＝15kJ。这意味着虽然单次冲击能量很低，但多次冲击产生的能量积累可以显著增大勘探距离并能保持高频成分和高的分辨率。地震信号经处理后，所有类型噪声都能被消除。

如图6所示，本实用新型的激振装置20采用伪随机编码震源时，伪随机编码震源组成包括伪随机编码信号发生器41、控制器42、电源44、锤头45、钎杆46、电磁结构48等。该伪随机编码震源利用电磁原理，控制牵引式电磁铁的通/断电。电磁结构48通/断电后，钎杆46和锤头45做直线加速运动，实现对周围围岩或孔壁的冲击。冲击力的大小可以通过安装在锤头末端的力传感器进行测量，通过控制锤头45与被测对象表面的接触时间，可得到理想的力脉冲信号。伪随机编码信号发生器41用于产生伪随机序列或伪噪声序列，伪随机序列是结构可以预先确定，可重复产生和复制，具有某种随机序列随机特性的序列码，伪随机序列有良好的随机性和接近于白噪声的相关函数特性，并且有预先的可确定性和可重复性。本实用新型地质超前预报系统的震源采用已调制的具有类似噪声性质的伪随机序列作为振动信号，检波器及数据处理终端采用相关解码的方式工作，该方法具有更高的抗干扰能力和更高的速度和距离分辨力，大大提高地质超前预报效果。

本实用新型的地质超前预报系统的使用方法采用的环形观测系统为立体布点，一点激发、多点接收的形式。如图3所示，本实用新型的地质超前预报系统的使用方法在隧道边壁上可钻取环形均匀分布的8或12个孔，但不限于此，包括一个用于安装激振装置20的激振孔和7或11个用于安装检波装置10的检波孔。检波点与激振点呈环形分布，有利于接收反射波信号。检波装置采集经地层反射回来的钻头振动信号，这些信号在岩体性质发生改变的地方反射，被用来构建描述隧道工作面前方及高于或低于隧道走向的不同地质状况(如异常岩体、岩性和喀斯特特征等)的三维结构图，实现地质超前预报。检波装置通过信号传输线与数据处理终端(数据处理终端)相连。从而获得真实的三维立体图，直观再现异常体的位置、形态、大小，从而使前方灾害地质的定位精度大大提高。

在一些实施例中，检波装置10可包括检波器和采集站，采集站与检波器有线连接，采集站与数据处理终端30通讯连接，以减少施工的噪声干扰。其中，检波器可为三分量检波器，用于接收X、Y、Z三个方向上的地震波。检波器与采集站采用GPS时钟同步，自动采集、记录信息，每个采集站收集3个地震信号道，总道数21或33道(7×3或11×3，7或11个采集站)。各台设备之间利用自组网与数据处理终端相连，设备之间独立工作，利用设备自带的高精度晶振实现各设备的时钟同步，确保整个系统的走时一致性。

在一些实施例中，激振装置20与数据处理终端(基站)30之间也可采用无线通讯传输，减少开挖施工的干扰。

在一些实施例中，如图5所示，检波器的顶端或中部的外周面一侧设有推靠弹簧12，推靠弹簧12将检波器推靠在检波孔11另一侧的孔壁上，以使得检波器与周围岩体可靠耦合。检波器内放置检波器芯体13，检波器的后端为设有定位安装管14，定位安装管14可为钢丝管或橡胶钢丝复合管，具有一定的柔性，可盘成环形，便于携带。为便于定位定位安装管具有方位标识。检波器的末端设有信号传输线15与采集站相连，采集站与数据处理终端30通讯连接，用于传输反射波信号。

在一些实施例中，检波器内的拾振传感器可根据盾构机支撑环盘周的岩性可选为速度型或加速度型，周围岩性为软岩或土检波器采用速度型，反之则采用加速度型。

在其他实施例中，本实用新型的钻孔装置和激振装置20均可采用电动冲击锤，电动冲击锤具有钎杆，杆长1m。可将钻头替换为平头或曲面锤头的电动冲击锤作为激振装置20，电动冲击锤从盾构机支撑环盘周的预留孔进入到激振孔。

在一些实施例中，本实用新型的数据处理终端30可为分布式无缆遥测基站或多通道地震数据采集仪，数据处理终端30基于GPS时钟同步，自动采集记录信息，各台设备之间利用自组网与数据处理终端30相连，设备之间独立工作，利用设备自带的高精度晶振实现各激振设备、检波设备与时钟同步，确保整个系统的走时一致性。如图4所示，该激振装置20可通过参考道21和基站22与数据处理终端30通讯连接，检波装置10通过采集站25与数据处理终端30通讯连接。

在一些实施例中，为实现连续采集的同时进行数据的连续传输，本实用新型的系统可采用双控制器协调实现，其中一个控制器实现采集控制，另一个控制器实现数据的实时传输。

以下以激振装置采用电动冲击锤为例，进一步详细描述本实用新型的地质超前预报系统的使用方法，该方法可采用电动冲击锤产生的振动作为隧道地质预报震源。具体实施步骤包括：

1)使用前利用盾构机支撑环盘周预留孔，将钻机或带有钻头的电动冲击锤沿支撑环盘周径向透过支撑环，在支撑环盘周岩体上钻出1个激振孔和7或11个检波孔，孔深0.5至1m。

2)再将本实用新型的7个或11个推靠式检波器逐一送入检波孔孔底，利用推靠弹簧将检波器推靠在一侧孔壁上，用于接收反射波。检波装置的每个采集站是有3道检波器，分别采集X、Y、Z三个方向上的地震波记录，并连续将采集数据回传到数据处理终端。

3)将电动冲击锤的钻头换成平头或曲面锤头，然后将电动冲击锤的钎杆由预留孔中伸出，送入到激振孔中。

4)将检波装置包括的检波器信号传输线与采集站有线连接，采集站与数据处理终端通讯连接。

5)利用电动冲击锤冲击激振孔内的围岩，电动冲击锤产生的振动作为隧道地质预报震源，通过安装在检波孔中设置的检波器接收经地层反射回来的反射波通过采集站通讯传输到数据处理终端，数据处理终端对电信号进行分析，从而判断前方地质情况，实现超前预报的目的。

根据本实用新型的用于盾构隧道施工的地质超前预报系统，可获得的有益效果至少包括：

1)本实用新型的地质超前预报系统可将激振点和检波点设置在非掌子面的隧道边壁上，适用于盾构机庞大结构，符合盾构施工特点。

2)本实用新型的地质超前预报系统采用独立的激振装置，不需采用盾构机刀盘作为震源，其振动信号比较集中，识别率高，地质超前预报结构准确。

3)本实用新型的地质超前预报系统可在盾构机支撑环周边形成一点激发、多点接收的环形观测系统，能描绘到隧道水平和垂直方向的所有异常。

4)本实用新型的地质超前预报系统可采用伪随机编码震源，并在冲击周期内可叠加，具有更高的抗干扰能力和更高的速度和距离分辨力，大大提高地质超前预报效果。

5)本实用新型的地质超前预报系统的数据处理终端与激振装置、检波装置无线连接，减少开挖施工的干扰。

本实用新型中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型实施例可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于盾构隧道施工的地质超前预报系统，其特征在于，该系统包括：

钻孔装置，所述钻孔装置用于经密封球阀穿过盾构机的支撑环盘周的预留孔，在盾构施工隧道边壁上钻出多个沿隧道径向且环形分布的孔；

激振装置，所述激振装置用于安装在所述钻孔装置钻出的一个孔中；

检波装置，所述检波装置包括多个安装在所述钻孔装置钻出的其余孔中且用于接收反射波的检波器；

数据处理终端，所述数据处理终端与所述检波装置通讯连接，所述数据处理终端用于接收所述检波装置传输的反射波信号，并对反射波信号进行分析，判断前方地质情况，以实现地质超前预报。

2.根据权利要求1所述的用于盾构隧道施工的地质超前预报系统，其特征在于，所述检波器为三分量检波器，用于接收X、Y、Z三个方向上的地震波。

3.根据权利要求2所述的用于盾构隧道施工的地质超前预报系统，其特征在于，所述检波器的顶端或中部的外周面一侧设有推靠弹簧，所述推靠弹簧将检波器推靠在另一侧的孔壁上，以使得所述检波器与周围岩体可靠耦合。

4.根据权利要求2所述的用于盾构隧道施工的地质超前预报系统，其特征在于，所述检波装置还包括与所述检波器连接的采集站，所述检波装置通过采集站与所述数据处理终端通讯连接。

5.根据权利要求1至4之一所述的用于盾构隧道施工的地质超前预报系统，其特征在于，所述钻孔装置为电动冲击锤，所述电动冲击锤具有杆长0.5—1m的钎杆。

6.根据权利要求1至4之一所述的用于盾构隧道施工的地质超前预报系统，其特征在于，所述激振装置为伪随机编码震源，所述伪随机编码震源以单点激发的方式冲击围岩或孔壁以产生振动信号，所述伪随机编码震源按照预先编程时间控制的冲击序列在其冲击周期内产生冲击能量积累形成叠加震源。

7.根据权利要求5所述的用于盾构隧道施工的地质超前预报系统，其特征在于，所述激振装置为将钻头替换为平头或曲面锤头的所述电动冲击锤。

8.根据权利要求4所述的用于盾构隧道施工的地质超前预报系统，其特征在于，所述检波器的后端为设有定位安装管，定位安装管为钢丝管或橡胶钢丝复合管，检波器的末端设有用于与采集站连接的信号传输线。

9.根据权利要求2所述的用于盾构隧道施工的地质超前预报系统，其特征在于，所述检波器内设有速度型或加速度型拾振传感器。

10.根据权利要求4所述的用于盾构隧道施工的地质超前预报系统，其特征在于，所述数据处理终端为多通道地震数据采集仪，所述多通道地震数据采集仪与所述采集站无线连接。

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