CN216310283U - 一种用于盾构隧道施工的双震源地质超前预报系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于盾构隧道施工的双震源地质超前预报系统，该系统包括激振装置、数据采集装置和数据处理终端，所述激振装置包括布置在盾构机主体前端的滚刀震源和与滚刀震源相距预定距离的冲击锤震源，以形成两边激发的双向震源。本实用新型实施例的双震源地质超前预报系统采用双震源，形成双边激发、中间多道接受的地震多次覆盖反射系统，该系统可根据路径互换原理，将滚刀震源所产生的反射地震波信号与气锤震源所产生的反射地震波信号减去路程差(静态时移)，进行同相叠加；使用本实用新型中的双震源地质超前预报系统，可压制随机噪声，提高信噪比，提高地质预报精确度。

Description

一种用于盾构隧道施工的双震源地质超前预报系统

技术领域

本实用新型涉及施工工程的地质预报领域，尤其涉及一种用于盾构隧道施工的双震源地质超前预报系统。

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技术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。

盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构。

因盾构机庞大结构及独特的密封结构，致使很多常规地质预报技术和设备在盾构施工隧道内都无法使用或受到很大限制，现有地质预报技术和设备的主要问题包括：1、由于盾构机采用双护盾，无法直接在侧壁布置测线；2、地质检测的反射波信号噪声较多，导致地质预报结果误差较大；3、如采用炸药震源激发进行地质预报，应采用特殊处理，费时且存在安全风险。

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双震源地质超前预报系统，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双震源地质超前预报系统，该系统包括：激振装置，所述激振装置包括布置在盾构机主体前端的滚刀震源和与滚刀震源相距预定距离的冲击锤震源，以形成两边激发的双向震源；数据采集装置，所述数据采集装置包括布置在所述滚刀震源和冲击锤震源之间的用于接收反射波信号的多个检波器、多个信号采集站及基站；其中，所述检波器与信号采集站的数量相同，每个所述信号采集站与对应的一个所述检波器连接，所述基站与所有的信号采集站连接；所述基站也与所述滚刀震源和冲击锤震源通讯连接；各所述检波器按照预定的空间观测方式设置；数据处理终端，所述数据处理终端与所述基站连接，用于接收检波器拾取到的反射波信号，并根据发射波信号判断前方地质情况。

在一些实施例中，所述数据采集装置还包括一个布置在所述滚刀震源附近的第一参考道检波器和一个布置在所述冲击锤震源附近的第二参考道检波器。

在一些实施例中，所述滚刀震源包括盾构机上的沿刀盘中心对称分布的多个滚刀，所述滚刀震源以滚刀切割掌子面上的岩石所激发的振动信号作为震源。

在一些实施例中，所述冲击锤震源包括锤头和驱动锤头进行往复式冲击的驱动结构，所述冲击锤震源为气锤或电动冲击锤，利用锤头落到隧道侧壁上冲击震动作为震源。

在一些实施例中，所述冲击锤震源还包括布置在隧道侧壁上的锤击垫，以供所述锤头冲击并产生振动信号。

在一些实施例中，所述检波器安装在隧道侧壁上预先钻好的检波孔内，所述检波器包括三分量加速度型或速度型拾振传感器，用于接收X、Y、Z三个方向上的地震波。

在一些实施例中，所述检波器外侧设有弹性结构，所述弹性结构将检波器推靠在检波孔的孔壁处，以使得所述检波器与周围岩体可靠耦合。

在一些实施例中，所述检波器的后端设有定位安装管，所述定位安装管为具有柔性的钢丝管或橡胶钢丝复合管，所述定位安装管上具有方位标识，所述检波器的尾端设有用于与所述信号采集站连接的信号传输线。

在一些实施例中，所述基站包括协同工作的双控制器，其中一个控制器用于采集控制，另一个控制器用于数据的实时传输。

在一些实施例中，所述数据处理终端为采集站式地震数据采集仪，所述基站和数据处理终端布置在盾构机的主控室。

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

本实用新型实施例的双震源地质超前预报系统采用双震源，形成双边激发、中间多道接受的地震多次覆盖反射系统，该系统可根据路径互换原理，将滚刀震源所产生的反射地震波信号与气锤震源所产生的反射地震波信号减去路程差(静态时移)，进行同相叠加；本实用新型的双震源地质超前预报系统可压制随机噪声，提高信噪比，提高地质预报精确度。

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双震源地质超前预报系统的示意图。

图2为本实用新型另一实施例中的双震源地质超前预报系统的组成示意图。

图3为本实用新型一实施例中的滚刀震源的结构示意图。

图4为本实用新型一实施例中的冲击锤震源的结构示意图。

图5为本实用新型一实施例中的检波器的结构示意图。

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。

本实用新型提供了一种用于盾构隧道施工的双震源地质超前预报系统，以提高地质预报的准确率。

如图1和图2所示，该双震源地质超前预报系统包括激振装置、数据采集装置和数据处理终端30。激振装置用于在盾构隧道内生成地震信号；数据采集装置用于拾取反射波信号，并反射波对信号进行采集、一定的处理和传输至数据处理终端30；数据处理终端30用于接收传输的反射波信号，并对反射波信号进行分析，判断隧道前方地质情况。

在一些实施例中，激振装置包括布置在盾构机主体前端的滚刀震源2和与滚刀震源2相距预定距离的冲击锤震源3，以形成两边激发的双向震源。

数据采集装置包括布置在滚刀震源2和冲击锤震源3之间的用于接收反射波信号的多个检波器10、多个信号采集站25及基站22。其中，检波器10与信号采集站的25数量相同，每个信号采集站25与对应的一个检波器10连接，基站25与所有的信号采集站25连接；基站25也与滚刀震源2和冲击锤震源3连接；各检波器10按照预定的空间观测方式设置。

数据处理终端30与基站22连接，用于接收检波器10拾取到的反射波信号，并对双向震源产生的双向反射波信号进行分析，判断前方地质情况，以实现双震源地质超前预报。

本实用新型实施例的双震源地质超前预报系统采用双震源，形成双边激发、中间多道接受的地震多次覆盖反射系统，该系统可根据路径互换原理，将滚刀震源所产生的反射地震波信号与气锤震源所产生的反射地震波信号减去路程差(静态时移)，进行同相叠加；该双震源地质超前预报系统压制了随机噪声，提高了信噪比，提高了地质预报精确度。

在一些实施例中，如图1和图3所示，滚刀震源2包括盾构机上的沿刀盘1中心对称分布的多个滚刀，滚刀震源2以滚刀切割掌子面上的岩石所激发的振动信号作为震源。

本实用新型实施例的盾构机的滚刀震源靠近掌子面(迎头)，得到与地质异常体较近距离的预报结果，可预报距离更长。滚刀震源直接利用滚刀切割激发的振动信号作为隧道地质预报的震源信号，不需专门打孔或激震，不占用隧道施工时间。

在一些实施例中，如图1和图4所示，冲击锤震源3包括锤头210和驱动锤头进行往复式冲击的驱动结构，冲击锤震源3可为气锤或电动冲击锤，利用锤头210落到隧道侧壁5上冲击震动作为震源。

例如，以冲击锤震源3采用气锤为例，气锤包括气锤壳体、缸杆211、活塞203及锤头210等。气锤壳体包括储气缸205和气缸204，气缸204可呈引导活塞203在缸内进行直线往复运动的圆筒形，储气缸205和气缸204之间具有用于连通的过气口207；过气口207可以为储气缸205和气缸204交界壁部213上的通孔。气缸204的下部设有进气口209和排气口208。

气缸204可与储气缸205焊接，气缸204的一端焊接在储气缸205的带有过气口207的外壁，气缸204的另一端具有供缸杆211伸出的孔。在气缸204内，活塞203与气缸204同轴且密封地设在气缸204的内壁，缸杆211与活塞203连接并从气缸204的远离储气缸205的一端伸出；锤头210可设在缸杆211的伸出所述气缸的一端。活塞203的外周侧与气缸204的内壁之间可这有一个或者更多个密封圈215保持气密性。

为了实现缸杆211及活塞203完成冲击动作后的快速回位，储气缸205和气缸204的分界处设有磁铁202，活塞203内嵌有铁块201，进一步，磁铁202也可为由控制器控制通电状态的电磁铁，以自动控制其在缸杆211及活塞203回位时产生吸附力。

该冲击气锤工作过程为：打开二位三通电磁阀212，高压气体由气源进入储气缸205，并由储气缸下方的过气口207向气缸204冲入，推动活塞203脱离电磁铁吸引及复位弹簧214弹力，向下移动，活塞203下行，气缸的排气口208打开，活塞下移至终端，此时，即为自动换向，第一循环结束，最后再在复位弹簧214或电磁铁的作用下回到初始位置，第二循环开始，依次不断的往复运动，使锤头210冲击隧道壁，对隧道壁产生冲击负荷。冲击过程由控制器自动控制。

进一步优选地，冲击锤震源还包括布置在隧道侧壁上的锤击垫，以供锤头冲击并产生振动信号。

本实用新型实施例所使用的冲击锤震源，动力特性好，动力强劲，振动信号强，识别率高。

在一些实施例中，如图2所示，数据采集装置还包括一个布置在滚刀震源2附近的第一参考道检波器21A和一个布置在冲击锤震源3附近的第二参考道检波器21B。第一参考道检波器21A和第二参考道检波器21B主要用于接受震源发出的振动信号，以作为参考信号。通过程控编码，然后在数据处理终端中跟接收到的反射波信号做相关处理和解码处理，最后获取干净的地震记录。

在一些实施例中，各检波器10按照预定的空间观测方式设置是在隧道侧壁(如左墙壁、右墙壁或底壁)上沿一条直线布置，优选地，滚刀震源2、各检波器10和冲击锤震源3均按照隧道的一条母线布置。进一步地，各检波器10的间距布置为相同，各检波器10在滚刀震源2和冲击锤震源3连线的中点位置对称布置。

在一些实施例中，如图5所示，检波器10安装在隧道侧壁5上预先钻好的检波孔11内，检波器10包括三分量加速度型或速度型拾振传感器，用于接收X、Y、Z三个方向上的地震波。

检波器10外侧设有弹性结构12，弹性结构12将检波器10推靠在检波孔11的孔壁处，弹性结构12可为气囊或弹片，以使得所述检波器10与周围岩体可靠耦合。

检波器10的后端设有定位安装管14，定位安装管14为具有柔性的钢丝管或橡胶钢丝复合管，定位安装管14上具有方位标识，以便安装过程中准确放置检波器10的传感器朝向，检波器10的尾端设有用于与信号采集站25连接的信号传输线15。

在一些实施例中，检波器10与信号采集站25可通过信号传输线15连接，信号采集站25与基站22可通过有线或无线连接；数据处理终端30与基站22通讯连接，优选为无线连接，以减少对盾构施工的干扰。

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，本实用新型的基站22可包括协同工作的双控制器，其中一个控制器用于采集控制，另一个控制器用于数据的实时传输。

在一些实施例中，所述数据处理终端30为采集站式地震数据采集仪，基站22和数据处理终端30布置在盾构机的主控室。数据处理终端30用于接收检波器拾取的反射波信号与震源附近的参考道检波器所接受的信号为参考信号进行互相关、时移以及各种去燥处理，计算出各种波至(直达波、反射波)的旅行时间，得到波在不同地层中的传播速度，预测隧道掌子面前方岩层深度、岩性，实现隧道地质超前预报。数据处理终端可采用购买的地震数据采集仪，用于对检波器采集的数据进行分析，其对信号进行数据分析的方法均为现有技术，此处不再赘述。

以下以采用滚刀震源与气锤震源为例，进一步详细描述本实用新型的双震源地质超前预报系统的使用方法，具体实施步骤包括：

1)使用该系统前，在盾构机刀盘15-20m后方的隧道侧壁上设置间距3m的检波孔8个，孔深0.5至1m；

2)再将8个检波器逐一送入检波孔孔底，利用气囊或推靠弹片将检波器推靠在一侧孔壁上，用于接收反射波；

3)将检波器尾端的信号传输线与信号采集站有线连接信号，信号采集站与基站通讯连接；基站与数据处理终端连接；每个信号采集站对应1道三分量检波器，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基站，随后上传至数据处理终端；

4)在距8个检波器排列末道15-20m处设置气锤震源的激振垫；

5)利用参考道检波器采集一段盾构机的滚刀震源切割岩石的地震信号，以作为参考信号；

6)利用气锤冲击隧道侧壁(或激振孔)滚刀震源与气锤震源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信号采集站、基站传输到数据处理终端，数据处理终端对反射波信号进行分析，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双震源地质超前预报系统，可获得的有益效果至少包括：

1.本实用新型实施例的双震源地质超前预报系统采用双震源，形成双边激发、中间多道接受的地震多次覆盖反射系统，该系统可根据路径互换原理，将滚刀震源所产生的反射地震波信号与气锤震源所产生的反射地震波信号减去路程差(静态时移)，进行同相叠加；使用本实用新型中的双震源地质超前预报系统，可压制随机噪声，提高信噪比，提高地质预报精确度。

2.本实用新型实施例的盾构机的滚刀震源靠近掌子面(迎头)，得到与地质异常体较近距离的预报结果，可预报距离更长。滚刀震源直接利用滚刀切割激发的振动信号作为隧道地质预报的震源信号，不需专门打孔或激震信号，不占用隧道施工时间。

3.本实用新型实施例所使用的冲击锤震源，动力特性好，动力强劲，振动信号强，识别率高。

4.本实用新型将检波器设置于隧道侧壁的浅孔内，检波器侧面设有弹性结构，弹性结构将检波器推靠在孔壁上，以使检波器与周围岩体可靠耦合。

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双震源地质超前预报系统，其特征在于，该系统包括：

激振装置，所述激振装置包括布置在盾构机主体前端的滚刀震源和与滚刀震源相距预定距离的冲击锤震源，以形成两边激发的双向震源；

数据采集装置，所述数据采集装置包括布置在所述滚刀震源和冲击锤震源之间的用于接收反射波信号的多个检波器、多个信号采集站及基站；其中，所述检波器与信号采集站的数量相同，每个所述信号采集站与对应的一个所述检波器连接，所述基站与所有的信号采集站连接；所述基站也与所述滚刀震源和冲击锤震源通讯连接；各所述检波器按照预定的空间观测方式设置；

数据处理终端，所述数据处理终端与所述基站连接，用于接收检波器拾取到的反射波信号，并根据发射波信号判断前方地质情况。

2.根据权利要求1所述的用于盾构隧道施工的双震源地质超前预报系统，其特征在于，所述数据采集装置还包括一个布置在所述滚刀震源附近的第一参考道检波器和一个布置在所述冲击锤震源附近的第二参考道检波器。

3.根据权利要求1所述的用于盾构隧道施工的双震源地质超前预报系统，其特征在于，所述滚刀震源包括盾构机上的沿刀盘中心对称分布的多个滚刀，所述滚刀震源以滚刀切割掌子面上的岩石所激发的振动信号作为震源。

4.根据权利要求1所述的用于盾构隧道施工的双震源地质超前预报系统，其特征在于，所述冲击锤震源包括锤头和驱动锤头进行往复式冲击的驱动结构，所述冲击锤震源为气锤或电动冲击锤，利用锤头落到隧道侧壁上冲击震动作为震源。

5.根据权利要求4所述的用于盾构隧道施工的双震源地质超前预报系统，其特征在于，所述冲击锤震源还包括布置在隧道侧壁上的锤击垫，以供所述锤头冲击并产生振动信号。

6.根据权利要求1所述的用于盾构隧道施工的双震源地质超前预报系统，其特征在于，所述检波器安装在隧道侧壁上预先钻好的检波孔内，所述检波器包括三分量加速度型或速度型拾振传感器，用于接收X、Y、Z三个方向上的地震波。

7.根据权利要求6所述的用于盾构隧道施工的双震源地质超前预报系统，其特征在于，所述检波器外侧设有弹性结构，所述弹性结构将检波器推靠在检波孔的孔壁处，以使得所述检波器与周围岩体可靠耦合。

8.根据权利要求6所述的用于盾构隧道施工的双震源地质超前预报系统，其特征在于，所述检波器的后端设有定位安装管，所述定位安装管为具有柔性的钢丝管或橡胶钢丝复合管，所述定位安装管上具有方位标识，所述检波器的尾端设有用于与所述信号采集站连接的信号传输线。

9.根据权利要求1所述的用于盾构隧道施工的双震源地质超前预报系统，其特征在于，所述基站包括协同工作的双控制器，其中一个控制器用于采集控制，另一个控制器用于数据的实时传输。

10.根据权利要求1或9所述的用于盾构隧道施工的双震源地质超前预报系统，其特征在于，所述数据处理终端为采集站式地震数据采集仪，所述基站和数据处理终端布置在盾构机的主控室。

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