本发明属于隧道超前地质预报探测技术领域，具体涉及一种基于隧道开挖爆破信号的超前地质预报装置及方法。
背景技术
在国家扩大内需，加大基础设施建设的政策指导下，各类新建隧道在全国各地如雨后春笋般纷纷动工。而在勘查设计阶段不可能准确得到隧道洞身范围内的工程地质、水文地质情况。因而在隧道施工过程中经常会遇到断层、破碎带、软弱地层、岩溶等不良地质情况，如果在隧道施工开挖时不能准确地预测到这些不良地质体，不仅存在塌方、突水突泥等潜在危险，而且严重影响隧道施工进度。因而，针对隧道施工过程中可能遇到的不良地质体进行及时准确地超前预报，可以采取有效方法进行防护，大幅度降低工程费用、确保施工安全并消除工程安全隐患。
地震反射法是工程物探中常用的方法之一，是目前国内外隧道超前地质预报采用的主要方法。在国内铁路、公路和水利水电领域的隧道工程施工中，主要使用的是tsp超前地质预报系统进行探测，并结合地质调查和地质雷达等方法进行综合评价，取得了较好的效果。
现有的tsp超前地质预报系统，主要采用的方式为：在隧道掌子面处采用激发装置进行激发，从而产生地震信号；激发装置需要同时有线连接一个触发装置，该触发装置与布置于隧道拱壁上的地震信号采集终端有线连接，因此，当激发装置产生地震信号时，通过触发装置及时通知地震信号采集终端进行地震信号的采集，保证地震信号采集终端采集到初至波，而初至波在超前地质预报分析中具有重要的分析价值。
上述tsp超前地质预报系统，主要存在以下不足：(1)激发装置需要有线连接一个触发装置，从而不方便激发装置产生地震信号，具有操作不方便的不足。(2)触发装置需要有线连接地震信号采集终端，具有布线繁琐的问题。(3)上述的有线连接方式，易妨碍施工，影响现场施工进度。
技术实现要素：
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于隧道开挖爆破信号的超前地质预报装置及方法，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种基于隧道开挖爆破信号的超前地质预报装置，在隧道施工掌子面上设置爆破炮点(1)；在隧道施工掌子面前方的隧道拱壁上可拆卸安装数据采集设备(2)；在数据采集设备(2)和隧道施工掌子面之间的位置，且位于隧道拱壁上可拆卸安装数据采集前置端(6)；在隧道内布置无线传输模块(8)；在隧道外部且靠近隧道入口位置安装网关(10)；
所述数据采集前置端(6)与所述数据采集设备(2)无线通信连接；所述数据采集前置端(6)通过所述无线传输模块(8)与所述网关(10)无线通信连接；所述网关(10)与远程的后台处理平台(11)有线连接。
优选的，所述数据采集设备(2)的数量为3个，分别布置于两侧拱腰及拱顶位置。
优选的，所述数据采集设备(2)包括固定板(4)和三分量无线数据采集终端(5)；所述三分量无线数据采集终端(5)设置于所述固定板(4)的正面，所述固定板(4)的背面紧靠隧道拱壁(3)；所述三分量无线数据采集终端(5)和所述固定板(4)通过紧固螺栓固定到隧道拱壁(3)上面。
优选的，所述数据采集前置端(6)距离隧道施工掌子面的距离为10米。
本发明还提供一种基于隧道开挖爆破信号的超前地质预报装置的超前地质预报方法，包括以下步骤：
步骤1，在隧道施工掌子面上设置爆破炮点(1)；在隧道施工掌子面前方的隧道拱壁上可拆卸安装数据采集设备(2)；在数据采集设备(2)和隧道施工掌子面之间的位置，且位于隧道拱壁上可拆卸安装数据采集前置端(6)；
步骤2，在隧道施工掌子面位置进行爆破施工，同时在隧道施工掌子面位置产生地震信号；
步骤3，地震信号同时沿隧道轴向方向及隧道入口方向进行传播；
步骤4，地震信号向隧道入口方向传输过程中，地震信号首先到达数据采集前置端(6)，因此，当数据采集前置端(6)采集到地震信号时，数据采集前置端(6)立即通过无线传输方式向数据采集设备(2)发送启动采集的通知消息；此时地震信号继续向前传输；
步骤5，当数据采集设备(2)接收到启动采集的通知消息时，立即启动数据采集线程，启动数据采集线程的时间记为t0＝0时刻；从t0＝0时刻开始，经过t1时间后，数据采集设备(2)的数据采集线程采集到直达波形式的地震信号，并实时记录；
步骤6，另一方向上，激发点产生的地震信号沿隧道轴向继续向前传播，当地震信号遇到不良地质体时，发生信号反射；
步骤7，反射信号经掌子面向隧道入口方向传输，从t0＝0时刻开始，经过t2时间后，反射信号到达数据采集设备(2)，数据采集设备(2)采集到反射信号，并实时记录；
步骤8，跟随隧道掌子面的开挖，数据采集前置端(6)跟随隧道掌子面的开挖进度，始终保持数据采集前置端(6)和施工掌子面距离为s0；
步骤9，随着隧道掌子面的开挖，数据采集设备(2)不断采集到直达波形式的地震信号和反射信号；
步骤10，对步骤9采集到的直达波形式的地震信号和反射信号进行预处理，并对预处理后的直达波形式的地震信号和反射信号进行分析，进行超前地质预报；其中，在进行超前地质预报时，实际初至波达到时间t1＝t1+ta，实际反射波到达时间t2＝t2+ta；
其中，ta＝s0/v；v为掌子面到数据采集前置端(6)之间的波速。
优选的，步骤10中，预处理具体为：
步骤10.1，对地震信号进行道间均衡处理；
步骤10.2，对步骤10.1处理后的地震信号进行波场分离，提取纵波信号；
步骤10.3，对步骤10.2提取到的纵波信号进行频谱分析、一维滤波分析以及去噪处理；然后，再采用二维频谱分析方法提取有效的反射波；
步骤10.4，对步骤10.3得到的反射波进行速度扫描分析，获取掌子面前方岩土体波速及波速变化情况；
步骤10.5，根据岩土体波速变化情况计算掌子面前方界面变化位置距掌子面距离为s1；
步骤10.6，实际掌子面前方界面变化位置距掌子面距离s总＝s1+s0。
本发明提供的一种基于隧道开挖爆破信号的超前地质预报装置及方法具有以下优点：
(1)通过在掌子面前方的固定位置安装数据采集前置端，再通过数据采集前置端和数据采集设备的通信，实现了对数据采集设备开始采集振动数据的触发，因此，不需要使激发装置有线连接触发装置，从而方便施工；
(2)直接借助施工过程中的爆破信号作为震源，可获取大量的爆破信号，有利于后续进行超前地质预报。
(3)该方法结构简单，使用方便，在超前地质预报中具有便捷、高效、高精度、实时在线采集的特点，具有较强的适用性。
附图说明
图1为隧道施工超前地质预报方法三维模型图；
图2为隧道内数据采集设备的布设图；
图3为隧道拱壁安装的数据采集设备的结构组成图；
图4为隧道超前地质预报装置的工作原理图；
图5为隧道超前地质预报装置的工作原理简图；
其中：1—爆破炮点；2—数据采集设备；3—隧道拱壁；4—固定板；5—三分量无线数据采集终端；6—数据采集前置端；7—地质不良体；8—无线传输模块；9—无线传输信号；10—网关；11—后台处理平台；12—隧道洞壁。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明属于隧道超前地质预报探测领域，本发明提供一种基于隧道开挖爆破信号的超前地质预报装置及方法，具有便捷、高效、高精度、实时在线采集的特点。
具体的，本发明创新点主要有两点：(1)，现有技术中，激发装置需要同时有线连接一个触发装置，易妨碍施工，影响现场施工进度。因此，本发明创新的在掌子面前方的固定位置安装数据采集前置端，再通过数据采集前置端和数据采集设备的通信，实现了对数据采集设备开始采集振动数据的触发，因此，不需要使激发装置有线连接触发装置，从而方便施工。(2)现有隧道超前地质预报方法主要为tsp地震法，该方法需沿隧道洞壁一侧布置多个爆破孔，并在放置炸药后进行灌浆堵孔，同时在掌子面前方隧道两侧布设接收孔，内置传感器进行数据采集，该方法操作复杂，爆破信号过程须进行隧道施工清场，影响工程施工进度，每次采集数据量小，影响施工，现场配合度较低。针对此，本发明提供的超前地质预报方法，该方法可直接借助施工过程中的爆破信号作为震振，进行数据采集。由于隧道建设过程中，隧道开挖主要在掌子面布设钻孔进行爆破、清渣，隧道建设过程中存在高密度的爆破行为，因此，直接对爆破信号进行数据采集，将获取大量的爆破信号，与传统方法对比数据采集量越大，处理后的预报精度越高，同时数据采集采用贴面式三分量传感器，将其固定至隧道两侧，在隧道两侧安装固定板，将贴面式三分量传感器便捷化安装至固定板上，可随时采集震动信号，效率较高，同时可随施工进度进行滚动循环使用。该模块安装拆卸方便，可循环多次使用。同时该模块设置无线传输功能，将数据及时传输出隧道，进行数据处理，实时性较高。
参考图1-图3，本发明提供一种基于隧道开挖爆破信号的超前地质预报装置，在隧道施工掌子面上设置爆破炮点1；在隧道施工掌子面前方的隧道拱壁上可拆卸安装数据采集设备2；数据采集设备2的数量优选为3个，分别布置于两侧拱腰及拱顶位置。数据采集设备2内置蓄电池，为实现数据采集设备的循环多次使用，数据采集设备2采用以下方式安装：数据采集设备包括固定板4和三分量无线数据采集终端5；三分量无线数据采集终端5设置于固定板4的正面，固定板4的背面紧靠隧道拱壁3；三分量无线数据采集终端5和固定板4通过紧固螺栓固定到隧道拱壁3上面。
在数据采集设备2和隧道施工掌子面之间的位置，且位于隧道拱壁上可拆卸安装数据采集前置端6；通常情况下，数据采集前置端6距离隧道施工掌子面的距离约为10米。在隧道内布置无线传输模块8；在隧道外部且靠近隧道入口位置安装网关10；
数据采集前置端6与数据采集设备2无线通信连接；数据采集前置端6通过无线传输模块8与网关10无线通信连接；网关10与远程的后台处理平台11有线连接。
由于地震反射法需要获取震源激发瞬间的时间信号，因此设置数据采集前置端，当掌子面发生爆破震源时，由数据采集前置端首先采集到直达波信号，并通过无线通讯及时通知数据采集设备进行数据采集，数据采集设备接收到通知信息时，将当前时刻作为0时刻，并开始采集震动信号，从0时刻开始，经过时间t1后爆破振动直达波信号传输至数据采集设备，此时，数据采集设备记录下直达波信号。由于爆破信号是沿各个方向进行传播，因此沿掌子面前进方向，地震波向前传输，当遇到前方断层等不良地质体时，地震波发生反射，从0时刻开始，经过t2时间后反射信号传输至数据采集设备进行接收，数据采集设备采集到反射信号，与激发时刻和初至波构成一个完整信号，数据采集设备阶段性将采集的数据通过无线通讯传输至平台进行后续数据处理。
参考图4-图5，本发明还提供一种基于隧道开挖爆破信号的超前地质预报装置的超前地质预报方法，包括以下步骤：
步骤1，在隧道施工掌子面上设置爆破炮点1；在隧道施工掌子面前方的隧道拱壁上可拆卸安装数据采集设备2；在数据采集设备2和隧道施工掌子面之间的位置，且位于隧道拱壁上可拆卸安装数据采集前置端6；
步骤2，在隧道施工掌子面位置进行爆破施工，同时在隧道施工掌子面位置产生地震信号；
步骤3，地震信号同时沿隧道轴向方向及隧道入口方向进行传播；
步骤4，地震信号向隧道入口方向传输过程中，地震信号首先到达数据采集前置端6，因此，当数据采集前置端6采集到地震信号时，数据采集前置端6立即通过无线传输方式向数据采集设备2发送启动采集的通知消息；此时地震信号继续向前传输；
步骤5，当数据采集设备2接收到启动采集的通知消息时，立即启动数据采集线程，启动数据采集线程的时间记为t0＝0时刻；从t0＝0时刻开始，经过t1时间后，数据采集设备2的数据采集线程采集到直达波形式的地震信号，并实时记录；
步骤6，另一方向上，激发点产生的地震信号沿隧道轴向继续向前传播，当地震信号遇到不良地质体时，发生信号反射；
步骤7，反射信号经掌子面向隧道入口方向传输，从t0＝0时刻开始，经过t2时间后，反射信号到达数据采集设备2，数据采集设备2采集到反射信号，并实时记录；
步骤8，跟随隧道掌子面的开挖，数据采集前置端6跟随隧道掌子面的开挖进度，始终保持数据采集前置端6和施工掌子面距离为s0；
步骤9，随着隧道掌子面的开挖，数据采集设备2不断采集到直达波形式的地震信号和反射信号；
步骤10，对步骤9采集到的直达波形式的地震信号和反射信号进行预处理，并对预处理后的直达波形式的地震信号和反射信号进行分析，进行超前地质预报；其中，在进行超前地质预报时，实际初至波达到时间t1＝t1+ta，实际反射波到达时间t2＝t2+ta；
其中，ta＝s0/v；v为掌子面到数据采集前置端6之间的波速。
步骤10中，预处理具体为：
步骤10.1，对地震信号进行道间均衡处理；
步骤10.2，对步骤10.1处理后的地震信号进行波场分离，提取纵波信号；
步骤10.3，对步骤10.2提取到的纵波信号进行频谱分析、一维滤波分析以及去噪处理；然后，再采用二维频谱分析方法提取有效的反射波；
步骤10.4，对步骤10.3得到的反射波进行速度扫描分析，获取掌子面前方岩土体波速及波速变化情况；
步骤10.5，根据岩土体波速变化情况计算掌子面前方界面变化位置距掌子面距离为s1；
步骤10.6，实际掌子面前方界面变化位置距掌子面距离s总＝s1+s0。
本发明提供的一种基于隧道开挖爆破信号的超前地质预报装置及方法具有以下优点：
(1)通过在掌子面前方的固定位置安装数据采集前置端，再通过数据采集前置端和数据采集设备的通信，实现了对数据采集设备开始采集振动数据的触发，因此，不需要使激发装置有线连接触发装置，从而方便施工；
(2)直接借助施工过程中的爆破信号作为震源，可获取大量的爆破信号，有利于后续进行超前地质预报。
(3)该方法结构简单，使用方便，在超前地质预报中具有便捷、高效、高精度、实时在线采集的特点，具有较强的适用性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。