本发明涉及一种用于双护盾岩石掘进机的地震波超前预报搭载装置与方法。
背景技术
近年来，随着我国基础设施建设的飞速发展，水利水电、交通工程、地铁工程、市政工程等领域亟须开挖大量的地下隧道(洞)工程。tbm(隧道掘进机)施工方法凭借着自身掘进效率高、施工安全优质等优点已经逐步取代传统钻爆法成为我国隧道(洞)建设中优先级最高的施工方法。其中，双护盾tbm，在隧道施工过程中(开挖、出渣、衬砌灌浆等作业)实现一次成洞，有效利用隧道空间，并且能很好地解决山体断层多等复杂地质情况下的施工问题。
但是，面对西部地区更为复杂的地层情况(大型断层破碎带、裂隙发育带、软弱地层、溶洞、暗河)时，双护盾tbm容易发生严重的卡机、损坏、报废甚至人员伤亡等重大事故。因此，在双护盾tbm环境中采用超前探测方法提前探明前方地质情况，并及时调整施工方案以规避险情、保障施工安全显得尤为重要。
近年来tbm超前预报仪器和方法得到了较好的发展，其中地震波超前探测方法以其较远的探测距离和较好的界面识别效果，得到了更为广泛的应用。然而，目前tbm地震波超前预报仪器和方法大多是针对开敞式tbm设计的，在双护盾tbm环境下的使用存在一定困难，具体体现为：
存在以下问题：
(1)炸药震源对人员和设备危险性较大，对激震时药量控制要求较高，对炸药运输和储存过程中的安全保障要求高；锤击震源自动化程度低，震源强度和起震位置不能精确控制，所需空间大并影响现场施工。因此，亟须提出一种应用于双护盾tbm的、安全高效、可重复利用、机械化程度高的激震震源。
(2)直接对管片进行激震会对其产生损坏，影响衬砌效果，且管片和岩壁之间可能并没有紧密贴合，无法获得较好的探测数据；而刀盘又是双护盾tbm设备的关键部件，结构复杂，直接在刀盘上激震可能会影响其施工性能，降低掘进速度和效率，进而造成经济损失。因此，亟待提出一个应用于双护盾tbm的激震装置搭载的合理位置。
(3)检波器布置方式不够灵活。检波器的安装需要进行传输线和检波器的连接。目前常用做法是人工用钻头在墙体上开孔布设检波器，该方法效率低下，容易影响tbm施工工期。
同时，由于双护盾tbm的构造相较于开敞式tbm和单护盾tbm更为复杂，包括内部可用探测空间更加狭小、探测装置在衬砌管片影响下难以直接接触到隧道壁等缺点，给地震波法超前预报带来很大困难。
1.受管片影响，现有方法无法直接对隧道周围岩体进行激震，影响探测质量。炸药震源存在安全隐患且容易损坏管片；锤击震源只能通过敲击管片进行激震，能量较弱，且管片和岩体之间接触不密实、存在较强的反射界面，严重影响激震质量，导致无法获得较好的探测数据。
2.缺少适用于管片环境下的检波器自动安装装置及方法。目前常用方法是人工在衬砌上开孔布设检波器，该方法效率低下，且容易对管片造成损坏。
因此，在进行震源和检波器位置选择的过程中，既要考虑震源的激震效率、可行激震位置和检波器的自动化安放，又要兼顾到充分利用双护盾tbm内部空间和不影响掘进机掘进施工等因素。总之，亟待提出一种针对双护盾tbm中搭载的超前预报仪器搭载装置。
技术实现要素：
本发明为了解决上述问题，提出了一种用于双护盾岩石掘进机的地震波超前预报搭载装置与方法，本发明能够较好的适用于双护盾tbm施工隧道，在保证探测效果的前提下，实现了观测系统的灵活自动布置，同时，本发明能够保证激震位置的准确性和合理性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一目的是提供一种用于双护盾岩石掘进机的地震波超前预报搭载装置，包括搭载于掘进机前护盾上的自动液压激震器，以及设置于设备桥平台上的移动式检波器布设装置，其中：
所述自动液压激震器包括控制模块、液压油路和激震执行模块，所述液压油路为激震执行模块提供驱动力，所述激震执行模块设置于掘进机前盾的收纳仓中，控制所述液压油路的通断，并利用其连通时提供的动力对前盾预留孔施加击打；
所述移动式检波器布设装置，包括若干检波器、滑轨和机械臂，所述滑轨搭载于设备桥平台上，所述机械臂一端与滑轨滑动连接，另一端设置伸缩杆，伸缩杆杆端设置有检波器，所述伸缩杆用于将检波器送入注浆孔；
所述控制模块接收检波器采集的信息，并向激震执行模块、机械臂和检波器发送驱动控制命令，实现地震波超前预报。
进一步的，所述自动液压激震器还包括溢流模块，所述溢流模块安装在设备桥平台上，保证压力过大情况下能够快速卸荷，并降低溢流过程中的液压油温，隧道掘进机上的液压泵站与溢流模块连接，提供动力循环。
进一步的，所述激震执行模块包括控制器、蓄能器和压力传感器以及激震执行器，所述激震执行器包括激震液压控制回路、击打锤头和冲击油缸，激震液压控制回路和液压油路通过管道连接；所述蓄能器和压力传感器集成于激震执行器上，蓄能器向冲击油缸补油，压力传感器检测冲击油缸压力值，根据其提供控制器的换向信号，驱动冲击油缸带动击打锤头的往返。
进一步的，所述前盾预留孔处设置有弹性垫，以减少激震执行器工作时对护盾的碰撞。
进一步的，还包括回转油缸，所述回转油缸能够带动冲击油缸在一定角度内转动，以使冲击油缸的轴线正对前盾预留孔。
进一步的，所述液压油路中压力油和蓄能器中的高压油进入冲击油缸的大腔内，推动油缸向前打击，控制器根据压力传感器测得的压力信号，驱动冲击油缸的返回，产生设定压力下的一次地震波。
进一步的，所述控制模块控制震源打击力度与频率。
进一步的，所述伸缩杆端还设置有蓝牙传输器，所述蓝牙传输器用于将检波器接收到的信号传输到控制模块，并用于接收控制模块的命令。
进一步的，所述滑轨至少有一条，其上设置有至少两个基座，所述基座上固定有机械臂，所述机械臂包括支撑杆和伸缩杆，所述支撑杆的角度可调，支撑杆上设置有伸缩杆，利用支撑杆的角度调整以及伸缩杆的长度调整，所述检波器被推送进入注浆孔。
本发明的第二目的是提供一种基于上述地震波超前预报搭载装置的工作方法，包括以下步骤：
控制机械臂沿滑轨移动到设定位置；
控制机械臂进行位姿调整，将检波器推送进注浆孔；
控制激震执行模块向前击打并复位，完成设定压力下的一次地震波产生；
检波器接受激震器激发的地震波，并将数据传送至控制模块进行存储；
当前探测结束后，控制模块控制机械臂回缩，收回检波器，并沿滑轨移动到下一次探测位置，重复上述步骤直到所有检测位置的检测完成。
进一步的，当所有检测位置的检测完成后，利用溢流模块进行系统卸荷并结束工作状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提出的一种用于双护盾岩石掘进机的超前预报仪器的搭载装置，该装置能够较好的适用于双护盾tbm施工隧道，在保证探测效果的前提下，实现了观测系统的灵活自动布置。该装置通过控制模块可完成大部分施工过程，机械化程度较高。
(2)本发明提出了一种激震器的搭载位置，可以将激震器搭载于双护盾tbm的前盾上，避免了在管片处的激震对管片衬砌效果的破坏，避免了搭载于刀盘处对刀盘内部结构的损坏，提高了检测数据的可靠性和震源装置对设备的安全性。
(3)本发明提出了一种检波器的自动化安装装置，在盾尾设备桥区域设计了一种基座沿滑轨移动式布置检波器的方案，使得观测系统布置更加灵活高效；并设置伸缩装置，较好地解决了检波器安装的自动化问题。
(4)本发明提出了一种适用于前盾搭载的小体积液压激震装置，可自动完成所选激震点的快速激震动作，提高激震效率并有效节约成本，解决了传统激震方式的占用空间大、安全性低、自动化程度低等问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1(a)和图1(b)是本发明的观测系统整体位置侧视图和横截面图。
图2是本发明的液压激震震源搭载和工作方式说明图。
图3是本发明的机械臂及滑轨位置示意图。
图4是本发明的检波器布置装置说明图。
其中，虚线框内1表示液压激震震源搭载位置，虚线框内2表示检波器配套机械臂和基座安放位置。3，tbm主轴；4，混凝土管片；5，注浆孔；6，tbm驱动；7，前盾预留孔；8，橡胶垫圈；9，球形锤击头；10，冲击油缸；11，回转油缸；12，转向模块；13，蓄能器；14，管路固定块；15，前盾收纳仓；16，控制模块；17，机械臂；18，滑轨；19，滑动基座；20，支撑杆；21，支撑杆固定块；22，液压伸缩杆；23，蓝牙传输器；24，检波器固定板；25，设备桥；26，检波器；27，溢流模块；28，主油路管道(连接tbm的液压泵站)；29，控制器。
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，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术中所述的，由于双护盾tbm的特殊之处，现有技术无法保证激振以及检测的质量。
本发明通过将激震器的安装位置设置在前盾处，将检波器布设在盾尾后方设备桥区域进行。双护盾tbm均带有管片安装部分，因此解决了双盾带管片情况下的检波器全接触、自动化布置问题。
如图1(b)所示，前盾横截面图，观测系统包括虚线框(液压震源搭载位置1)和如图1(a)所示，虚线框(设备桥平台位置2)。前盾预留孔7是激震震源锤头打击位置。注浆孔5处是检波器放置位置。
具体包括搭载于掘进机前护盾上的自动液压激震器，以及设置于设备桥平台上的移动式检波器布设装置，其中：
自动液压激震器包括控制模块16、液压油路和激震执行模块，液压油路为激震执行模块提供驱动力，激震执行模块设置于掘进机前盾的收纳仓15中，控制液压油路的通断，并利用其连通时提供的动力对前盾预留孔7施加击打；
移动式检波器布设装置，包括若干检波器26、滑轨18和机械臂17，滑轨18搭载于设备桥平台上，机械臂17一端与滑轨18滑动连接，另一端设置伸缩杆(在本实施例中为液压伸缩杆22,当然在其他实施例中，可以采用其他形式的伸缩杆，如电动的)，液压伸缩杆22杆端的设置有检波器26，液压伸缩杆22将检波器26送入注浆孔5；
控制模块16接收检波器26采集的信息，并向激震执行模块、机械臂17和检波器26发送驱动控制命令，实现地震波超前预报。
如图2所示，激震执行模块包括控制器29、蓄能器13和压力传感器以及激震执行器，所述激震执行器包括激震液压控制回路、击打锤头和冲击油缸10，激震液压控制回路和液压油路通过管道连接；蓄能器13和压力传感器集成于激震执行器上，蓄能器向冲击油缸10补油，压力传感器检测冲击油缸压力值，根据其提供控制器29的换向信号，驱动冲击油缸的返回。
在本实施例中，击打锤头优选为球形锤击头9，在前盾预留孔7处预先安放橡胶垫圈8以减少球形锤击头9在工作时对护盾的碰撞，增加数据可靠性。管路固定块14设置于主油路的管路上，用于减少管路穿过前盾收纳仓时的磨损。前盾收纳仓15用于集成激震装置各模块。
基于tbm系统的工作方法，需要进行震源激发时，根据控制模块16发出的信号，控制器29开启，主油路向回转油缸11和冲击油缸10供油，回转油缸能够11带动冲击油缸10在一定角度内转动。
液压激震装置控制回转油缸11转动微调，使得冲击油缸10轴线正对前盾预留孔7。然后主油路28中压力油和蓄能器13中的高压油进入冲击油缸10大腔，推动油缸向前打击，控制器根据压力传感器测得的压力信号，驱动冲击油缸的快速返回，完成设定压力下的一次地震波产生，重复上述动作直到完成所有测试。
本实施例中，利用溢流模块27进行系统卸荷并结束工作状态。溢流模块27安装在设备桥平台上，保证压力过大情况下能够快速卸荷，并降低溢流过程中的液压油温，隧道掘进机上的液压泵站与溢流模块连接，提供动力循环。
图3所示为本发明的机械臂和滑轨位置示意图。在本实施例中，检波器26布置装置分两排交错安放于设备桥的上部和下部(可依据具体需要布置更多数量的检波器布置装置)。控制模块16可通过人工操作实现震源打击力度、频率的改变；可通过操作实现基座19的移动和机械臂17的调向；可用于接受并存储蓝牙传输器23传回的检波器数据。溢流模块27通过管路与tbm液压泵站连接，设置于设备桥上部。滑轨18在设备桥上下部、左右两边，沿隧道轴向共布置四条，提供给基座19移动轨道。
当然，在其他实施例中，滑轨18的数量和安装位置可以根据具体的隧道情况和掘进机的情况进行调整。
如图4所示，基座19与控制模块16连接。支撑杆20用于改变机械臂朝向，液压伸缩杆22用于推送杆端检波器进入注浆孔5。蓝牙传输器23用于将检波器26接收到的信号传送给控制模块16。机械臂包括支撑杆20和伸缩杆，支撑杆20的角度可调，支撑杆20上设置有伸缩杆，利用支撑杆20的角度调整以及伸缩杆的长度调整，检波器26被推送进入注浆孔。检波器固定板24用于将检波器固定于液压伸缩杆22杆端。
综上，一次完整的探测过程中，本发明各部分协调作用的顺序为：
第一步，根据控制模块16的第一驱动信息，第一驱动机构带动基座19沿滑轨18移动到待检测位置。
第二步，根据控制模块16的第二驱动信息，第二驱动机构控制机械臂17中的液压伸缩杆22伸长并对准注浆孔5。在此过程中可以通过调节第三驱动机构微调支撑杆20的角度，使得伸缩杆22轴线对准注浆孔5。
第三步，根据控制模块16的第一控制信号，液压激震装置的控制器29打开，主油路供油。液压激震装置控制器控制回转油缸11转动微调，使得冲击油缸10轴线正对前盾预留孔7。然后主油路28中压力油和蓄能器13中的高压油进入冲击油缸10大腔，推动油缸向前打击，控制器根据压力传感器测得的压力信号，驱动冲击油缸的快速返回，完成设定压力下的一次地震波产生。
第四步，埋置于注浆孔5的检波器检测到地震波，接收数据并通过数据线传输给蓝牙传输器23，再传输给控制模块存储地震数据。
第五步，当前探测结束后，根据控制模块16的第三驱动信息，第二驱动机构控制液压伸缩杆22缩回；根据控制模块的第四驱动信息，第一驱动机构带动基座19滑动到下次探测位置。
第六步，当全部探测完成后，根据控制模块16的第五驱动信息，第一驱动机构将所有基座滑动到滑轨18一端，以便下次进行探测。
所述第一、第三驱动机构可以用电机驱动实现，并与控制模块相连。分别控制基座19在滑轨18上的运行，以及机械臂17位姿的调整，均为现有模块，在此不再赘述。
第二驱动机构可用换向阀连接tbm液压泵站和液压杆两端，并与控制模块相连以电气系统控制液压杆伸缩。
综上，本发明通过该搭载装置，可自动完成所选激震点的快速激震动作，提高激震效率并有效节约成本；通过采用该装置，使用控制器即可完成大部分探测过程，自动化程度较高；实现了观测系统的快速布置，在不影响施工的前提下，提高了检测效率。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。