隧道掘进机中主动源三维地震超前地质探测装置及方法

文档序号:8360137阅读:744来源:国知局
隧道掘进机中主动源三维地震超前地质探测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及隧道掘进机施工过程中的地质超前预报领域,尤其涉及一种隧道掘进 机中主动源三维地震超前地质探测装置及方法。
【背景技术】
[0002] 与传统的钻爆法施工相比,隧道掘进机施工具有"掘进速度快、成洞质量高、综合 经济效益高、施工安全文明"等显著优势,日本、美国、欧洲等发达国家采用掘进机施工的隧 道比例超过80%,而随着我国隧道建设的不断发展,隧道掘进机也将得到越来越多的应用。 与此同时,众多工程实践表明,隧道掘进机对地质条件的适应性较差,突水突泥、塌方等地 质灾害以及由此诱发的卡机甚至机毁人亡等重大事故给隧道掘进机安全施工带来了重大 挑战。为避免掘进机施工中的地质灾害和安全事故,最为有效的解决方法就是采用超前地 质预报技术,根据探测得到的掘进机工作面前方不良地质情况预先制定合理的处置措施和 施工预案。
[0003] 目前,国内外在钻爆法施工隧道超前地质探测的理论和技术方面取得了重要进展 和良好的应用效果,然而TBM施工隧道中实用有效的超前探测理论与方法是国内外长期关 注却未能解决的难题,其根本原因在于TBM施工环境极为复杂。TBM拥有复杂的金属结构和 电工系统,占据了掘进面后方大部分隧道空间,其掘进速度较快,工序衔接紧密,造成"电磁 干扰十分严重,可用观测空间极为狭小,容许探测时间比较紧促",导致传统地球物理方法 无法很好地适用。
[0004] 地震波反射法相对于其他超前预报方法,具有预报距离远、方便快捷等优势,是隧 道超前预报中的重要方法。目前,地震波反射法中的TRT(TunnelReflectionTomography) 和TRUST(TrueReflectionUndergroundSeismicTechnique)既能用在钻爆法隧道,又 能用在掘进机隧道中,这两种方法采用三维空间观测形式,但没有特别考虑掘进机隧道的 特殊环境(观测空间狭小,探测时间有限),探测方法也基本照搬钻爆法施工中的技术手 段,不是特别针对掘进机隧道的方法,在预报中需要人工手动安装激振器与检波器,效率低 下,探测时可能会影响掘进机正常施工。世界上掘进机专用的地震超前预报方法主要有 SSP(SonicSoftgroundProbing)、ISIS(IntegratedSeismicImagingSystem)以及国内 有关学者申请的专利(《掘进机法施工中利用震动信号超前地质预报的装置及使用方法》、 《一种适合于掘进机施工的地质超前预报方法》等)。这些方法主要存在以下问题:
[0005] ①观测方式简单,未采用有效的三维空间观测方式,难以获得周围岩体的准确波 场信息,导致异常体空间定位效果较差,容易出现漏报、错报和误报等问题。
[0006] ②为不影响隧道掘进机正常施工,地震波超前探测需要尽量利用掘进机检修时间 (每天约2小时)进行探测,这就对地震波超前探测的效率提出了要求,因而上述方法缺少 一种针对掘进机施工隧道的快速安装装置及方法,导致探测时效率较低,,影响掘进机的正 常施工。
[0007] ③地震波数据处理的自动化需要进一步提高,地震波偏移成像方法有待改善,三 维成像、异常体空间定位及其探测精度有待提高。

【发明内容】

[0008] 本发明的目的就是为了解决上述问题,提出了一种隧道掘进机中主动源三维地震 超前地质探测装置及方法,该装置及方法可以根据需要自由选择需要工作的检波器个数及 在隧道中的位置,自由组合,方便灵活,同时可获得不同震检距的地震数据,有利于获得子 面前方准确的速度分布,从而对掌子面前方异常体进行精确定位。
[0009] 为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
[0010] 一种隧道掘进机中主动源三维地震超前地质探测装置,包括掘进机刀盘以及与所 述刀盘连接的掘进机主体,所述掘进机主体内设有主控室,主控室内设有控制器和多通道 地震波数据采集仪;所述掘进机刀盘和掘进机主体前端分别设有震源系统;在所述掘进机 主体工作面后方按照一定的空间观测方式设有数据采集系统;所述控制器分别与多通道地 震波数据采集仪、震源系统和数据采集系统连接,多通道地震波数据采集仪与数据采集系 统连接;
[0011] 控制器分别将震源系统和数据采集系统递送到对应的隧道壁上;当震源系统接触 到隧道壁的压力达到一定值时,震源即与隧道壁接触良好;同时,当数据采集系统接触到隧 道壁的压力达到一定值时,数据采集系统的检波器与隧道壁自动耦合。
[0012] 所述震源系统包括:工作面震源阵列和边墙震源阵列;
[0013] 所述工作面震源阵列设置在掘进机刀盘上,并沿掘进机刀盘中心对称分布;所述 边墙震源阵列位于掘进机主体的前端。
[0014] 所述边墙震源阵列包括:可控震源、震源压力传感器、震源液压伸缩杆以及震源进 出口舱门;
[0015] 所述边墙震源阵列位于震源行走装置上,震源行走装置包括圆形滑环震源导轨和 沿着隧道轴向的轨道;所述圆形滑环震源轨道上面有锯齿,震源在其上自由滑动,同时能够 360°自由旋转;
[0016] 所述震源进出口舱门位于掘进机刀盘上,所述可控震源和震源压力传感器安装在 震源液压伸缩杆的顶端,可控震源通过回路触发器与多通道地震波数据采集仪连接,震源 压力传感器和震源液压伸缩杆分别与控制器连接。
[0017] 所述震源液压伸缩杆采用中空设计,所述震源进出口舱门能够在控制器的控制下 按照预设的卡槽运动,实现震源进出口的开闭。
[0018] 所述数据采集系统包括:自动耦合的三分量检波器、检波器行走装置、检波器压力 传感器、无线数据传输器、检波器液压伸缩杆和检波器进出口舱门;
[0019] 所述检波器进出口舱门位于掘进机上,检波器压力传感器设置在自动耦合的三分 量检波器中,自动耦合的三分量检波器通过检波器液压伸缩杆连接到检波器行走装置上; 自动耦合的三分量检波器以空间方式通过检波器行走装置安置在掘进机工作面后方一定 范围内的三个横截面上;
[0020] 所述自动耦合的三分量检波器与无线数据传输器相连,无线数据传输器与多通道 地震波数据采集仪通讯,检波器压力传感器和检波器液压伸缩杆分别与控制器连接,检波 器进出口舱门在控制器的控制下按照预设的卡槽运动,实现检波器进出口的开闭。
[0021] 所述的自动耦合的三分量检波器靠近隧道壁一侧设计成与隧道壁形状相似的圆 弧形、另外一侧连接活塞和压力传感器,活塞后装有耦合剂,三分量检波器和活塞中间预留 有耦合剂通道;当检波器与隧道壁接触压力达到一定程度时,活塞后的耦合剂会在压力的 作用下从耦合剂通道自动流出,使得三分量检波器与隧道壁耦合更好。
[0022] -种隧道掘进机中主动源三维地震超前地质探测装置的工作方法,包括如下步 骤:
[0023] 步骤1 :掘进机停止工作后,控制器控制检波器液压伸缩杆将自动耦合的三分量 检波器朝对应的隧道壁方向送出,当所述自动耦合的三分量检波器与隧道壁之间的接触压 力达到一定值时,停止检波器液压伸缩杆的运动,同时完成检波器与隧道壁的耦合;
[0024] 步骤2 :控制器控制震源液压伸缩杆将可控震源向外送出,当所述可控震源与掘 进机工作面或隧道壁之间的接触压力达到一定值时,停止震源液压伸缩杆的运动;
[0025] 步骤3 :多通道地震波数据采集仪控制可控震源震动,激发产生宽频地震波,同 时,多通道地震波数据采集仪向多个无线数据传输器同时发送采集指令;
[0026] 步骤4 :所述步骤3中产生的地震波在遇到波阻抗界面后发生反射,被三维全空 间布置的三分量检波器采集,并经由各自的无线数据传输器发送给多通道地震波数据采集 仪;
[0027] 步骤5 :多通道地震波数据采集仪对采集到的地震波信息进行处理,得到掘进机 工作面前方的地质情况;
[0028] 步骤6 :根据步骤5中得到的掘进机工作面前方的地质情况,结合掘进机开挖时的 推力大小、掘进速度工作参数,得到掘进机工作面前方岩体的地质情况及其相应的力学参 数,实现地质异常体的超前预报。
[0029] 所述步骤5中对采集到的地震波信息进行处理的方法包括:
[0030] 1)道集编辑:实现对坏道切除和有效数据长度(依据预报长度)截取;
[0031] 2)球面波扩散真振幅补偿:补偿地震波波前球面几何扩散造成的振幅损失,使其 保持相对真振幅;
[0032] 3)频谱分析以及带通滤波:采用傅里叶变换将地震信号从时间域变换到频率域, 根据有效波与干扰波在频谱上的差异来达到滤波的效果;
[0033] 4)初至波拾取:采用比值法自动确定纵横波初至到达时间;
[0034] 5)炮检点静校正:将各检波器及震源校正到同一参考面上,并消除由于不同震源 引起的各记录道地震波的超前或滞后效应;
[0035] 6)道集均衡:具体包括道内均衡和道间均衡;
[0036] 所述道内均衡是压缩各道中浅层能量较强的波、增大深部能量较弱的波,使浅层 和深层地震波的振幅控制在一定的动态范围内;所述道间均衡是为了消除不同震源点激发 能量差异,使得反射波振幅不受激发条件的影响,而只是反映地质构造情况;
[0037] 7)有效反射波提取:采用反Q滤波和倾角滤波压制干扰波以及掘进机工作面后方 的无效反射波,仅保留来自掘进机工作面前方和侧面来的有效反射波并自动提取;
[0038] 8)反Q滤波:补偿由于地层非弹性体导致的能量和频率衰减,校正子波相位的拉 伸效应;
[0039] 9)纵横波分尚:将三分量检波器三个分量中接收到的P波、SH波和SV波分尚开 来,便于进行下一步
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