隧道掘进机破岩震源和主动源三维地震联合超前探测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种隧道掘进机破岩震源和主动源三维地震联合超前探测系统。
【背景技术】
[0002] 隧道施工通常采用全断面掘进机施工和钻爆法施工，与传统的钻爆法相比，隧道 掘进机施工具有机械化程度高、施工速度快等显著优势，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%，而随着中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。众多工程实践表明，隧道掘进机对地质条件变化的适应性较差，在遭遇不 良地质段时常常发生突水突泥、塌方等地质灾害，易引发卡机甚至机毁人亡等重大事故。为 避免隧道掘进机施工过程中地质灾害和安全事故的发生，最有效的解决方法就是采用超前 地质探测技术提前查明工作面前方不良地质情况，从而能够预先制定合理的处置措施和施 工预案。
[0003] 然而，掘进机施工隧道中超前地质探测方法与技术是国内外隧道工程界公认的难 题，其根本原因在于掘进机施工隧道具有其特殊性和复杂性：
[0004] ①隧道掘进机具有复杂的金属结构和电工系统，电磁干扰十分严重；
[0005] ②隧道掘进机体积庞大，占据了工作面后方大部分隧道空间，导致可用于超前地 质探测的观测空间十分狭小；
[0006] ③隧道掘进机开挖速度快，工序衔接紧密，留给超前地质探测的时间较短。受这些 因素制约，钻爆法施工隧道中经常使用的超前地质探测方法在掘进机施工隧道中难以得到 较好的应用。
[0007] 为此，国内外提出了一些专门适用于掘进机施工隧道的超前地质探测方法，但仍 然存在一些问题：
[0008] ①由德国GeohydraulicData公司推出的BEAM(Bore-TunnelingElectrical AheadMonitoring)系统，BEAM是一种一维聚焦类激发极化法，探测距离短、受电磁干扰影 响大，且测试设备安装复杂、耗时较长，影响施工进度；
[0009] ②SSP(SonicSoftgroundProbing)和ISIS(IntegratedSeismicImaging System)等地震波超前探测方法，观测方式较为简单，未采用有效的三维空间观测方式，导 致异常体空间定位效果较差、空间分辨率也不理想；
[0010] ③国内实用新型专利《一种适合于TBM施工的地质超前预报方法》和《以掘进机 为震源的巷道随掘地震超前探测装置及方法》借鉴了石油测井中的随钻地震方法，提出利 用岩石切割信号作为震源进行超前地质探测，前者基本沿用了钻爆法隧道中HSP的处理方 法，针对掘进机破岩震动的强干扰噪声，并没有采取适当的去噪手段，而后者主要针对的是 矿山巷道中较为常用的悬臂式掘进机，悬臂式掘进机只有一个截割头，在截割头后方的掘 进机臂上也只有一个震源信号接收传感器，与之相比，隧道掘进机刀盘面积巨大且用于破 岩的滚刀数量众多，不同滚刀之间的破岩震动差别很大，仅采用单一的传感器难以获得准 确、全面的破岩震动特征。
[0011] 综上所述，由于在地质体刻画和定位方面的优势，加上探测距离远，地震法是掘进 机施工隧道超前地质探测中不可缺少的方法，但现有掘进机施工隧道地震波超前探测方法 还存在着以下问题：
[0012] ①接收传感器的空间布置形式简单，未采用有效的三维空间观测方式，难以获得 周围岩体的较准确的三维波场信息，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；
[0013] ②关于主动源地震法，为不影响隧道掘进机正常施工，需要尽量利用掘进机停机 检修时间进行探测，现有方法缺少一种专门针对掘进机施工隧道的快速安装装置及方法， 导致探测效率较低，影响掘进机的正常施工；
[0014] ③关于破岩震源地震法，一方面，没有考虑掘进机刀盘破岩与石油钻探、煤矿用悬 臂式掘进机的独头破岩方式的不同，即隧道掘进机刀盘面积较大且用于破岩的滚刀数量众 多、不同滚刀之间的破岩震动差别很大，而现有方法仅仅采用了单一的震源传感器，难以获 得准确、全面的破岩震动特征，另一方面，现有处理方法没有分别针对震源信号和接收信号 进行专门的噪声去除，使得地震记录信噪比较低，影响探测精度；
[0015] ④主动源地震法在掘进机停机检修时间通过空气锤或磁致伸缩器敲击隧道边墙 或工作面产生地震波，激震能量相对较强，适合于远距离的超前探测，而破岩震源地震法利 用掘进机工作过程中的刀盘破岩震动作为震源，激震能量相对较弱但含有较高比例的横波 成分，在近距离较精确探测方面具有优势，这两种方法在工作时间和探测距离上具有很强 的互补性，两种方法的有机结合能够进一步提高地震法超前预报结果的精确度和可靠度， 但现有技术没能将两者很好的联合起来。 【实用新型内容】
[0016] 本实用新型为了解决上述问题，提出了一种隧道掘进机破岩震源和主动源三维地 震联合超前探测系统，综合利用主动震源和破岩震源两种方式进行三维地震联合超前探 测，其基本思路是：首先，利用接收传感器支撑装置在掘进机施工隧道中实现三分量检波器 的三维全空间灵活、快速布置；然后，在隧道掘进机开始工作前，使用激震能量较强的主动 震源激发产生地震波，地震波经过波阻抗界面反射后被与隧道壁紧密接触的三分量检波器 所接收，使用常规地震记录处理方法对采集到的地震波信息进行自动处理，实现工作面前 方120m范围内地质异常体的远距离超前预报；在掘进机工作过程中，利用激震能量较弱的 刀盘破岩震动作为震源，并采用非常规破岩震源地震记录处理方法，实现地质异常体实时 近距离较精确预报，并对待开挖区域的围岩质量进行表征和评价。最后，联合主动源和破岩 震源三维地震超前探测的结果，对工作面前方的地质情况给出综合性的判断，为掘进机工 作参数优化和施工安全控制提供支撑。
[0017] 为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
[0018] -种隧道掘进机破岩震源和主动源三维地震联合超前探测系统，包括激震系统、 接收传感器及其支撑装置、破岩震源传感器阵列、噪声传感器、控制系统和多通道地震波数 据采集仪；
[0019] 所述激震系统根据位置不同可分为工作面震源和边墙震源，所述工作面震源设置 在掘进机刀盘上，所述边墙震源设置于掘进机主轴上，刀盘固定于掘进机主轴上，掘进机主 轴中段设置有三组以其为中心呈环状分布的接收传感器及其支撑装置，分别对应隧道拱顶 和左右拱腰，用于接收刀盘破岩震动在地层中传播时遇到不良地质体后反射回来的地震信 号；
[0020] 所述破岩震源传感器阵列，安装在掘进机刀盘后方，根据刀盘上滚刀的分布情况 在其后方安装破岩震源传感器，多个破岩震源传感器组成破岩震源传感器阵列；
[0021] 所述掘进机工作噪声传感器安装在掘进机噪声源处，用于记录各个噪声源所产生 的噪声信号；
[0022] 所述控制系统控制激震系统的震动情况和运动；
[0023] 所述多通道地震波数据采集仪分别与破岩震源传感器阵列、三分量检波器和掘进 机工作噪声传感器相连接，负责存储并处理检波器记录的地震波信息。
[0024] 所述激震系统根据位置不同分为工作面震源和边墙震源，所述工作面震源包括可 控震源、震源压力传感器、震源液压伸缩杆和震源进出口舱门，所述边墙震源包括可控震 源、震源压力传感器、震源液压伸缩杆和震源导轨；
[0025] 所述工作面震源安置在掘进机刀盘上，为多个，在刀盘上呈对称分布，根据刀盘上 滚刀的分布情况选择工作面震源的合适位置，另外在刀盘相应位置上还预留有多个工作面 震源进出口，震源进出口舱门在控制系统的控制下按照预设的卡槽运动，实现震源进出口 的开闭，供工作面震源进出；
[0026] 所述边墙震源位于震源导轨上，震源导轨包括一个圆形滑环导轨和一个沿着掘进 机主轴的轨道，可控震源在震源导轨上沿主轴前后方向自由滑动，同