搭载于隧道掘进机上的地震波超前探测系统及方法与流程

本发明涉及一种搭载于隧道掘进机上的地震波超前探测系统及方法。

背景技术

与钻爆法隧道施工相比，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，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。但隧道掘进机对地质条件的适应性较差，突水突泥、塌方等地质灾害给隧道掘进机施工安全带来了重大挑战，极易导致卡机甚至机毁人亡等重大事故。因此提前探明隧道掌子面前方赋存的不良地质体，对于保障隧道掘进机施工安全具有十分重要的意义。

地震波超前探测方法具有探测距离远和能够有效探明掌子面前方赋存的断层和破碎带等不良地质体的优点，可用于隧道掘进机施工隧道进行超前地质预报。地震波超前探测方法可以分为主动源地震波超前探测方法和破岩震源地震波超前探测方法两种，前者采用人工震源(如大锤、超磁滞伸缩震源等和液压/气动震源等)在隧道边墙上激发地震波进行探测；后者可以直接利用隧道掘进机掘进时产生的震动信号进行探测，而无需通过人工震源激发地震波。

目前将地震波超前探测方法用于隧道掘进机施工隧道主要存在以下几个问题：

(1)采用基于无线通讯方式的地震波超前探测系统，其数据传输速率较低且抗干扰能力较差，不适合远距离大容量数据传输，无法实时显示检波器采集到的数据；

(2)有的探测系统仅采用单分量检波器，无法获取隧道边墙x/y/z三个方向上上的地震波波形，且检波器数量十分有限无法进行扩展；

(3)大部分探测系统的内部存储空间十分有限，无法进行长时间进行数据采集，因此仅支持触发采集模式，无法用于破岩震源地震波超前探测方法；

(4)大部分探测系统并未采用有效的时间同步措施，无法确保所有三分量检波器的采样数据同步，导致对异常体的定位结果存在一定误差；

(5)有些研究中的先导传感器采用有线连接方式，位于刀盘后方的非旋转位置，无法获取最为有效的刀盘震动信息。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种搭载于隧道掘进机上的地震波超前探测系统及方法，本发明采用有线方式进行数据传输，具有传输速度快和抗干扰能力强的优点，且可以实时显示多个三分量检波器和先导传感器的数据。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种搭载于隧道掘进机上的地震波超前探测系统，包括先导传感器、先导传感器数据接收机、先导传感器电缆、液压震源、液压震源控制系统、触发信号电缆、三分量检波器、检波器电缆和探测系统主机，其中，先导传感器固定在隧道掘进机刀盘上，先导传感器数据接收机位于隧道掘进机刀盘后方的人仓中；

所述先导传感器和先导传感器数据接收机之间采用无线方式进行数据通讯，先导传感器数据接收机与探测系统主机之间通过先导传感器电缆进行数据传输。

所述三分量检波器共有10-20个，布置在隧道掘进机刀盘后方10m-30m的范围内，分成两组分布在隧道的左右边墙上，并通过检波器电缆与探测系统主机进行数据传输，每侧相邻两个三分量检波器之间具有间距，优选的间距为4m左右。

所述液压震源可实现地震波的可控自动激发，具有激震力量大的优点，能够产生更强的地震波探测信号，有利于提高探测距离；液压震源共有4-12组，布置在隧道掘进机刀盘后方40m-60m的范围内，分成2组分布在横梁的左右两侧，每侧相邻两个液压震源之间具有间距，优选的该间距为2-4m；液压震源控制系统可以控制多个液压震源，液压震源控制系统通过触发信号电缆将激震触发信号传输至探测系统主机，探测系统主机利用时间敏感网络同步采集时间，实现所有三分量检波器的采样数据同步。

进一步的，所述先导传感器包括三轴加速度传感器、放大电路、ad转换电路和定向天线，先导传感器中的三轴加速度传感器获取刀盘在x/y/z三个方向上上的震动信号，放大电路将放大后的震动信号送往ad转换电路，将模拟信号转换为数字信号，三个定向天线将数字信号通过无线方式发往先导传感器数据接收机。

进一步的，所述先导传感器包括先导传感器控制电路、无线模块、充电电池和震动能量收集装置，在隧道掘进机掘进时，可以通过震动能量收集装置将刀盘的震动能量转换为电能，为充电电池充电，从而为先导传感器供电。

先导传感器控制电路在接收到来自无线模块的启动采集命令后，控制三轴加速度传感器、放大电路和ad转换电路工作，否则将一直处于低功耗状态，同时先导传感器控制电路将震动能量收集装置的功率信息通过无线模块发往先导传感器数据接收机。

进一步的，所述先导传感器数据接收机包括定向天线、无线模块、da转换电路和先导传感器数据接收机控制电路，先导传感器数据接收机中的三个定向天线将接收到的三路数字信号分别送往da转换电路，将数字信号还原为模拟信号，x/y/z三个方向上的震动信号将通过先导传感器电缆送往探测系统主机；先导传感器数据接收机控制电路通过先导传感器电缆接收来自探测系统主机的控制命令，从而控制da转换电路，并将控制命令通过无线模块发往先导传感器，同时还将无线模块接收到的先导传感器的功率信息通过先导传感器电缆发往探测系统主机。

进一步的，所述探测系统主机通过先导传感器电缆向先导传感器数据接收机供电。

进一步的，所述先导传感器将采集到的x/y/z三个方向上上的震动信号分别通过三对定向天线与先导传感器数据接收机进行数据传输。

所述三对定向天线工作频带不同，同时进行数据传输。

这种设计方式，提高了数据传输速度且不会互相干扰。

所述定向天线在一定范围内定向发射或接收电磁波信号，能够有效减少来自其他方向上的电磁波干扰。

在先导传感器内部将模拟信号转换为数字信号，在先导传感器数据接收机内部将数字信号转换为模拟信号；在先导传感器和先导传感器数据接收机之间采用无线数字定向通讯，因此具有很强的抗干扰能力和很高的传输速度。

所述刀盘上安装多个先导传感器，并安装有多个配套的先导传感器数据接收机和先导传感器电缆。

所述三分量检波器通过检波器固定座设置于钻孔内，检波器固定座包括一铁质圆盘和一铁质圆杆，铁质圆盘用于吸附检波器安装磁座，铁质圆杆用于塞入隧道边墙上的钻孔中。

探测系统主机包括电源模块、接入指示灯、检波器接入检测电路、检波器信号调理电路、ad采集卡、探测系统主机控制电路和以太网机箱；多个三分量检波器和先导传感器数据接收机采集x/y/z三个方向上的信号，分别通过检波器电缆送往探测系统主机，信号依次经过检波器接入检测电路、检波器信号调理电路和ad采集卡，ad采集卡将采集到的地震波信号转换为数字信号后送往以太网机箱，以太网机箱再将所有ad采集卡的数据通过网络接口发往工控机。

所述检波器接入检测电路识别三分量检波器和先导传感器数据接收机是否与探测系统主机接触良好，如果接触良好则点亮接入指示灯，否则熄灭接入指示灯；检波器信号调理电路过滤掉信号中的直流偏置电压，只保留交流电压信号。

所述以太网机箱采用基于时间敏感网络技术，精确同步多个ad采集卡的时间，确保所有三分量检波器和先导传感器的采样数据严格时间同步，适合长距离分布式数据采集，以太网机箱实现多个ad采集卡间、通道间以及通道对地间的隔离。使得整个系统免受有害外界高压的损害，还可以消除测量系统前端浮地引起的测量误差。

所述电源模块通过电源线接入电源，转换为直流电源后分别为三分量检波器、先导传感器数据接收机和以太网机箱供电；探测系统主机控制电路通过先导传感器电缆接收先导传感器的功率信息，并向先导传感器发送控制命令；探测系统主机控制电路通过触发信号电缆接收来自液压震源控制系统的触发信号，从而控制探测系统主机启动数据采集功能。

所述检波器电缆和先导传感器电缆采用多芯屏蔽电缆，具有传输速度快和抗干扰能力强的优点，工控机实时显示多个三分量检波器和先导传感器的数据，方便随时查看数据质量。

基于上述地震波超前探测系统具有触发采集和连续采集两种工作模式：当系统工作在触发采集模式时，只有接收到来自液压震源控制系统的触发信号后才会启动数据采集，且达到设置的采集时间后自动停止数据采集，使用主动源地震波超前探测方法；当系统工作在连续采集模式时，需要人工启动数据采集和人工停止数据采集，最大数据记录长度仅与工控机的存储空间有关，使用破岩震源地震波超前探测方法。

采集过程包括三个主结构，分别为死循环、主循环和事件结构，三个主结构为嵌套关系，即采集开始时进入死循环，在死循环中嵌套主循环，主循环嵌套事件结构；

进入死循环后，进行变量的初始化，进入主循环，在主循环中等待网络连接事件发生，如果没有网络连接事件发生退出主循环，再次执行总的死循环，如此往复，直到捕捉到网络连接事件。

网络连接成功后，保持在主循环中循环执行，直到所有ad采集卡断开连接，重新回到总的死循环中往复执行，等待新的网络连接事件发生，连接网络成功后读取存储在eerom中的ad参数，初始化界面参数和控件，执行完毕，程序在主循环中循环执行，等待其他事件发生，这些事件主要包括开始读数据事件、停止读数据事件、断开网络连接事件或/和修改参数事件等。

当开始读数据事件成功执行后，主循环每一次循环检查事件结构中是否有事件发生，如果没有事件发生，超过设置的时间范围后，采集固定数量的原始ad采样数据，然后对固定数量的原始ad采样数据换算加速度值，并将加速度值进行实时显示及保存处理。

采集过程中，主要配置有网络连接、数据采集、数据显示、数据保存和参数配置等功能。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)检波器电缆和先导传感器电缆采用多芯屏蔽电缆，具有传输速度快和抗干扰能力强的优点，可实时显示多个三分量检波器和先导传感器的数据，方便随时查看数据质量；

(2)该系统采用三分量检波器，可获取隧道边墙x/y/z三个方向上上的地震波波形，且三分量检波器数量可进行无上限扩展；

(3)先导传感器和先导传感器数据接收机之间采用无线数字定向通讯，具有很强的抗干扰能力和很高的传输速度。可在连续旋转的刀盘上安装多个，因此可以获取最为准确的刀盘震动信息；先导传感器中装有震动能量收集装置，可为先导传感器提供电能，而不必频繁更换电池，方便了现场使用和维护。

(4)该系统具有触发采集和连续采集两种工作模式，可结合使用主动源和破岩震源两种地震波超前探测方法；在连续采集工作模式下，最大数据记录长度仅与工控机的存储空间有关，因此可以长时间连续记录；

(5)先导传感器采集到的数据依次经过ad转换、无线通信和da转换，和多个三分量检波器送往探测系统主机的信号一样，均为模拟信号，因此该系统可以采用基于tsn(时间敏感网络)的技术，可以精确同步多个ad采集卡的时间，具有延迟低和网络流量收敛的优点，可实现对所有三分量检波器和先导传感器进行集中同步数据采样，确保所有三分量检波器和先导传感器的采样数据严格时间同步，适合长距离分布式数据采集。

(6)震源采用液压震源，可实现地震波的可控自动激发，具有激震力量大的优点，能够产生更强的地震波探测信号，有利于提高探测距离。

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为搭载于隧道掘进机上的地震波超前探测系统俯视图；

图2为先导传感器工作原理图；

图3为三分量检波器安装示意图；

图4为探测系统主机结构图；

图5为采集软件整体功能架构图；

图6位采集过程流程图。

其中，1.刀盘，2.人仓，3.横梁，4.主控室，5.先导传感器，6.先导传感器数据接收机，7.检波器电缆，8.先导传感器电缆，9.液压震源，10.触发信号电缆，11.探测系统主机，12.三分量检波器，13.ad转换电路，14.定向天线，15.先导传感器控制电路，16.充电电池，17.无线模块，18.da转换电路，19.先导传感器数据接收机控制电路，20.三轴加速度传感器，21.放大电路，22.隧道边墙，23.检波器固定座，24.检波器安装磁座，25.电源模块，26.接入指示灯，27.检波器接入检测电路，28.检波器信号调理电路，29.ad采集卡，30.探测系统主机控制电路，31.以太网机箱，32.工控机，33.电源线，34.震动能量收集装置，35.液压震源控制系统。

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。

搭载于隧道掘进机上的地震波超前探测系统，俯视图如图1所示，主要由先导传感器5、先导传感器数据接收机6、先导传感器电缆8、液压震源9、液压震源控制系统35、触发信号电缆10、三分量检波器12、检波器电缆7和探测系统主机11组成。其中先导传感器5固定在隧道掘进机刀盘1上，先导传感器数据接收机6位于隧道掘进机刀盘1后方的人仓2中；先导传感器数据接收机6与探测系统主机11之间通过先导传感器电缆8进行数据传输，先导传感器电缆8穿过隧道掘进机横梁3并固定在线槽中；

三分量检波器12共有10-20个，布置在隧道掘进机刀盘1后方10m-30m的范围内，分成2组分布在隧道的左右边墙上，并通过检波器电缆7与探测系统主机11进行数据传输，每侧相邻两个三分量检波器12的间距约为4m。

液压震源9可实现地震波的可控自动激发，具有激震力量大的优点，能够产生更强的地震波探测信号，有利于提高探测距离；液压震源9共有4-12组，布置在隧道掘进机刀盘1后方40m-60m的范围内，分成2组分布在横梁3的左右两侧，每侧相邻两个液压震源9的间距约为3m；液压震源控制系统35可以控制多个液压震源9，液压震源控制系统35通过触发信号电缆10将激震触发信号传输至探测系统主机11。

由于在隧道掘进机掘进时刀盘1和人仓2之间会发生相对转动，因此先导传感器5和先导传感器数据接收机6之间采用无线方式进行数据通讯；先导传感器工作原理图如图2所示，先导传感器5主要由三轴加速度传感器20、放大电路21、ad转换电路13、定向天线14、先导传感器控制电路15、充电电池16和无线模块17组成；先导传感器数据接收机6主要由定向天线14、无线模块17、da转换电路18、先导传感器数据接收机控制电路19、震动能量收集装置34组成。

先导传感器5中的三轴加速度传感器20可以获取刀盘1在x/y/z三个方向上的震动信号，放大电路21将放大后的震动信号送往ad转换电路13，将模拟信号转换为数字信号，三个定向天线14将数字信号通过无线方式发往先导传感器数据接收机6。在隧道掘进机掘进时，刀盘1的震动非常强烈，可以通过震动能量收集装置34将刀盘1的震动能量转换为电能，为充电电池16充电，从而为先导传感器5供电；由于先导传感器5的功耗极低，震动能量收集装置34产生的电能足够使用，且先通过充电电池16再为先导传感器5供电，可提高供电的稳定性和可靠性。

先导传感器控制电路15只有在接收到来自无线模块17的启动采集命令后，才控制三轴加速度传感器20、放大电路21和ad转换电路13工作，否则将一直处于低功耗状态，同时先导传感器控制电路15可以将震动能量收集装置16的功率信息通过无线模块17发往先导传感器数据接收机6。

先导传感器数据接收机6中的三个定向天线14将接收到的三路数字信号分别送往da转换电路18，将数字信号还原为模拟信号，x/y/z三个方向上的震动信号将通过先导传感器电缆8送往探测系统主机11；先导传感器数据接收机控制电路19可以通过先导传感器电缆8接收来自探测系统主机11的控制命令，从而控制da转换电路18，并将控制命令通过无线模块17发往先导传感器5，同时还可以将无线模块17接收到的先导传感器5的功率信息通过先导传感器电缆8发往探测系统主机11；探测系统主机11可以通过先导传感器电缆8向先导传感器数据接收机6供电。

先导传感器5将采集到的x/y/z三个方向上上的震动信号分别通过三对定向天线14与先导传感器数据接收机6进行数据传输，所述三对定向天线工作频带不同，因此可以同时进行数据传输，提高了数据传输速度且不会互相干扰。所述定向天线14可以在一定范围内定向发射或接收电磁波信号，可以有效减少来自其他方向上的电磁波干扰。

在先导传感器5内部将模拟信号转换为数字信号，在先导传感器数据接收机6内部将数字信号转换为模拟信号；在先导传感器5和先导传感器数据接收机6之间采用无线数字定向通讯，因此具有很强的抗干扰能力和很高的传输速度。可以在刀盘1上安装多个先导传感器5，此时只需再安装多个配套的先导传感器数据接收机6和先导传感器电缆8。

三分量检波器安装示意图如图3所示，安装步骤如下：(1)首先在隧道边墙22上施做一定深度的钻孔；(2)然后在钻孔中填充一定量速干水泥，随后将检波器固定座23塞入钻孔中，使检波器固定座23和隧道边墙22之间良好耦合；(3)将三分量检波器12固定到检波器安装磁座24上；(4)最后将检波器安装磁座24通过强磁吸附到检波器固定座23上，可以方便的进行拆卸。

检波器固定座23由一铁质圆盘和一铁质圆杆组成，铁质圆盘用于吸附检波器安装磁座24，铁质圆杆用于塞入隧道边墙22上的钻孔中。

探测系统主机结构图如图4所示，主要包括电源模块25、接入指示灯26、检波器接入检测电路27、检波器信号调理电路28、ad采集卡29、探测系统主机控制电路30和以太网机箱31等。

多个三分量检波器12和先导传感器数据接收机6采集x/y/z三个方向上的信号，分别通过检波器电缆7送往探测系统主机11，信号依次经过检波器接入检测电路27、检波器信号调理电路28、ad采集卡29；检波器接入检测电路27可以识别三分量检波器12和先导传感器数据接收机6是否与探测系统主机11接触良好，如果接触良好则点亮接入指示灯26，否则熄灭接入指示灯26；检波器信号调理电路28可以滤掉信号中的直流偏置电压，只保留交流电压信号；ad采集卡29将采集到的地震波信号转换为数字信号后送往以太网机箱32，以太网机箱32再将所有ad采集卡29的数据通过网络接口发往工控机32；所述ad采集卡29采用24位高速采集卡。

三分量检波器12数量可扩展，且没有上限，只需要同时扩展相应的接入检测电路27、检波器信号调理电路28和ad采集卡29即可。

以太网机箱31采用基于tsn(时间敏感网络)的技术，可以精确同步多个ad采集卡29的时间，具有延迟低和网络流量收敛的优点，可以确保所有三分量检波器12和先导传感器5的采样数据严格时间同步，适合长距离分布式数据采集。以太网机箱32可以方便实现多个ad采集卡间、通道间以及通道对地间的隔离，使得整个系统可以免受有害外界高压的损害，还可以消除测量系统前端浮地引起的测量误差。

电源模块25通过电源线接入220v电源，转换为直流电源后分别为三分量检波器12、先导传感器数据接收机6和以太网机箱31供电。

探测系统主机控制电路30可以通过先导传感器电缆8接收先导传感器5的功率信息，还可以向先导传感器5发送控制命令；探测系统主机控制电路30还可以通过触发信号电缆10接收来自液压震源控制系统35的触发信号，从而控制探测系统主机11启动数据采集功能。

地震波超前探测系统具有触发采集和连续采集两种工作模式：当系统工作在触发采集模式时，只有接收到来自液压震源控制系统35的触发信号后才会启动数据采集，且达到设置的采集时间后自动停止数据采集，可使用主动源地震波超前探测方法；当系统工作在连续采集模式时，需要人工启动数据采集和人工停止数据采集，最大数据记录长度仅与工控机32的存储空间有关，因此可以长时间采集数据，可使用破岩震源地震波超前探测方法。

检波器电缆7和先导传感器电缆8采用多芯屏蔽电缆，具有传输速度快和抗干扰能力强的优点，因此工控机32可实时显示多个三分量检波器12和先导传感器5的数据，方便随时查看数据质量。

采集过程可以通过相应的采集软件来实现，作为一种优选方式，采集软件整体功能架构图，如图5所示，采集软件流程图如图6所示，程序主要包括三个主结构，分别为死循环、主循环、事件结构。三层结构为嵌套关系，即程序开始时进入死循环，在死循环中嵌套主循环，主循环嵌套事件结构。进入死循环后，先执行一些变量初始化，然后进入主循环，在主循环中等待网络连接事件发生，如果没有网络连接事件发生退出主循环，再次执行总的死循环，如此往复，直到捕捉到网络连接事件。网络连接成功后，保持在主循环中循环执行，直到所有ad采集卡29断开连接，重新回到总的死循环中往复执行，等待新的网络连接事件发生。点击软件界面“连接”按钮连接以太网,连接成功后读取存储在eerom中的ad参数，初始化界面参数显示，初始化一些变量和控件，执行完毕，程序在主循环中循环执行，等待其他事件发生，这些事件主要包括开始读数据事件、停止读数据事件、断开网络连接事件、修改参数事件等。当开始读数据事件成功执行后，主循环每一次循环检查事件结构中是否有事件发生，如果没有事件发生，超时1毫秒后，采集固定数量的原始ad采样数据，然后对固定数量的原始ad采样数据换算加速度值，并将加速度值进行实时显示及保存处理。

采集软件详细功能如下：

(1)网络连接：实现上位机与ad采集卡29之间网络连接，通过网线建立基于tcp/ip协议的网络连接。点击网络连接按钮，上位机会通过网口发送网络连接指令，指令集经以太网机箱31转发到各ad采集卡29，ad采集卡29返回连接成功指令。连接成功后，上位机随即读取ad采集卡29内部参数，并显示在软件界面上，方便用户修改。

(2)数据采集：网络连接成功后，上位机通过下发数据采集与读取指令给各ad采集卡29进行数据采样与读取。ad采集卡29按照用户设定的参数每次返回固定字节的数据块，软件接收数据块后对数据进行解析，将每个ad采集卡29的各通道数据分别还原为测量物理量。

(3)数据显示：软件将读取到的数据实时显示在软件界面上，方便用户观察波形。用户可以通过参数设置界面选择当前显示的检波器轴向(x轴、y轴、z轴)。

(4)数据保存：数据保存功能包括触发数据保存与连续数据保存，触发数据保存根据触发传感器的信号通道选择与保存时间设置确定，用户可以设定触发信号阈值与保存时间长度，触发保存数据量一般不大，因此选择将数据保存到txt文本文件中；连续数据保存功能格局用户设置参数连续保存数据，数据保存为二进制格式，用户可设定单个文件大小，避免文件太大无法打开。

(5)参数配置：参数配置主要包括ad采集卡29的ip地址、采样频率、触发源、触发阈值、保存时长、显示轴向及保存路径等内容。上文中未详细说明的部件均使用成品器件。

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。