隧道掘进机破岩震源三维地震超前探测装置及方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明隧道掘进机破岩震源三维地震超前探测装置及方法。
【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，在实际工程中得到了越来越多的 应用。但是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。
[0003] 然而，不同于钻爆法，掘进机施工隧道具有其特殊性和复杂性：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；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；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很好的应用：地质雷达法、瞬 变电磁法等传统电磁方法受电磁干扰影响，探测效果并不理想；TSP、TRT等地震超前探测 方法不适用于掘进机隧道的狭小空间，且布置形式复杂、安装时间较长，严重影响掘进机施 工进度。
[0004] 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：①由德国GeohydraulicData公司推出的BEAM(Bore-Tunneling ElectricalAheadMonitoring)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，严重影响施工进度；②SSP(Sonic SoftgroundProbing)和ISIS(IntegratedSeismicImagingSystem)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；③国内发明专利《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。
[0005] 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，地震波法是掘 进机施工隧道超前地质探测中不可缺少的方法，进一步考虑到隧道掘进机的施工特点，利 用破岩震动作为震源进行超前地质探测是一种较好的思路，但现有隧道掘进机破岩震源超 前地质探测方法还存在着以下问题：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，并且缺少一种与掘进机开挖工序紧密结合的检波器快速安装装置及方 法；②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；③与石油钻探以及煤矿用悬臂式掘进机的独头破岩方式不同，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，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。
【发明内容】
[0006] 本发明为了解决上述问题，提出了一种隧道掘进机破岩震源三维地震超前探测装 置及方法，本发明能够及时获知掘进机工作面前方及隧道周围岩体的地质情况及其相应的 力学参数，一方面可以实现地质异常体的超前预报，另一方面也可以用于评价待开挖区域 的围岩质量，为掘进机工作参数优化、保障施工安全提供借鉴。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0008] 隧道掘进机破岩震源三维地震超前探测装置，包括震源传感器阵列、接收传感器 及其支撑装置、噪声传感器以及多通道地震波数据采集仪，其中：
[0009] 所述震源传感器阵列包括多个根据掘进机刀盘形状设置的震源传感器，安装于刀 盘上滚刀后方，接收震源信号；所述震源传感器阵列设有定位单元，采集其所处的空间位 置；
[0010] 刀盘固定于掘进机主轴上，掘进机主轴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，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；
[0011] 所述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；
[0012] 所述多通道地震波数据采集仪，连接震源传感器阵列、接收传感器和噪声传感器， 接收地震波信号与噪声源的噪声信号；
[0013] 同时多通道地震波数据采集仪还与掘进机控制系统保持通信，实时获得掘进机刀 盘工作参数。
[0014] 所述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将滚刀 分组，在每个滚刀组后方安装震源传感器，多个震源传感器组成震源传感器阵列，震源传感 器记录的信号为震源信号。
[0015] 所述震源信号包括有效信号和干扰信号，所述有效信号为相应滚刀组的破岩震动 信号；所述干扰信号包括其他滚刀组的破岩震动信号和掘进机噪声源产生的干扰信号。
[0016] 所述接收传感器及其支撑装置，包括三分量检波器、压力传感器、前液压支撑杆、 后液压支撑杆、径向液压支撑杆、支撑板和支撑装置导轨，支撑板两端分别设置有前液压支 撑杆、后液压支撑杆，前液压支撑杆、后液压支撑杆均连接掘进机主轴，支撑板下端通过径 向液压支撑杆固定在支撑装置导轨上，支撑装置导轨套装在掘进机主轴上，支撑板上安装 有压力传感器和三分量检波器。
[0017] 所述前液压支撑杆、后液压支撑杆与主轴以及支撑板与前液压支撑杆、后液压支 撑杆之间均通过铰链连接。
[0018] 所述掘进机噪声源包括电机工作噪声源、传送皮带工作震动噪声源和掘进机后方 施工噪声源等。
[0019] 所述掘进机刀盘工作参数，包括推力、扭矩、转速和行程等。
[0020] 一种应用上述装置的隧道掘进机破岩震源三维地震超前探测方法，包括以下步 骤：
[0021] (1)在掘进机将要开始工作前，利用接收传感器支撑装置在隧道中实现接收传感 器的三维全空间快速布置，调节支撑板使得三分量检波器与隧道壁相接触；
[0022] (2)控制掘进机工作，接收传感器支撑装置保证支撑板及三分量检波器在隧道中 的绝对位置不发生改变，震源传感器、接收传感器和噪声传感器采集信号，并将所记录的信 息实时传输给多通道地震波数据采集仪；
[0023] (3)多通道地震波数据采集仪接收采集的信息对信号进行去噪、重构以及等效归 一，实现非常规破岩震源地震记录到常规震源地震记录的转化，之后按照常规震源地震记 录处理方法，获得隧道前方及周围区域的纵横波速度模型和三维地震剖面，结合掘进机刀 盘工作参数，通过数据拟合的方式进一步得出地震反射系数与岩石强度指数之间的统计关 系，以根据工作面前方岩体地震波反射系数的空间分布来预测岩体强度指数的空间分布情 况；
[0024] (4)根据得到的纵横