一种TBM掘进过程中围岩波速构造连续自动测量装置及方法与流程

本发明涉及在tbm隧道掘进过程中围岩弹性波速构造连续自动的测量测试，特别适合分析tbm掘进过程中在不同的隧道围岩区域而引起的波速变化。

背景技术：

岩体可以近似的看作弹性介质，当受到外力场的作用后将发生运动和变形，这种形变将以弹性波的形式在介质内传播。根据弹性理论，介质中波速与弹性参数之间的关系为：

式中：vp纵波速度；vs横波速度；e弹性模量；μ泊松比。

由上式可知，在岩体中波的传播速度与岩体的密度及弹性常数有关，受岩体结构构造、地下水、应力状态的影响，一般有如下规律：①岩体风化、破碎、结构面发育，则波速低，衰减快，频谱复杂；②岩体充水或应力增加，则波速增高，衰减减少，频谱相对简单；③岩体不均匀和各向异性使波速与频谱的变化也相应地表现出不均一性和各向异性。

目前在岩石(体)中进行的测试都是通过对岩石的纵波研究，近年来，表面波调查(sws)受到了岩土工程师们越来越多的关注。瑞利波法是一种新的岩土原位测试勘探方法，利用其频散特性和传播速度与岩土物理力学性质的相关性，可以解决诸多工程地质问题，如划分地层，探测溶洞，土洞和饱水薄砂层等的分布，在本专利中主要应用于获得关于隧道开挖围岩岩体完整性的地质信息。

当地面受到振动后，振动向远方传播形成了波。在波中主要有纵波和横波，其中纵波介质质点的振动方向与传播方向一致，传播速度最快，发生振动后会首先到达观测点，所以又叫p波(primarywave)，横波介质质点的振动方向与传播方向垂直，传播速度较慢，在纵波之后到达，所以又叫s波(secondarywave)。纵波和横波都是从震源呈放射状向外在介质中传播，又被统称为体波。除体波外，还存在一类波，他们只沿介质的表面传播，被称为面波。最常见的是瑞雷面波，其质点的振动轨迹为一椭圆，传播速度略低于横波，在均匀介质中其传播速度约为横波速度的0.9倍。瑞利面波沿介质表面传播，由表面向地下深处的穿透深度与其波长有关。瑞雷面波的振幅从介质表面沿深度方向快速衰减，大约在半个波长以内约集中了全部能量的80％以上，在一个波长以内则集中了全部能量的约95％以上。所以瑞利面波的传播速度主要由从介质的表面到半个波长的深度范围内的介质决定，而几乎与1个波长以深的介质无关。由此可见，高频面波波长较短，只能穿透地表附近很浅的范围内的地层，因而其传播速度只反映浅层地下构造；低频面波，波长很大，能穿透从地表到深处的地层，因而其传播速度能反映从地表到深层的地下构造的综合影响。如果我们能得到从高频到低频的瑞利面波的传播速度，也就得到了反映整个地下构造的信息，用数学的方法按深度把这些信息分离开来，我们就掌握了整个的地下构造。通过对频散曲线进行反演解释，可推断围岩洞壁某一深度范围内的地质构造，据此可对岩土的物理性质做出评价。在应用面波勘探来预测隧道围岩构造信息时，由于不能一次性取得整条隧道测线的数据，波在传播的过程中会逐渐衰减，因此我们在采集数据时，采用高密度面波勘探法。高密度面波勘探法的实现过程包括数据采集、波形处理、频散分析和地下构造分析4部分。

数据采集：高密度面波勘探法所采集的数据，各段(排列)之间有一部分区域相互重叠，在处理数据时，通过叠加处理，合成一个能够覆盖整条测线的共激发点数据，如图1。

波形处理：高密度面波勘探法的波形处理是把坐标信息与监测数据结合在一起，然后使用带通滤波器对数据进行去噪音处理，最后把整条测线的数据叠加在一起，形成一个能够覆盖整条测线的“大排列”。使数据就像用一个排列一次采集的一样，如图2。

频散分析：设面波测量数据为u(x,t),其富氏变换为u(x,f),x＝n*δx，δx为检波器间距。检波器n与检波器1之间的相位差δφ＝ψ(c,x)仅由两检波器之间的距离差x和相速度c＝c(f)引起，如果用相速度对数据进行校正，校正后的数据完全同相位，叠加在一起会得到最大振幅。因此如果用一系列c(f)进行测试，就能找出对应于最大叠加振幅的速度值，即找到了对应于该频率的相速度值，这一过程如下公式描述：

δφ＝ψ(c,x)；c＝c(f)，

∑[u(x,w)/|u(x,w)|]·exp(-δφ)＝maximum(3)

从记录的始端开始，将覆盖整条测线的数据重新分段，各段之间有一部分相互重合，对每一段分别进行频散分析，以获取对应该段的频散曲线。

地下构造分析：地下构造分析即由频散曲线反推地下剪切波速度构造，又称为频散曲线反演分析。根据波在层状介质中的传播理论，瑞雷面波在层状介质中的相速度可表达为：

c(f)＝r(vs1，vp1，d1，h1，vs2，vp2，d2，h2，…,vsi，vpi，di，hi),i＝1,2,....n(4)

其中，vsi，vpi，di，hi分别代表第i层的剪切波速度、纵波速度、密度和层厚。频散曲线反演就是要寻找一个地下构造模型，其频散曲线与从实际测量数据中分析得道的频散曲线之间的误差达到最小，是一个多极值最优化问题。

e＝∑(cobs-ccal)²＝minimum(5)

其中，ccal＝r(vs1，vp1，d1，h1，vs2，vp2，d2，h2，…,vsi，vpi，di，hi，f)为理论相速度，cobs为从野外数据分析得到的实测相速度。反演分析就是求取(vs1，vp1，d1，h1，vs2，vp2，d2，h2，…,vsi，vpi，di，hi，i＝1，2，……n)。

在tbm隧道快速掘进的过程中，不同的隧道围岩区域的波速会不断变化。以往的测试方法分辨率低，隧道施工环境对结果的影响性较大，装置的安装拆卸以及测量方式比较繁琐，需要发明一种tbm掘进过程中围岩弹性波速构造连续自动的测量方法。

技术实现要素：

为了解决现有技术测量围岩弹性波速分辨率低，隧道施工环境对结果的影响性较大，装置的安装拆卸以及测量方式比较繁琐的问题，本发明提供一种tbm掘进过程中围岩弹性波速构造连续自动测量装置及方法。

为了解决上述问题，其技术解决方案为：

一种tbm掘进过程中围岩弹性波速构造连续自动测量装置，包括安装在tbm机水平支撑上的若干液压伸缩杆；设置在液压伸缩杆伸缩端的检波器；小锤；总控制开关；数据采集器；所述总控制开关控制液压伸缩杆的伸缩，所述液压伸缩杆以一定的压力将检波器固定在围岩洞壁上达到增强耦合的效果，所述检波器采集小锤锤击围岩洞壁后产生的表面波，小锤每次敲击后自动触发数据采集器的记录系统将检波器采集的波形数据连续自动的记录下来进而进行波形处理、频散分析、构造分析。

进一步，所述液压伸缩杆与tbm机水平支撑之间设有检测液压伸缩杆压力的压力传感器，每个压力传感器连接有测量压力的压力测量计。

进一步，每个液压伸缩杆包括控制该液压伸缩杆伸缩的独立开关，对与围岩壁接触不充分或接触压力过大的检波器通过独立开关进行微调。

进一步，检波器与围岩壁接触面间涂有薄层黄油、或甘油或凡士林，可以保证检波器和围岩洞壁之间的良好耦合。

一种tbm掘进过程中围岩弹性波速构造连续自动测量方法，包括以下步骤：

步骤1：将若干液压伸缩杆固定在tbm机水平支撑上，每个液压伸缩杆伸缩端固定检波器；

步骤2：在tbm机器施工换步时打开控制液压伸缩杆的总控制开关，液压伸缩杆伸出通过一定压力使检波器固定在围岩壁，达到增强耦合的效果，记录每个接触测点位置，所述的施工换步即为：刀盘停止回转→伸出后支撑，撑紧洞壁→收缩水平支撑使靴板离开洞壁→收缩推进缸，暂停掘进；

步骤3：当检波器与围岩壁之间的压力达到预定值后关闭总控制开关，打开数据采集器，小锤敲击围岩壁，检波器接收经围岩传播过来的表面波信号，数据采集器的记录系统在小锤敲击围岩壁的信号的触发下将检波器采集的波形数据连续自动的记录下来；

步骤4：在一次测量结束后，打开总控制开关使液压伸缩杆收缩至水平支撑上，液压伸缩杆跟随水平支撑向前移动一定距离，距离小于或等于一次测量的长度，在tbm机再一次换步时打开总控制开关重复步骤2和步骤3的过程，所述的再一次换步即为推进缸再一次收缩；

步骤5：将采集到的表面波进行波形处理、频散分析，最后通过地下构造分析推测介质内部的弹性波速度构造。

进一步，检波器与岩壁之间的压力通过设置在液压伸缩杆与tbm机水平支撑之间的压力传感器检测。

进一步，所述步骤3中，对与围岩壁接触不充分或接触压力过大的检波器通过每个液压伸缩杆的独立开关进行微调。

进一步，检波器与围岩壁接触面间涂有薄层黄油、或甘油或凡士林，可以保证检波器和围岩洞壁之间的良好耦合。

本发明通过tbm机水平支撑上的液压伸缩杆将检波器固定在围岩洞壁上，在tbm掘进的间隙中采用数据连续自动记录系统采集激发的声波信息(锤击岩壁)。该方法可以实现整个tbm隧道掘进过程中围岩的声波波速连续自动测量，通过分析记录的声波信息，从而获得隧道掘进过程中波速信息——掘进里程变化曲线，进一步对波速信息进行分析得到频散曲线，对不同的频散曲线进行反演分析可以得到该区域围岩的地质状况，为进行岩体——tbm掘进机相互作用分析，后续支护决策优化提供技术保障。

附图说明

图1为数据采集示意图。

图2为波形处理示意图。

图3为本发明中涉及的tbm掘进过程中围岩弹性波速构造连续自动测量装置纵剖面。

图4为本发明中涉及的液压伸缩杆伸出状态横剖面。

图5为本发明中涉及的液压伸缩杆收缩状态横剖面。

图6为本发明中压力传感器的安装位置示意图。

图7为测量过程位移展示。

图中：1、tbm机水平支撑，2、液压伸缩杆，3、检波器，4、小锤，5、控制电缆，6、围岩洞壁，7、压力传感器，8、总控制开关，9、独立开关，10、数据采集器，11、压力显示表。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图3所示，本实施例提供一种tbm掘进过程中围岩弹性波速构造连续自动测量装置，包括安装在tbm机水平支撑上1的若干液压伸缩杆2；设置在液压伸缩杆2伸缩端的检波器3；小锤4；总控制开关8；数据采集器10；所述总控制开关8控制液压伸缩杆2的伸缩，所述液压伸缩杆2以一定的压力将检波器3固定在围岩洞壁6上达到增强耦合的效果，所述检波器3采集小锤4锤击围岩洞壁后产生的表面波，所述数据采集器10为面波仪，小锤4每次敲击后自动触发数据采集器10的记录系统将检波器3采集的波形数据连续自动的记录下来进而进行波形处理、频散分析、构造分析。

为了保证检波器3和围岩洞壁6之间的良好耦合，可以在检波器3与围岩6间涂抹薄层黄油、甘油或凡士林等耦合剂，通过液压伸缩杆2以一定的压力进行固定，作用在检波器3上，达到增强耦合的效果。将压力传感器7安装在液压伸缩杆2与水平支撑1之间，通过压力传感器7将检波器3与围岩洞壁6之间的液压伸缩杆2压力大小传递至主控室的压力显示表11，压力大小可以通过压力显示表11读出，参照国际岩石力学试验规程，详见ulusay,r.andhudson,j.a.(2007)thecompleteisrmsuggestedmethodsforrockcharacterization,testingandmonitoring:1974-2006。取检波器作用在围岩表面的应力为10n/cm2左右，乘以检波器与围岩的接触面积，计算出所需液压伸缩杆的压力值。也可以对围岩进行取样，通过对试样波速的标定来确定合适的液压伸缩杆压力值。在一种较佳实施例中，每个液压伸缩杆2上安装独立开关9，该独立开关9通过电缆装置于主控室内，分别控制对应伸缩杆的伸长长度，使检波器3与围岩洞壁6良好耦合的同时，避免压力过大使检波器3或围岩洞壁6受损。

采用上述实施例的围岩弹性波速构造连续自动测量装置对表面波进行测量的方法，包括以下步骤：

步骤1：将若干液压伸缩杆2固定在tbm机水平支撑1上，每个液压伸缩杆2伸缩端固定检波器3。

步骤2：为了减少tbm机进行掘进工作时机器的震动以及产生的噪音对试验的影响，在tbm机器施工换步时打开总控制开关8，液压伸缩杆2伸出使检波器3与岩壁6接触(如果检波器与围岩接触不密实或者过度接触，通过液压伸缩杆上的独立开关9进行微调)，参见图4，记录每个接触测点位置。

步骤3：当压力显示表11达到预定值后关闭伸缩杆开关，打开数据采集器10，打开锤击开关，发出锤击信息，小锤4敲击围岩壁，检波器3接收经围岩传播过来的面波信号，数据采集器10采集面波在锤击点和检波器之间(即围岩表面)的振动传播信号，数据采集器10的数据连续记录系统进行连续自动记录并储存。

步骤4：在一次测量结束后，打开总控制开关8使液压伸缩杆2收缩至水平支撑1上，参见图5，以防止检波器、液压伸缩杆等影响工人施工。接着tbm机进行换步，例如待掘进长度小于3m处时，停止tbm机掘进，待推进缸收缩，水平支撑稳定后，打开液压伸缩杆开关8，使伸缩杆2伸至围岩洞壁处，重复以上步骤，使用数据采集器的数据连续记录系统将面波传播信息记录并储存。其中，液压伸缩杆跟随水平支撑向前移动的距离小于或等于一次测量的长度。

步骤5：将采集到的弹性波进行波形处理、频散分析，最后通过地下构造分析推测介质内部的弹性波速度构造。

实施例所述的换步指刀盘停止回转→伸出后支撑，撑紧洞壁→收缩水平支撑使靴板离开洞壁→收缩推进缸，暂停掘进。

整个tbm机掘进过程中围岩弹性波速构造连续自动测量过程示意图如图7所示。图中s1，s2所示为一整次测量15个检波器之间的距离，待一组数据处理完之后，向开挖反向水平移动一定的距离，该距离小于15个检波器之间的距离，为保证测量区域有交叉重叠，图7中s所示为重叠部分范围。检波器的数量不限于15个，可根据实际测量需求而设定具体数量。

由于本发明实现了对tbm掘进过程中围岩弹性波速构造的连续自动测量，也可用于混凝土中的波速连续自动测量。

本发明通过固定检波器和面波仪，采用数据连续自动记录系统连续记录面波在隧道围岩中的传播波速，从而实现整个在tbm掘进过程中围岩表面的面波信息的连续自动测量。实现了面波信息的连续测量，通过数学分析计算出面波的频散曲线，并进行相速度反演分析，模拟出测试地点的地质构造，从而为tbm掘进的整个过程中围岩洞壁的完整性研究和应用提供了技术保障。