一种适用于TBM隧道的地震波法超前预报辅助装置及方法与流程

本发明涉及tbm隧道的地震波法超前预报技术领域，尤其涉及一种适用于tbm隧道的地震波法超前预报辅助装置及方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

当前，随着隧道建设的不断发展，tbm以其所具有的“快速、优质、安全、经济”等优点，得到了越来越广泛的应用。但是tbm也具有诸多缺点，其中尤为突出的是对地质条件适应性差，当穿越诸如软岩、断层带和风化岩等软弱围岩时，常常发生塌方、涌水突泥甚至卡机等问题，影响人员安全和工程施工。因此，在tbm施工中进行地质超前预报，探明掌子面前方地质构造，就显得极为重要。

在tbm隧道施工中，由于存在大量的金属结构且掌子面空间狭小，常用的地质雷达法和瞬变电磁法等传统超前预报方法受到限制，探测效果不佳。然而，地震波法在tbm隧道超前预报中表现突出，优点主要是受干扰小，并对断层、溶洞等岩性分界面敏感性较好。

地震波法的主要工作原理是当地震波遇到波阻抗差异界面时，一部分信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质。波阻抗的变化通常发生在地质岩层界面或岩体内不连续界面，反射的地震信号被高灵敏地震信号传感器接收，地震波从一种低波阻抗物质传播到一个高波阻抗物质时，反射系数是正的；反之，反射系数是负的。因此，当地震波从软岩传播到硬的围岩时，反射波的偏转极性和波源是一致的。当岩体内部有破裂带时，反射波的极性会反转。反射体的尺寸越大，波阻抗差别越大，反射波就越明显，越容易探测到。通过分析，被用来了解隧洞工作面前方地质体的性质(软弱带、破碎带、断层等)、位置及规模。地震成像结果采用相对解释原理，即确定一个背景场，所有解释相对背景值进行，异常区域会偏离背景区域值，根据偏离与分布多少解释掌子面前方的地质情况。

现阶段，在tbm施工隧道地震波法超前预报的过程中存在诸多问题和不足之处：

①检波器的安装主要依靠人工，在检波器、固定块及传输电缆的连接和与墙体的耦合过程中，利用锚固剂使固定块固定在墙体上或钻孔，这种方法费时费力，安装效率低下，同时墙体上的水还会影响耦合效果，影响有效数据的采集；

②数据采集完成后，检波器的回收工作复杂繁琐，固定块不易从墙体上拆除，且锚固剂难以清理，回收工作同样会耗费大量时间，对工程施工造成影响；

③由于隧道空间狭小，主要采取人工锤击激发震源的方法，对作业人员的身体力量要求较高，且无法以固定的力量激发震源，导致有效激发极为困难，效率低下，事倍功半，并且震源点阵列分布在墙体上，tbm机械无法承载工作人员靠近震源点，人身安全无法保证。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种适用于tbm隧道的地震波法超前预报辅助装置及方法，能够保证在使用地震波法进行tbm施工隧道超前预报的探测过程中，利用自动装置快速、高效地安装检波器，并实现多点震源的有效激发，以及装置的快速回收和重复使用。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种适用于tbm隧道的地震波法超前预报辅助装置，包括：搭载部、检波器单元、震源激发单元和控制单元；

所述搭载部包括：拱架，所述拱架的两端分别固定在基座上；所述基座能够在承载tbm的滑轨上滑动；所述检波器单元和震源激发单元分别设置在拱架上，且能够沿所述拱架环向滑动；

所述控制单元与搭载部、检波器单元和震源激发单元分别通信，用于控制基座在所述滑轨上的滑动，用于分别控制检波器单元和震源激发单元在拱架上的滑动，以及用于控制震源激发单元的震源激发和数据采集。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种适用于tbm隧道的地震波法超前预报辅助装置的工作方法，包括：

根据地震波法探测设计中的测点布设位置，分别调整基座、检波器单元和震源激发单元的位置；

控制检波器单元伸出，贴紧墙体；控制向检波器单元与墙体的缝隙输送耦合剂，实现检波器单元与墙体的耦合；

控制震源激发单元进行震源的激发，采集地震波数据；

调整震源激发单元的位置，进行下一个测点的探测。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明结构在某固定直径的探测隧道中只需要进行一次装置的安装，之后即可随着tbm的前进而前进，紧随施工进度进行掌子面前方的地质超前预报，依靠无线传输器发出指令，控制设备移动、数据采集和设备回收工作，提高了超前预报的工作效率，降低人工成本和保证工作人员的人身安全。

2、本发明采用基座在轨道上滑动的移动方式并紧贴墙体，不会占用tbm两侧和上方的作业空间，避免对施工人员的走动和检修设备工作造成干扰，在必要的情况下或预报工作完成的情况下，可以按照与装置安装相反的顺序进行拆卸，并可以再次应用于相同洞径的隧道超前预报工作中，节省成本。

3、本发明利用自动震源激发装置，突破了tbm施工隧道作业空间狭小的限制，实现了震源的有效稳定激发，使作业人员无需靠近有危险隐患的位置，降低了人员身体力量的要求，有利于进一步提高作业效率和保证人员的人身安全。

附图说明

图1是本发明一个实施例中适用于tbm隧道的地震波法超前预报辅助装置结构示意图；

图2是本发明一个实施例中检波器单元结构示意图；

图3是本发明一个实施例中激震器单元结构示意图；

其中，1、承载tbm的滑轨，2、滑轮，3、基座，4、激光测距仪，5、固定螺栓，6、柔性拱架，7、齿形轨道，8、检波器单元，9-1、第一动力齿轮，9-2、第二动力齿轮，10、耦合剂容纳盒，11、耦合剂通道，12-1、第一伸缩单元，12-2、第二伸缩单元，13、检波器，14、震源激发单元，15、动能转换弹簧，16、震源激发锤，17、气压平衡孔。

具体实施方式

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，本发明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。

实施例一

在一个或多个实施例中，公开了一种适用于tbm隧道的地震波法超前预报辅助装置，包括：搭载部、检波器单元8、震源激发单元14和控制单元；

参照图1，搭载部包括：柔性拱架6，柔性拱架6的两端分别通过固定螺栓5固定在基座3上；基座3底部设置有滑轮2，可以在承载tbm的滑轨1上滑动；基座3为金属材料，能够降低装置的重心，增加装置的自稳能力；基座3上设置有激光测距仪4，能够控制相邻基座3的距离，使各检波器13按设计的组内距排列，布设成一定的阵列组合，形成组合检波，压制规则干扰及随机干扰。基座3内部设置有无线传输器和动力装置，用于接收指令控制滑轮2的转动，调整基座3的位置。

柔性拱架6的尺寸可以根据隧道直径尺寸设计制造，柔性拱架6为柔性材料，保证柔性拱架6能够稳定移动，避免可能存在的凹凸不平的墙体对柔性拱架6的破坏。柔性拱架6为半封闭式中空结构，内部设置有齿形轨道7，保证位移的精确度。

检波器单元8和震源激发单元14分别设置在柔性拱架6上，检波器单元8和震源激发单元14上分别设有动力齿轮，通过动力齿轮与齿形轨道7配合，实现检波器单元8和震源激发单元14分别沿柔性拱架6环向滑动。

控制单元与搭载部、检波器单元8和震源激发单元14分别通信，控制单元包括：位移控制子单元和数据采集子单元，位移控制子单元用于控制基座3在滑轨上的滑动以及检波器单元8和震源激发单元14在拱架上的滑动；数据采集子单元用于控制检波器单元8的伸缩、耦合剂的输送、震源激发单元14的震源激发以及地震波数据的采集与存储。

参照图2，检波器单元8包括：检波器13，检波器13通过固定块与墙体连接；

检波单元与第一伸缩件连接，第一伸缩件用于实现检波单元伸出或者收回拱架；对于伸缩件的伸缩控制也是通过控制单元与无线传输器通信实现的。第一伸缩件通过连接第一动力齿轮9-1固定在拱架上，第一动力齿轮9-1与拱架上设置的滑轨相匹配；利用第一动力齿轮9-1在柔性拱架6上移动，并且由第一无线传输器接收指令控制，保证位移的精确度。

第一伸缩件和第一动力齿轮9-1之间设有耦合剂容纳盒10，耦合剂容纳盒10连通耦合剂通道11，耦合剂通道11延伸至固定块与墙体之间的缝隙，保证耦合剂填充固定块与墙体之间的缝隙，保证数据采集效果；耦合剂容纳盒10由控制单元控制每次可以输送定量的耦合剂。

检波器单元8上设有第一无线传输器，第一无线传输器与控制单元通信，实现对伸缩件的伸缩控制、耦合剂的传输控制以及第一动力齿轮9-1的转动控制。

检波器13设计为可伸缩结构，不工作时收缩在柔性拱架6中，避免外露发生损坏，工作时向墙体方向伸出，使固定块接触墙体。

参照图3，震源激发单元14采用机械能震源装置，利用压缩弹簧提供动力。

震源激发单元14与第二伸缩件连接，第二伸缩件用于实现震源激发单元14伸出或者收回拱架；第二伸缩件通过连接第二动力齿轮9-2固定在拱架上，第二动力齿轮9-2与拱架上设置的滑轨相匹配；利用第二动力齿轮9-2在柔性拱架6上移动，并且由第二无线传输器接收指令控制，保证位移的精确度。

震源激发单元14包括壳体，壳体内设有动能转换弹簧15，动能转换弹簧15连接震源激发锤16；壳体上与墙体接触的一端面上设有气压平衡孔17。

动能转换弹簧15的作用为：在需要激发震源时，通过气泵装置压缩动能转换弹簧15，使动能转换弹簧15储存充足的弹性势能，之后通过控制指令瞬间释放弹性势能，势能转换为震源激发锤16的动能，用以有效激发震源。

气压平衡孔17的作用为：使震源激发单元14内部空间的气压与隧道内大气气压保持平衡，保证震源激发锤16以足够的冲击力有效激发震源。震源激发单元14前端与墙体接触面为圆形，气压平衡孔17设置在接触面圆心位置，并要保持气压平衡孔17通畅，避免堵塞影响震源的有效激发。

震源激发单元14内设有第二无线传输器，第二无线传输器与控制单元通信，实现对弹性件的伸缩控制以及第二动力齿轮9-2的转动控制。

本实施例中，第一伸缩单元12-1和第二伸缩单元12-2的作用为：在进行地震波法预报工作时，通过位移控制子单元发出指令，控制伸缩单元伸出，检波器单元8和震源激发单元14随着伸缩单元的伸长而接触墙体；在预报工作完成，成功采集数据之后，控制伸缩单元缩回，使检波器单元8和震源激发单元14进入柔性拱架6中，保证回收工作的快速、安全进行，保护装置，避免经济损失。

本实施方式中，基座3与柔性拱架6以及承载于其中的检波器单元8、震源激发单元14均可以根据探测隧道的尺寸直径事先预制。

在另一些实施方式中，公开了适用于tbm隧道的地震波法超前预报辅助装置的工作方法，包括以下步骤：

步骤①：在探测隧道内，将基座3设置在承载tbm的滑轨上，并将检波器单元8、震源激发单元14搭载到柔性拱架6中的齿形轨道7上，用固定螺栓5连接基座3与柔性拱架6，打开控制单元，运行自检指令检查各组件是否完好。

步骤②：根据预报工作的探测计划，操作位移控制子单元发出指令控制基座3、检波器单元8和震源激发单元14移动至设计位置，并通过激光测距仪4调整位置，之后通过数据采集控制子单元控制运送耦合剂从耦合剂容纳盒10经过耦合剂通道11至固定块、与墙体之间，使两者耦合以保证探测的准确性。

步骤③：通过控制单元发出指令，利用气泵压缩震源激发单元14中的动能转换弹簧15，储存足够的势能，进而完成震源的自动有效激发，以及数据采集系统自动采集、储存地震波数据。

步骤④：在一个震源点的地震波数据收集完成后，调整震源激发单元14的位置并再次探测，以实现阵列震源点的数据采集工作，工作完成后收缩检波器单元8与震源激发单元14，使基座3始终与tbm保持同步移动，回收完成并可以随时进行下一次探测。

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。