一种可控震源声波法地质预报系统的制作方法

本发明属于隧道施工过程中超前地质探测技术研究与工程实践技术领域，具体涉及一种可控震源声波法地质预报系统。

背景技术：

由于盾构机推进舱的场地很小，且前方的刀盘转动时需要保持一定的前方压力，这对预报技术、方法和装置的应用带来了一定的困难。对地震法而言，机械开挖的振动较大、影响也大；对电磁类方法而言，干扰电流和机器本身对金属类感应影响较大，在掌子面现场很难进行排布和操作，这些都造成了探测上的困难。

现有的隧道地质探测方法主要有地质钻探、物探、超声检测、trt技术等方法，地质钻探需要在洞内向前方钻孔，这种方法可直观的判定隧道前方地质情况，但所需钻孔数量多、施工成本高、工期长；常用的物探方法主要在地表施工，有地震波发射法、二维波动剖面法、跨孔电阻率ct、跨孔地震ct等，但由于是在地表施工，因此其布置困难，探测过程繁琐，且成本较高；超声检测方法是通过盾构机刀盘上布设的钻孔通道钻取多个探测孔，利用超声波检测仪在孔中前后移动进行前方地质探测，该方法需要在掌子面上打多个钻孔，且受到盾构机内空间的限制，操作复杂。

技术实现要素：

针对现有的地质检测方法复杂、检测设备设置困难以及探测结果误差大的问题，本发明提出了一种可控震源声波法地质预报系统，解决了探测成本高、操作复杂的问题。

为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种可控震源声波法地质预报系统，包括设置在刀盘上的声波发射器和至少一个声波接收器，且声波发射器和声波接收器均与总控制系统相连接，所述刀盘的中部设有第二压力传感器，且至少一个声波接收器上设有第一压力传感器，第二压力传感器与第一压力传感器均与总控制系统相连接；声波接收器均与压力补偿系统相连接，压力补偿系统与总控制系统相连接，且声波接收器和声波发射器均与总控制系统电连接。第二压力传感器用于检测刀盘中部的压力，第一压力传感器用于检测声波接收器上的压力，通过比较两个压力值，以判断是否需要对声波接收器进行压力补偿。

所述声波接收器均通过接收转接单元与压力补偿系统相连接，且接收转接单元与总控制系统相连接；所述声波发射器通过发射转接单元与总控制系统相连接。接收转接单元可以对所有声波接收器的电路和气路进行整合。

所述压力补偿系统包括气罐和增压泵，所述增压泵与总控制系统相连接，且增压泵上设有进气口和出气口，进气口上设有第四压力传感器，出气口上设有第五压力传感器，第四压力传感器和第五压力传感器均与总控制系统相连接；所述气罐通过球阀ii与减压阀组相连接，减压阀组通过第一电磁阀与增压泵的进气口相连接，增压泵的出气口通过第二电磁阀与球阀iii相连接；所述球阀iii与声波接收器相连接，第一电磁阀和第二电磁阀均与总控制系统相连接。气罐为整个压力补偿系统提供气源，增压泵为压力补偿系统提供驱动源，第一电磁阀和第二电磁阀上均设有电磁阀排气口，通过启闭电磁阀排气口可以调节增压泵进气口和出气口的压力。

所述球阀ii与储气罐相连接，且球阀ii与减压阀组之间设有球阀i；所述储气罐上设有第三压力传感器，且第三压力传感器与总控制系统相连接。储气罐作为压力补偿系统的储备气源，在气罐中气源不足时使用。

所述减压阀组包括相互连接的减压阀和精密减压阀，且减压阀和精密减压阀上均设有压力表；所述减压阀与球阀i相连接，且精密减压阀与第一电磁阀相连接；所述增压泵的出气口上还设有单向阀，单向阀与第二电磁阀相连接。减压阀和精密减压阀的设置对压力补偿系统的气路压力起到调节的作用。

所述刀盘的后部设有旋通件，接收转接单元通过旋通件分别与总控制系统和压力补偿系统相连接，且发射转接单元通过旋通件与总控制系统相连接。

所述接收转接单元包括中空的隔离盒，隔离盒上设有若干组接头座，且接头座的组数与声波接收器的数量相等；每组接头座均包括第五液压接头和第六液压接头，第五液压接头和第六液压接头对称固定设置在隔离盒的两侧；所述声波接收器上设有气管和接收线缆，气管和接收线缆上套设有第一液压软管，且第一液压软管与第五液压接头相连接；所述气管的一端与声波接收器的振动膜相对应，气管的另一端与隔离盒的内部相连通，接收线缆依次穿过第五液压接头、隔离盒和第六液压接头后与采集模块电连接，且采集模块通过旋通件与总控制系统相连接；所述隔离盒上还设有气孔，隔离盒的内部通过气孔与旋通件相连通。

所述发射转接单元包括成对连接的第一航空插座，两个第一航空插座分别与声波发射器和旋通件相连接。

所述声波发射器和声波接收器的前部固定设有第一钢结构件，刀盘的后部可拆卸设有天窗，且天窗分别与声波发射器或声波接收器一一对应。

本发明的有益效果：

通过在刀盘上搭载声波发射器和多个声波接收器，无需现场安装，不占用隧道空间，结构简单，可以实现盾构机掘进过程中的实时探测，显著提高施工效率；声波发射器发射信号，声波接收器接收反射信号，接收转接单元和发射转接单元分别实现了接收信号和发射信号的转接，并对声波发射器和声波接收器的电路起到保护的作用，以适应盾构机的恶劣环境；旋通件的设置可以将声波接收器的接收线缆、声波发射器的发射线缆和声波接收器的气管的转动状态进行切换，避免对刀盘的不间断转动产生影响；压力补偿系统可以对声波接收器实时进行压力补偿，在对声波接收器的振动膜进行保护的同时，确保了声波接收信号的准确性；通过声波发射器和声波接收器可以实现对掌子面前方孤石、基岩凸起、障碍物等地质情况的探测，通过对接收到的声波信号进行连续的快速分析，最终计算出前方地层中发生声波反射的区域位置和大小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为声波接收器在刀盘上的分布示意图。

图2为图1中a的放大图。

图3为过渡连接板的结构示意图。

图4为声波发射器在刀盘上的分布示意图。

图5为本发明的信号传输流程图。

图6为压力补偿系统的结构示意图。

图7为总控制系统的流程示意图。

图中，1为刀盘，1-1为天窗，2为声波接收器，3为第一液压软管，4为第一钢结构件，5为过渡连接板，5-1为连接板，5-2为液压接头组，6为第二钢结构件，7为隔板，8为承载板，9为第一液压接头，10为第二液压接头，11为声波发射器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种可控震源声波法地质预报系统，如图1所示，包括设置在刀盘1上的声波发射器11和至少一个声波接收器2，且声波发射器11和声波接收器2均与总控制系统电连接，以通过总控制系统控制声波发射器11的发射和声波接收器2的接收；如图1和图4所示，声波发射器11和声波接收器2均设置在刀盘1的副梁内，声波发射器11和声波接收器2均随着刀盘1的旋转而旋转；声波发射器11与刀盘1的连接处、声波接收器2与刀盘1的连接处均采用环氧树脂胶进行灌满防护，以对声波发射器11和声波接收器2进行保护，避免泥水进入。另外，在声波发射器11和声波接收器2的前部固定设有第一钢结构件4，第一钢结构件4的设计满足刀盘耐磨性和密封性等级，避免盾构机在掘进过程中损坏声波发射器11和声波接收器2；副梁的后部可拆卸地设有天窗1-1，天窗1-1与声波发射器11和声波接收器2一一对应，方便从刀盘1的后部实现声波发射器11和声波接收器2的安装和维修。

刀盘1的中部设有第二压力传感器，由于声波发射器11和声波接收器2均随着刀盘1旋转而刀盘1的中部相对稳定，故将第二压力传感器所测得的刀盘1中部压力值作为参考压力值；至少一个声波接收器2上设有第一压力传感器，第一压力传感器用于检测声波接收器2所处位置的压力；第一压力传感器和第二压力传感器均与总控制系统相连接，第一压力传感器和第二压力传感器将所测得的压力值传送给到总控制系统，总控制系统通过比较压力值判断是否需要对声波接收器2进行压力补偿。在盾构机掘进过程中，声波发射器11发射的声波信号向前方地层传输，在遇到声阻抗差异明显的分界面后形成反射声波，被刀盘1上的若干个声波接收器2所接收，再由总控制系统对反射声波信号进行分析和处理，以获取地质信息。

如图5和6所示，所述刀盘1的后部设有旋通件，声波接收器2均通过接收转接单元与旋通件相连通，且旋通件与压力补偿系统相连通，压力补偿系统与总控制系统相连接；所述接收转接单元通过旋通件与总控制系统相连接，声波发射器11通过发射转接单元与旋通件相连接，旋通件与总控制系统相连接。本实施例中，所述旋通件为电滑环，由于刀盘在掘进的过程中不断地进行转动，利用电滑环可以实现转动和固定结构的切换。因刀盘1环境较差，接收转接单元用于对声波接收器2的接收线缆和气管进行保护和转接；因刀盘1前侧的压力较大，声波接收器2上设有振动膜和压力测量孔，压力测量孔与振动膜相对应，压力补偿系统与压力测量孔相连接，以通过压力测量孔对振动膜后部的压力进行补偿，压力补偿系统可以同步对每个声波接收器2进行压力补偿，避免因压差过大，声波接收器2中的振动膜损坏，导致测量有误，确保了声波接收器2能够精确探测到来自前方土体的反射信号；发射转接单元用于对声波发射器11的电缆进行保护和转接。

所述接收转接单元包括中空的隔离盒，隔离盒可以将所有声波接收器2的气路进行汇总，方便压力补偿系统通过接收转接单元统一对所有声波接收器2的气压进行调整；隔离盒上设有若干组接头座，且接头座的组数与声波接收器2的数量相等，一个声波接收器2与一组接头座相对应，方便声波接收器的气路和电路的连接；每组接头座均包括第五液压接头和第六液压接头，第五液压接头和第六液压接头对称固定设置在隔离盒的两侧；如图1和图4所示，所述声波接收器2上设有气管和接收线缆，气管和接收线缆上套设有第一液压软管3，且第一液压软管3与第五液压接头固定连接，第一液压软管3将接收线缆和气管一起包裹起来，起到保护的作用；所述气管的一端与压力测量孔相连接，通过气管对振动膜所在的空间进行充气，以调节振动膜后的气压，气管的另一端与隔离盒的内部相连通，接收线缆依次穿过第五液压接头、隔离盒和第六液压接头后与采集模块电连接，且采集模块的电缆通过电滑环与总控制系统相连接；采集模块用于接收声波接收器2的信号并对信号进行处理，并转发到总控制系统；声波发射器11上设有发射线缆，发射线缆用于传输总控制系统的信号，发射线缆上套设有第二液压软管，第二液压软管对发射线缆进行防护；电滑环的中部设有穿孔，电滑环的两侧对称设有转动部和固定部，声波发射器11的发射线缆和采集模块的电缆通过电滑环的转动部和固定部实现了线路转动状态的切换；所述隔离盒上还设有气孔，隔离盒的内部通过气孔与穿孔相连通，且穿孔与压力补偿系统相连通。

为了适应刀盘1的结构并对第一液压软管3和第二液压软管进行固定，副梁和隔板7之间设有过渡连接板5，如图3所示，所述过渡连接板5包括连接板5-1，连接板5-1上设有液压接头组5-2，液压接头组5-2对两侧的液压软管进行连接。由于接收转接单元和发射转接单元均设置在刀盘1的背部，声波发射器11和声波接收器2均设置在刀盘1的前部，声波接收器2的接收线缆和气管、声波发射器11的发射线缆均需要穿过隔板7上的通孔，所述通孔圆周方向设置在隔板上，通孔的数量与声波接收器2和声波发射器11的总数量相一致；如图2所示，隔板7的前部焊接有第二钢结构件6，液压软管3通过第一液压接头9与第二钢结构件6相连接，防止隔板7前侧泥水渗漏进盾体内侧；通孔内设有第二液压接头10，声波接收器2的电缆和气管、声波发射器11的电缆分别穿过对应的第二液压接头10，第二液压接头10将刀盘1的前部与盾体内侧隔离开来。

所述压力补偿系统包括气罐和增压泵，所述增压泵与总控制系统相连接，以控制增压泵的启闭；增压泵上设有进气口和出气口，进气口上设有第四压力传感器，第四压力传感器用于检测增压泵后端气路上的气压，出气口上设有第五压力传感器，第五压力传感器用于检测增压泵前端气路上的气压，当第四压力传感器和第五压力传感器均与总控制系统相连接；所述气罐中存储有气源，且气罐与外部气源相连接，气罐通过第三液压接头与球阀ii相连接，球阀ii可以控制气罐到声波接收器2气路的启闭，球阀ii与减压阀组相连接，减压阀组可以对气路减压以保护气路，减压阀组通过第一电磁阀与增压泵的进气口相连接，增压泵的出气口通过第二电磁阀与球阀iii相连接；所述球阀iii通过第四液压接头与接收转接单元相连接，接收转接单元通过气管与声波接收器2对应连接；第一电磁阀和第二电磁阀均与总控制系统相连接，第一电磁阀和第二电磁阀上均设有电磁阀排气口，通过启闭电磁阀排气口可以调节增压泵进气口和出气口的压力；由于增压泵首次启动时，瞬间的压力会比较高，若不进行排气会影响增压泵的寿命，同时会造成启动电机温度过高的风险。假设第一压力传感器所测得的压力为f1，第二压力传感器所测得的压力为f2，当时，手动开启球阀ii、减压阀组和球阀iii，通过总控制系统开启增压泵，在增压泵的驱动作用下，气体从气罐中依次经球阀ii、减压阀组、球阀iii和接收转接单元分别对声波接收器2进行压力补偿，时，关闭增压泵和各阀门。

所述球阀ii与储气罐相连接，且球阀ii与减压阀组之间设有球阀i；所述储气罐上设有第三压力传感器，减压阀组上设有压力表，第三压力传感器用于检测储气罐的气压，压力表用于检测气路中的气压，第三压力传感器与总控制系统相连接。当第三压力传感器所示气压值较低时，可以手动打开球阀ii，关闭球阀i，气罐中的气体进入储气罐。储气罐作为整个气路的备用气源，当气罐中没有气体时，可以临时采用储气罐中的气体进行压力补偿，避免影响声波接收器的正常工作。

所述减压阀组包括相互连接的减压阀和精密减压阀，且减压阀和精密减压阀上均设有压力表；所述减压阀与球阀i相连接，且精密减压阀与第一电磁阀相连接；所述增压泵的出气口上设有单向阀，单向阀与第二电磁阀相连接。减压阀的设置是为了避免充气过程中，瞬间压力过高，减压阀可以控制气路气压在正常压力范围内，通过设计精密减压阀，可以控制增压泵启动的准确压力。单向阀的设计可以避免声波接收器2损坏而引起的泥浆倒灌事故，避免了设备的损坏，实现了系统的独立安全性设计。

如图7所示，所述总控制系统包括与盾构机相连接的plc，plc与上位机相连接，通过上位机可以连接至plc，以获取刀盘的掘进数据和刀盘的转动状态，上位机还可以发送指令以对声波发射器进行控制，接收声波接收器所接收的信号并对信号进行处理，实现人机交互，进而通过上位机实现掘进地质的成像显示。上位机与第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第五压力传感器、第一电磁阀、第二电磁阀、增压泵和气泵相连接，且上位机通过扫频仪与功率放大器相连接，且功率放大器通过电滑环与声波发射器相连接，扫频仪可以提供频率编码的电压信号，再由功率放大器对电压信号进行放大，进而高效地传输给声波发射器，使得发射信号能够有效穿透掌子面前方土层；上位机通过电滑环与采集模块相连接，以便声波接收器的接收信号经采集模块处理后发送给上位机。

本实施例中，电滑环为现有技术；声波发射器为声波换能器，声波发射器所发射的声波是通过电能转化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。