隧道掘進(jìn)機(jī)破巖震源和主動(dòng)源三維地震聯(lián)合超前探測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種隧道掘進(jìn)機(jī)破巖震源和主動(dòng)源三維地震聯(lián)合超前探測(cè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隧道施工通常采用全斷面掘進(jìn)機(jī)施工和鉆爆法施工，與傳統(tǒng)的鉆爆法相比，隧道 掘進(jìn)機(jī)施工具有機(jī)械化程度高、施工速度快等顯著優(yōu)勢(shì)，日本、美國(guó)、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家采用 掘進(jìn)機(jī)施工的隧道比例超過80%，而隨著中國(guó)隧道建設(shè)的不斷發(fā)展，隧道掘進(jìn)機(jī)也將得到 越來越多的應(yīng)用。眾多工程實(shí)踐表明，隧道掘進(jìn)機(jī)對(duì)地質(zhì)條件變化的適應(yīng)性較差，在遭遇不 良地質(zhì)段時(shí)常常發(fā)生突水突泥、塌方等地質(zhì)災(zāi)害，易引發(fā)卡機(jī)甚至機(jī)毀人亡等重大事故。為 避免隧道掘進(jìn)機(jī)施工過程中地質(zhì)災(zāi)害和安全事故的發(fā)生，最有效的解決方法就是采用超前 地質(zhì)探測(cè)技術(shù)提前查明工作面前方不良地質(zhì)情況，從而能夠預(yù)先制定合理的處置措施和施 工預(yù)案。
[0003] 然而，掘進(jìn)機(jī)施工隧道中超前地質(zhì)探測(cè)方法與技術(shù)是國(guó)內(nèi)外隧道工程界公認(rèn)的難 題，其根本原因在于掘進(jìn)機(jī)施工隧道具有其特殊性和復(fù)雜性：
[0004] ①隧道掘進(jìn)機(jī)具有復(fù)雜的金屬結(jié)構(gòu)和電工系統(tǒng)，電磁干擾十分嚴(yán)重；
[0005] ②隧道掘進(jìn)機(jī)體積龐大，占據(jù)了工作面后方大部分隧道空間，導(dǎo)致可用于超前地 質(zhì)探測(cè)的觀測(cè)空間十分狹??；
[0006] ③隧道掘進(jìn)機(jī)開挖速度快，工序銜接緊密，留給超前地質(zhì)探測(cè)的時(shí)間較短。受這些 因素制約，鉆爆法施工隧道中經(jīng)常使用的超前地質(zhì)探測(cè)方法在掘進(jìn)機(jī)施工隧道中難以得到 較好的應(yīng)用。
[0007] 為此，國(guó)內(nèi)外提出了一些專門適用于掘進(jìn)機(jī)施工隧道的超前地質(zhì)探測(cè)方法，但仍 然存在一些問題：
[0008] ①由德國(guó)GeohydraulicData公司推出的BEAM(Bore-TunnelingElectrical AheadMonitoring)系統(tǒng)，BEAM是一種一維聚焦類激發(fā)極化法，探測(cè)距離短、受電磁干擾影 響大，且測(cè)試設(shè)備安裝復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)，影響施工進(jìn)度；
[0009] ②SSP(SonicSoftgroundProbing)和ISIS(IntegratedSeismicImaging System)等地震波超前探測(cè)方法，觀測(cè)方式較為簡(jiǎn)單，未采用有效的三維空間觀測(cè)方式，導(dǎo) 致異常體空間定位效果較差、空間分辨率也不理想；
[0010] ③國(guó)內(nèi)實(shí)用新型專利《一種適合于TBM施工的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法》和《以掘進(jìn)機(jī) 為震源的巷道隨掘地震超前探測(cè)裝置及方法》借鑒了石油測(cè)井中的隨鉆地震方法，提出利 用巖石切割信號(hào)作為震源進(jìn)行超前地質(zhì)探測(cè)，前者基本沿用了鉆爆法隧道中HSP的處理方 法，針對(duì)掘進(jìn)機(jī)破巖震動(dòng)的強(qiáng)干擾噪聲，并沒有采取適當(dāng)?shù)娜ピ胧侄?，而后者主要針?duì)的是 礦山巷道中較為常用的懸臂式掘進(jìn)機(jī)，懸臂式掘進(jìn)機(jī)只有一個(gè)截割頭，在截割頭后方的掘 進(jìn)機(jī)臂上也只有一個(gè)震源信號(hào)接收傳感器，與之相比，隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤面積巨大且用于破 巖的滾刀數(shù)量眾多，不同滾刀之間的破巖震動(dòng)差別很大，僅采用單一的傳感器難以獲得準(zhǔn) 確、全面的破巖震動(dòng)特征。
[0011] 綜上所述，由于在地質(zhì)體刻畫和定位方面的優(yōu)勢(shì)，加上探測(cè)距離遠(yuǎn)，地震法是掘進(jìn) 機(jī)施工隧道超前地質(zhì)探測(cè)中不可缺少的方法，但現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)施工隧道地震波超前探測(cè)方法 還存在著以下問題：
[0012] ①接收傳感器的空間布置形式簡(jiǎn)單，未采用有效的三維空間觀測(cè)方式，難以獲得 周圍巖體的較準(zhǔn)確的三維波場(chǎng)信息，導(dǎo)致異常體空間定位效果較差，容易出現(xiàn)漏報(bào)、錯(cuò)報(bào)和 誤報(bào)等問題；
[0013] ②關(guān)于主動(dòng)源地震法，為不影響隧道掘進(jìn)機(jī)正常施工，需要盡量利用掘進(jìn)機(jī)停機(jī) 檢修時(shí)間進(jìn)行探測(cè)，現(xiàn)有方法缺少一種專門針對(duì)掘進(jìn)機(jī)施工隧道的快速安裝裝置及方法， 導(dǎo)致探測(cè)效率較低，影響掘進(jìn)機(jī)的正常施工；
[0014] ③關(guān)于破巖震源地震法，一方面，沒有考慮掘進(jìn)機(jī)刀盤破巖與石油鉆探、煤礦用懸 臂式掘進(jìn)機(jī)的獨(dú)頭破巖方式的不同，即隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤面積較大且用于破巖的滾刀數(shù)量眾 多、不同滾刀之間的破巖震動(dòng)差別很大，而現(xiàn)有方法僅僅采用了單一的震源傳感器，難以獲 得準(zhǔn)確、全面的破巖震動(dòng)特征，另一方面，現(xiàn)有處理方法沒有分別針對(duì)震源信號(hào)和接收信號(hào) 進(jìn)行專門的噪聲去除，使得地震記錄信噪比較低，影響探測(cè)精度；
[0015] ④主動(dòng)源地震法在掘進(jìn)機(jī)停機(jī)檢修時(shí)間通過空氣錘或磁致伸縮器敲擊隧道邊墻 或工作面產(chǎn)生地震波，激震能量相對(duì)較強(qiáng)，適合于遠(yuǎn)距離的超前探測(cè)，而破巖震源地震法利 用掘進(jìn)機(jī)工作過程中的刀盤破巖震動(dòng)作為震源，激震能量相對(duì)較弱但含有較高比例的橫波 成分，在近距離較精確探測(cè)方面具有優(yōu)勢(shì)，這兩種方法在工作時(shí)間和探測(cè)距離上具有很強(qiáng) 的互補(bǔ)性，兩種方法的有機(jī)結(jié)合能夠進(jìn)一步提高地震法超前預(yù)報(bào)結(jié)果的精確度和可靠度， 但現(xiàn)有技術(shù)沒能將兩者很好的聯(lián)合起來。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0016] 本實(shí)用新型為了解決上述問題，提出了一種隧道掘進(jìn)機(jī)破巖震源和主動(dòng)源三維地 震聯(lián)合超前探測(cè)系統(tǒng)，綜合利用主動(dòng)震源和破巖震源兩種方式進(jìn)行三維地震聯(lián)合超前探 測(cè)，其基本思路是：首先，利用接收傳感器支撐裝置在掘進(jìn)機(jī)施工隧道中實(shí)現(xiàn)三分量檢波器 的三維全空間靈活、快速布置；然后，在隧道掘進(jìn)機(jī)開始工作前，使用激震能量較強(qiáng)的主動(dòng) 震源激發(fā)產(chǎn)生地震波，地震波經(jīng)過波阻抗界面反射后被與隧道壁緊密接觸的三分量檢波器 所接收，使用常規(guī)地震記錄處理方法對(duì)采集到的地震波信息進(jìn)行自動(dòng)處理，實(shí)現(xiàn)工作面前 方120m范圍內(nèi)地質(zhì)異常體的遠(yuǎn)距離超前預(yù)報(bào)；在掘進(jìn)機(jī)工作過程中，利用激震能量較弱的 刀盤破巖震動(dòng)作為震源，并采用非常規(guī)破巖震源地震記錄處理方法，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)異常體實(shí)時(shí) 近距離較精確預(yù)報(bào)，并對(duì)待開挖區(qū)域的圍巖質(zhì)量進(jìn)行表征和評(píng)價(jià)。最后，聯(lián)合主動(dòng)源和破巖 震源三維地震超前探測(cè)的結(jié)果，對(duì)工作面前方的地質(zhì)情況給出綜合性的判斷，為掘進(jìn)機(jī)工 作參數(shù)優(yōu)化和施工安全控制提供支撐。
[0017] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：
[0018] -種隧道掘進(jìn)機(jī)破巖震源和主動(dòng)源三維地震聯(lián)合超前探測(cè)系統(tǒng)，包括激震系統(tǒng)、 接收傳感器及其支撐裝置、破巖震源傳感器陣列、噪聲傳感器、控制系統(tǒng)和多通道地震波數(shù) 據(jù)采集儀；
[0019] 所述激震系統(tǒng)根據(jù)位置不同可分為工作面震源和邊墻震源，所述工作面震源設(shè)置 在掘進(jìn)機(jī)刀盤上，所述邊墻震源設(shè)置于掘進(jìn)機(jī)主軸上，刀盤固定于掘進(jìn)機(jī)主軸上，掘進(jìn)機(jī)主 軸中段設(shè)置有三組以其為中心呈環(huán)狀分布的接收傳感器及其支撐裝置，分別對(duì)應(yīng)隧道拱頂 和左右拱腰，用于接收刀盤破巖震動(dòng)在地層中傳播時(shí)遇到不良地質(zhì)體后反射回來的地震信 號(hào)；
[0020] 所述破巖震源傳感器陣列，安裝在掘進(jìn)機(jī)刀盤后方，根據(jù)刀盤上滾刀的分布情況 在其后方安裝破巖震源傳感器，多個(gè)破巖震源傳感器組成破巖震源傳感器陣列；
[0021] 所述掘進(jìn)機(jī)工作噪聲傳感器安裝在掘進(jìn)機(jī)噪聲源處，用于記錄各個(gè)噪聲源所產(chǎn)生 的噪聲信號(hào)；
[0022] 所述控制系統(tǒng)控制激震系統(tǒng)的震動(dòng)情況和運(yùn)動(dòng)；
[0023] 所述多通道地震波數(shù)據(jù)采集儀分別與破巖震源傳感器陣列、三分量檢波器和掘進(jìn) 機(jī)工作噪聲傳感器相連接，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)并處理檢波器記錄的地震波信息。
[0024] 所述激震系統(tǒng)根據(jù)位置不同分為工作面震源和邊墻震源，所述工作面震源包括可 控震源、震源壓力傳感器、震源液壓伸縮桿和震源進(jìn)出口艙門，所述邊墻震源包括可控震 源、震源壓力傳感器、震源液壓伸縮桿和震源導(dǎo)軌；
[0025] 所述工作面震源安置在掘進(jìn)機(jī)刀盤上，為多個(gè)，在刀盤上呈對(duì)稱分布，根據(jù)刀盤上 滾刀的分布情況選擇工作面震源的合適位置，另外在刀盤相應(yīng)位置上還預(yù)留有多個(gè)工作面 震源進(jìn)出口，震源進(jìn)出口艙門在控制系統(tǒng)的控制下按照預(yù)設(shè)的卡槽運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)震源進(jìn)出口 的開閉，供工作面震源進(jìn)出；
[0026] 所述邊墻震源位于震源導(dǎo)軌上，震源導(dǎo)軌包括一個(gè)圓形滑環(huán)導(dǎo)軌和一個(gè)沿著掘進(jìn) 機(jī)主軸的軌道，可控震源在震源導(dǎo)軌上沿主軸前后方向自由滑動(dòng)，同