隧道超前预报检波器频率特性测试与校正技术

摘要

在地形条件较差和地质构造复杂的地区，碎裂带、断层、岩溶、富水岩层等构造较多，开挖隧道时较易造成沉陷、塌方、突泥、涌水、开裂等状况，有较高的施工难度和危险。为保证隧道工程的施工质量、进度、安全，对隧道掌子面前方的地质情况做超前预报便成为隧道施工的一个重要环节。而利用地震波进行隧道超前预报是隧道超前预报的最重要的手段。检波器，即振动传感器是地震物理勘探领域中的广泛应用的关键器材，也是隧道地震超前预报的关键器材。如何精确地采集围岩中的地震反射波是决定预报是否准确的重中之重。
　　本文简要介绍了地震检波器的分类，分析了动圈式速度检波器和压电式加速度检波器两类隧道地震常用检波器的工作原理和特性。
　　研究了检波器的测试方法，构建了检波器的幅频特性测试平台，研究了紧固方式对检波器测试的影响，并采用振动台法和正弦扫频激励法对动圈式检波器进行了测试。测试得知动圈式检波器幅频特性在高频段与理论上有差距，压电式检波器无论低频或高频都表现较好。
　　探讨了几种传感器的动态补偿方法，通过分析后设计利用零极点补偿法对动圈式检波器进行了低频拓展。制作PCB电路板后在振动台上测试结果基本达到设计要求。通过串联电路补偿后，动圈式检波器的自然频率从100Hz下降至10Hz，阻尼比接近最佳阻尼，灵敏度显著提高。
　　分析了几种检波器耦合方式，利用有限差分数值模拟对黄油耦合和理想耦合条件下地震波传播规律进行研究，以此证明采用黄油耦合会使地震波频率变化、幅值降低，这些可能会影响到探测结果的准确性。
　　最后，本文将压电式加速度检波器应用到缙云山隧道地质超前预报的工程实例中，分析得到该隧道掌子面前方地质情况，并为隧道施工提供了有效建议。通过对频谱分析得知，隧道地震波基本都在0~1000Hz，且大量振动在100Hz以下，1000Hz以上信号很弱，说明本文低频拓展后的动圈式检波器带宽非常适合于隧道地震超前预报。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 主要工作

2 地震检波器的基本原理

2.1 动圈式速度型检波器

2.2 压电式检波器

2.3 小结

3 地震检波器的测试

3.1检波器测试原理

3.2 振动台测试平台的构建

3.3 动圈式速度检波器的测试

3.4 小结

4 动圈式检波器幅频特性的改进

4.1传感器低频拓展方法

4.2补偿电路的设计

4.3 补偿网络的实现

4.4 小结

5 黄油效果的地震数值模拟

5.1 检波器的耦合方式

5.2 弹性介质中的波动方程

5.2 黄油中的地震波场数值模拟

5.3 小结

6 隧道超前预报工程应用

6.1 工程概况

6.2 隧道地震超前预报施工方法

6.3 处理结果地质解释

6.4 结论及建议

6.5 验证情况

6.6 小结

7 总结与展望

致谢

参考文献