一种隧道掘进机施工条件下的超前地质预报系统及其方法

摘要

本发明公开了一种隧道掘进机施工条件下的超前地质预报系统及其方法，该系统中由于地震波传感器和电磁波传感器安装在隧道掘进机刀具上，能在正常施工的情况下进行实时监控和预报，可以大大提高工作效率，工作人员可以在距离施工较远的地方进行实时监控探测，不仅可以方便快速采集到高精度信号，并且能保证人员安全，另外，本发明可以对现场隧道掘进机施工的掌子面周围空间一定范围内的地质情况进行实时监测和预报，从而实现远程实时监测和预报以便于作出合理决策，最终实现减少了人工劳动力，减小了作业风险，而且提高预报工作效率，特别是对于长隧道而言，大大减少施工费用，节省成本，综合社会经济效益高。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道地质预报技术领域，更具体的说，本发明涉及一种隧道 掘进机施工条件下的超前地质预报系统及其方法。

背景技术

在隧道施工过程中，由于掌子面前方地质体的复杂多变，常遇断层、溶 洞、破碎带、暗河以及高地应力等不良地质情况，若不能及时掌握前方地质 情况，很可能导致塌方、涌水、岩爆冒顶甚至泥石流等地质灾害，因而隧道 施工前和施工过程中的地质超前预报工作关系到工程的进展、质量和安全问 题，具有十分重要的意义。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种隧道掘进机施工条件下的超前地质预 报系统及其方法，以减少监控及检测的人工劳动力，减小作业风险，并提高 预报工作效率。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种隧道掘进机施工条件下的超前地质预报方法，其包括：

隧道掘进机刀具启动后作为激发震源；

设置在所述隧道掘进机刀具上的地震波传感器和电磁波传感器分别进行 地震波信号采集和电磁波信号采集；

将所述地震波传感器采集到的地震波信号无线传送给预报处理主机；

将所述电磁波传感器采集到的电磁波信号无线传送给预报处理主机；

预报处理主机采用盲信号分离算法对地震波信号进行分离处理，将震源 干扰信号与地层反射波信号分离；并根据获得的地层反射波信号，确定隧道 前方地质异常情况以及对采集到的电磁波信号进行震电效应处理，根据得到 的震电效应结果确定隧道前方含水地质体情况。

可选的，将所述地震波传感器采集到的地震波信号无线传送给预报处理 主机是通过第一无线数据采集装置进行无线传送，其中所述第一无线数据采 集装置包括：第二信号调理电路，与所述第二信号调理电路相连的第二模数 转换电路以及与所述第二模数转换电路相连的第二无线通信电路。

可选的，将所述地震波传感器采集到的地震波信号无线传送给预报处理 主机是通过第二无线数据采集装置进行无线传送，其中所述第二无线数据采 集装置包括：第二信号调理电路，与所述第二信号调理电路相连的第二模数 转换电路以及与所述第二模数转换电路相连的第二无线通信电路。

优选的，所述第一模数转换电路和所述第二模数转换电路均为24位模数 转换电路。

另外，根据本发明的另一方面，一种隧道掘进机施工条件下的超前地质 预报系统，其包括：

隧道掘进机刀具，所述隧道掘进机刀具被设置为激发震源；

设置在所述隧道掘进机刀具上的地震波传感器和电磁波传感器；

与所述地震波传感器相连的第一无线数据采集装置以及与所述电磁波传 感器相连的第二无线数据采集装置，所述第一无线数据采集装置从所述地震 波传感器采集地震波信号，所述第二无线数据采集装置从所述电磁波传感器 采集电磁波信号；

预报处理主机，分别从所述第一无线数据采集装置接收地震波信号、从 所述第二无线数据采集装置接收电磁波信号并根据接收到的所述地震波信号 和所述电磁波信号进行处理确定隧道前方地质情况。

可选的，所述第一无线数据采集装置包括：第一信号调理电路，与所述 第一信号调理电路相连的第一模数转换电路以及与所述第一模数转换电路相 连的第一无线通信电路。

可选的，所述第二无线数据采集装置包括：第二信号调理电路，与所述 第二信号调理电路相连的第二模数转换电路以及与所述第二模数转换电路相 连的第二无线通信电路。

优选的，所述预报处理主机包括有：

接收模块，用于接收从第一无线数据采集装置发送来的地震波信息以及 从第二无线数据采集装置发送来的电磁波信号；

盲信号分离处理模块，用于采用盲信号分离算法对地震波信号进行分离 处理，将强震源干扰信号与地层反射波信号分离；

第一预测处理模块，根据获得的地层反射波信号，确定隧道前方地质异 常情况。

优选的，所述预报处理主机包括有：

震电效应处理模块，用于对采集到的电磁波信号进行震电效应处理；

第二预测处理模块，根据从所述震电效应处理模块得到的处理结果确定 隧道前方含水地质体情况。

优选的，所述第一模数转换电路和所述第二模数转换电路均为24位模数 转换电路。

本发明具有如下有益技术效果：

本发明的隧道掘进机施工条件下的超前地质预报系统及其方法中由于地 震波传感器和电磁波传感器安装在TBM设备(即隧道掘进机刀具)上，能在 TBM设备正常施工的情况下进行实时监控和预报，可以大大提高工作效率， 工作人员可以在距离施工较远的地方进行实时监控探测，不仅可以方便快速 采集到高精度信号，并且能保证人员安全，使工作安全顺利开展，另外，本 发明可以对现场隧道掘进机施工的掌子面周围空间一定范围内的地质情况进 行实时监测和预报，尤其是对含水地质体等危险地质体进行实时监测和预报， 若设置远程控制中心，还可将检测到数据通过无线网络实时上传到远程控制 中心，实现远程实时监测和预报以便于作出合理决策，最终实现减少人工劳 动力，减小作业风险，而且提高预报工作效率，特别是对于长隧道而言，大 大减少了施工费用，节省成本，综合社会经济效益高。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技 术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它 目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本 领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的， 而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示 相同的部件。在附图中：

图1为根据本发明一种隧道掘进机施工条件下的超前地质预报系统的一 个具体实施例组成框图；

图2为根据图1中第一无线数据采集装置的一个具体实施例组成框图；

图3为根据图1中第二无线数据采集装置的一个具体实施例组成框图；

图4为根据图1中预报处理主机的一个具体实施例组成框图；

图5为本发明中预报处理主机采用盲信号分离算法对地震波信号分离的 一个具体实施例示意图；

图6为本发明中进行震电效应处理的原理示意图；

图7为根据本发明一种隧道掘进机施工条件下的超前地质预报方法的一 个具体实施例流程图。

具体实施方式

实施例一

参考图1，本发明一种隧道掘进机施工条件下的超前地质预报系统的一个 具体实施例，其主要包括：

隧道掘进机刀具1，本实施例中所述隧道掘进机刀具1被设置为激发震源， 具体实现时，隧道掘进机刀具1切割岩石所激发的振动信号作为地震波和震 电效应的同一个激发震源；

设置在所述隧道掘进机刀具1上的地震波传感器2和电磁波传感器3，具 体实现时，例如地震波传感器2和电磁波传感器3可设置在隧道掘进机刀具 的核心转轴上，本实施例中由于地震波传感器2和电磁波传感器3安装在TBM 设备(即隧道掘进机刀具1)上，能在TBM设备正常施工的情况下进行实时 监控和预报，可以大大提高工作效率，工作人员可以在距离施工较远的地方 进行实时监控探测，不仅可以方便快速采集到高精度信号，并且能保证人员 安全，使工作安全顺利开展；

需要说明的，一般软岩的地震波频率为200～600Hz，硬岩为 400Hz～1500Hz。根据抽样定量，抽样间隔Δ与谐振最大频率f_max必须满足 以最高频率1500Hz计算，只要小于0.333ms即可，考虑读数精度 一般采用高采样率采集，即选用0.05～0.1ms，即本实施例中地震波传感器2 选用0.05～0.1m的采样率。

另外，本发明中所涉及的电磁波信号是由地震波在隧道岩石中传播时遇 到含水构造所激发的，其频带一般为10～200Hz，因此，本实施例中的电磁波 传感器3频带范围可选取1～500Hz可覆盖上述的频带范围。

本实施例中还具有与所述地震波传感器2相连的第一无线数据采集装置4 以及与所述电磁波传感器3相连的第二无线数据采集装置5，所述第一无线数 据采集装置4从所述地震波传感器2采集地震波信号，所述第二无线数据采 集装置5从所述电磁波传感器3采集电磁波信号；

需要说明的，所述第一无线数据采集装置4和第二无线数据采集装置5 也可设置在隧道掘进机刀具上，另外，在同一个隧道掘进机刀具施工隧道中， 可以在隧道掘进机刀具的核心转轴上安装一个或多个地震波传感器2和电磁 波传感器3，实际中也可对应各个地震波传感器和电磁波传感器设置一个或多 个所述的第一无线数据采集装置和第二无线数据采集装置，这样可以采集得 到大量数据，提高数据采集的准确性、有效性。

预报处理主机6，分别从所述第一无线数据采集装置4接收地震波信号、 从所述第二无线数据采集装置5接收电磁波信号并根据接收到的所述地震波 信号和所述电磁波信号进行处理确定隧道前方地质情况，具体实现时，预报 处理主机可以采用现有的预报处理模块进行地质预报，也可以采用新的预报 处理模块进行地质预报，这里不做限定。

上述的实施例可以对现场隧道掘进机施工的掌子面周围空间一定范围内 的地质情况进行实时监测和预报，尤其是对含水地质体等危险地质体进行实 时监测和预报，若设置远程控制中心，还可将检测到数据通过无线网络实时 上传到远程控制中心，实现远程实时监测和预报以便于作出合理决策，通过 上述的实施例不仅可以减少人工劳动，减小作业风险，而且提高预报工作效 率，特别是对于长隧道而言，大大减少施工费用，节省成本，综合社会经济 效益高。

参考图2，作为一个优选的具体实施例，所述第一无线数据采集装置4包 括：第一信号调理电路41，与所述第一信号调理电路41相连的第一模数转换 电路42以及与所述第一模数转换电路42相连的第一无线通信电路43，其中 第一信号调理电路41主要是用于将地震波传感器监测到的模拟信号变换为用 于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的信号，所述第一模数 转换电路42将经过第一信号调理电路41转换后到的信号进行模数转换，第 一无线通信电路43将模数转换后的数字信号发送给预报处理主机6进行处 理，另外，具体实现时，可通过一个第一供电电池(未在图中标识)对第一 无线通信电路43供电，当然也可以采用外接电源来供电，本发明并不作限定。

参考图3，作为优选的具体实施例，所述第二无线数据采集装置5包括： 第二信号调理电路51，与所述第二信号调理电路51相连的第二模数转换电路 52以及与所述第二模数转换电路52相连的第二无线通信电路53，其中第二 信号调理电路51主要是用于将地震波传感器监测到的模拟信号变换为用于数 据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的信号，所述第二模数转换 电路52将经过第一信号调理电路51转换后的信号进行模数转换，第一无线 通信电路53将模数转换后的数字信号发送给预报处理主机6进行处理。另外， 具体实现时，可通过一个第二供电电池(未在图中标识)对第一无线通信电 路43供电，同样，也可以采用外接电源来供电，本发明并不作限定。

需要说明的，上述实施例中第一模数转换电路42和第二模数转换电路52 均可采用24位模数转换电路，可以大大提高地震波/电磁波信号采集精度。

参考图4，作为一个优选的实施例，为了接收地震波信号和电磁波信号， 所述预报处理主机6可包括有：

接收模块61，用于接收从第一无线数据采集装置4发送来的地震波信息 以及从第二无线数据采集装置5发送来的电磁波信号，具体实现时，例如接 收模块61可分别与第一无线数据采集装置4的第一无线通信电路和第二无线 数据采集装置5的第二无线通信电路建立无线通信连接进而进行通信接收相 关信号，这里不再赘述。

另外，为了对接收的地震波信号进行处理并进行地质预报，作为一个优 选的实施例，所述预报处理主机可包括有：

盲信号分离处理模块621，用于采用盲信号分离算法对接收模块61接收 到的地震波信号进行分离处理，将强震源干扰信号与地层反射波信号分离；

第一预测处理模块622，根据获得的地层反射波信号，确定隧道前方地质 异常情况。

本实施例中盲信号分离是指在源信号和信道未知的情况下，仅利用地震 波传感器接收到的观测信号，根据源信号相互之间的统计独立性质而恢复出 源信号的过程。根据源信号的混合形式可以把盲信号分离问题分为三大类： 线性瞬时信号混合模型、卷积混合信号(盲反卷积)模型和非线性混合信号 模型。作为一个优选的具体实施例，例如可选取线性瞬时混合信号模型进行 盲信号分离，一种采用盲信号分离的瞬时模型的具体实施例如图5所示：

假设s(k)＝[s₁(k)，s₂(k)，...，s_n(k)]^T是n个相互独立的未知源信号，在经过未知 信道A的传输后采集到m个观测地震波信号x(k)＝[x₁(k)，x₂(k)，...，x_m(k)]^T，并受到 加性噪声n(k)的影响。这种线性混合可以用数学模型表示为：

x(k)＝As(k)+n(k)，k＝1，2，...(1)

上述公式中，A为m×n维的满秩混合矩阵且m≥n。由于观测信号含噪声 相当于源信号与观测信号之间存在某种非线性关系，依据公式(1)实现信号 的分离是困难的。

为此通常假设信号不含噪声，从而有

x(k)＝As(k)，k＝1，2，...(2)

公式(2)可以说是一种线性瞬时生成模型，因为该模型实际描述的是观 测信号是如何由源信号的混合得到的，盲信号分离的任务是在未知源信号s(k) 和混合系数A的情况下，仅通过对观测地震波信号x(k)处理，得到分离矩阵W， 求出源信号s(k)的估计y(k)，即

y(k)＝Wx(k)＝WAs(k)(3)

当WA是一个每行每列只有一个非零元素的矩阵时，均可以恢复源信号， 进而达到将强震源干扰信号与地层反射波信号分离的目的。

另外，为了处理接收到的电磁波信号并进行地质预报，同样参考图4，作 为一个优选的实施例，所述预报处理主机6还可包括有：

震电效应处理模块631，用于对接收模块61接收到的电磁波信号进行震 电效应处理；

第二预测处理模块632，根据从震电效应处理模块631得到的震电效应处 理结果确定隧道前方含水地质体情况。

本实施例中利用震电效应这一特性可确定隧道前方地质含水的情况，而 如图6所示，震电效应是指地震波和电磁波能量在地下介质中的耦合与转换， 目前业界公认的震电效应产生的机制主要有三类：

第1类震电效应：利用电极向地下提供稳恒直流电的过程中，如果有地 震波通过供电区，震动引起电极附近电阻率发生变化，导致供电回路中的电 流产生周期性波动，该现象称为第一类震电效应(I效应或电阻效应)；

第2类震电效应：将两个接通但不供电的电极插入土壤中，单边激发地 震波，地震波在土壤中传播时，因离弹性场源不同距离之间存在电位差，在 电极回路可检测到交变电流，该现象称为第二类震电效应(E效应或流动电势 效应)；

第3类震电效应：双相介质在受到动态形变时，局部体应变将引起介质 密度的瞬态变化，介电常数也随之改变，造成双电层中电荷密度的波动，产 生充放电电流，该现象称为第三类震电效应(或激发极化震电效应)。

在实际地震勘探中，对于地质中某些含流体多孔介质而言，以双电层理 论为基础的E类震电效应远大于压电和电致伸缩，压电效应最强的天然石英 脉的震电能量转换效率可以为10^-6量级，而地质中含流体多孔介质在一定条件 下的震电能量转换效率可达10^-3量级，即震电信号相对较强，具有可探测性， 使之在石油勘探和环境工程及天然地震预报等领域具有良好的应用前景，本 实施例中也是利用E效应来研究地下含水体的分布，并与盲信号分离技术的 地震波场反演得到的含水地质体对比验证，从而获得更高的分辨率和精确度 以进行有效的超前地质预报。

实施例二

下面说明本发明的另一方面，参考图7，本实施例一种隧道掘进机施工条 件下的超前地质预报方法，其包括：

步骤S101，隧道掘进机刀具启动后作为激发震源；

步骤S102，设置在所述隧道掘进机刀具上的地震波传感器和电磁波传感 器分别进行地震波信号采集和电磁波信号采集；

步骤S103，将所述地震波传感器采集到的地震波信号无线传送给预报处 理主机，例如通过上述的第一无线数据采集装置将采集到的地震波信号无线 传送给预报处理主机；以及步骤S104，将所述电磁波传感器采集到的电磁波信 号无线传送给预报处理主机，例如，通过上述的第二无线数据采集装置将采 集到的地震波信号无线传送给预报处理主机，这里不再赘述；

步骤S105，预报处理主机采用盲信号分离算法对地震波信号进行分离处 理，将震源干扰信号与地层反射波信号分离；并根据获得的地层反射波信号， 确定隧道前方地质异常情况以及对采集到的电磁波信号进行震电效应处理， 根据所述震电效应处理模块得到的震电效应结果确定隧道前方含水地质体情 况，需要说明的，预报处理主机对于接收到的地震波信号和电磁波信号也可 以采用现有的信号分析处理模块进行分析处理并进行预报，这里不再赘述。

在上述所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发 明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详 细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或 多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被 一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的 方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中 所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的 那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具 体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要 求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自 适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以 把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可 以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者 单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴 随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或 者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴 随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相 似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它 实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合 意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利 要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器 上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理 解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发 明实施例的设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以 实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序 (例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储 在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号 可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形 式提供。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制， 并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实 施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要 求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于 元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以 借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在 列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个 硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。 可将这些单词解释为名称。