隧道地质三维地震反射震电一体化超前探测装置及方法

摘要

本发明公开了一种隧道地质三维地震反射震电一体化超前探测装置，第一三维振动检波器安装于隧道一侧的钻孔中，第二三维振动检波器安装于隧道另一侧的钻孔中，三维震电效应信号传感器设置在隧道中，隧道一侧设有振动震源组，振动震源组位于第一三维振动检波器与隧道掘进面之间，第一三维振动检波器和第二三维振动检波器的信号输出端连接主机的振动检波信号输入端，三维震电效应信号传感器的信号输出端连接主机的震电效应信号输入端，主机的震源控制信号输出端连接振动震源组的信号输入端。本发明可对掘进隧道、巷道迎头进行探测预报，可探测预报隧道前方有无异常地质构造和富水体及导水通道等，确保隧道掘进过程的施工安全。

说明书

技术领域

本发明涉及勘查地球物理技术领域，具体地指一种隧道地质三维地震反射震电一体化超前探测装置及方法。

背景技术

隧道施工地质探测预报是隧道施工地质工作最主要的任务，隧道施工地质预报的主要内容包括破碎带、溶洞、地下水、煤系地层及其他不良地质体在爆破掘进面周围空间一定范围的出露位置和对施工的影响。

现有隧道施工地质预报方法主要有工程地质调查法、超前水平钻探法、超前导洞法和地球物理方法。工程地质调查法是隧道施工超前地质预报中使用最早的方法。该方法是通过调查与分析地表和隧道内的工程地质条件,了解隧道所处地段的地质结构特征,推断前方的地质情况。这种预报方法在隧道埋深较浅、构造不太复杂的情况下有很高的准确性，但是在构造比较复杂地区和隧道深埋较大的情况下,该方法工作难度较大,准确性较差。超前水平钻探法和超前导洞法是与隧道平行或沿隧道正洞轴线开挖超前导洞，直接探明前方的地质情况。这种方法准确率高，但费用昂贵。

地球物理方法中，用于隧道地质探测的方法主要有波场法、温度场法和电阻率法^[1][2]。地质雷达法对断层破碎带预报有较高的准确性，对岩溶预报有一定的准确性，但在隧道地质预报时，预测的距离较短，在隧道内不方便布置，影响因素多，多用于地表探测；电阻率法中的高密度电法对含水构造判定较好，能预报断层破碎带，但工作时需要布置多个电极，在隧道中受施工现场空间的限制，很少采用。波场法中使用较多的是地震波法中的TSP法^[3](隧道地震波地质预报)和电磁波法中的地质雷达法^[4]。TSP法一次预报的距离较长，对断层破碎带构造预报准确度较高，对含水体反映不灵敏，信号易受干扰。

参考文献：

^[1]“公路隧道施工超前地质预报技术方法研究现状综述”，原载杂志“公路交通科技”，2005,22(9):126～128,136；作者：张志龙，王兰生，王跃飞。

^[2]“隧道及地下工程超前地质预报技术”，原载杂志“隧道建设”，2005,25(3):9～11；作者：齐传生。

^[3]“TSP2003地质超前预报系统简介及其应用”，原载杂志“铁道工程学报”，2004,(4):27～30；作者：史柏生。

^[4]“地质雷达在公路隧道短期地质超前预报中的应用”，原载杂志“岩土力学”，2003,24(增1):154～157；作者：吴俊，毛海和，应松等。

以上这些地球物理方法都是一种间断性的地质探测方法，无法现场获得探测前方的地质情况，信号分析难度大，结果存在多解性，常采用的措施是多种方法结合使用，但这样又大大增加了地质预报费用。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种隧道地质三维地震反射震电一体化超前探测装置及方法，通过该装置和方法，可对掘进隧道、巷道迎头进行探测预报，可以探测预报隧道前方0～100米距离范围内有无异常地质构造和富水体及导水通道等，确保隧道掘进过程的施工安全。

为实现此目的，本发明所设计的隧道地质三维地震反射震电一体化超前探测装置，其特征在于：它包括地震反射与震电一体化主机、第一三维振动检波器、第二三维振动检波器、三维震电效应信号传感器、振动震源组，其特征在于：所述第一三维振动检波器安装于隧道一侧的钻孔中，第二三维振动检波器安装于隧道另一侧的钻孔中，所述三维震电效应信号传感器设置在隧道中，所述三维震电效应信号传感器的探杆交点、第一三维振动检波器、第二三维振动检波器与隧道掘进面之间的距离相等，所述隧道一侧设有振动震源组，所述振动震源组位于第一三维振动检波器与隧道掘进面之间，所述第一三维振动检波器和第二三维振动检波器的信号输出端连接地震反射与震电一体化主机的振动检波信号输入端，三维震电效应信号传感器的信号输出端连接地震反射与震电一体化主机的震电效应信号输入端，地震反射与震电一体化主机的震源控制信号输出端连接振动震源组的信号输入端。

一种利用上述隧道地质三维地震反射震电一体化超前探测装置进行隧道地质超前探测预报的方法，它包括如下步骤：

步骤1：在隧道两侧壁相距隧道掘进面45～55米处各打一个钻孔并在两个钻孔中分别安装第一三维振动检波器和第二三维振动检波器，在隧道一个侧壁相距隧道掘进面10～20米处等间隔打6～12个震源钻孔，并在每个震源钻孔内安装振动震源；

步骤2：将三维震电效应信号传感器通过支架安装在隧道中，并保证三维震电效应信号传感器的探杆交点、第一三维振动检波器、第二三维振动检波器与隧道掘进面之间的距离均相等且距离均为45～55米；

步骤3：将所述第一三维振动检波器和第二三维振动检波器的信号输出端连接地震反射与震电一体化主机的振动检波信号输入端，将三维震电效应信号传感器的信号输出端连接地震反射与震电一体化主机的震电效应信号输入端，将地震反射与震电一体化主机的震源控制信号输出端连接振动震源组的信号输入端；

步骤4：地震反射与震电一体化主机逐个启动振动震源组中的振动震源，每个振动震源逐个产生振动信号，每个振动震源产生振动信号后地震反射与震电一体化主机通过第一三维振动检波器和第二三维振动检波器检测此时的地震反射信号，三维震电效应信号传感器检测此时的震电信号；

步骤5：地震反射震电一体化主机将第一三维振动检波器和第二三维振动检波器分别接受到的每个振动震源产生地震反射信号按每一个方向抽取排列生成6个单一方向的剖面隧道地质三维地震反射波列图；

地震反射震电一体化主机将三维震电效应信号传感器检测到每个振动震源产生的震电信号按每一个方向抽取排列生成与三个探杆对应的3个单一方向的剖面震电信号波列图；

步骤6：根据步骤5中得到的6个单一方向的剖面隧道地质三维地震反射波列图和3个单一方向的剖面震电信号波列图对隧道前方进行分析预报；

若6个单一方向的剖面隧道地质三维地震反射波列图出现反射波，并且3个单一方向的剖面震电信号波列图中三维震电信号的幅值小于3倍三维震电信号均方差，则判定隧道前方有异常地质构造，但隧道前方没有含水体存在；

若6个单一方向的剖面隧道地质三维地震反射波列图未出现反射波，并且3个单一方向的剖面震电信号波列图中三维震电信号的幅值小于3倍三维震电信号均方差，则判定隧道前方没有异常地质构造，同时隧道前方没有含水体存在；

若6个单一方向的剖面隧道地质三维地震反射波列图出现反射波，并且3个单一方向的剖面震电信号波列图中三维震电信号的幅值大于3倍三维震电信号均方差时，则判定隧道前方有异常地质构造，同时前方有含水体存在；

若6个单一方向的剖面隧道地质三维地震反射波列图未出现反射波，并且3个单一方向的剖面震电信号波列图中三维震电信号的幅值大于3倍三维震电信号均方差时，则判定隧道前方没有异常地质构造，但前方可能存在含水体，应进一步采用其它方法进行探测查明。

本发明相比于现有的超前预报设备和方法，本发明的有益效果主要表现在：

(1)采用本发明，将隧道三维地震反射法和震电法融为一体对隧道进行超前地质探测预报，利用隧道三维地震反射法进行隧道超前探测的同时进行了震电法的探测采集工作；由于震电法原理是当震动波经过地层含水体时会产生电场信号，含水体越大，产生的电场信号超强，震动越强产生的电场也就越强。因此，震电法是一种很好的含水体的探测方法。

(2)传统的隧道三维地震反射法进行超前预报主要对探测隧道前方的异常地质构造较明显，对隧道前方是否存在含水体表现能力有限，而单纯的震电法对隧道前方的含水体效果较好，但隧道前方的异常地质构造表现不足。因此，只用隧道三维地震反射法进行超前预报常出现较大的突水灾害。

(3)采用本发明，可以实现隧道三维地震反射和震电超前探测预报同时进行，无需增加多少工作量就可对隧道地质进行更准确的超前探测预报。因此，本发明的装置具备可操作性、有效性和实用性等优点。

附图说明

图1为本发明使用时的俯视结构示意图。

1—地震反射与震电一体化主机、2—第一三维振动检波器、3—第二三维振动检波器、4—三维震电效应信号传感器、4.1—探杆交点、4.2—第一个探杆、4.3—第二个探杆、4.4—第三个探杆、5—振动震源组、6—钻孔、7—震源钻孔、8—含水体、9—振动启震电缆、10—隧道、11—隧道掘进面、

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

一种隧道地质三维地震反射震电一体化超前探测装置，如图1所示，它包括地震反射与震电一体化主机1、第一三维振动检波器2、第二三维振动检波器3、三维震电效应信号传感器4、振动震源组5，所述第一三维振动检波器2安装于隧道10一侧的钻孔6(垂直于隧道10轴线)中，第二三维振动检波器3安装于隧道10另一侧的钻孔6(垂直于隧道10轴线)中，所述三维震电效应信号传感器4设置在隧道10中，所述三维震电效应信号传感器4的探杆交点4.1、第一三维振动检波器2、第二三维振动检波器3与隧道掘进面11之间的距离相等，所述隧道10一侧设有振动震源组5(垂直于隧道10轴线)，所述振动震源组5位于第一三维振动检波器2与隧道掘进面11之间，所述第一三维振动检波器2和第二三维振动检波器3的信号输出端连接地震反射与震电一体化主机1的振动检波信号输入端，三维震电效应信号传感器4的信号输出端连接地震反射与震电一体化主机1的震电效应信号输入端，地震反射与震电一体化主机1的震源控制信号输出端连接振动震源组5的信号输入端。

上述技术方案中，所述三维震电效应信号传感器4的探杆交点4.1、第一三维振动检波器2、第二三维振动检波器3与隧道掘进面11之间的距离均相等且距离均为45～55米，优选50米，以便保证三维振动检波与最近的震源相距有20米，避免震源的大振动对检测波器的影响，同时，又可以安排6～12的震源孔。

上述技术方案中，所述振动震源组5与隧道掘进面11之间的距离为10～20米。震源与隧道掘进面相距10～20米能确保震源的大振动对靠近掘进面刚刚支护未完全凝固的混凝土不造成破坏。

上述技术方案中，所述三维震电效应信号传感器4的第一个探杆4.2位于隧道10的轴线方向，三维震电效应信号传感器4的第二个探杆4.3垂直于隧道10的轴线方向向左或垂直于隧道10的轴线方向向右，三维震电效应信号传感器4的第三个探杆4.4垂直隧道10轴线向下或垂直隧道10轴线向上，所述三维震电效应信号传感器4的三个探杆的信号输出端分别连接地震反射与震电一体化主机1对应的震电效应信号输入端。三维震电效应信号传感器4的三个探杆用于观测三维方向的震电信号。

上述技术方案中，所述第一三维振动检波器2、第二三维振动检波器3和振动震源组5位于同一水平线上。这种设置形式能使沿隧道轴向方向观测的信号保持一致性。提高探测的准确性。

上述技术方案中，所述振动震源组5包括并排等间隔布置的多个振动震源，每个振动震源均安装到隧道10一侧对应的震源钻孔7中，每个振动震源的信号输入端均通过振动启震电缆9连接地震反射与震电一体化主机1的震源控制信号输出端。震源钻孔7的深度为2米，2米深的震源钻孔7能避免隧道表面松动圈的影响。

上述技术方案中，所述振动震源组5包括6～12个振动震源，相邻两个振动震源之间的间距均为2米。6～12个振动震源能在保证探测精度的前提下降低探测的成本。

上述技术方案中，所述振动震源为用炸药产生振动波的震源或用电火花振源产生振动波的震源或用可燃冰产生振动波的震源。

一种利用上述隧道地质三维地震反射震电一体化超前探测装置进行隧道地质超前探测预报的方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：在隧道10两侧壁相距隧道掘进面11的45～55米(优选50米)处各打一个钻孔6并在两个钻孔6中分别安装第一三维振动检波器2和第二三维振动检波器3，在隧道10一个侧壁相距隧道掘进面11的10～20米处等间隔打6～12个震源钻孔7，并在每个震源钻孔7内安装振动震源；

步骤2：将三维震电效应信号传感器4通过支架安装在隧道10中，并保证三维震电效应信号传感器4的探杆交点4.1、第一三维振动检波器2、第二三维振动检波器3与隧道掘进面11之间的距离均相等且距离均为45～55米(优选50米)；

步骤3：将所述第一三维振动检波器2和第二三维振动检波器3的信号输出端连接地震反射与震电一体化主机1的振动检波信号输入端，将三维震电效应信号传感器4的信号输出端连接地震反射与震电一体化主机1的震电效应信号输入端，将地震反射与震电一体化主机1的震源控制信号输出端连接振动震源组5的信号输入端；

步骤4：地震反射与震电一体化主机1逐个启动振动震源组5中的振动震源，每个振动震源逐个产生振动信号，每个振动震源产生振动信号后地震反射与震电一体化主机1通过第一三维振动检波器2和第二三维振动检波器3检测此时的地震反射信号，三维震电效应信号传感器4检测此时的震电信号；

步骤5：地震反射震电一体化主机1将第一三维振动检波器2和第二三维振动检波器3分别接受到的每个振动震源产生地震反射信号按每一个方向抽取排列生成6个单一方向的剖面隧道地质三维地震反射波列图；

地震反射震电一体化主机1将三维震电效应信号传感器4检测到每个振动震源产生的震电信号按每一个方向抽取排列生成与三个探杆对应的3个单一方向的剖面震电信号波列图；

步骤6：根据步骤5中得到的6个单一方向的剖面隧道地质三维地震反射波列图和3个单一方向的剖面震电信号波列图对隧道10前方进行分析预报；

若6个单一方向的剖面隧道地质三维地震反射波列图出现反射波，并且3个单一方向的剖面震电信号波列图中三维震电信号的幅值小于3倍三维震电信号均方差，则判定隧道10前方有异常地质构造，但隧道10前方没有含水体8存在；

若6个单一方向的剖面隧道地质三维地震反射波列图未出现反射波，并且3个单一方向的剖面震电信号波列图中三维震电信号的幅值小于3倍三维震电信号均方差，则判定隧道10前方没有异常地质构造，同时隧道10前方没有含水体8存在；

若6个单一方向的剖面隧道地质三维地震反射波列图出现反射波，并且3个单一方向的剖面震电信号波列图中三维震电信号的幅值大于3倍三维震电信号均方差时，则判定隧道10前方有异常地质构造，同时前方有含水体8存在；

若6个单一方向的剖面隧道地质三维地震反射波列图未出现反射波，并且3个单一方向的剖面震电信号波列图中三维震电信号的幅值大于3倍三维震电信号均方差时，则判定隧道10前方没有异常地质构造，但前方可能存在含水体8，应进一步采用其它方法进行探测查明。

上述技术方案中，有反射信号测说明有异常地质构造，震电信号是含水体有关，无震电信号测说明无水，有震电信号，则说明有含水体。

上述技术方案中，所述步骤1中钻孔6的直径为25～35毫米，优选30毫米，孔深为1.5～2.5米；每个震源钻孔7的孔深相等，且震源钻孔7孔深范围均为1.5～2.5米。上述钻孔6和震源钻孔7的深度设计能避免隧道表面松动圈的影响。直径30毫米是为了检波器和震源的安装方便。

本发明可对掘进隧道、巷道迎头进行探测预报，可以探测预报隧道前方0～100米距离范围内有无异常地质构造和富水体及导水通道等，确保隧道掘进过程的施工安全。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。