一种应用于隧道施工的超前地质预报系统及方法

摘要

本发明公开了一种应用于隧道施工的超前地质预报系统及方法，应用于隧道施工的超前地质预报系统包括：设置有机械震源以及控制部的震源部；设置有信号采集装置以及收缩张紧部的检波器封装结构；数据采集部用于接收信号采集装置所采集的地震波信号；PC端用于将数据采集部采集的数据进行实时储存和显示；后处理部用于对数据进行处理分析。本发明所提供的应用于隧道施工的超前地质预报系统中的地震波信号在传递的过程中，可以直接通过孔壁传递至收缩张紧部，降低了地震波信号在传输过程中的衰减，有利于提高超前地质预报系统的预报准确性；另外，可以根据实际情况通过控制部对机械震源的锤击频率进行调整，提高了超前地质预报系统适应不同工况的能力。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道施工设备技术领域，更具体地说，涉及一种应用于隧道施工的超前地质预报系统。此外，本发明还涉及一种应用于上述应用于隧道施工的超前地质预报系统的方法。

背景技术

隧道施工通常采用钻爆法和掘进机法，在遭遇不良地质段时常常发生突水突泥、塌方等地质灾害，易引发卡机甚至机毁人亡等重大事故；在工程应用中，最为有效的解决办法就是采用地震法超前地质探测技术提前探明掌子面前方的地质情况，尤其是断层和破碎带等，从而预先制定合理的处理措施和应对预案。

超前地质预报是在隧道开挖前或开挖过程中，对掌子面前方及其周边的围岩等级与地质情况做出超前预报的方法，超前地质预报能够及时获取掌子面前方地质信息，有效地降低施工过程中地质灾害的发生。

目前超前地质预报系统多使用炸药、大锤或刀盘破岩振动等作为震源激发地震波信号，炸药震源具有很高安全风险，不适用于TBM施工；大锤震源单次冲击能量低，采集信号的信噪比差，预报距离短；刀盘破岩振动噪声大，采集信号信噪比差。

采用地震法进行超前预报时，需要将预报系统的检波器送入事先钻好的孔中，通过黄油或套管、机械方式，使检波器与钻孔围岩接触，采用黄油方式时，信号在黄油中传递衰减较大，影响探测效果，并且探测设备回收后，由于粘附有黄油，清理较为麻烦；而采用套管方式时，需要保证套管的可靠安装，通常在孔底和孔口位置采用锚固剂将套管与钻孔围岩牢固地固定，但在探测完成后，套管及检波器通常难以回收，探测成本较高。

综上所述，如何提高超前地质预报系统的准确性，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种应用于隧道施工的超前地质预报系统，设置有锤击频率可调的震源部，在使用的过程中，可以根据实际调整锤击频率，并且检波器封装结构的收缩张紧部与孔壁耦合接触，避免了黄油、套管的设置，减少了锤击信号在传输过程中的衰减，提高了应用于隧道施工的超前地质预报系统的准确性。

本发明的另一目的是提供一种应用于上述应用于隧道施工的超前地质预报系统的方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种应用于隧道施工的超前地质预报系统，包括：

震源部，设置有机械震源以及用于控制所述机械震源锤击频率的控制部；

检波器封装结构，设置有用于采集地震波信号的信号采集装置以及用于与孔壁耦合接触的收缩张紧部；

数据采集部，与所述检波器封装结构连接，并接收所述信号采集装置所采集的地震波信号；

PC端，用于将所述数据采集部采集的数据进行实时储存和显示；

后处理部，用于对所述数据进行处理分析。

优选的，所述控制部包括：

上位机，用于提供伪随机编码序列；

可编程逻辑控制器，用于接收所述上位机提供的所述伪随机编码序列，并将所述伪随机编码序列转化为脉冲，按照预设的频率以所述伪随机编码序列的顺序输出脉冲序列；

交流调压模块，接收所述脉冲序列，并根据所述脉冲序列输出电压信号至所述机械震源，以控制所述机械震源的锤击频率。

优选的，所述机械震源设置有电感式接近开关，所述电感式接近开关用于接收所述机械震源的锤击频率，通过将所述锤击频率信号处理为与所述锤击频率相关联的开关量信号，并将所述开关量信号以电信号形式输出至所述上位机；

所述上位机设置有用于将所述电信号解析还原为编码序列的还原模块、用于将所述电信号还原之后的编码序列与提供给所述可编程逻辑控制器的伪随机编码序列进行比对的对比模块以及用于根据所述对比模块的对比结果调整所述上位机所发送的伪随机编码序列的调整模块。

优选的，所述检波器封装结构还包括用于调整所述收缩张紧部张开程度的锥套，所述收缩张紧部包括至少两个沿所述检波器封装结构的周向设置的支撑片，所述支撑片朝向所述检波器封装结构的中心轴线方向设置有与所述锥套配合的弧面，所述锥套沿所述检波器封装结构的中心轴线方向可移动设置，以使所述支撑片撑开或收缩。

优选的，所述检波器封装结构还包括用于与所述锥套连接的螺杆、至少一节内连接管、至少一节外套管以及用于带动所述内连接管沿所述检波器封装结构的轴向移动的推动部；

所述螺杆的一端与所述锥套连接，另一端与所述内连接管连接，所述外套管固定套设于所述内连接管的外周部。

优选的，所述数据采集部为多通道数据采集仪，且所述多通道数据采集仪与至少两个所述检波器封装结构连接。

一种应用于隧道施工的超前地质预报方法，包括：

安装检波器封装结构至对应测试孔内；

控制机械震源锤击；

采集地震波信号并将所述地震波信号发送至数据采集部；

数据采集部将接收到的所述地震波信号传输至PC端；

所述PC端对所述数据进行储存和显示；

对所述数据进行处理分析。

优选的，所述安装检波器封装结构至对应孔内，包括：

将所述检波器封装结构塞入所述测试孔内，直至所述检波器封装结构与所述测试孔的孔底接触；

控制所述检波器封装结构的支撑片张开并与所述测试孔的孔壁耦合接触。

优选的，所述控制机械震源按照预设频率锤击；包括：

向可编程逻辑控制器发送伪随机编码序列；

将所述伪随机编码序列转化为脉冲，按照预设的频率以所述伪随机编码的顺序输出脉冲序列至交流调压模块；

所述脉冲序列输出电压信号至所述机械震源，以控制所述机械震源的锤击频率。

优选的，所述脉冲序列输出电压信号至所述机械震源，以控制所述机械震源的锤击频率之后，包括：

接收所述机械震源的锤击频率，并将所述锤击频率信号处理为与所述锤击频率相关联的开关量信号；

将所述开关量信号以电信号形式输出至上位机；

将所述电信号解析还原为编码序列；

将所述电信号还原之后的编码序列与提供给所述可编程逻辑控制器的伪随机编码序列进行比对；

根据所述对比模块的对比结果调整所述上位机所发送的伪随机编码序列。

在使用本发明提供的应用于隧道施工的超前地质预报系统时，首先需要将检波器封装结构设置于对应的孔内，并使收缩张紧部与孔壁耦合接触；然后将机械震源设置于合适的位置，通过控制部控制机械震源锤击，机械震源在锤击的过程中锤击信号会通过孔壁传递至收缩张紧部，并通过收缩张紧部传递至信号采集装置，信号采集装置将采集的锤击信号传递至数据采集部，数据采集部将接收到的信号传递至PC端，PC端可对接收到的数据进行存储和显示，后处理部，可以对数据进行处理分析，以便对掌子面前端的地质情况进行预报。

相比于现有技术，本发明所提供的应用于隧道施工的超前地质预报系统中的锤击信号在传递的过程中，可以直接通过孔壁传递至收缩张紧部，降低了锤击信号在传输过程中的衰减，使检波器封装结构所接收到的锤击信号更加准确，提高了接收到的锤击信号的质量，有利于提高超前地质预报系统的预报准确性；另外，在使用的过程中，可以根据实际情况通过控制部对机械震源的锤击频率进行调整，提高了超前地质预报系统适应不同工况的能力；PC端能够储存和显示采集部采集的数据，一方面可以预诊断检波器封装结构的接收信号状态，确保作业时检波器封装结构能正常接收信号，另一方面也能根据接收信号的质量对震源部的锤击频率、位置等进行调整，节省时间。

此外，本发明还提供了一种应用于上述应用于隧道施工的超前地质预报系统的方法。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的震源部的具体实施例的控制原理示意图；

图2为本发明所提供的检波器封装结构的具体实施例的剖面示意图；

图3为本发明所提供的应用于隧道施工的超前地质预报方法的具体实施例的流程示意图。

图1-3中：

1为三向加速度传感器、2为锥套、3为支撑片、4为螺杆、5为法兰套、6为第一内连接管、7为第一外套管、8为第二内连接管、9为第二外套管、10为内螺纹杆、11为外螺纹套、12为上位机、13为机械震源、14为可编程逻辑控制器、15为交流调压模块、16为24V供电、17为220V供电。

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做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。

本发明的核心是提供一种应用于隧道施工的超前地质预报系统，震源部的机械震源的锤击频率可以通过控制部进行调整，检波器封装结构设置有用于与孔壁耦合接触的收缩张紧部，在采集锤击信号的过程中，锤击信号可以通过孔壁直接传递至收缩张紧部，降低了锤击信号在传输过程中的衰减，提高了超前地质预报系统的准确性。本发明的另一核心是提供一种应用于上述应用于隧道施工的超前地质预报系统的方法。

请参考图1-3，图1为本发明所提供的震源部的具体实施例的控制原理示意图；图2为本发明所提供的检波器封装结构的具体实施例的剖面示意图；图3为本发明所提供的应用于隧道施工的超前地质预报方法的具体实施例的流程示意图。

本具体实施例提供的应用于施工的超前地质预报系统，包括：震源部，设置有机械震源13以及用于控制机械震源13锤击频率的控制部；检波器封装结构，设置有用于采集地震波信号的信号采集装置以及用于与孔壁耦合接触的收缩张紧部；数据采集部，与检波器封装结构连接，并接收信号采集装置所采集的地震波信号；PC端，用于将数据采集部采集的数据进行实时储存和显示；后处理部，用于对数据进行处理分析。

在使用本具体实施例提供的应用于隧道施工的超前地质预报系统时，首先需要将检波器封装结构设置于对应的孔内，并使收缩张紧部与孔壁耦合接触；然后将机械震源13设置于合适的位置，一般情况下，可以将机械震源13放置于距离掌子面后方20米处，当然也可以是其它距离，具体根据实际情况确定，在此不做赘述；通过控制部控制机械震源13锤击，机械震源13在锤击的过程中锤击信号会通过孔壁传递至收缩张紧部，并通过收缩张紧部传递至信号采集装置，信号采集装置将采集的锤击信号传递至数据采集部，数据采集部将接收到的信号传递至PC端，PC端可对接收到的数据进行存储和显示，后处理部，可以对数据进行处理分析，以便对掌子面前端的地质情况进行预报。

优选的，信号采集装置为三向加速度传感器1，在使用的过程中，三向加速度传感器1可以用于采集震源锤击过程中的直达波信号，也可以采集地震波遇到掌子面前方断层、破碎带等不良地质反射回来的反射波信号。

相比于现有技术，本具体实施例所提供的应用于隧道施工的超前地质预报系统中的锤击信号在传递的过程中，可以直接通过孔壁传递至收缩张紧部，避免了黄油、套管的设置，降低了锤击信号在传输过程中的衰减，使检波器封装结构所接收到的锤击信号更加准确，提高了接收到的锤击信号的质量，有利于提高超前地质预报系统的预报准确性；另外，在使用的过程中，可以根据实际情况通过控制部对机械震源13的锤击频率进行调整，提高了超前地质预报系统适应不同工况的能力；PC端能够储存和显示采集部采集的数据，一方面可以预诊断检波器封装结构的接收信号状态，确保作业时检波器封装结构能正常接收信号，另一方面也能根据接收信号的质量对震源部的锤击频率、位置等进行调整，节省时间。

此外，由于检波器封装结构设置有收缩张紧部，在探测完成之后，可以将收缩张紧部收缩，以方便将检波器封装结构取出，可以重复使用，降低探测成本。

在上述实施例的基础上，控制部包括上位机12，用于提供伪随机编码序列；可编程逻辑控制器14，用于接收上位机12提供的伪随机编码序列，并将伪随机编码序列转化为脉冲，按照预设的频率以伪随机编码序列的顺序输出脉冲序列；交流调压模块15，接收脉冲序列，并根据脉冲序列输出电压信号至机械震源13，以控制机械震源13的锤击频率。

优选的，可编程逻辑控制器14采用24V供电16，交流调压模块15采用220V供电17。

在使用本实施例提供的应用于隧道施工的超前地质预报系统的过程中，震源部的上位机12向可编程逻辑控制器14发送伪随机编码序列，可编程逻辑控制器14将接收到的伪随机编码序列转化为脉冲，按设置频率，以伪随机编码序列的顺序输出脉冲序列，脉冲序列以电流信号的形式接入交流调压模块15的控制信号接口，交流调压模块15通过220V AC供电，交流调压模块15根据脉冲序列输出电压信号，并使电压信号随着控制信号进行变换，变换后的电压信号接入机械震源13，机械震源13根据电压信号的变化调节电机转速，从而改变锤击频率，获得可控震源。

机械震源13设置有电感式接近开关，电感接近开关用于接收机械震源13锤击的频率，通过将信号放大处理为和锤击频率相同的开关量信号，以电信号形式被接近开关输出至上位机12，上位机12设置的还原模块将电信号解析还原为编码序列，对比模块将电信号还原之后的编码序列与提供给可编程逻辑控制器14的伪随机编码序列进行比对，调整模块根据对比模块的对比结果调整上位机12所发送的伪随机编码序列。

优选的，上位机12可以调节伪随机编码序号之间的响应时间间隔，也可以调节伪随机编码的序号。

本具体实施例提供的震源部能够实现振动频率的实时测量及反馈，并可以根据反馈结果进行实时调节，可在盾构法施工隧道中使用。

检波器封装结构还包括用于调整收缩张紧部张开程度的锥套2，收缩张紧部包括至少两个沿检波器封装结构的周向设置的支撑片3，支撑片3朝向检波器封装结构的中心轴线方向设置有用于与锥套2配合的弧面，锥套2沿检波器封装结构的中心轴线方向可移动设置，以使支撑片3撑开或收缩。

为了使检波器封装结构能够适应不同深度的孔，使检波器封装结构还包括用于与锥套2连接的螺杆4、至少一节内连接管、至少一节外套管以及用于带动内连接管沿检波器封装结构的轴向移动的推动部；螺杆4的一端与锥套2连接，另一端与内连接管连接，外套管固定套设于内连接管的外周部。

如图2所示，支撑片3的一端转动设置，锥套2为圆台状结构，且设置于支撑片3的中间，支撑片3的内侧面为斜面或弧面，锥套2沿检波器封装结构的轴向向尾端移动时，锥套2的外侧壁与支撑片3的内侧面贴合，会将支撑片3逐渐撑开，当锥套2沿检波器封装结构的轴向向头端移动时，锥套2的外侧壁与支撑片3的内侧面贴合，支撑片3在重力或收紧结构的作用下收拢，收紧结构可以是弹簧，也可以其它满足要求的结构。

如图2所示，锥套2与螺杆4焊接连接，第一内连接管6的一端与螺杆4连接，另一端通过螺钉与第二内连接管8连接，支撑片3转动设置于一基体上，基体的另一端连接有法兰套5，法兰套5与第一外套管7连接，第一外套管7与第二外套管9通过螺纹连接，内螺纹杆10与第一内连接管6连接，外螺纹管与第二外套管9螺纹连接，在测试孔的深度发生变化之后，可以通过调整内连接管的数量、长度以及外套管的数量、长度对检波器封装结构的整体长度进行调整，以适应不同深度的测试孔。

在使用图2所示的检波器封装结构时，将检波器封装结构塞入测试孔底，用力顶紧，同时使用工具卡住内螺纹杆10，使其在外螺纹套11上顺时针或逆时针转动，通过第一内连接管6、第二内连接管8和螺杆4带动锥套2前后移动，使支撑片3张开或收缩。

本具体实施例中提供的检波器封装结构使用方便、结构简单，探测后能够方便的取出，可以重复使用，降低探测成本。

在上述实施例的基础上，将数据采集部设置为多通道数据采集仪，且多通道数据采集仪与至少两个检波器封装结构连接，在使用的过程中，多通道数据采集仪可以同时接收多个检波器封装结构所测的数据，保证采集数据的时域相同。

除了上述应用于隧道施工的超前地质预报系统，本发明还提供一种应用于上述实施例公开的应用于隧道施工的超前地质预报系统的方法，该应用于隧道施工的超前地质预报方法包括：

步骤S1，安装检波器封装结构至对应测试孔内。

步骤S1中，在同一测试过程中，可以设置多个检波器封装结构，一般情况下，一个测试孔内设置一个检波器封装结构；具体包括：

步骤S11，将检波器封装结构塞入测试孔内，直至检波器封装结构与

测试孔的孔底接触；

步骤S12，控制检波器封装结构的支撑片3张开并与测试孔的孔壁耦合接触。

在使用完成之后，需要使将检波器封装结构的收缩张紧部调整至收缩状态，以便将检波器封装结构取出。

步骤S2，控制机械震源13锤击。

上述步骤S2中，包括：

步骤S21，向可编程逻辑控制器14发送伪随机编码序列；

步骤S22，将伪随机编码序列转化为脉冲，按照预设的频率以伪随机编码的顺序输出脉冲序列至交流调压模块15。

步骤S23，脉冲序列输出电压信号至机械震源13，以控制机械震源13的锤击频率。

在控制机械震源13振动频率的过程中，通过上位机12向可编程逻辑控制器14发送伪随机编码序列，可编程逻辑控制器14将伪随机编码序列转化为脉冲，按照预设的频率以伪随机编码的顺序输出脉冲序列至交流调压模块15。

步骤S23之后还包括：

步骤S231，接收机械震源13的锤击频率，并将锤击频率信号处理为与锤击频率相关联的开关量信号；

步骤S232，将开关量信号以电信号形式输出至上位机12；

步骤S233，将电信号解析还原为编码序列；

步骤S234，将电信号还原之后的编码序列与提供给可编程逻辑控制器14的伪随机编码序列进行比对；

步骤S235，根据对比模块的对比结果调整上位机12所发送的伪随机编码序列。

调整的过程可以预先设置调整规则，也可以根据实际情况进行调整。

步骤S3，采集地震波信号并将地震波信号发送至数据采集部。

步骤S4，数据采集部将接收到的地震波信号传输至PC端。

步骤S5，PC端对数据进行储存和显示。

步骤S6，对数据进行处理分析。

在对数据进行分析处理的过程中，可以根据处理结果，对掌子面前方的地质进行预判。

需要进行说明的是，本申请文件中提到的第一外套管7和第二外套管9，第一内连接管6和第二内连接管8中的第一和第二只是为了限制位置的不同，并没有先后顺序之分。

本申请文件中提到的外套管包括第一外套管7和第二外套管9，本申请我文件中提到的内连接管包括第一内连接管6和第二内连接管8。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。本发明所提供的所有实施例的任意组合方式均在此发明的保护范围内，在此不做赘述。

以上对本发明所提供的应用于隧道施工的超前地质预报系统及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。