隧道三維地震波超前探測空間觀測系統(tǒng)與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了隧道三維地震波超前探測空間觀測系統(tǒng)及方法，主要包括全空間觀測系統(tǒng)、傳感器快速安裝方法、均能激震裝置。在鉆爆法開挖隧道中，考慮現(xiàn)場空間條件，設(shè)計了一種適應(yīng)其現(xiàn)場快速布置的全空間三維空間觀測系統(tǒng)，能夠充分利用掌子面空間資源與臺車平臺資源，能夠在不借助外部大型機械設(shè)備的情況下，快速的安裝與現(xiàn)場探測。同時增加錘擊點數(shù)，擴大錘擊點的三維空間布置方位，完成觀測系統(tǒng)布置與探測，同時，提出了兩種檢波器安裝方式，分別為粘膠粘貼時與螺栓拼接式，能夠適應(yīng)有水及無水環(huán)境下檢波器的快速安裝與耦合。在此基礎(chǔ)上，提出了數(shù)據(jù)處理與解譯系統(tǒng)，能實現(xiàn)現(xiàn)場的快速探測與精確預(yù)報，為隧道工程施工提供安全保障。
【專利說明】
隧道三維地震波超前探測空間觀測系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及隧道三維地震波超前探測空間觀測系統(tǒng)與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國現(xiàn)在已經(jīng)成為世界上隧道建設(shè)規(guī)模和難度最大的國家，在未來的幾年，鐵路及公路領(lǐng)域?qū)⑿陆ù罅康乃淼?，里程總?shù)超過上萬公里，并且在多個水電工程和調(diào)水工程中將修建大批的深長隧洞，表現(xiàn)出“標(biāo)準(zhǔn)高、線路長、規(guī)模大、橋隧比高、深長隧道多”的鮮明特點。在隧道的建設(shè)過程中，為保證隧道的施工，采取有效的超前地質(zhì)預(yù)報方法能夠提前獲知前方巖體情況，了解斷層、溶洞等不良地質(zhì)的位置及規(guī)模，未雨綢繆，提前做好應(yīng)對措施，可以有效的保證工程施工安全。
[0003]隨著科技技術(shù)的進步，在現(xiàn)有的超前探測方法中，地震波探測技術(shù)得到了較大的發(fā)展。地震波探測方法因其探測距離遠，受隧道干擾較小的優(yōu)點，被廣泛的運用到隧道超前地質(zhì)預(yù)報工作中。地震波法探測技術(shù)的原理為:當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅铰晫W(xué)阻抗差異(密度和波速的乘積)界面時，一部分信號被反射回來，一部分信號透射進入前方介質(zhì)。聲學(xué)阻抗的變化通常發(fā)生在地質(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)不連續(xù)界面。反射的地震信號被高靈敏地震信號傳感器接收，通過分析，被用來了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)(軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等)、位置及規(guī)模。目前，TSP、TST、TRT等方法在隧道探測中經(jīng)常應(yīng)用。目前的觀測系統(tǒng)中，多為直線類，與平面類的觀測方式，TRT采用三維觀測方式對地震波數(shù)據(jù)進行采集，但其使用的為單位量的檢波器，在到一定程度上降低了所采集到的波場信息的完整程度。其中，由于TSP、TST等預(yù)報方法需要采用炸藥作為震源，存在一定的安全風(fēng)險;TRT利用人工手持大錘錘擊巖體作為震源，在一定程度上簡化了探測工作。
[0004]雖然目前的探測技術(shù)能夠較好的對工作面前放的不良地質(zhì)體(斷層、溶洞、軟弱破碎帶等)有較好的探測效果。但是在實際現(xiàn)場探測工作中，在硬件設(shè)備的安裝與數(shù)據(jù)采集中存在著一些問題，這些問題造成了探測時間長，檢波器布置環(huán)境受限，現(xiàn)場操作不便等問題，在一定程度上影響了現(xiàn)場施工進度，具體存在問題如下所示:
[0005]①采集模塊安裝效率低:采集模塊的安裝，主要包括無線模塊、傳輸光纖、檢波器、固定塊之間的連接以及與墻體耦合兩部分。固定塊與墻體的耦合，現(xiàn)有的方法采用沖擊鉆在墻體上鉆小孔，固定塊通過金屬棒(或膠管/短筷)固定在墻體表面，再采用速凝劑或錨固劑進行粘接耦合，這種方法在常規(guī)的隧道中較為適用，但在滲水的隧道中，由于巖體或墻體表面被滲水浸潤，大大影響了速凝劑與錨固劑的耦合效果，更有甚者，使其耦合效果失效，無法將固定塊固定在圍巖或墻體上，費時費力也得不到較好的探測數(shù)據(jù)，影響現(xiàn)場施工，故現(xiàn)場探測急需一種新的檢波器固定塊安裝方式，確保對地震波數(shù)據(jù)進行高質(zhì)量的采集；
[0006]②采集模塊回收時間較長:現(xiàn)有采集模塊的，總體拆卸回收步驟較為復(fù)雜，在傳輸光纖的拆裝與回收過程中，為做到保護光纖不受損害，需要采用固定的繞線方法，保證光纖線不打折，導(dǎo)致其收線時間較長;且為保證混凝土固定塊的多次重復(fù)使用，現(xiàn)場探測結(jié)束后，需要對其做清理處理(采用地質(zhì)錘將固定塊上粘連的錨固劑敲擊掉)，尤其當(dāng)速凝劑或錨固劑將檢波器與固定器凝結(jié)時，需要在不損壞連接螺栓與檢波器的條件下進行清除，其所消耗時間較長，為減小回收工作量，提出一種新型的回收方法是非常有必要的；
[0007]③大錘激發(fā)地震波重復(fù)性差:目前的隧道探測方法中，除炸藥震源外，采用的是現(xiàn)場提供的2-8鎊大錘作為震源觸發(fā)裝置，錘擊巖體表面用以激發(fā)地震波。在錘擊的過程中，由于部分錘擊點位置較高，采用持大錘進行地震波激發(fā)時，操作不便;若采用小錘錘擊，其激發(fā)的地震波能量又略有不足。另外，由于現(xiàn)場巖體表面的特殊性，采用現(xiàn)場大錘存在隨機性，在敲擊的過程中，容易對標(biāo)記點錯位敲擊，尤其是在初襯支護上進行錘擊時，易出現(xiàn)無法觸發(fā)的情況；
[0008]④觀測系統(tǒng)布置不便:現(xiàn)行的三維觀測系統(tǒng)。在TBM隧道中，由于掘進機機體基本占據(jù)洞室內(nèi)部空間，可以站在TBM平臺上接觸到空間內(nèi)的各點位置，檢波點標(biāo)記與安裝及震源錘擊都較為容易；但在鉆爆法施工隧道中，由于在拱腰或拱頂位置處的檢波器安裝點在不使用道具時無法觸及。若采用現(xiàn)場梯子，則無法觸及到拱頂檢波點；若采用裝載機，則需增加配合工人且會增加操作時間，尤其是這種方法存在安全隱患，容易為安裝人員帶來不必要的傷害。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種隧道三維地震波超前探測空間觀測系統(tǒng)與方法，本發(fā)明提出了一種三維全空間觀測系統(tǒng)，采用三分量檢波器進行地震波數(shù)據(jù)采集，能夠較完整的獲得波場信息，并提出了一種檢波器安裝裝置及方法，能夠在保證在較好的獲得掌子面前方不良地質(zhì)三維分布情況的條件下，極大的減小了觀測系統(tǒng)的布置難度；同時，采用新型檢波器安裝及耦合方式，能夠適應(yīng)多種復(fù)雜安裝環(huán)境，大大縮短了探測準(zhǔn)備時間；最后，設(shè)計了新型激震裝置，該裝置在不同點位激發(fā)的地震波有較高的重復(fù)性;能夠適應(yīng)不同環(huán)境下的技術(shù)探測，保證探測效果，并能夠極大的縮短了探測時間，不干擾施工。
[0010]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0011]隧道三維地震波超前探測空間觀測系統(tǒng)，包括全空間三維觀測系統(tǒng)、地震波激發(fā)單元和檢波器安裝單元，其中:
[0012]所述全空間三維觀測系統(tǒng)，包括多個激發(fā)震源點和接收點，其中，激發(fā)震源點分別位于隧道兩側(cè)的巖壁上及掌子面巖體上，所述接收點分別位于隧道兩側(cè)及掌子面中心線上，且相對隧道底板的高度位置不同；
[0013]所述檢波器安裝單元包括固定塊，固定塊將地震波檢波器固定于隧道內(nèi)；
[0014]所述地震波激發(fā)單元，包括改進的彈簧伸縮錘擊器，具體包括壓縮彈簧、伸縮錘和殼體，殼體內(nèi)固定有伸縮彈簧的一端，伸縮彈簧的另一端連接伸縮錘，使得伸縮錘在殼體內(nèi)進行伸縮運動。
[0015]所述巖壁上的檢波器左右兩側(cè)對稱布置，且每一側(cè)的激發(fā)震源點距離掌子面的距離不同，掌子面上的激震點呈左右對稱布置，間距約為5米，相對隧道底板的高度不同。
[0016]所述全空間三維觀測系統(tǒng)包括14個激發(fā)震源點，14個激發(fā)震源點位置分別位于隧道兩側(cè)的巖壁上及掌子面巖體上，左右兩側(cè)各六個激震點，共布置2圈，分別距離掌子面2m和4m，其相對隧道底板的高度分別為1.5m,2.5m,3.5m。掌子面在相對高度2m的為主處，對稱布置兩個激震點，間距為5m。
[0017]所述三維觀測系統(tǒng)包括10個接收點，10個接收點位置分別位于隧道兩側(cè)及掌子面中心線上，共布置5個里程位置，隧道兩側(cè)每個里程位置各布置2個接收點，其相對隧道底板的高度位置分別為0.5m和3m，布置間距為5m。掌子面上分別在相對隧道底板高度為0.5m及4m位置處布置兩個接收點。
[0018]所述固定塊通過粘貼方式固定時，包括固定塊基體、傳感器連接槽、固定螺栓孔、粘接面以及反光貼，其中，所述固定基體由細(xì)骨料的混凝土澆筑而成;所述的傳感器連接槽中預(yù)澆筑有螺栓，通過其將地震波檢波器固定在其上，所述固定塊基體上設(shè)有固定螺栓孔和粘接面，固定塊基體外表面還設(shè)有反光貼。
[0019]所述的固定螺栓孔為預(yù)澆筑的螺帽，在巖體破碎松動區(qū)域，通過將固定螺栓將其固定在巖壁上;所述粘接面為光滑表面，通過FIS7膠將固定塊粘接在巖體的表面;所述反光貼為標(biāo)識，在亮度較低的隧道施工環(huán)境中，能夠醒目的顯示其所在位置，警示施工人員，起到設(shè)備的保護作用。
[0020]所述固定塊通過拼接式固定時，包括固定塊基體、螺栓環(huán)、五向傳感器連接螺栓以及膨脹螺栓，所述固定塊基體由細(xì)骨料的混凝土澆筑而成;所述的螺栓環(huán)是預(yù)澆筑在固定塊基體中的，與膨脹螺栓螺母外徑相同；所述的四向傳感器連接螺栓是預(yù)澆筑在固定塊基體中的，分別位于除螺栓環(huán)設(shè)置面以外的五個面的中心點。
[0021]所述伸縮錘，包括錘面、錘身以及觸發(fā)器槽，其中錘面設(shè)置于錘身的前端，錘身內(nèi)部設(shè)置有觸發(fā)器槽，錘身活動固定于殼體內(nèi)部，且殼體前端設(shè)有踏板。
[0022]所述三維觀測系統(tǒng)的相鄰檢波器之間偏移距ΔΧ彡0.5V/f，f是現(xiàn)場信號的有效頻率，V是現(xiàn)場巖體波速值。
[0023 ] 一種上述系統(tǒng)的安裝方法，包括以下步驟:
[0024](I)根據(jù)掌子面情況對掌子面進行排險；
[0025](2)對不同高度點對觀測系統(tǒng)進行定位，選取固定面，選取粘貼或拼接方式安裝固定塊，并安裝加速度傳感器與無線模塊;若檢波器為三分量的，則可以任意選取一個螺栓方向進行安裝，若檢波器為單分量，則可以通過不同螺栓的組合安裝，實現(xiàn)三分量地震數(shù)據(jù)的米集。
[0026](3)將觸發(fā)器安裝在彈簧伸縮捶擊器的觸發(fā)器安裝槽中，其觸發(fā)連接線通過錘擊器后方線槽引出，連接至控制儀；
[0027](4)通過對彈簧伸縮錘擊器進行垂向加壓，使壓縮彈簧具有彈性勢能，將錘擊器的捶擊面對準(zhǔn)捶擊點，將勢能轉(zhuǎn)化為動能，完成激震錘擊；
[0028](5)安裝在掌子面以及巖壁上的檢波器對地震波數(shù)據(jù)進行采集，并通過無線傳輸裝置傳遞至多通道數(shù)據(jù)采集儀，并傳輸至控制操作終端進行數(shù)據(jù)保存及實時查看；
[0029](6)采用全站儀對觀測系統(tǒng)各布置點三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進行采集，并及時反饋至控制操作終端；
[0030](7)將三維地震波探測過程中觀測系統(tǒng)三維坐標(biāo)和地震波數(shù)據(jù)采集信號進行實時處理。
[0031]所述步驟(2)中，使用粘貼方式時，將加速度傳感器通過螺栓安裝到混凝土固定塊上，通過纖維布將巖體表面或初襯表面的灰塵或松動砂礫擦除，將固定膠均勻涂抹在固定塊的粘接面，并將固定塊粘貼到巖體或混凝土表面，使固定塊的檢波器傳感器連接槽朝向洞口方向，按壓混凝土固定塊，待其粘接牢固后松開。
[0032]所述步驟(2)中，使用拼接方式時，巖體表面或混凝土襯砌表面垂直打出鉆孔，將膨脹螺栓插入鉆孔中，安裝掛環(huán)后，使用六角扳手將膨脹螺栓固定在巖體或混凝土初襯結(jié)構(gòu)上，保證其與巖體之間不存在松動。
[0033]所述步驟(4)中，當(dāng)錘擊完成后，如若需對下一個錘擊點進行捶擊，需要對該錘擊器進行充能，充能方法為:將錘身朝下，手抓扶手，單腳踩住彈性伸縮捶擊器外部的踏板，將其外殼向下壓，直至錘面回收至原位時，當(dāng)控制鍵自動還原后，離開踏板，完成一次充能。
[0034]所述步驟(7)中，其處理過程具體如下所示:
[0035]依次進行信號解編、壞道去除，采用余弦鑲邊巴特沃斯進行噪聲去除，采用極值拾取及等時窗能量比掃描結(jié)合的方法初至拾取與直達波速計算，擴散補償、衰減補償、極化濾波、采用統(tǒng)計性相位相關(guān)速度分析方法，利用瞬時相位的相關(guān)特性來計算速度譜，最終偏移成像。
[0036]所述方法還包括步驟(8)，結(jié)合地質(zhì)分析進行預(yù)報結(jié)果解釋，指導(dǎo)工程施工。
[0037]本發(fā)明的有益效果為:
[0038](I)本發(fā)明提出了一種隧道三維地震波超前探測空間觀測方式與均能激震裝置及檢波器快速安裝方法，提出了一種新的全空間觀測系統(tǒng)與快速安裝方法，該觀測系統(tǒng)以快速安裝傳感器，方便激發(fā)地震波為設(shè)計理念，通過對偏移距進行計算，將檢波器空間安裝陣列位置下調(diào)，增加錘擊點數(shù)，利用掌子面空間資源，布置激震-接收測線。擴大錘擊點的三維空間布置方位，并因地制宜的利用臺車，能夠在不借助外部大型機械設(shè)備的情況下，快速對傳感器進行安裝，以及對震源點進行快速的激震；
[0039](2)本發(fā)明提出了兩種檢波器安裝方法。其一為采用FIS7膠進行固定塊粘結(jié)，該設(shè)計固定塊輕便，只需稍微清理下粘接面處的灰塵，即可在30秒內(nèi)完成檢波器固定塊的安裝，可適應(yīng)干燥或有水情況下固定塊的快速安裝，解決了采用錨固劑時遇水無法粘接的問題，并且考慮到粘膠的固定強度稍弱于錨固劑等工程材料，故設(shè)置了反光貼，用以提示施工人員，保護檢波器及固定塊;第二種方法為采用特制膨脹螺栓進行檢波器安裝，只需在巖壁上打一個直徑為12mm的螺栓孔，即可將特制固定螺栓快速安裝在巖體上，并以膨脹螺栓為載體，快速安裝檢波器，同時，該固定塊設(shè)計為多頭螺栓固定塊，能夠在不同的方向安裝檢波器，如有需要，可通過多個檢波器組合固定，對單點記錄形成三分量地震信號采集；
[0040](3)本發(fā)明提出了一種均能激震方法，該激震方法采用彈簧作為能量的貯存于釋放媒介，尤其采用的是重機彈簧，體積小，能夠長時間使用，其性能穩(wěn)定，錘擊時操作簡便，可重復(fù)性好;除此以外，激震裝置采用人工充能方式，只需單腳踩在踏板上，借用人體自重即可完成充能操作。解決了用大錘錘擊激震時，因沒有良好操作平臺或錘擊空間范圍小，造成的錘擊能量不足或錘擊點位于標(biāo)記點位相差較大，而導(dǎo)致的激震效果差的問題。能夠大大的簡便了探測工序，縮短了探測整體時間；
[0041](4)本發(fā)明根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗對探測系統(tǒng)及裝置進行優(yōu)化和改進，能有效的減小探測時間，優(yōu)化探測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，獲得較全面的三維波場信息，經(jīng)過系統(tǒng)處理后，提高了探測預(yù)報的準(zhǔn)確度，為工程施工提供重要支撐；
[0042](5)本發(fā)明設(shè)計了一種新型的檢波器固定塊，可滿足現(xiàn)場單分量、二分量及三分量地震波數(shù)據(jù)的采集;提出了一種均能激震方法，該激震方法采用彈簧作為能量的貯存于釋放媒介，性能穩(wěn)定，錘擊時操作簡便，可重復(fù)性好。
【附圖說明】
[0043]圖1隧道三維地震波超前探測空間觀測方式與均能激震裝置示意圖；
[0044]圖2隧道三維地震波超前探測安裝與處理示意圖；
[0045]圖3鉆爆法施工隧道地震波法探測觀測系統(tǒng)；
[0046]圖4(a)粘接式固定塊正視圖；
[0047]圖4(b)粘接式固定塊側(cè)視圖；
[0048]圖5(a)粘接式固定塊俯視圖
[0049]圖5(b)粘接式固定塊配件示意圖；
[0050]圖6(a)多頭固定塊示意圖；
[0051]圖6(b)多頭固定塊輔助吊環(huán)示意圖；
[0052]圖7搭載膨脹螺栓檢波器安裝方式示意圖；
[0053]圖8伸展?fàn)顟B(tài)下的彈簧伸縮錘擊示器意圖；
[0054]圖9收縮狀態(tài)下的彈簧伸縮錘擊器示意圖；
[0055]圖10彈簧伸縮吹機器外觀及尺寸示意圖；
[0056]圖11FIS7膠與速凝劑粘接固定塊單道地震記錄對比圖；
[0057]其中，1.檢波器固定螺栓，2.固定螺栓孔，3.反光貼，4.固定塊粘接面，5.墻體固定螺栓，6.膨脹螺栓套管，7.膨脹螺栓螺母，8.輔助吊環(huán)，9.多頭固定塊，10.檢波器固定螺栓，
11.螺栓孔(將固定塊與膨脹螺栓固定)，12.錘面，13.錘身，14.觸發(fā)器安裝槽，15.重機彈簧，16.7形開關(guān)，17.踏板，18手持扶手。
【具體實施方式】
:
[0058]下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0059]本發(fā)明的工作方式為，主要包括全空間三維觀測系統(tǒng)布置、檢波器快速安裝、均能激震裝置激發(fā)地震波、地震波數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)處理與解譯。在鉆爆法開挖隧道中，考慮現(xiàn)場空間條件，設(shè)計了一種適應(yīng)現(xiàn)場的全空間三維觀測系統(tǒng)及其快速布置與均能激震裝置。
[0060]具體包括鉆爆法施工隧道地震波法探測的全空間三維觀測系統(tǒng)、固定塊設(shè)計及安裝技術(shù)改進方法、傳輸光纖的回收裝置以及彈簧伸縮錘擊器。其中，所述改進的三維觀測系統(tǒng)主要包括14個激發(fā)震源點位置設(shè)計以及10個接收點位置設(shè)計。
[0061 ]所述全空間三維觀測系統(tǒng)包括14個激發(fā)震源點，14個激發(fā)震源點位置分別位于隧道兩側(cè)的巖壁上及掌子面巖體上，左右兩側(cè)各六個激震點，共布置2圈，分別距離掌子面2m和4m，其相對隧道底板的高度分別為1.5m,2.5m,3.5m。掌子面在相對高度2m的為主處，對稱布置兩個激震點，間距為5m。
[0062]所述三維觀測系統(tǒng)包括10個接收點，10個接收點位置分別位于隧道兩側(cè)及掌子面中心線上，共布置5個里程位置，隧道兩側(cè)每個里程位置各布置2個接收點，其相對隧道底板的高度位置分別為0.5m和3m，布置間距為5m。掌子面上分別在相對隧道底板高度為0.5m及4m位置處布置兩個接收點。
[0063]所述固定塊的設(shè)計及安裝技術(shù)改進方法，主要包括粘貼式固定塊的設(shè)計及安裝技術(shù)和拼接式固定塊的設(shè)計及安裝技術(shù)。在具體點的探測操作中，可選取其中一種方法進行固定塊的安裝。
[0064]如圖4(a)、圖4(b)所示，粘貼式固定塊設(shè)計及安裝技術(shù)，其固定塊大小為30mm*30mm* 15mm，主要由固定塊基體、傳感器連接槽、固定螺栓孔2、粘接面4、強力膠以及反光貼3組成。所述固定基體由細(xì)骨料的混凝土澆筑而成;所述的傳感器連接槽中預(yù)澆筑有螺栓，可通過其將地震波檢波器固定在其上;所述的固定螺栓孔2為預(yù)澆筑的螺帽，在巖體破碎松動區(qū)域，可通過將固定螺栓I將其固定在巖壁上;所述粘接面4為光滑表面，通過FIS7水下膠將固定塊粘接在巖體的表面;所述反光貼3為標(biāo)識，在亮度較低的隧道施工環(huán)境中，能夠醒目的顯示其所在位置，警示施工人員，起到設(shè)備的保護作用。
[0065]如圖6所示，所述的拼接式固定塊設(shè)計及安裝技術(shù)，其固定塊大小為40mm*40mm*20_，主要由固定塊基體、螺栓環(huán)、四向傳感器連接螺栓、金屬掛環(huán)以及膨脹螺栓組成。所述的固定塊基體由細(xì)骨料的混凝土澆筑而成;所述的螺栓環(huán)是預(yù)澆筑在混凝土基體中的，其內(nèi)壁直徑為20mm，與膨脹螺栓螺母外徑相同；所述的四向傳感器連接螺栓是預(yù)澆筑在混凝土基體中的，分別位于與螺栓環(huán)設(shè)置面相鄰的四個面的中心點。膨脹螺栓外部膨脹螺栓套管6。
[0066]如圖7、圖8彈簧伸縮錘擊器，主要包括壓縮彈簧、伸縮錘、殼體以及控制鍵。所述的壓縮彈簧為彈性較強的重機彈簧15;所述的伸縮錘主要由錘面12、錘身13以及觸發(fā)器槽等組成;所述殼體主要由圓柱形金屬外壁、雙側(cè)踏板以及頂部扶手組成;控制鍵設(shè)置于殼體兩側(cè)，所述控制鍵為7字形，分為控制鍵腹板和控制鍵翼板兩部分。
[0067]一種鉆爆法施工隧道地震波法探測三維觀測系統(tǒng)的設(shè)計，其設(shè)計依據(jù)如下:
[0068]由于隧道空間有限，且要保證對前方巖體進行三維成像效果，就必須保證足夠的炮檢距:偏移距(道間距Vx)的大小，對地震數(shù)據(jù)采集以及解釋具有十分重要的影響。偏移距過小，在檢波器數(shù)目一定的情況下，測線長度(即有效反射長度)會受限；偏移距過大，超前預(yù)報時會影響對掌子面前方異常體同相軸的追蹤，影響探測的分辨率，甚至產(chǎn)生空間假頻。最大偏移距的選擇要滿足相鄰檢波器之間的時間差(Vt)小于信號的半個周期(l/2f)。因此，隧道軸向偏移距的選擇要滿足:
[0069]Vx^0.5 V/f
[0070]其中，f是現(xiàn)場信號的有效頻率，要根據(jù)現(xiàn)場具體情況而定。經(jīng)過計算，常規(guī)隧道內(nèi)偏移距范圍為0.5-4m。
[0071]結(jié)合現(xiàn)場的布置條件，本觀測方案設(shè)計最小偏移距為2.5m，基于等效替換原理，本設(shè)計方案將原有方案中激震點位置進行縱向拉伸，接收點位置縱向壓縮。
[0072]—種隧道三維地震波超前探測空間觀測方式與均能激震裝置及檢波器快速安裝方法，其具體操作步驟為:
[0073](I)根據(jù)掌子面情況對掌子面進行排險，若掌子面是四級或五級巖體強度，則需要對巖體進行初襯支護，保證探測安全。
[0074](2)觀測系統(tǒng)定位。如圖2所示，根據(jù)設(shè)計的觀測系統(tǒng)相對位置，通過卷尺確定大致里程位置，對不同高度點進行定位，并通過噴漆進行標(biāo)示。定位選擇巖石或初噴混凝土較完整處，并且選取光滑、平整的表面作為粘接面4。
[0075](3)檢波器安裝。檢波器的安裝有兩種方案供選擇，兩種方案如下所示。
[0076](4)如步驟3中所述，其第一種方法為將加速度傳感器通過螺栓安裝到混凝土固定塊上，通過纖維布將巖體表面或初襯表面的灰塵或松動砂礫擦除。將FIS7水下膠按照固定膠結(jié)比例混合，并通過膠槍將其打出，均勻涂抹在固定塊的粘接面4。并將涂有FIS7水下膠的固定塊粘貼到已經(jīng)擦除灰塵和松動砂礫的巖體或混凝土表面，使固定塊的檢波器傳感器連接槽朝向洞口方向，按壓混凝土固定塊30s，待其粘接牢固后松開。
[0077](5)如步驟5所示，如果需要墻體表面含有油漬污垢時，水中膠的凝結(jié)能力下降，此時可通過在墻上鉆2個8mm小孔，將固定塊通過螺栓固定在巖體的表面。
[0078](6)如步驟3中所示，第二種方法為通過手動沖擊鉆，在巖體表面或混凝土襯砌表面垂直打出8mm的鉆孔，鉆孔深度為60mm;選擇直徑為8mm、長度為50mm的特制膨脹螺栓，將其插入鉆孔中，安裝掛環(huán)后，使用六角扳手將膨脹螺栓固定在巖體或混凝土初襯結(jié)構(gòu)上，保證其與巖體之間不存在松動。
[0079](7)如步驟7中所述，在膨脹螺栓固定好后，將混凝土固定塊擰在膨脹螺栓的尾部，直至螺栓尾部達到固定塊的最深處。
[0080](8)選取固定塊上遠離掌子面方向的螺栓接口，將加速度傳感器安裝在上面。并通過掛環(huán)，將無線模塊主體結(jié)構(gòu)連接在膨脹螺栓上。
[0081](9)觸發(fā)器連接。將觸發(fā)器安裝在彈簧伸縮捶擊器的觸發(fā)器安裝槽14中，其觸發(fā)連接線通過錘擊器后方線槽引出，連接至控制儀。
[0082](10)通過人工對彈簧伸縮錘擊器進行垂向加壓，使壓縮彈簧具有一定的彈性勢能，將錘擊器的捶擊面對準(zhǔn)捶擊點，按下控制鍵，勢能轉(zhuǎn)化為動能，錘身在動能的作用下，向前方?jīng)_擊，當(dāng)其觸發(fā)到巖體表面時，完成捶擊。
[0083](11)當(dāng)錘擊完成后，如若需對下一個錘擊點進行捶擊，則需要對該錘擊器進行充能。充能方法為:將錘身朝下，手抓扶手，單腳踩住彈性伸縮捶擊器外部的踏板，將其外殼向下壓，直至錘面回收至原位時，當(dāng)控制鍵自動還原后，則可離開踏板，完成一次充能。
[0084](12)采用全站儀對觀測系統(tǒng)各布置點三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進行采集，并及時反饋至控制操作終端。
[0085](13)通過以上工作方式，將三維地震波探測過程中觀測系統(tǒng)三維坐標(biāo)和地震波數(shù)據(jù)采集信號進行實時處理。
[0086]其處理過程具體如下所示:
[0087]信號解編、壞道去除、噪聲去除、初至拾取與直達波速計算、擴散補償、衰減補償、極化濾波、速度分析、偏移成像。
[0088]其中，噪聲去除采用采用余弦鑲邊巴特沃斯(Butterworth)方法進行濾波，對采集的地震信號進行高頻及低頻信號處理。初至拾取采用極值拾取及等時窗能量比掃描結(jié)合的方法進行拾取。對檢波器采集地震信號進行掃描，識別最大值與最小值位置，以兩者位置差為半波時并作為固定時窗掃描。擴散補償采用均勻介質(zhì)的波前擴散能量補償?shù)姆椒ㄟM行補償。地震波振幅的衰減與頻率有關(guān)，頻率越高，振幅衰減越嚴(yán)重，根據(jù)現(xiàn)場情況進行衰減補償。極化濾波為通過時窗內(nèi)協(xié)方差矩陣的特征值和特征向量，構(gòu)造出一系列能夠表征不同類型地震波極化特性的極化參數(shù)，通過主極化方向和偏振因子將P、Sv、Sp波分離出來。速度分析采用統(tǒng)計性相位相關(guān)速度分析方法，利用瞬時相位的相關(guān)特性來計算速度譜。偏移成像采用波動方程逆時偏移成像方法，從地震記錄值或是地震記錄的最后一個采樣點開始，向著負(fù)時間方向延拓，在偏移過程中，給出成像條件，把地下符合成像條件的繞射點、反射點等信息計算出來，并以三維圖的結(jié)果進行真實地下構(gòu)造成像。
[0089](14)結(jié)合地質(zhì)分析進行預(yù)報結(jié)果解釋，指導(dǎo)工程施工。
[0090]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.隧道三維地震波超前探測空間觀測系統(tǒng)，其特征是:包括全空間三維觀測系統(tǒng)、地震波激發(fā)單元和檢波器安裝單元，其中: 所述全空間三維觀測系統(tǒng)，包括多個激發(fā)震源點和接收點，其中，激發(fā)震源點分別位于隧道兩側(cè)的巖壁上及掌子面巖體上，所述接收點分別位于隧道兩側(cè)及掌子面中心線上，且相對隧道底板的高度位置不同； 所述檢波器安裝單元包括固定塊，固定塊將地震波檢波器固定于隧道內(nèi)； 所述地震波激發(fā)單元，包括改進的彈簧伸縮錘擊器，具體包括壓縮彈簧、伸縮錘和殼體，殼體內(nèi)固定有伸縮彈簧的一端，伸縮彈簧的另一端連接伸縮錘，使得伸縮錘在殼體內(nèi)進行伸縮運動。2.如權(quán)利要求1所述的隧道三維地震波超前探測空間觀測系統(tǒng)，其特征是:所述巖壁上的檢波器左右兩側(cè)對稱布置，且每一側(cè)的激發(fā)震源點距離掌子面的距離不同，掌子面上的激震點呈左右對稱布置，相對隧道底板的高度不同。3.如權(quán)利要求1所述的隧道三維地震波超前探測空間觀測系統(tǒng)，其特征是: 所述固定塊通過粘貼方式固定時，包括固定塊基體、傳感器連接槽、固定螺栓孔、粘接面以及反光貼，其中，所述固定基體由細(xì)骨料的混凝土澆筑而成;所述的傳感器連接槽中預(yù)澆筑有螺栓，通過其將地震波檢波器固定在其上，所述固定塊基體上設(shè)有固定螺栓孔和粘接面，固定塊基體外表面還設(shè)有反光貼。4.如權(quán)利要求1所述的隧道三維地震波超前探測空間觀測系統(tǒng)，其特征是:所述的固定螺栓孔為預(yù)澆筑的螺帽，在巖體破碎松動區(qū)域，通過將固定螺栓將其固定在巖壁上。所述固定塊通過拼接式固定時，包括固定塊基體、螺栓環(huán)、五向傳感器連接螺栓以及膨脹螺栓，所述固定塊基體由細(xì)骨料的混凝土澆筑而成;所述的螺栓環(huán)是預(yù)澆筑在固定塊基體中的，與膨脹螺栓螺母外徑相同；所述的四向傳感器連接螺栓是預(yù)澆筑在固定塊基體中的，分別位于除螺栓環(huán)設(shè)置面以外的五個面的中心點。5.如權(quán)利要求1所述的隧道三維地震波超前探測空間觀測系統(tǒng)，其特征是:所述伸縮錘，包括錘面、錘身以及觸發(fā)器槽，其中錘面設(shè)置于錘身的前端，錘身內(nèi)部設(shè)置有觸發(fā)器槽，錘身活動固定于殼體內(nèi)部，且殼體前端設(shè)有踏板。6.—種如權(quán)利要求1-5中任一項所述的系統(tǒng)的安裝方法，其特征是:包括以下步驟: (1)根據(jù)掌子面情況對掌子面進行排險； (2)對不同高度點對觀測系統(tǒng)進行定位，選取固定面，選取粘貼或拼接方式安裝固定塊，并安裝加速度傳感器與無線模塊;若檢波器為三分量的，則可以任意選取一個螺栓方向進行安裝，若檢波器為單分量，則可以通過不同螺栓的組合安裝，實現(xiàn)三分量地震數(shù)據(jù)的采集。 (3)將觸發(fā)器安裝在彈簧伸縮捶擊器的觸發(fā)器安裝槽中，其觸發(fā)連接線通過錘擊器后方線槽引出，連接至控制儀； (4)通過對彈簧伸縮錘擊器進行垂向加壓，使壓縮彈簧具有彈性勢能，將錘擊器的捶擊面對準(zhǔn)捶擊點，將勢能轉(zhuǎn)化為動能，完成激震錘擊； (5)安裝在掌子面以及巖壁上的檢波器對地震波數(shù)據(jù)進行采集，并通過無線傳輸裝置傳遞至多通道數(shù)據(jù)采集儀，并傳輸至控制操作終端進行數(shù)據(jù)保存及實時查看； (6)采用全站儀對觀測系統(tǒng)各布置點三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進行采集，并及時反饋至控制操作終端； (7)將三維地震波探測過程中觀測系統(tǒng)三維坐標(biāo)和地震波數(shù)據(jù)采集信號進行實時處理。7.如權(quán)利要求6所述的安裝方法，其特征是:所述步驟(2)中，使用粘貼方式時，將加速度傳感器通過螺栓安裝到混凝土固定塊上，通過纖維布將巖體表面或初襯表面的灰塵或松動砂礫擦除，將固定膠均勻涂抹在固定塊的粘接面，并將固定塊粘貼到巖體或混凝土表面，使固定塊的檢波器傳感器連接槽朝向洞口方向，按壓混凝土固定塊，待其粘接牢固后松開。8.如權(quán)利要求6所述的安裝方法，其特征是:所述步驟(2)中，使用拼接方式時，巖體表面或混凝土襯砌表面垂直打出鉆孔，將膨脹螺栓插入鉆孔中，安裝掛環(huán)后，使用六角扳手將膨脹螺栓固定在巖體或混凝土初襯結(jié)構(gòu)上，保證其與巖體之間不存在松動。9.如權(quán)利要求6所述的安裝方法，其特征是:所述步驟(4)中，當(dāng)錘擊完成后，如若需對下一個錘擊點進行捶擊，需要對該錘擊器進行充能，充能方法為:將錘身朝下，手抓扶手，單腳踩住彈性伸縮捶擊器外部的踏板，將其外殼向下壓，直至錘面回收至原位時，當(dāng)控制鍵自動還原后，尚開踏板，完成一次充能。10.如權(quán)利要求6所述的安裝方法，其特征是:所述步驟(7)中，其處理過程具體如下所示: 依次進行信號解編、壞道去除，采用余弦鑲邊巴特沃斯進行噪聲去除，采用極值拾取及等時窗能量比掃描結(jié)合的方法初至拾取與直達波速計算，擴散補償、衰減補償、極化濾波、采用統(tǒng)計性相位相關(guān)速度分析方法，利用瞬時相位的相關(guān)特性來計算速度譜，最終偏移成像。
【文檔編號】G01V1/155GK105974465SQ201610411224
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月8日
【發(fā)明人】劉斌, 陳磊, 李銘, 李術(shù)才, 聶利超, 宋杰, 許新驥, 王傳武, 王瑞睿
【申請人】山東大學(xué)