一种搭载于护盾上的地震超前预报观测系统及方法

摘要

本公开提供了一种搭载于护盾上的地震超前预报观测系统及方法，包括沿护盾圆周分布的环状观测设备收纳舱，所述观测设备收纳舱内容纳有激震器和检波器，所述激震器和检波器均设置有自动伸缩件，能够带动激震器和检波器沿自动伸缩杆方向伸缩，从而撞击岩石激发地震波，或实现检波器的自动径向伸缩与安装；连接激震器的自动伸缩件的另一端与滑轨滑动连接，能够为激震器提供滑行轨道，控制激震器的前后滑动，滑轨下部设置有支撑杆，能够自动伸缩抬高滑轨后端以控制激震角度，以灵活改变激震位置。

权利要求

1.一种搭载于护盾上的地震超前预报观测系统，其特征是：包括：

沿护盾圆周分布的环状观测设备收纳舱，所述观测设备收纳舱内容纳有激震器和检波器，所述激震器和检波器均设置有自动伸缩件，能够带动激震器和检波器沿自动伸缩杆方向伸缩，从而撞击岩石激发地震波，或实现检波器的自动径向伸缩与安装；所述环状观测设备收纳舱包括多个舱位，靠近收纳舱前方等距离分布多个激震器舱位，靠近收纳舱后方等距离分布若干个检波器舱位；

激震器沿隧道掘进机方向仅可滑动不可转动，垂直掘进方向仅可转动不可滑动，实现平行于掌子面方位全覆盖激震；连接激震器的自动伸缩件的另一端与滑轨滑动连接，能够为激震器提供滑行轨道，控制激震器的前后滑动，滑轨下部设置有支撑杆，自动控制激震器沿滑轨向后滑动之后能够自动伸缩抬高滑轨后端形成稳定三角形结构，以控制激震角度，以灵活改变激震位置，自动伸缩激震器底部调整角度的方式实现在掌子面与围岩交界处或者靠近掌子面围岩位置激震。

2.如权利要求1所述的一种搭载于护盾上的地震超前预报观测系统，其特征是：所述观测设备收纳舱上设置有环状自动伸缩舱门，能够在 施工隧道掘进过程中闭合观测设备收纳舱，并在超前地质探测过程中自动开启舱门，伸出检波器和激震器，按照要求进行超前地质探测。

3.如权利要求2所述的一种搭载于护盾上的地震超前预报观测系统，其特征是：所述环状自动伸缩舱门闭合时，环状自动伸缩舱门外壁保持与护盾外壁平齐。

4.如权利要求1所述的一种搭载于护盾上的地震超前预报观测系统，其特征是：所述激震器根据实际施工情况沿激震器滑轨前后移动。

5.如权利要求1所述的一种搭载于护盾上的地震超前预报观测系统，其特征是：所述激震器连接的自动伸缩件能够以激震器主体中轴线为轴左右转动。

6.如权利要求5所述的一种搭载于护盾上的地震超前预报观测系统，其特征是：所述激震器连接的自动伸缩件的周向转动角度为0‑45°，沿单方向最大可转动角度值为22.5°。

7.如权利要求1所述的一种搭载于护盾上的地震超前预报观测系统，其特征是：所述激震器连接的自动伸缩件的末端连接有滑块，所述滑块与滑轨之间滑动连接，且有驱动件驱动所述滑块的移动。

8.如权利要求1所述的一种搭载于护盾上的地震超前预报观测系统，其特征是：所述激震器沿护盾圆周均匀分布；

或，所述检波器沿护盾圆周均匀分布。

9.基于权利要求1‑8中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：施工隧道掘进过程中，环状伸缩门外壁接触围岩壁，为围岩提供支护；探测过程中，环状自动伸缩舱门打开，伸缩门收纳于护盾后方，舱内检波器伸出，接触并紧密贴合在围岩面上；

根据隧道实际开挖情况计算沿滑轨向后滑动长度、左右旋转角度，自动伸缩件带动激震器按照计算值依次向转动、沿滑轨向后滑动，并伸出随后锤击围岩/围岩与掌子面交界位置，实现激震；

激震器锤击岩石产生的地震波向前传播遇到不良地质时，地震波反射回传，安装在围岩上的各检波器接收地震信号，进行数据处理与解译工作，同时给出前方地质预测情况。

说明书

一种搭载于护盾上的地震超前预报观测系统及方法

技术领域

[0001] 本公开属于施工隧道不良地质超前预报领域，具体涉及一种搭载于护盾上的地震超前预报观测系统及方法。

背景技术

[0002] 本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

[0003] 目前，我国已经发展成为世界上隧道建设规模最大、发展速度最快、修建难度最高的国家，隧道建设的蓬勃发展对隧道安全、高效施工提出巨大需求。但是，施工隧道对围岩质量要求较高，对不良地质的适应能力较差，施工中需要及时、准确探明掌子面前方的地质情况并进行主动处置，否则极易引发突水突泥、塌方等突发性灾害，轻则影响施工进度，重则造成机毁人亡的灾难性后果，严重制约了隧道施工技术的进步和发展。因此，如何在隧道开挖过程中进行及时、准确的超前地质预报，以探明掌子面前方地质情况，已经成为隧道安全、高效施工的重要问题和挑战。

[0004] 针对于施工隧道的超前预报方法主要有超前钻探类、电法类和地震波类三种，地震波类超前预报技术是一种较为常用的方法。施工隧道地震波类超前预报方法通常采用人
工或机械震源，在护盾后方边墙激震产生地震波，在左右两侧边墙布置检波器进行接收，通过对接收信号进行处理分析，预报掌子面前方的地质情况。在该探测方式中，震源只能垂直边墙进行激发，其主要能量成分是垂直边墙传播的，向掌子面前方传播的能量成分相对较
弱，而隧道掌子面前方才是我们重点关心的探测区域，从而导致检波器接收到的、来自掌子面前方的有效反射波能量相对较弱；另一方面，由于激发点和检波器点的位置距离掌子面
较远，特别对于破碎围岩情况下，地震波在围岩传播过程中能量损耗较强，检波器接收到的反射信号能量进一步减弱。无法增加向掌子面前方传播的能量，信噪比较低。

发明内容

[0005] 本公开为了解决上述问题，提出了一种搭载于护盾上的地震超前预报观测系统及方法，本公开通过改变激震位置、在护盾集成安装震源和检波器，增强向掌子面前方传播的有效激震能量，获取较高信噪比的地震观测数据，从而进一步提高施工隧道前方不良地质
探测效果。

[0006] 根据一些实施案例，本公开采用如下技术方案：

[0007] 一种搭载于护盾上的地震超前预报观测系统，包括：

[0008] 沿护盾圆周分布的环状观测设备收纳舱，所述观测设备收纳舱内容纳有激震器和检波器，所述激震器和检波器均设置有自动伸缩件，能够带动激震器和检波器沿自动伸缩
杆方向伸缩，从而撞击岩石激发地震波，或实现检波器的自动径向伸缩与安装；

[0009] 连接激震器的自动伸缩件的另一端与滑轨滑动连接，能够为激震器提供滑行轨道，控制激震器的前后滑动，滑轨下部设置有支撑杆，能够自动伸缩抬高滑轨后端以控制激震角度，以灵活改变激震位置。

[0010] 作为进一步的限定，所述观测设备收纳舱上设置有环状自动伸缩舱门，能够在施工隧道掘进过程中闭合观测设备收纳舱，并在超前地质探测过程中自动开启舱门，伸出检
波器和激震器，按照要求进行超前地质探测。

[0011] 作为进一步的限定，所述环状自动伸缩舱门闭合时，环状自动伸缩舱门外壁保持与护盾外壁平齐。

[0012] 作为进一步的限定，所述环状观测设备收纳舱包括多个舱位，靠近收纳舱前方等距离分布8个激震器舱位，靠近收纳舱后方等距离分布若干个检波器舱位。

[0013] 作为进一步的限定，所述激震器根据实际施工情况沿激震器滑轨前后移动。

[0014] 作为进一步的限定，所述激震器连接的自动伸缩件能够以激震器主体中轴线为轴左右转动。

[0015] 作为进一步的限定，所述激震器连接的自动伸缩件的周向转动角度为0‑45°，沿单方向最大可转动角度值为22.5°。

[0016] 作为进一步的限定，所述激震器连接的自动伸缩件的末端连接有滑块，所述滑块与滑轨之间滑动连接，且有驱动件驱动所述滑块的移动。

[0017] 作为进一步的限定，所述激震器沿护盾圆周均匀分布。

[0018] 作为进一步的限定，所述检波器沿护盾圆周均匀分布。

[0019] 基于上述系统的工作方法，施工隧道掘进过程中，环状伸缩门外壁接触围岩壁，为围岩提供支护；探测过程中，环状自动伸缩舱门打开，伸缩门收纳于护盾后方，舱内检波器伸出，接触并紧密贴合在围岩面上；

[0020] 根据隧道实际开挖情况计算沿滑轨向后滑动长度、左右旋转角度，自动伸缩件带动激震器按照计算值依次向转动、沿滑轨向后滑动，并伸出随后锤击围岩/围岩与掌子面交界位置，实现激震；

[0021] 激震器锤击岩石产生的地震波向前传播遇到不良地质时，地震波反射回传，安装在围岩上的各检波器接收地震信号，进行数据处理与解译工作，同时给出前方地质预测情
况。

[0022] 预测完成后，回收各设备。

[0023] 与现有技术相比，本公开的有益效果为：

[0024] 现有地震波超前探测装置大多将检波器设置在护盾后方壳体位置，本公开将检波器位置提前到护盾上，遇不良地质界面反射回来的地震波信号在围岩中传输距离缩短、信
号损耗减少，反射波能量利用率得以提高。

[0025] 相比传统人工检波器布设装置，本公开可以在自动化布置检波器的同时减少因检波器贴合围岩不稳定引起的噪声。现有检波器布设装置大多通过人工涂抹耦合剂的方式将
检波器贴合在围岩上，检波器贴合不牢固极易引起噪声，本公开提出的自动检波器布设装
置不仅可以实现自动化机械施工，同时为检波器贴合围岩时提供垂直于围岩的支撑，有效
减少检波器贴合围岩不稳定引起的噪声。

[0026] 相比较现有自动化检波器布置方式，本公开可以减少检波器支撑杆过于灵活引起的噪声。本公开提出的自动检波器伸缩装置只可伸缩不可滑动也不可转动，相比于现有自
动检波器布设装置，减少了检波器贴合围岩时因伸缩杆抖动引起的噪声。

附图说明

[0027] 构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

[0028] 图1为观测设备收纳舱在机体搭载位置示意图；

[0029] 图2为设备收纳舱内部观测装置及舱门布局示意图；

[0030] 图3为掘进状态观测设备收纳舱及舱门布局示意图；

[0031] 图4为探测状态(自动伸缩激震器锤击围岩)观测设备收纳舱布局示意图；

[0032] 图5为探测状态(自动伸缩激震器锤击掌子面与围岩交界位置处时)观测设备收纳舱布局示意图；

[0033] 其中：1表示滚刀，2表示刀盘，3表示环状自动伸缩舱门，4表示观测设备收纳舱，5表示护盾，6表示主梁，7表示自动伸缩检波器，8表示自动伸缩激震器，9表示激震器滑轨，10表示滑轨支撑杆。具体实施方式：

[0034] 下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

[0035] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0036] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0037] 在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

[0038] 本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

[0039] 如图1和图3所示，一种搭载于护盾上的地震超前预报观测系统，包括：

[0040] 自动伸缩激震器，能够实现激震器的自动伸缩从而撞击岩石激发地震波，可以绕其中轴线左右转动；

[0041] 自动伸缩检波器，能够实现检波器的自动径向伸缩与安装；

[0042] 观测设备收纳舱，能够收纳自动伸缩激震器与自动伸缩检波器；

[0043] 激震器滑轨，能够为自动伸缩激震器提供滑行轨道，控制自动伸缩激震器的前后滑动。

[0044] 滑轨支撑杆，能够自动伸缩抬高滑轨后端以控制激震角度。

[0045] 环状自动伸缩舱门，能够在施工隧道掘进过程中闭合观测设备收纳舱，并在超前地质探测过程中自动开启舱门，伸出自动伸缩检波器和自动伸缩激震器，按照要求进行超
前地质探测。

[0046] 自动伸缩激震器安装在设置在护盾位置的环状观测设备收纳舱内，在本实施例中，共计8个，在收纳舱底靠近护盾前方舱体位置等距离分布，自动伸缩激震器可以根据实际施工情况沿激震器滑轨前后移动，以激震器主体中轴线为轴左右转动，沿单方向最大可
转动角度值为22.5度。

[0047] 相比现有的地震波激震装置，本实施例的优势主要体现在两个方面：

[0048] 相比现有地震波超前探测激震装置多将人工震源设置在护盾后方壳体处，本实施例通过改变震源能量成分和缩短震源信号传输路程进一步提高激震能量利用率。本实施例
将震源位置提前到护盾上，激震在掌子面附近围岩或掌子面与围岩交界位置进行。锤击掌
子面附近围岩位置时，由于激震位置提前，震源信号在围岩中传输距离缩短、信号损耗减
少，激震能量利用率得以提高。锤击掌子面与围岩交界位置时，震源信号成分由原来的横波为主、纵波为辅更改为纵波为主、横波为辅，由于地震波纵波能量远高于横波能量，因此通过改变震源信号成分，激震能量利用率得以进一步提高。

[0049] 相比现有的自动激震装置，本实施例可以在保证沿掘进方向全覆盖激震的同时保证激震稳定性。本实施例提出的自动激震装置沿隧道掘进机方向仅可滑动不可转动，垂直
掘进方向仅可转动不可滑动(最大转动角度为22.5度)，8个自动伸缩激震器均布在环状观
测设备收纳舱前方位置，从而实现在平行于掌子面方位全覆盖激震；另外，本实施例通过自动控制激震器沿滑轨向后滑动之后滑轨支撑杆升起抬高滑轨(可形成稳定三角形结构)、进
而自动伸缩激震器底部调整角度的方式实现在掌子面与围岩交界处或者靠近掌子面围岩
位置激震，激震更加稳定；综上所述，本实施例可以实现全方位、稳定、自动激震。

[0050] 自动伸缩检波器安装在设置在护盾位置的环状观测设备收纳舱内，共计16个，在收纳舱底靠近护盾后方舱体位置等距离分布，自动伸缩检波器可以垂直围岩方向前后伸
缩，不设置轨道且不可转动。

[0051] 实施例一，自动伸缩激震器锤击围岩时，工作状况可用图4所示，在护盾位置开凹槽设置观测设备舱，舱门设置为环状自动伸缩舱门，施工隧道掘进过程中，环状自动伸缩舱门闭合，环状自动伸缩舱门外壁保持与护盾外壁平齐，此时环状伸缩门外壁接触围岩壁，为围岩提供支护；探测过程中，环状自动伸缩舱门打开，伸缩门收纳于护盾后方，舱内自动伸缩检波器在原环状自动伸缩舱门空间内伸出，接触并紧密贴合在围岩面上；控制中心根据
隧道实际开挖情况计算沿滑轨向后滑动长度、左右旋转角度，自动伸缩激震器按照计算值
依次向左(右)转动、沿滑轨向后滑动，自动伸缩激震器在原环状自动伸缩舱门空间内伸出
随后锤击围岩实现激震，激震完成(激震过程可以多个或所有激震器同时激震，也可以单个激震器依次激震)。激震器锤击岩石产生的地震波向前传播遇到不良地质时，地震波反射回传，安装在围岩上的16个检波器(图中检波器和震源有重合)接收地震信号并传送至控制中
心进行数据处理与解译工作，同时给出前方地质预测情况。随后自动伸缩检波器收回，自动伸缩激震器转动到初始位置，自动伸缩激震器沿滑轨滑动至滑轨初始位置，随后滑轨下落
至舱底位置，环状自动伸缩舱门自动闭合，再次为围岩提供支护，完成一次探测，继续进行掘进作业。

[0052] 实施例二，自动伸缩激震器锤击掌子面与围岩交界位置处时，工作状况可用图5所示，具体实施方案如下：

[0053] 在护盾位置开凹槽设置观测设备舱，舱门设置为环状自动伸缩舱门，施工隧道掘进过程中，环状自动伸缩舱门闭合，与环状自动伸缩舱门外壁保持与护盾外壁平齐，此时环状伸缩门外壁接触围岩壁，为围岩提供支护；探测过程中，环状自动伸缩舱门打开，伸缩门收纳于护盾后方，舱内自动伸缩检波器在原环状自动伸缩舱门空间内伸出，接触并紧密贴
合在围岩面上；控制中心根据隧道实际开挖情况计算沿滑轨向后滑动长度、左右旋转角度
和滑轨抬高高度，自动伸缩激震器按照计算值依次向左(右)转动、沿滑轨向后滑动，随后滑轨支撑杆按照计算值从舱底升起，自动伸缩激震器调整底部角度，自动伸缩激震器在原环
状自动伸缩舱门空间内伸出随后锤击围岩与掌子面交界位置实现激震，激震完成(激震过
程可以多个或所有激震器同时激震，也可以单个激震器依次激震)。激震器锤击岩石产生的地震波向前传播遇到不良地质时，地震波反射回传，安装在围岩上的16个检波器接收地震
信号并传送至控制中心进行数据处理与解译工作，同时给出前方地质预测情况。随后自动
伸缩检波器收回，自动伸缩激震器转动到初始位置，自动伸缩激震器沿滑轨滑动至滑轨初
始位置，随后滑轨下落至舱底位置，环状自动伸缩舱门闭合，再次为围岩提供支护，完成一次探测，继续进行掘进作业。

[0054] 以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

[0055] 上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。