[发明专利]隧道三维地震波超前探测空间观测系统与方法

权利要求书

1.隧道三维地震波超前探测空间观测系统，其特征是：包括全空间三维观测系统、地震波激发单元和检波器安装单元，其中：

所述全空间三维观测系统包括14个激发震源点，14个激发震源点位置分别位于隧道两侧的岩壁上及掌子面岩体上，左右两侧各六个激震点，共布置2圈，掌子面对称布置两个激震点；

所述全空间三维观测系统包括10个接收点，10个接收点位置分别位于隧道两侧及掌子面中心线上，共布置5个里程位置，隧道两侧每个里程位置各布置2个接收点，掌子面上分别在相对隧道底板高度不同位置处布置两个接收点；

所述检波器安装单元包括固定块，固定块将地震波检波器固定于隧道内；

所述地震波激发单元，包括改进的弹簧伸缩锤击器，具体包括压缩弹簧、伸缩锤和壳体，壳体内固定有伸缩弹簧的一端，伸缩弹簧的另一端连接伸缩锤，使得伸缩锤在壳体内进行伸缩运动；所述岩壁上的检波器左右两侧对称布置，且每一侧的激发震源点距离掌子面的距离不同，掌子面上的激震点呈左右对称布置，相对隧道底板的高度不同；

所述三维观测系统的相邻检波器之间偏移距△x≤0.5V/f，f是现场信号的有效频率,V是现场岩体波速值。

2.如权利要求1所述的隧道三维地震波超前探测空间观测系统，其特征是：

所述固定块通过粘贴方式固定时，包括固定块基体、传感器连接槽、固定螺栓孔、粘接面以及反光贴，其中，所述固定块基体由细骨料的混凝土浇筑而成；所述的传感器连接槽中预浇筑有螺栓，通过其将地震波检波器固定在其上，所述固定块基体上设有固定螺栓孔和粘接面，固定块基体外表面还设有反光贴。

3.如权利要求2所述的隧道三维地震波超前探测空间观测系统，其特征是：所述的固定螺栓孔为预浇筑的螺帽，在岩体破碎松动区域，通过固定螺栓将其固定在岩壁上，所述固定块通过拼接式固定时，包括固定块基体、螺栓环、四向传感器连接螺栓以及膨胀螺栓，所述固定块基体由细骨料的混凝土浇筑而成；所述的螺栓环是预浇筑在固定块基体中的，与膨胀螺栓螺母外径相同；所述的四向传感器连接螺栓是预浇筑在混凝土基体中的，分别位于与螺栓环设置面相邻的四个面的中心点。

4.如权利要求1所述的隧道三维地震波超前探测空间观测系统，其特征是：所述伸缩锤，包括锤面、锤身以及触发器槽，其中锤面设置于锤身的前端，锤身内部设置有触发器槽，锤身活动固定于壳体内部，且壳体前端设有踏板。

5.一种如权利要求1-4中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)根据掌子面情况对掌子面进行排险；

(2)在不同高度点对观测系统进行定位，选取固定面，选取粘贴或拼接方式安装固定块，并安装加速度传感器与无线模块；若检波器为三分量的，则可以任意选取一个螺栓方向进行安装，若检波器为单分量，则可以通过不同螺栓的组合安装，实现三分量地震数据的采集；

(3)将触发器安装在弹簧伸缩捶击器的触发器安装槽中，其触发连接线通过锤击器后方线槽引出，连接至控制仪；

(4)通过对弹簧伸缩锤击器进行垂向加压，使压缩弹簧具有弹性势能，将锤击器的捶击面对准捶击点，将势能转化为动能，完成激震锤击；

(5)安装在掌子面以及岩壁上的检波器对地震波数据进行采集，并通过无线传输装置传递至多通道数据采集仪，并传输至控制操作终端进行数据保存及实时查看；

(6)对观测系统各布置点三维坐标数据进行采集，并及时反馈至控制操作终端；

(7)将三维地震波探测过程中观测系统三维坐标和地震波数据采集信号进行实时处理。

6.如权利要求5所述的工作方法，其特征是：所述步骤(2)中，使用粘贴方式时，将加速度传感器通过螺栓安装到混凝土固定块上，通过纤维布将岩体表面或初衬表面的灰尘或松动砂砾擦除，将固定胶均匀涂抹在固定块的粘接面，并将固定块粘贴到岩体或混凝土表面，使固定块的检波器传感器连接槽朝向洞口方向，按压混凝土固定块，待其粘接牢固后松开。

7.如权利要求5所述的工作方法，其特征是：所述步骤(2)中，使用拼接方式时，岩体表面或初衬表面垂直打出钻孔，将膨胀螺栓插入钻孔中，安装挂环后，使用六角扳手将膨胀螺栓固定在岩体或混凝土初衬结构上，保证其与岩体之间不存在松动。