[发明专利]隧道三维地震波超前探测空间观测系统与方法

说明书

技术领域

本发明涉及隧道三维地震波超前探测空间观测系统与方法。

背景技术

随着国民经济的快速发展，我国现在已经成为世界上隧道建设规模和难度最大的国家，在未来的几年，铁路及公路领域将新建大量的隧道，里程总数超过上万公里，并且在多个水电工程和调水工程中将修建大批的深长隧洞，表现出“标准高、线路长、规模大、桥隧比高、深长隧道多”的鲜明特点。在隧道的建设过程中，为保证隧道的施工，采取有效的超前地质预报方法能够提前获知前方岩体情况，了解断层、溶洞等不良地质的位置及规模，未雨绸缪，提前做好应对措施，可以有效的保证工程施工安全。

随着科技技术的进步，在现有的超前探测方法中，地震波探测技术得到了较大的发展。地震波探测方法因其探测距离远，受隧道干扰较小的优点，被广泛的运用到隧道超前地质预报工作中。地震波法探测技术的原理为：当地震波遇到声学阻抗差异(密度和波速的乘积)界面时，一部分信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质。声学阻抗的变化通常发生在地质岩层界面或岩体内不连续界面。反射的地震信号被高灵敏地震信号传感器接收，通过分析，被用来了解隧道工作面前方地质体的性质(软弱带、破碎带、断层、含水等)、位置及规模。目前，TSP、TST、TRT等方法在隧道探测中经常应用。目前的观测系统中，多为直线类，与平面类的观测方式，TRT采用三维观测方式对地震波数据进行采集，但其使用的为单位量的检波器，在到一定程度上降低了所采集到的波场信息的完整程度。其中，由于TSP、TST等预报方法需要采用炸药作为震源，存在一定的安全风险；TRT利用人工手持大锤锤击岩体作为震源，在一定程度上简化了探测工作。

虽然目前的探测技术能够较好的对工作面前放的不良地质体(断层、溶洞、软弱破碎带等)有较好的探测效果。但是在实际现场探测工作中，在硬件设备的安装与数据采集中存在着一些问题，这些问题造成了探测时间长，检波器布置环境受限，现场操作不便等问题，在一定程度上影响了现场施工进度，具体存在问题如下所示：

①采集模块安装效率低：采集模块的安装，主要包括无线模块、传输光纤、检波器、固定块之间的连接以及与墙体耦合两部分。固定块与墙体的耦合，现有的方法采用冲击钻在墙体上钻小孔，固定块通过金属棒(或胶管/短筷)固定在墙体表面，再采用速凝剂或锚固剂进 行粘接耦合，这种方法在常规的隧道中较为适用，但在渗水的隧道中，由于岩体或墙体表面被渗水浸润，大大影响了速凝剂与锚固剂的耦合效果，更有甚者，使其耦合效果失效，无法将固定块固定在围岩或墙体上，费时费力也得不到较好的探测数据，影响现场施工，故现场探测急需一种新的检波器固定块安装方式，确保对地震波数据进行高质量的采集；

②采集模块回收时间较长：现有采集模块的，总体拆卸回收步骤较为复杂，在传输光纤的拆装与回收过程中，为做到保护光纤不受损害，需要采用固定的绕线方法，保证光纤线不打折，导致其收线时间较长；且为保证混凝土固定块的多次重复使用，现场探测结束后，需要对其做清理处理(采用地质锤将固定块上粘连的锚固剂敲击掉)，尤其当速凝剂或锚固剂将检波器与固定器凝结时，需要在不损坏连接螺栓与检波器的条件下进行清除，其所消耗时间较长，为减小回收工作量，提出一种新型的回收方法是非常有必要的；

③大锤激发地震波重复性差：目前的隧道探测方法中，除炸药震源外，采用的是现场提供的2-8磅大锤作为震源触发装置，锤击岩体表面用以激发地震波。在锤击的过程中，由于部分锤击点位置较高，采用持大锤进行地震波激发时，操作不便；若采用小锤锤击，其激发的地震波能量又略有不足。另外，由于现场岩体表面的特殊性，采用现场大锤存在随机性，在敲击的过程中，容易对标记点错位敲击，尤其是在初衬支护上进行锤击时，易出现无法触发的情况；

④观测系统布置不便：现行的三维观测系统。在TBM隧道中，由于掘进机机体基本占据洞室内部空间，可以站在TBM平台上接触到空间内的各点位置，检波点标记与安装及震源锤击都较为容易；但在钻爆法施工隧道中，由于在拱腰或拱顶位置处的检波器安装点在不使用道具时无法触及。若采用现场梯子，则无法触及到拱顶检波点；若采用装载机，则需增加配合工人且会增加操作时间，尤其是这种方法存在安全隐患，容易为安装人员带来不必要的伤害。

发明内容