TBM搭载的可控震源-噪声源隧道地震波探测装置及方法

技术领域

本发明涉及隧道超前探测技术领域，特别涉及一种TBM搭载的可控震源-噪声源隧道地震波探测装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

地震波法作为最常用的隧道超前探测方法之一，可以远距离识别不良地质构造。其通常采用炸药或人工锤击等主动源激震方式，但由于TBM隧道施工工序紧密，传统主动源激震方式较难满足快速的TBM自动化施工。为此，TBM搭载式主动源激震装备(搭载式液压震源、搭载式气动震源)应运而生，但目前TBM搭载式地震激震装备产生的信号传播距离与分辨率依然难以满足TBM隧道探测需求。

可控震源技术在油气地球物理领域发展的较为成熟，其通过长时间激发和能量累积，能够实现远距离传播与高信噪比信号获取。因此，在TBM施工的隧道环境中，应用搭载式可控震源装备与技术将有利于实现远距离、高信噪比探测。然而，可控震源需要在TBM停机时段进行探测工作，无法做到对探测结果进行实时修正。掘进噪声源探测可以实现TBM施工时的实时探测，并且可以利用掘进噪声源的低频特性，进一步结合可控震源的高频信息，实现远近结合探测。

发明人发现，TBM隧道环境下的可控震源-噪声源探测存在以下问题：

TBM施工的隧道环境中，由于探测空间有限，通常在围岩侧壁采用水平激震的方式激发信号；而可控震源应用于地表环境时，可利用自身重力完成仪器与地表的较好耦合；由于隧道中的水平激震方式的需求，要求可控震源不能利用自身重力对岩壁进行耦合，这种耦合需要依赖搭载手段实现；因此，可控震源的搭载方式决定了仪器与岩壁能否水平耦合，搭载方式的选择将成为TBM中能够应用此技术的主要难点；

在TBM施工隧道噪声源探测中，常利用掘进噪声实现掘进过程中的实时探测，但是掘进源探测的激发时长、波形和激振力信息不明确，且激发信号的频率较低，难以满足精细探测的需求。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种TBM搭载的可控震源-噪声源隧道地震波探测装置及方法，在撑靴上安装电磁式可控震源，能够自适应且稳定垂直激震岩壁，为TBM隧道施工超前预报的稳定性提供了保证，利用可控震源和噪声源信号的特点，实现了TBM隧道施工过程中的远近结合探测，为隧道安全施工提供了可靠的指导。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种TBM搭载的可控震源-噪声源隧道地震波探测装置。

一种TBM搭载的可控震源-噪声源隧道地震波探测装置，包括：电磁式可控震源及其相关组件以及噪声源先导传感器，所述电磁式可控震源及其相关组件与TBM的撑靴固定连接，所述噪声源先导传感器安装在TBM的刀盘后侧；

TBM停机时利用电磁式可控震源及其相关组件进行激震探测，激震时电磁式可控震源及其相关组件中的可控震源先导传感器同步接受信号，TBM掘进过程中噪声源先导传感器接收破岩震源信号。

作为本发明第一方面可选的一种实现方式，所述电磁式可控震源及其相关组件，包括：电磁式可控震源、配重外壳、导轨、气囊、阻挡板、可控震源先导传感器、传感器导向装置、供气装置和底板；

沿震源激发方向布置的导轨固定在底板上，阻挡板固定在底板上，配重外壳与底板之间固定有气囊；

传感器导向装置固定在底板上配重外壳的一侧，可控震源先导传感器与传感器导向装置连接，且能够在传感器导向装置的控制下执行伸缩动作。

作为本发明第一方面进一步的限定，气囊分别与阻挡板和配重外壳螺栓连接。

作为本发明第一方面进一步的限定，传感器导向装置与底板焊接固定。

作为本发明第一方面进一步的限定，底板上开有用于与撑靴固定连接的螺纹孔。

作为本发明第一方面进一步的限定，底板上还固定有供气装置，所述供气装置与气囊连通。

作为本发明第一方面更进一步的限定，所述供气装置与底板焊接固定。

作为本发明第一方面进一步的限定，导轨和阻挡板与底板焊接固定。

本发明第二方面提供了一种TBM搭载的可控震源-噪声源隧道地震波探测方法。

一种TBM搭载的可控震源-噪声源隧道地震波探测方法，利用本发明第一方面所述的TBM搭载的可控震源-噪声源隧道地震波探测装置，包括以下过程：

TBM停机时，利用撑靴上的电磁式可控震源及其相关组件进行激震探测，激震时电磁式可控震源及其相关组件中的可控震源先导传感器同步接受信号，用于进行TBM停机过程中的近距离精细探测；

TBM掘进过程中，安装在刀盘后侧的噪声源先导传感器接收破岩震源信号，用于进行TBM掘进过程中的远距离实时探测。

本发明第三方面提供了一种TBM搭载的可控震源-噪声源隧道地震波探测装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明充分利用TBM结构，提出在撑靴上安装电磁式可控震源的搭载方案，能够自适应且稳定垂直激震岩壁，电磁式可控震源具有信号设计灵活、畸变小、信噪比高、谐波干扰小等优点，拥有较宽的信号频率范围，适用于高分辨率地震勘探，仪器组成简单且体积较小，便于搭载。

2、本发明利用电磁式可控震源实现了近距离探测，同时利用隧道中TBM刀盘破岩的噪声作为地震波法的信号，实现远距离实时探测，为TBM隧道施工超前预报稳定性提供保证，并利用可控震源和噪声源信号的特点，实现了TBM隧道施工过程中的远近结合探测，为隧道安全施工提供了稳定指导。

3、本发明充分利用TBM本身的撑靴结构，通过焊接和螺栓的连接方式，达到了可控震源稳固工作的目的，综合利用可控震源和破岩震源探测的特点，综合近距离精细探测和远距离实时探测能力，实现了TBM掘进过程中探测的远近结合，进一步提高了探测的准确率和覆盖率。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

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

图1为本发明实施例1提供的TBM搭载的可控震源-噪声源隧道地震波探测装置的俯视示意图；

图2为本发明实施例1提供的TBM搭载的可控震源-噪声源隧道地震波探测装置的正视示意图；

图3为本发明实施例1提供的电磁可控震源组件的搭载示意图；

图4为本发明实施例1提供的电磁可控震源组件的细节示意图；

其中，1、刀盘；2、撑靴液压油杆；3、撑靴；4、电磁式可控震源及相关组件；5、噪声源先导传感器；6、可伸缩三分量传感器；7、电磁式可控震源；8、配重外壳；9、导轨；10、气囊；11、阻挡板；12、可控震源先导传感器；13、传感器导向装置；14、供气设备；15、孔底板；16、螺纹。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

本发明实施例1提供了一种TBM搭载的可控震源-噪声源隧道地震波探测装置，如图1和图2所示，包括：电磁式可控震源及其相关组件4(这里的电磁式可控震源及其相关组件4即为电磁式可控震源组件，即电磁式可控震源组件包括两部分，一部分是电磁式可控震源，另一部分是与电磁式可控震源相关的组件)以及噪声源先导传感器5，所述电磁式可控震源及相关组件4与TBM的撑靴3固定连接，所述噪声源先导传感器5安装在TBM的刀盘1后侧，撑靴3通过撑靴液压油杆2与TBM的主体结构连接，如图3和图4所示；

TBM停机时利用电磁式可控震源及相关组件4进行激震探测，激震时电磁式可控震源及其相关组件4中的可控震源先导传感器12同步接受信号，TBM掘进过程中噪声源先导传感器5接收破岩震源信号；

探测过程中，TBM工作平台上方的可伸缩的三分量传感器6伸出并接触岩壁，接收地震信号；当探测结束后，三分量传感器6收回并远离岩壁；

本实施例中，所述电磁式可控震源及其相关组件4，包括：电磁式可控震源7、配重外壳8、导轨9、气囊10、阻挡板11、可控震源先导传感器12、传感器导向装置13、供气装置14和底板15；

沿震源激发方向布置的导轨9固定在底板15上，便于激震时前后震动出力；阻挡板11固定在底板15上，电磁式可控震源7与配重外壳8连接，配重外壳8与阻挡板11之间通过气囊10进行缓冲；

传感器导向装置13固定在底板上配重外壳8的一侧，可控震源先导传感器12与传感器导向装置13连接，且能够在传感器导向装置13的控制下执行伸缩动作，保证在电磁式可控震源及相关组件4非工作状态时可控震源先导传感器12不接触岩壁，且不影响施工；

本实施例中，气囊10分别与阻挡板11和配重外壳8螺栓连接；可以理解的，在其他一些实现方式中，气囊10与阻挡板11和配重外壳8也可以采用其他固定连接方式，例如卡扣连接或者焊接等等，本领域技术人员可以根据具体工况选择，这里不再赘述。

本实施例中，传感器导向装置13与底板14焊接固定；可以理解的，在其他一些实现方式中，传感器导向装置13与底板14也可以采用螺栓连接或者卡扣连接，本领域技术人员可以根据具体工况选择，这里不再赘述。

本实施例中，底板15上开有用于与撑靴3固定连接的螺纹孔16，底板15通过高强螺栓在螺纹孔16的位置进行永久连接，并且在底板15周围进行焊接加固，保证在TBM掘进施工过程中电磁式可控震源及其相关组件4能够稳固的位于撑靴3上；电磁式可控震源及相关组件4可以安装在撑靴3侧面外沿的任意位置，保证电磁式可控震源7的出射中轴线垂直于撑靴外沿即可。

本实施例中，底板15上还固定有供气装置14，所述供气装置14与气囊10连通。

本实施例中，所述供气装置14与底板15焊接固定；可以理解的，在其他一些实现方式中，供气装置14与底板15可以采用螺栓连接或者卡扣连接，本领域技术人员可以根据具体工况选择，这里不再赘述。

本实施例中，导轨9和阻挡板11分别与底板15焊接固定；可以理解的，在其他一些实现方式中，导轨9和阻挡板11分别与底板15通过螺栓或者卡扣连接，本领域技术人员可以根据具体工况选择，这里不再赘述。

实施例2：

本发明实施例2提供了一种TBM搭载的可控震源-噪声源隧道地震波探测方法，包括以下过程：

S1：TBM停机时，利用撑靴3上的电磁式可控震源及其相关组件4进行探测，激震时可控震源先导传感器12和三分量传感器6同步接受信号，用于后续的数据处理；

电磁式可控震源可激发的信号频率高，但由于搭载装备体量较小的原因，所以搭载式电磁可控震源出力较小，信号传播距离较近，利用上述搭载式电磁可控震源特征，进行TBM停机过程中的近距离精细探测；

S2：TBM掘进过程中，会因为刀盘1持续破岩的原因产生能量较大的噪声，同时安装在刀盘1后侧的噪声源先导传感器5和三分量传感器6接收破岩震源信号，用于噪声源地震记录数据处理；利用掘进噪声源的低频和能量较大的特征，进行TBM掘进过程中的远距离实时探测；

S3：搭载式电磁可控震源的近距离精细探测和刀盘破岩噪声源的远距离实时探测，构成了可控震源-噪声源探测中“远近结合”的探测方式，为TBM掘进过程中的安全施工提供指导。

实施例3：

本发明实施例3提供了一种全断面硬岩隧道掘进机(TBM)，包括本发明实施例1所述的TBM搭载的可控震源-噪声源隧道地震波探测装置.

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