用于地铁盾构隧道前方孤石探测的声波装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了用于地铁盾构隧道前方孤石探测的声波装置及方法，包括声波发射系统与声波接收系统，声波发射系统包括设于隧道钻孔内的用于发射声波信号的声波换能器，声波接收系统包括设于隧道围岩内锚杆端部的声波接收传感器，声波换能器与声波接收传感器分别与控制系统单独连接；充分利用现场已有钻孔、锚杆，实现声波发射和接收装置的布置，成本低、安装迅速、对施工影响小；利用盾构施工隧道中已有的超前地质钻孔，进行声波发射系统的快速布置，能够有效避开掌子面前方泥水区对声波激发的衰减作用、提高探测效果；本发明专利技术利用已有支护锚杆安装接收传感器，能够更好的接收来自岩体内部的声波信号，避开了管片和围岩接触面上所产生的强反射干扰。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及孤石探测，具体涉及用于地铁盾构隧道前方孤石探测的声波装置及方法。
技术介绍
随着城市化建设步伐的加快，中心城市不断向周边辐射，轨道交通建设的紧迫性逐步增加。未来的几十年，我国的轨道交通建设将迎来其发展的繁盛时期，地铁轨道交通的建设已经成为时代发展的必然需求。在地铁轨道交通建设过程中，盾构法施工得到了越来越多的应用，相比于其他方法，盾构法施工对周边环境的影响小、能有效控制土层沉降、组织管理方便、施工速度快。盾构法施工适用于松软地层和相对均质的地质条件，而我国不同区域的地质情况差异很大，在广州、深圳、长沙等地铁盾构法施工过程中常遇到单轴抗压强度极高的孤石，易导致刀盘刀具严重磨损并产生卡刀、斜刀、掉刀、刀具偏磨等情况，严重影响施工的进度，严重时还可能导致工作面喷涌、塌方，引起突发地质灾害。因此，提前探明地铁盾构待掘区域内孤石的赋存状态，是地铁盾构工程施工过程中亟需解决的难题。现有的孤石探测方法以地表钻探或物探为主。其中，地质钻探法直接取岩芯进行观察，可以直观地判断孤石的存在，但所需钻孔数量多、施工成本较高、花费时间较长，且存在着“一孔之见”的局限，因此通过钻探能揭露到的孤石十分有限。地表工程物探方法利用孤石与围岩的物性差异对孤石进行探测，常用的物探方法有地震反射波法、二维微动剖面法、跨孔电阻率CT法和跨孔地震CT法等，但由于城市路面硬化、建筑物阻碍和交通活动频发等原因，使得地表物探方法布置存在困难，而且地震反射波法、二维微动剖面法等地表探测方法的精度及分辨率有限，地表跨孔方法虽然分辨率较高，但需要多个钻孔，探测过程繁琐、成本也较高，因此，地表探测技术在孤石探测实践中效果不佳，难以推广。整体上而言，地表孤石探测方法容易受到地表环境限制，因此现有孤石探测方法正逐渐向洞内探测发展。SSP(sonicsoft-groundprobing)是一种集成于盾构机上的孤石探测方法，其将激震装置和接收传感器固定在刀盘上，并利用盾构机工作期间与掌子面岩体接触进行声波的激发与接收，因此SSP的观测空间局限于掌子面、采集到的信号也容易受到掘进过程中机械噪声的干扰，在处理方法上，SSP未能很好的解决高频信号吸收衰减速度快的问题，导致孤石定位不准确、空间分辨率也不理想，目前SSP技术的应用较少。同时，国内有关学者通过在盾构机刀盘上布设的钻孔通道钻取多个探测孔，利用超声波检测仪在孔中前后移动进行孤石探测，该方法需要在掌子面上打多个钻孔，不仅探测成本高，时间长，而且受到盾构机内空间的限制，操作不便。综上所述，现有盾构施工中孤石探测方法存在的主要问题总结如下：(1)现有地表孤石探测方法容易受到城市路面硬化、建筑物阻碍和交通活动频发等因素的限制，部分段落难以进行地面探测工作，城市噪音、工业电流等因素也会对地震法、电磁法等物探方法产生较大干扰，地质钻探和跨孔方法所需探测孔数量较多，探测过程繁琐、成本也较高，影响施工进度。(2)受到盾构隧道电磁干扰严重、观测空间狭小、掘进速度快等条件的影响，现有洞内孤石探测方法对孤石位置、形态和规模的判断效果并不理想，洞内跨孔方法在探测精度上具有优势，但时间和经济成本较高，难以得到大规模推广应用，总的来说，洞内孤石探测方法还并不成熟，亟需设计一种适应于盾构施工复杂环境的快速、高效的装置及方法。
技术实现思路
针对上述问题，为了解决现有技术的不足，本专利技术的第一目的是提供用于地铁盾构隧道前方孤石探测的声波装置，该装置利用已有超前钻孔在隧道岩体中发射声波，并在后方已有的锚杆端部安装接收传感器采集反射回来的声波信号，其充分利用盾构隧道施工环境、操作简单、探测时间短、成本低。本专利技术的第二目的是提供一种用于地铁盾构隧道前方孤石探测的方法，该方法采用上述的声波装置用于测定孤石的存在，简单可靠。本专利技术的第三目的是提供一种用于地铁盾构隧道前方孤石探测的方法，该方法给出了具体测定过程，并且针对孤石这类小尺寸地质异常体引入高分辨率数据处理方法和散射成像手段，从而能够方便、快速、准确的对地铁盾构隧道前方孤石进行探测。本专利技术提供的第一个方案是：用于地铁盾构隧道前方孤石探测的声波装置，包括声波发射系统与声波接收系统，声波发射系统包括设于隧道钻孔内的用于发射声波信号的声波换能器，声波接收系统包括设于隧道围岩内锚杆端部的声波接收传感器，以避免管片与围岩接触面上产生的强反射干扰，声波换能器与声波接收传感器分别与控制系统单独连接，控制系统处理由声波接收传感器采集的声波数据以判断隧道前方孤石的有无。通过上述声波装置的设置，声波发射系统设于隧道围岩的钻孔内，再通过设于声波发射系统后方的声波接收传感器接收声波信息并反馈给控制系统，由控制系统对采集到的声波信息进行处理，得到盾构工作面前方的地质情况，布置声波换能器、声波接收传感器快速，有效避开掌子面前方泥水区对声波激发的衰减作用、提高探测效果。其中，为了保护声波换能器，所述声波换能器置于推送杆一端，推送杆的另一端与压入机构连接以将推送杆带动声波换能器推入钻孔内。压入机构为常规用于压入锚杆的设备或者是电动推缸，能将推送杆送入钻孔内。为了充分利用现场条件实现传感器的快速安装，所述声波接收传感器通过连接器与锚杆连接，实现拆卸方便。具体地，所述连接器包括固定管，固定管内通过隔板分为两空腔，所述声波接收传感器设于固定管的一空腔内并通过旋盖可旋紧，空腔内设置螺纹实现与旋盖拧紧，固定管另一空腔与锚杆的端部固定，可通过空腔内部的螺纹拧在锚杆出露的端部进行固定。为了便于对声波发射系统的支撑，所述压力机构设于盾构机的主梁上，压力机构的动力源与所述的控制系统连接，由控制系统控制压力机构的动作。所述声波接收系统沿着隧道空腔纵向截面、横向截面均匀布设，可以在隧道空腔的横向截面内设置四处或者更多处的声波接收系统。本专利技术提供的第二个方案是：一种用于地铁盾构隧道前方孤石探测的方法，采用所述的声波装置。本专利技术提供的第三个方案是：一种用于地铁盾构隧道前方孤石探测的方法，具体步骤如下：1)固定声波换能器于推送杆中；2)通过压入机构将推送杆压入隧道钻孔内；3)在连接器内设置声波接收传感器，并将连接器固定于锚杆的端部；4)将声波换能器和声波接收传感器连接到带控制系统的控制仪，由控制仪控制声波换能器发射声波，并同时开始控制声波接收传感器接收声波信息，声波接收传感器采集到的声波信号传输到控制仪，并进行存储；5)控制系统对采集到的声波信息进行处理，得到盾构工作面前方的地质情况，判断孤石是否存在。其中，所述步骤5)中，控制系统对采集到的声波信息进行处理的方法如下：在常规的声波处理方法的基础上加入反褶积和反Q滤波高分辨率数据处理方法，一方面补偿声波信号在软土地层中能量和频率的衰减，另一方面，能够压缩所得声波信号的子波、提高探测分辨率。具体地，所述步骤5)中控制系统对采集到的声波信息进行处理的方法具体如下：2-1)道集处理：将坏道切除和并截取有效数据长度；2-2)几何扩散真振幅补偿：补偿声波因几何扩散造成的振幅损失，使其保持相对真振幅；2-3)频谱分析及带通滤波；2-4)初至波拾取；2-5)反Q滤波：补偿由于地层非弹性体导致的能量和频率的衰减，校正子波相位的拉伸效应；本专利技术使用的反Q滤波的具体方法为：将观测得到的声波信号数据乘上地层吸收补本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于地铁盾构隧道前方孤石探测的声波装置，其特征在于，包括声波发射系统与声波接收系统，声波发射系统包括设于隧道钻孔内的用于发射声波信号的声波换能器，声波接收系统包括设于隧道围岩内锚杆端部的声波接收传感器，以避免管片与围岩接触面上产生的强反射干扰，声波换能器与声波接收传感器分别与控制系统单独连接，控制系统处理由声波接收传感器采集的声波数据以判断隧道前方孤石的有无。

【技术特征摘要】
1.用于地铁盾构隧道前方孤石探测的声波装置，其特征在于，包括声波发射系统与声波接收系统，声波发射系统包括设于隧道钻孔内的用于发射声波信号的声波换能器，声波接收系统包括设于隧道围岩内锚杆端部的声波接收传感器，以避免管片与围岩接触面上产生的强反射干扰，声波换能器与声波接收传感器分别与控制系统单独连接，控制系统处理由声波接收传感器采集的声波数据以判断隧道前方孤石的有无。2.根据权利要求1所述的用于地铁盾构隧道前方孤石探测的声波装置，其特征在于，所述声波换能器置于推送杆一端，推送杆的另一端与压入机构连接以将推送杆带动声波换能器推入钻孔内。压入机构为常规用于压入锚杆的设备或者是电动推缸，能将推送杆送入钻孔内。3.根据权利要求1所述的用于地铁盾构隧道前方孤石探测的声波装置，其特征在于，所述声波接收传感器通过连接器与锚杆连接。4.根据权利要求3所述的用于地铁盾构隧道前方孤石探测的声波装置，其特征在于，所述连接器包括固定管，固定管内通过隔板分为两空腔，所述声波接收传感器设于固定管的一空腔内并通过旋盖可旋紧，另一空腔与锚杆的端部固定。5.根据权利要求2所述的用于地铁盾构隧道前方孤石探测的声波装置，其特征在于，所述压力机构设于盾构机的主梁上，压力机构的动力源与所述的控制系统连接。6.根据权利要求1所述的用于地铁盾构隧道前方孤石探测的声波装置，其特征在于，所述声波接收系统沿着隧道空腔纵向截面、横向截面均匀布设。7.一种用于地铁盾构隧道前方孤石探测的方法，其特征在于，采用权利要求1-6中任一项所述的声波装置。8.一种用于地...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，李铭，李术才，宋杰，许新骥，聂利超，陈磊，张凤凯，王瑞睿，王健，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37