地震波和电磁波联合反演的隧道预报装置、掘进机及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种地震波和电磁波联合反演的隧道预报装置、掘进机及方法，包括复合检波器、激震杆、电磁发射杆、集线器和控制器；激震杆用于发送地震波信号；电磁发射杆用于发送电磁波信号，激震杆和电磁发射杆均通过第一集线器与控制器相连，或者激震杆和电磁发射杆分别通过第一集线器、第二集线器与控制器相连；控制器发出的激发命令能够传输到电磁发射杆或激震杆；复合检波器同步接收电磁波信号和地震波信号，复合检波器通过第三集线器与所述的控制器相连，复合检波器接收到的信号在第三集线器处集合后能够传输给所述的控制器。

【技术实现步骤摘要】
地震波和电磁波联合反演的隧道预报装置、掘进机及方法
本专利技术涉及隧道工程中的超前地质预报方向，特别是涉及地震波和电磁波联合反演的隧道预报装置、掘进机及方法。
技术介绍
随着我国交通技术的飞速发展，我国已是世界上隧道修建规模最大和难度最高的国家，隧道建设难点向西部地质复杂的岩溶地区和东部超长跨海区域转移。在隧道建设中，工程地质状况极其复杂，极易发生隧道突水涌泥、塌方等工程灾害，严重威胁了施工人员和财产的安全，影响施工进度。超前地质预报作为在现有地质资料基础上采取物探等手段对隧道开挖工作面前方的工程地质与水文地质条件及不良地质体的工程性质、位置、产状、规模等进行探测、分析判释及预报的方法，被纳入隧洞建设的工序实施要求中，有《铁路隧道超前地质预报技术规程》(Q/CR9217-2015)等规范规程。现有的隧道超前地质预报方法主要物探方法有地震波法、电磁波法和电法等，都是利用围岩物性差异，发射和接收响应信号进行辨析，得到前方地质体特性的物理探测方法，其各有优缺点。地震波法对节理裂隙的发育情况较为敏感，传统的TSP探测方法能够探测到80m～150m的距离，但是对于围岩含水性质没有足够敏感，只能大体推测前方围岩含水情况且受各种因素影响，误差较大。电磁波法和电法对含水体的含水情况极为敏感，能够准确定性前方围岩含水情况，但是单一的电法和电磁波法探测对围岩裂隙发育情况的探测较为粗糙，而且如电阻率CT、激发极化法等实施较为复杂，需要布设冗长的测线，耗费大量的人力和时间。特别是由于掘进机(TunnelBoringMachine，全断面隧道掘进机)具有掘进速度快、利于环保、综合效益高等优点，可实现传统钻爆法难以实现的复杂地理地貌深埋长隧洞的施工，现有的掘进机施工方法在中国铁道、水电、交通、矿山、市政等隧洞工程中的应用案例正在迅猛增长(全断面硬岩隧道掘进机[J].建筑技术开发,2005(9):125-125)。而在掘进机的施工环境中，其施工环境特殊，狭小的观测空间、严重的电磁干扰、短暂的探测时间都制约了传统的超前地质预报手段。如传统TSP方法要求在隧道边墙采取爆炸震源，其炸药的爆破易对掘进机设备安全产生威胁；传统瞬变电磁方法需要在隧道工作面上布设测定和测量线圈，掘进机刀盘前狭小的观测空间无法满足瞬变电磁布设要求。现有的掘进机搭载超前地质预报系统，如德国的BEAM(Bore-TunnellingElectricalAheadMonitoring)系统，其探测距离短，测点布置有限，观测方法单一，定位精度差，需要对刀盘、滚刀进行一定程度的改造。国内的有关学者申请的专利如适用于TBM的便携式电阻率法超前预报系统及其方法(CN201510868928)、TBM施工隧道前向三维激发极化发超前探测装置系统及方法(CN201310005132)、隧道掘进机破岩震源三维地震超前探测装置及方法(CN201510106373)等都是单一掘进机隧道超前预报方法，或只能重点探测围岩裂隙发育情况或只能重点探测围岩含水情况，且方法都需要对掘进机的刀盘进行改造，易损伤，且破坏了刀盘的密封性。一种隧道掘进机中主动源三维地震超前地质探测装置及方法(CN201510106173)采用检波器与洞壁的接触耦合、可控震源在洞壁激发的方法，其未考虑洞壁附近围岩塑性区对地震波传播的影响，探测精度低，与实际未开挖围岩情况吻合度差。一种基于复频电导的隧道超前探水方法及系统(CN201510271709)可以不针对刀盘进行改造，但其方法单一，只能重点探测围岩含水情况，且人工操作方式不能适应掘进机隧道中的施工要求。地震波法能够满足对裂隙信息的获取，电磁波法如复电导率法等能够满足对含水信息的获取，且两种探测方式探测距离均能达到100m的长距离探测长度，两种探测方式的探测手段有一定的相通之处可以融合，符合隧道超前地质预报的探测要求。因此，可以同时获得裂隙和含水情况、可以获得更精确围岩水文地质信息、更高效率更高准确、且能同时满足钻爆法和掘进机施工超前地质预报要求的超前地质预报装置及方法亟待出现。
技术实现思路
为了克服现有技术无法同时获取裂隙和含水情况、无法将裂隙和含水情况结合判别获得更精确围岩水文地质信息、效率和准确性较低、普通预报方法不适应于掘进机施工且需要对刀盘进行改造等方面的不足，本专利技术提供了地震波和电磁波联合反演的隧道预报装置、掘进机及方法。本专利技术的第一专利技术目的是提供一种地震波和电磁波联合反演的隧道预报装置，该装置将地震波法和电磁波法两种方法结合在一起，能够一体化实现它们在钻爆法隧道或掘进机掘进隧道中的超前地质预报探测，一次性获得隧道前方裂隙情况及含水情况，并不需要对刀盘进行改造。本专利技术的第二专利技术目的是提供一种设有地震波和电磁波联合反演的隧道预报装置的掘进机，主要是将隧道预报装置应用在掘进机上。本专利技术的第三专利技术目的是提供一种利用地震波和电磁波联合反演的隧道预报装置进行预报的方法，该方法将两种探测结果进行联合反演，使裂隙发育与含水情况相互印证，以充分了解隧道前方有无空洞和含水裂隙、含水孔洞，而且能获得水源、水流路径和水流大小信息，结合其他地质调查结果，估算水压等参数，获得全面的水文地质信息，有效评价其发生塌方或突水灾害的可能性大小，提高预报的准确性，为隧道安全掘进及进一步的灾害预报预警和治理提供方便。为了达到上述目的，本专利技术采取如下方案：地震波和电磁波联合反演的隧道预报装置，包括复合检波器、激震杆、电磁发射杆、集线器和控制器；所述的激震杆用于发送地震波信号；所述的电磁发射杆用于发送电磁波信号，所述的激震杆和电磁发射杆均通过第一集线器与控制器相连，或者所述的激震杆和电磁发射杆分别通过第一集线器、第二集线器与控制器相连；所述的控制器发出的激发命令能够传输到电磁发射杆或激震杆；所述的复合检波器同步接收电磁波信号和地震波信号，复合检波器通过第三集线器与所述的控制器相连，复合检波器接收到的信号在第三集线器处集合后能够传输给所述的控制器。作为进一步的技术方案，还包括一个侧壁打孔钻机，所述的侧壁打孔钻机用于在隧道横向侧壁上进行钻孔。作为进一步的技术方案，所述的钻孔沿隧道轴线对称水平分布，孔的轴线垂直于隧道轴线，每侧至少设置四个接收孔和一个发射孔。对称水平的阵列布设方式能够提高对隧道内部器械干扰信号的屏蔽、降低洞周信号的干扰和加强隧道工作面前方有效信号，足够数量的接收和激发孔保证信号的检测效果。作为进一步的技术方案，所述孔深度保证穿透围岩侧壁塑性区，采集到符合原有围岩情况的信息，并使检波器易插入孔底耦合；所述每侧接收孔均匀间距布设，并使间距不小于0.5m，以使接收到的信号具有可辨识差异；所述每侧接收孔与发射孔间距不低于1m；所述每侧发射孔若大于1个，使间距不低于1m，以提高发射信号的辨识度。作为进一步的技术方案，在钻孔内设置钻孔保护套，以保护复合检波器、激震杆和电磁发射杆深入钻孔时的安全，防止复合检波器、激震杆或电磁发射杆因塌孔阻塞无法回收。作为进一步的技术方案，所述钻孔保护套为空心薄质PVC管，造价便宜且有良好的硬度；所述钻孔保护套外侧直径保证能够深入并紧贴钻孔壁；所述钻孔保护套长度小于钻孔深度保证后续复合检波器、激震杆和电磁发射杆能出露并与接收孔孔壁耦合。作为进一步的技术方案，所述的复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.地震波和电磁波联合反演的隧道预报装置，其特征在于，包括复合检波器、激震杆、电磁发射杆、集线器和控制器；所述的激震杆用于发送地震波信号；所述的电磁发射杆用于发送电磁波信号，所述的激震杆和电磁发射杆均通过第一集线器与控制器相连，或者所述的激震杆和电磁发射杆分别通过第一集线器、第二集线器与控制器相连；所述的控制器发出的激发命令能够传输到电磁发射杆或激震杆；所述的复合检波器同步接收电磁波信号和地震波信号，复合检波器通过第三集线器与所述的控制器相连，复合检波器接收到的信号在第三集线器处集合后能够传输给所述的控制器。

【技术特征摘要】
1.地震波和电磁波联合反演的隧道预报装置，其特征在于，包括复合检波器、激震杆、电磁发射杆、集线器和控制器；所述的激震杆用于发送地震波信号；所述的电磁发射杆用于发送电磁波信号，所述的激震杆和电磁发射杆均通过第一集线器与控制器相连，或者所述的激震杆和电磁发射杆分别通过第一集线器、第二集线器与控制器相连；所述的控制器发出的激发命令能够传输到电磁发射杆或激震杆；所述的复合检波器同步接收电磁波信号和地震波信号，复合检波器通过第三集线器与所述的控制器相连，复合检波器接收到的信号在第三集线器处集合后能够传输给所述的控制器。2.如权利要求1所述的地震波和电磁波联合反演的隧道预报装置，其特征在于，还包括一个侧壁打孔钻机，所述的侧壁打孔钻机用于在隧道横向侧壁上进行钻孔。3.如权利要求2所述的地震波和电磁波联合反演的隧道预报装置，其特征在于，所述的钻孔沿隧道轴线对称水平分布，孔的轴线垂直于隧道轴线，每侧至少设置四个接收孔和一个发射孔；所述孔深度保证穿透围岩侧壁塑性区，采集到符合原有围岩情况的信息，并使检波器易插入孔底耦合；所述孔间距保证不影响信号的发射和接收。4.如权利要求2所述的地震波和电磁波联合反演的隧道预报装置，其特征在于，在所述的钻孔内设置钻孔保护套。5.如权利要求4所述的地震波和电磁波联合反演的隧道预报装置，其特征在于，所述的钻孔保护套为空心薄质PVC管；所述钻孔保护套外侧直径要保证能够深入并紧贴钻孔；所述钻孔保护套长度保证后续复合检波器、激震杆和电磁发射杆能出露并与接收孔孔壁耦合。6.如权利要求1所述的地震波和电磁波联合反演的隧道预报装置，其特征在于，所述复合检波器内部前端同时布设有地震波传感器和电磁波传感器，实现对地震波信号和电磁波信号的双重接收，有缆线插口方便信号的传输。7.如权利要求1所述的地震波和电磁波联合反演的隧道预报装置，其特征在于，所述激震杆封装有激震器，能够激发地震探测所需的宽频地震波。所述激震杆有缆线插口，方便激震杆通过缆线与控制器进行信号传输。8.如权利要求1所述的地震波和电磁波联合反演的隧道预报装置，其特征在于，所述电磁发射杆封装有电磁激发器，能够发射电磁波法探测所需的宽频电磁波。所述电磁发射杆有缆线插口，方便电磁发射杆通过缆线与控制器进行信号传输。9.一种地震波和电磁波联合反演的隧道预报...

【专利技术属性】
技术研发人员：李术才，薛翊国，张开，李广坤，邱道宏，陶宇帆，苏茂鑫，崔久华，王鹏，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37