CN105974465B - 隧道三维地震波超前探测空间观测系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了隧道三维地震波超前探测空间观测系统及方法，主要包括全空间观测系统、传感器快速安装方法、均能激震装置。在钻爆法开挖隧道中，考虑现场空间条件，设计了一种适应其现场快速布置的全空间三维空间观测系统，能够充分利用掌子面空间资源与台车平台资源，能够在不借助外部大型机械设备的情况下，快速的安装与现场探测。同时增加锤击点数，扩大锤击点的三维空间布置方位，完成观测系统布置与探测，同时，提出了两种检波器安装方式，分别为粘胶粘贴时与螺栓拼接式，能够适应有水及无水环境下检波器的快速安装与耦合。在此基础上，提出了数据处理与解译系统，能实现现场的快速探测与精确预报，为隧道工程施工提供安全保障。

Description

隧道三维地震波超前探测空间观测系统与方法

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

本发明为了解决上述问题，提出了一种隧道三维地震波超前探测空间观测系统与方法，本发明提出了一种三维全空间观测系统，采用三分量检波器进行地震波数据采集，能够较完整的获得波场信息，并提出了一种检波器安装装置及方法，能够在保证在较好的获得掌子面前方不良地质三维分布情况的条件下，极大的减小了观测系统的布置难度；同时，采用新型检波器安装及耦合方式，能够适应多种复杂安装环境，大大缩短了探测准备时间；最后，设计了新型激震装置，该装置在不同点位激发的地震波有较高的重复性；能够适应不同环境下 的技术探测，保证探测效果，并能够极大的缩短了探测时间，不干扰施工。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

隧道三维地震波超前探测空间观测系统，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，包括多个激发震源点和接收点，其中，激发震源点分别位于隧道两侧的岩壁上及掌子面岩体上，所述接收点分别位于隧道两侧及掌子面中心线上，且相对隧道底板的高度位置不同；

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，间距约为5米，相对隧道底板的高度不同。

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，分别距离掌子面2m和4m，其相对隧道底板的高度分别为1.5m，2.5m，3.5m。掌子面在相对高度2m的为主处，对称布置两个激震点，间距为5m。

所述三维观测系统包括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，其相对隧道底板的高度位置分别为0.5m和3m，布置间距为5m。掌子面上分别在相对隧道底板高度为0.5m及4m位置处布置两个接收点。

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。

所述的固定螺栓孔为预浇筑的螺帽，在岩体破碎松动区域，通过将固定螺栓将其固定在岩壁上；所述粘接面为光滑表面，通过FIS7胶将固定块粘接在岩体的表面；所述反光贴为标识，在亮度较低的隧道施工环境中，能够醒目的显示其所在位置，警示施工人员，起到设备的保护作用。

所述固定块通过拼接式固定时，包括固定块基体、螺栓环、五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固定块基体中的，分别位于除螺栓环设置面以外的五个面的中心点。

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。

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

一种上述系统的安装方法，包括以下步骤：

(1)根据掌子面情况对掌子面进行排险；

(2)对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)采用全站仪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。

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。

所述步骤(2)中，使用拼接方式时，岩体表面或混凝土衬砌表面垂直打出钻孔，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。

所述步骤(4)中，当锤击完成后，如若需对下一个锤击点进行捶击，需要对该锤击器进行充能，充能方法为：将锤身朝下，手抓扶手，单脚踩住弹性伸缩捶击器外部的踏板，将其外壳向下压，直至锤面回收至原位时，当控制键自动还原后，离开踏板，完成一次充能。

所述步骤(7)中，其处理过程具体如下所示：

依次进行信号解编、坏道去除，采用余弦镶边巴特沃斯进行噪声去除，采用极值拾取及等时窗能量比扫描结合的方法初至拾取与直达波速计算，扩散补偿、衰减补偿、极化滤波、采用统计性相位相关速度分析方法，利用瞬时相位的相关特性来计算速度谱，最终偏移成像。

所述方法还包括步骤(8)，结合地质分析进行预报结果解释，指导工程施工。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提出了一种隧道三维地震波超前探测空间观测方式与均能激震装置及检波器快速安装方法，提出了一种新的全空间观测系统与快速安装方法，该观测系统以快速安装传感器，方便激发地震波为设计理念，通过对偏移距进行计算，将检波器空间安装阵列位置下调，增加锤击点数，利用掌子面空间资源，布置激震-接收测线。扩大锤击点的三维空间布置方位，并因地制宜的利用台车，能够在不借助外部大型机械设备的情况下，快速对传感器进行安装，以及对震源点进行快速的激震；

(2)本发明提出了两种检波器安装方法。其一为采用FIS7胶进行固定块粘结，该设计固定块轻便，只需稍微清理下粘接面处的灰尘，即可在30秒内完成检波器固定块的安装，可适应干燥或有水情况下固定块的快速安装，解决了采用锚固剂时遇水无法粘接的问题，并且考虑到粘胶的固定强度稍弱于锚固剂等工程材料，故设置了反光贴，用以提示施工人员，保护检波器及固定块；第二种方法为采用特制膨胀螺栓进行检波器安装，只需在岩壁上打一个直径为12mm的螺栓孔，即可将特制固定螺栓快速安装在岩体上，并以膨胀螺栓为载体，快速安装检波器，同时，该固定块设计为多头螺栓固定块，能够在不同的方向安装检波器，如有需要，可通过多个检波器组合固定，对单点记录形成三分量地震信号采集；

(3)本发明提出了一种均能激震方法，该激震方法采用弹簧作为能量的贮存于释放媒介，尤其采用的是重机弹簧，体积小，能够长时间使用，其性能稳定，锤击时操作简便，可重复性好；除此以外，激震装置采用人工充能方式，只需单脚踩在踏板上，借用人体自重即可完成充能操作。解决了用大锤锤击激震时，因没有良好操作平台或锤击空间范围小，造成的锤击能量不足或锤击点位于标记点位相差较大，而导致的激震效果差的问题。能够大大的简便了探测工序，缩短了探测整体时间；

(4)本发明根据现场经验对探测系统及装置进行优化和改进，能有效的减小探测时间，优化探测数据的质量，获得较全面的三维波场信息，经过系统处理后，提高了探测预报的准确度，为工程施工提供重要支撑；

(5)本发明设计了一种新型的检波器固定块，可满足现场单分量、二分量及三分量地震波数据的采集；提出了一种均能激震方法，该激震方法采用弹簧作为能量的贮存于释放媒介，性能稳定，锤击时操作简便，可重复性好。

附图说明

图1隧道三维地震波超前探测空间观测方式与均能激震装置示意图；

图2隧道三维地震波超前探测安装与处理示意图；

图3钻爆法施工隧道地震波法探测观测系统；

图4(a)粘接式固定块正视图；

图4(b)粘接式固定块侧视图；

图5(a)粘接式固定块俯视图

图5(b)粘接式固定块配件示意图；

图6(a)多头固定块示意图；

图6(b)多头固定块辅助吊环示意图；

图7搭载膨胀螺栓检波器安装方式示意图；

图8伸展状态下的弹簧伸缩锤击示器意图；

图9收缩状态下的弹簧伸缩锤击器示意图；

图10弹簧伸缩吹机器外观及尺寸示意图；

图11FIS7胶与速凝剂粘接固定块单道地震记录对比图；

其中，1.检波器固定螺栓，2.固定螺栓孔，3.反光贴，4.固定块粘接面，5.墙体固定螺栓，6.膨胀螺栓套管，7.膨胀螺栓螺母，8.辅助吊环，9.多头固定块，10.检波器固定螺栓，11.螺栓孔(将固定块与膨胀螺栓固定)，12.锤面，13.锤身，14.触发器安装槽，15.重机弹簧，16.7形开关，17.踏板，18手持扶手。

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。

本发明的工作方式为，主要包括全空间三维观测系统布置、检波器快速安装、均能激震装置激发地震波、地震波数据采集与传输、数据处理与解译。在钻爆法开挖隧道中，考虑现场空间条件，设计了一种适应现场的全空间三维观测系统及其快速布置与均能激震装置。

具体包括钻爆法施工隧道地震波法探测的全空间三维观测系统、固定块设计及安装技术改进方法、传输光纤的回收装置以及弹簧伸缩锤击器。其中，所述改进的三维观测系统主要包括14个激发震源点位置设计以及10个接收点位置设计。

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，分别距离掌子面2m和4m，其相对隧道底板的高度分别为1.5m，2.5m，3.5m。掌子面在相对高度2m的为主处，对称布置两个激震点，间距为5m。

所述三维观测系统包括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，其相对隧道底板的高度位置分别为0.5m和3m，布置间距为5m。掌子面上分别在相对隧道底板高度为0.5m及4m位置处布置两个接收点。

所述固定块的设计及安装技术改进方法，主要包括粘贴式固定块的设计及安装技术和拼接式固定块的设计及安装技术。在具体点的探测操作中，可选取其中一种方法进行固定块的安装。

如图4(a)、图4(b)所示，粘贴式固定块设计及安装技术，其固定块大小为30mm*30mm*15mm，主要由固定块基体、传感器连接槽、固定螺栓孔2、粘接面4、强力胶以及反光贴3组成。所述固定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，可通过其将地震波检波器固定在其上；所述的固定螺栓孔2为预浇筑的螺帽，在岩体破碎松动区域，可通过将固定螺栓1将其固定在岩壁上；所述粘接面4为光滑表面，通过FIS7水下胶将固定块粘接在岩体的表面；所述反光贴3为标识，在亮度较低的隧道施工环境中，能够醒目的显示其所在位置，警示施工人员，起到设备的保护作用。

如图6所示，所述的拼接式固定块设计及安装技术，其固定块大小为40mm*40mm*20mm，主要由固定块基体、螺栓环、四向传感器连接螺栓、金属挂环以及膨胀螺栓组成。所述的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混凝土基体中的，其内壁直径为20mm，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。膨胀螺栓外部膨胀螺栓套管6。

如图7、图8弹簧伸缩锤击器，主要包括压缩弹簧、伸缩锤、壳体以及控制键。所述的压缩弹簧为弹性较强的重机弹簧15；所述的伸缩锤主要由锤面12、锤身13以及触发器槽等组成；所述壳体主要由圆柱形金属外壁、双侧踏板以及顶部扶手组成；控制键设置于壳体两侧，所述控制键为7字形，分为控制键腹板和控制键翼板两部分。

一种钻爆法施工隧道地震波法探测三维观测系统的设计，其设计依据如下：

由于隧道空间有限，且要保证对前方岩体进行三维成像效果，就必须保证足够的炮检距：偏移距(道间距Vx)的大小，对地震数据采集以及解释具有十分重要的影响。偏移距过小，在检波器数目一定的情况下，测线长度(即有效反射长度)会受限；偏移距过大，超前预报时会影响对掌子面前方异常体同相轴的追踪，影响探测的分辨率，甚至产生空间假频。最大偏移距的选择要满足相邻检波器之间的时间差(Vt)小于信号的半个周期(1/2f)。因此，隧道轴向偏移距的选择要满足：

Vx≤0.5V/f

其中，f是现场信号的有效频率，要根据现场具体情况而定。经过计算，常规隧道内偏移距范围为0.5-4m。

结合现场的布置条件，本观测方案设计最小偏移距为2.5m，基于等效替换原理，本设计方案将原有方案中激震点位置进行纵向拉伸，接收点位置纵向压缩。

一种隧道三维地震波超前探测空间观测方式与均能激震装置及检波器快速安装方法，其具体操作步骤为：

(1)根据掌子面情况对掌子面进行排险，若掌子面是四级或五级岩体强度，则需要对岩体进行初衬支护，保证探测安全。

(2)观测系统定位。如图2所示，根据设计的观测系统相对位置，通过卷尺确定大致里程位置，对不同高度点进行定位，并通过喷漆进行标示。定位选择岩石或初喷混凝土较完整处，并且选取光滑、平整的表面作为粘接面4。

(3)检波器安装。检波器的安装有两种方案供选择，两种方案如下所示。

(4)如步骤3中所述，其第一种方法为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FIS7水下胶按照固定胶结比例混合，并通过胶枪将其打出，均匀涂抹在固定块的粘接面4。并将涂有FIS7水下胶的固定块粘贴到已经擦除灰尘和松动砂砾的岩体或混凝土表面，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30s，待其粘接牢固后松开。

(5)如步骤5所示，如果需要墙体表面含有油渍污垢时，水中胶的凝结能力下降，此时可通过在墙上钻2个8mm小孔，将固定块通过螺栓固定在岩体的表面。

(6)如步骤3中所示，第二种方法为通过手动冲击钻，在岩体表面或混凝土衬砌表面垂直打出8mm的钻孔，钻孔深度为60mm；选择直径为8mm、长度为50mm的特制膨胀螺栓，将其插入钻孔中，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。

(7)如步骤7中所述，在膨胀螺栓固定好后，将混凝土固定块拧在膨胀螺栓的尾部，直至螺栓尾部达到固定块的最深处。

(8)选取固定块上远离掌子面方向的螺栓接口，将加速度传感器安装在上面。并通过挂环，将无线模块主体结构连接在膨胀螺栓上。

(9)触发器连接。将触发器安装在弹簧伸缩捶击器的触发器安装槽14中，其触发连接线通过锤击器后方线槽引出，连接至控制仪。

(10)通过人工对弹簧伸缩锤击器进行垂向加压，使压缩弹簧具有一定的弹性势能，将锤击器的捶击面对准捶击点，按下控制键，势能转化为动能，锤身在动能的作用下，向前方冲击，当其触发到岩体表面时，完成捶击。

(11)当锤击完成后，如若需对下一个锤击点进行捶击，则需要对该锤击器进行充能。充能方法为：将锤身朝下，手抓扶手，单脚踩住弹性伸缩捶击器外部的踏板，将其外壳向下压，直至锤面回收至原位时，当控制键自动还原后，则可离开踏板，完成一次充能。

(12)采用全站仪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。

(13)通过以上工作方式，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。

其处理过程具体如下所示：

信号解编、坏道去除、噪声去除、初至拾取与直达波速计算、扩散补偿、衰减补偿、极化滤波、速度分析、偏移成像。

其中，噪声去除采用采用余弦镶边巴特沃斯(Butterworth)方法进行滤波，对采集的地震信号进行高频及低频信号处理。初至拾取采用极值拾取及等时窗能量比扫描结合的方法进行拾取。对检波器采集地震信号进行扫描，识别最大值与最小值位置，以两者位置差为半波时并 作为固定时窗扫描。扩散补偿采用均匀介质的波前扩散能量补偿的方法进行补偿。地震波振幅的衰减与频率有关，频率越高，振幅衰减越严重，根据现场情况进行衰减补偿。极化滤波为通过时窗内协方差矩阵的特征值和特征向量，构造出一系列能够表征不同类型地震波极化特性的极化参数，通过主极化方向和偏振因子将p、Sv、Sp波分离出来。速度分析采用统计性相位相关速度分析方法，利用瞬时相位的相关特性来计算速度谱。偏移成像采用波动方程逆时偏移成像方法，从地震记录值或是地震记录的最后一个采样点开始，向着负时间方向延拓，在偏移过程中，给出成像条件，把地下符合成像条件的绕射点、反射点等信息计算出来，并以三维图的结果进行真实地下构造成像。

(14)结合地质分析进行预报结果解释，指导工程施工。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

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。

8.如权利要求5所述的工作方法，其特征是：所述步骤(4)中，当锤击完成后，如若需对下一个锤击点进行捶击，需要对该锤击器进行充能，充能方法为：将锤身朝下，手抓扶手，单脚踩住弹性伸缩捶击器外部的踏板，将其外壳向下压，直至锤面回收至原位时，当控制键自动还原后，离开踏板，完成一次充能。

9.如权利要求5所述的工作方法，其特征是：所述步骤(7)中，其处理过程具体如下所示：

依次进行信号解编、坏道去除，采用余弦镶边巴特沃斯进行噪声去除，采用极值拾取及等时窗能量比扫描结合的方法初至拾取与直达波速计算，扩散补偿、衰减补偿、极化滤波、采用统计性相位相关速度分析方法，利用瞬时相位的相关特性来计算速度谱，最终偏移成像。