技术领域
[0001] 本
发明涉及一种隧道掘进机破岩震源和主动源三维地震联合超前探测系统。
背景技术
[0002] 隧道施工通常采用全断面掘进机施工和
钻爆法施工，与传统的钻爆法相比，隧道掘进机施工具有机械化程度高、施工速度快等显著优势，日本、美国、欧洲等发达国家采用掘进机施工的隧道比例超过80％，而随着中国隧道建设的不断发展，隧道掘进机也将得到越来越多的应用。众多工程实践表明，隧道掘进机对地质条件变化的适应性较差，在遭遇不良地质段时常常发生突
水突泥、塌方等地质灾害，易引发卡机甚至机毁人亡等重大事故。为避免隧道掘进机施工过程中地质灾害和安全事故的发生，最有效的解决方法就是采用超前地质探测技术提前查明工作面前方不良地质情况，从而能够预先制定合理的处置措施和施工预案。
[0003] 然而，掘进机施工隧道中超前地质探测方法与技术是国内外隧道工程界公认的难题，其根本原因在于掘进机施工隧道具有其特殊性和复杂性：
[0004] ①隧道掘进机具有复杂的金属结构和电工系统，
电磁干扰十分严重；
[0005] ②隧道掘进
机体积庞大，占据了工作面后方大部分隧道空间，导致可用于超前地质探测的观测空间十分狭小；
[0006] ③隧道掘进机开挖速度快，工序衔接紧密，留给超前地质探测的时间较短。受这些因素制约，钻爆法施工隧道中经常使用的超前地质探测方法在掘进机施工隧道中难以得到较好的应用。
[0007] 为此，国内外提出了一些专
门适用于掘进机施工隧道的超前地质探测方法，但仍然存在一些问题：
[0008] ①由德国Geohydraulic Data公司推出的BEAM(Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring)系统，BEAM是一种一维聚焦类激发极化法，探测距离短、受电磁干扰影响大，且测试设备安装复杂、耗时较长，影响施工进度；
[0009] ② SSP(Sonic Softground Probing) 和 ISIS(Integrated Seismic Imaging System)等
地震波超前探测方法，观测方式较为简单，未采用有效的三维空间观测方式，导致异常体空间
定位效果较差、空间
分辨率也不理想；
[0010] ③国内发明
专利《一种适合于TBM施工的地质超前预报方法》和《以掘进机为震源的巷道随掘地震超前探测装置及方法》借鉴了石油
测井中的随钻地震方法，提出利用
岩石切割
信号作为震源进行超前地质探测，前者基本沿用了钻爆法隧道中HSP的处理方法，针对掘进机破岩震动的强干扰噪声，并没有采取适当的去噪手段，而后者主要针对的是矿山巷道中较为常用的悬臂式掘进机，悬臂式掘进机只有一个截割头，在截割头后方的掘进机臂上也只有一个震源信号接收
传感器，与之相比，隧道掘进机刀盘面积巨大且用于破岩的
滚刀数量众多，不同滚刀之间的破岩震动差别很大，仅采用单一的传感器难以获得准确、全面的破岩震动特征。
[0011] 综上所述，由于在地质体刻画和定位方面的优势，加上探测距离远，地震法是掘进机施工隧道超前地质探测中不可缺少的方法，但现有掘进机施工隧道地震波超前探测方法还存在着以下问题：
[0012] ①接收传感器的空间布置形式简单，未采用有效的三维空间观测方式，难以获得周围岩体的较准确的三维波场信息，导致异常体空间定位效果较差，容易出现漏报、错报和误报等问题；
[0013] ②关于主动源地震法，为不影响隧道掘进机正常施工，需要尽量利用掘进机停机检修时间进行探测，现有方法缺少一种专门针对掘进机施工隧道的快速安装装置及方法，导致探测效率较低，影响掘进机的正常施工；
[0014] ③关于破岩震源地震法，一方面，没有考虑掘进机刀盘破岩与石油钻探、
煤矿用悬臂式掘进机的独头破岩方式的不同，即隧道掘进机刀盘面积较大且用于破岩的滚刀数量众多、不同滚刀之间的破岩震动差别很大，而现有方法仅仅采用了单一的震源传感器，难以获得准确、全面的破岩震动特征，另一方面，现有处理方法没有分别针对震源信号和接收信号进行专门的噪声去除，使得地震记录
信噪比较低，影响探测
精度；
[0015] ④主动源地震法在掘进机停机检修时间通过
空气锤或
磁致伸缩器敲击隧道边墙或工作面产生地震波，激震
能量相对较强，适合于远距离的超前探测，而破岩震源地震法利用掘进机工作过程中的刀盘破岩震动作为震源，激震能量相对较弱但含有较高比例的横波成分，在近距离较精确探测方面具有优势，这两种方法在工作时间和探测距离上具有很强的互补性，两种方法的有机结合能够进一步提高地震法超前预报结果的精确度和可靠度，但
现有技术没能将两者很好的联合起来。
发明内容
[0016] 本发明为了解决上述问题，提出了一种隧道掘进机破岩震源和主动源三维地震联合超前探测系统，综合利用主动震源和破岩震源两种方式进行三维地震联合超前探测，其基本思路是：首先，利用接收传感器
支撑装置在掘进机施工隧道中实现三分量
检波器的三维全空间灵活、快速布置；然后，在隧道掘进机开始工作前，使用激震能量较强的主动震源激发产生地震波，地震波经过波阻抗界面反射后被与隧道壁紧密
接触的三分量检波器所接收，使用常规地震记录处理方法对采集到的地震波信息进行自动处理，实现工作面前方120m范围内地质异常体的远距离超前预报；在掘进机工作过程中，利用激震能量较弱的刀盘破岩震动作为震源，并采用非常规破岩震源地震记录处理方法，实现地质异常体实时近距离较精确预报，并对待开挖区域的围岩
质量进行表征和评价。最后，联合主动源和破岩震源三维地震超前探测的结果，对工作面前方的地质情况给出综合性的判断，为掘进机工作参数优化和施工安全控制提供支撑。
[0017] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0018] 一种隧道掘进机破岩震源和主动源三维地震联合超前探测系统，包括激震系统、接收传感器及其支撑装置、破岩震源传感器阵列、噪声传感器、控制系统和多通道地震波
数据采集仪；
[0019] 所述激震系统根据
位置不同可分为工作面震源和边墙震源，所述工作面震源设置在掘进机刀盘上，所述边墙震源设置于掘进机
主轴上，刀盘固定于掘进机主轴上，掘进机主轴中段设置有三组以其为中心呈环状分布的接收传感器及其支撑装置，分别对应隧道拱顶和左右拱腰，用于接收刀盘破岩震动在
地层中传播时遇到不良地质体后反射回来的地震信号；
[0020] 所述破岩震源传感器阵列，安装在掘进机刀盘后方，根据刀盘上滚刀的分布情况在其后方安装破岩震源传感器，多个破岩震源传感器组成破岩震源传感器阵列；
[0021] 所述掘进机工作噪声传感器安装在掘进机噪声源处，用于记录各个噪声源所产生的噪声信号；
[0022] 所述控制系统控制激震系统的震动情况和运动；
[0023] 所述多通道地震
波数据采集仪分别与破岩震源传感器阵列、三分量检波器和掘进机工作噪声传感器相连接，负责存储并处理检波器记录的地震波信息。
[0024] 所述激震系统根据位置不同分为工作面震源和边墙震源，所述工作面震源包括可控震源、震源
压力传感器、震源液压伸缩杆和震源进出口舱门，所述边墙震源包括可控震源、震源
压力传感器、震源液压伸缩杆和震源
导轨；
[0025] 所述工作面震源安置在掘进机刀盘上，为多个，在刀盘上呈对称分布，根据刀盘上滚刀的分布情况选择工作面震源的合适位置，另外在刀盘相应位置上还预留有多个工作面震源进出口，震源进出口舱门在控制系统的控制下按照预设的卡槽运动，实现震源进出口的开闭，供工作面震源进出；
[0026] 所述边墙震源位于震源导轨上，震源导轨包括一个圆形滑环导轨和一个沿着掘进机主轴的轨道，可控震源在震源导轨上沿主轴前后方向自由滑动，同时可绕主轴360°自由旋转，实现边墙震源的三维任意布置；
[0027] 可控震源和震源压力传感器安装在震源液压伸缩杆顶端，可控震源、震源压力传感器和震源液压伸缩杆通过
连接线分别与控制系统相连，其中，震源液压伸缩杆采用中空设计方式。
[0028] 所述接收传感器及其支撑装置以掘进机主轴为中心呈环状分布有三组，分别对应隧道拱顶和左右拱腰，具体包括三分量检波器、检波器压力传感器、前液压支撑杆、后液压支撑杆、径向液压支撑杆、支撑板和支撑装置导轨，所述前液压支撑杆一端与掘进机主轴相连，另一端与支撑板一端相连，支撑板另一端与后液压支撑杆一端相连，后液压支撑杆另一端连接在掘进机主轴上；
[0029] 所述支撑装置导轨呈环形嵌套在掘进机主轴上，上面安装有径向液压支撑杆，径向液压支撑杆另一端与支撑板底面相连接，所述三分量检波器和检波器压力传感器安装在支撑板上。
[0030] 所述破岩震源传感器阵列，安装在掘进机刀盘后方，根据刀盘上滚刀的具体分布情况将滚刀分组，在每个滚刀组后方的合适位置安装破岩震源传感器，多个破岩震源传感器组成破岩震源传感器阵列，破岩震源传感器记录破岩震源信号，所述破岩震源信号中包括有效信号(即相应滚刀组的破岩震动信号)和噪声信号(如：其他滚刀组的破岩震动信号、掘进机噪声源产生的
干扰信号)，所述破岩震源传感器还设有定位单元，能够采集并记录其所处的空间位置。
[0031] 所述掘进机工作噪声传感器安装在掘进机噪声源(如
电机工作噪声、传送皮带工作震动噪声、掘进机后方施工噪声等)附近位置，用于记录各个噪声源所产生的噪声信号。
[0032] 所述多通道地震波数据采集仪分别与破岩震源传感器阵列、三分量检波器和掘进机工作噪声传感器相连接，负责存储并处理检波器记录的地震波信息；所述控制系统控制震源液压伸缩杆、前液压支撑杆、后液压支撑杆和径向液压支撑杆的伸缩，并在震源压力传感器和检波器压力传感器信号的作用下对震源液压伸缩杆、前液压支撑杆、后液压支撑杆和径向液压支撑杆进行反馈调节，另外，控制系统还负责调节可控震源的震动情况，同时还能够控制震源导轨、支撑装置导轨和震源进出口舱门的移动。
[0033] 应用上述装置的隧道掘进机三维地震联合超前探测方法，包括以下步骤：
[0034] (1)在隧道掘进机停止工作时，利用接收传感器支撑装置在隧道中实现三分量检波器的三维全空间灵活、快速布置，并调节支撑板使得三分量检波器与隧道壁紧密接触，使用可控震源分别在工作面和工作面附近的边墙上进行激震，地震波经过波阻抗界面反射后被与隧道壁紧密接触的三分量检波器所接收，所记录的地震波信息实时传输给多通道地震波数据采集仪，并按照常规地震记录处理方法对采集到的地震波信息进行自动处理，得到远距离范围内(工作面前方0～120m)的纵横
波速度模型和三维地震剖面，实现远距离超前预报和地质异常体定位识别，并根据探测结果对接下来的掘进机施工进行调整优化；
[0035] (2)结合远距离超前探测结果，选择合理的掘进机施工参数，掘进机开始工作，刀盘旋转切割岩石产生震动，而接收传感器支撑装置与掘进机开挖工序紧密结合、保证支撑板及三分量检波器在隧道中的绝对位置不发生改变，各个滚刀组的破岩震动被安装在刀盘后方的破岩震源传感器阵列所接收，破岩震源同时激发地震波向掘进机工作面前方和隧道四周扩散，地震波遇到波阻抗界面后发生反射，被与隧道壁紧密接触的三分量检波器所接收，同时掘进机工作噪声传感器也在不断记录噪声源产生的噪声信号，所记录的信息实时传输给多通道地震波数据采集仪，按照非常规破岩震源地震记录处理方法对采集到的地震波信息进行自动处理，得到近距离范围内(工作面前方0～60m)的纵横波速度模型和三维地震剖面，实现地质异常体的实时近距离预报，并对待开挖区域的围岩质量进行表征和评价；
[0036] (3)最后，联合主动源和破岩震源三维地震超前探测的结果，对工作面前方的地质情况和围岩质量给出综合性的判断，并实时反馈给掘进机操作人员，为掘进机工作参数优化和施工安全控制提供支撑。
[0037] 所述步骤(1)中，掘进机停工时，为初始状态，接收传感器及其支撑装置整体处于回缩状态，支撑装置导轨和支撑板位于可移动路径的最前端，径向液压支撑杆和前液压支撑杆同时处于收缩状态、后液压支撑杆处于拉伸状态。
[0038] 所述拉伸状态是指，液压支撑杆上端杆在液压装置的驱动下从下端杆中向外伸展开来，整个液压支撑杆的长度变长；收缩状态是指，液压支撑杆上端杆在液压装置的驱动下收缩到下端杆中去，整个液压支撑杆的长度变短。
[0039] 所述步骤(1)中，在将要开始主动源地震法超前探测时，利用接收传感器支撑装置在隧道中实现接收传感器的三维全空间灵活、快速布置：径向液压支撑杆缓缓伸长，带动前液压支撑杆和后液压支撑杆同时伸长，再结合各个位置上
铰链的
角度调节功能，支撑板被向外推出直至三分量检波器与隧道壁相接触，为保证三分量检波器能与隧道壁密切接触，同时也防止各个液压支撑杆向外推送的距离过大导致三分量检波器损坏，当三分量检波器与隧道壁之间的接触压力达到一定值时，检波器压力传感器对控制系统进行反馈调节，停止各个液压支撑杆的运动，此时三分量检波器与隧道壁紧密接触；
[0040] 所述步骤(1)中，控制系统控制震源液压伸缩杆将可控震源向外缓缓送出，当震源与掘进机工作面或隧道壁之间的接触压力达到一定值时，震源压力传感器对控制系统进行反馈调节，停止震源液压伸缩杆的运动，控制系统控制激震系统中所包含的可控震源开始震动，激发产生宽频地震波，信号全部分类存储在多通道地震波数据采集仪中。
[0041] 所述步骤(1)中，常规地震记录实时自动处理方法包括：
[0042] (1-1)道集编辑：实现对坏道
切除和有效数据长度截取，使此后的处理重点突出，提高处理效率；
[0043] (1-2)球面波扩散真振幅补偿：补偿地震波波前球面几何扩散造成的振幅损失，使其保持相对真振幅；
[0044] (1-3)
频谱分析以及
带通滤波，采用傅里叶变换将地震信号从时间域变换到
频率域，根据有效波与干扰波在频谱上的差异来达到滤波的效果、提高地震记录的信噪比；
[0045] (1-4)初至波拾取，采用变时窗统计能量比法自动确定纵横波初至到达时间，为后续
数据处理工作提供必要而可靠的参数；
[0046] (1-5)炮检点静校正，将各检波器及震源校正到同一参考面上，并消除由于不同震源引起的各记录道地震波的超前或滞后效应；
[0047] (1-6)道集均衡，具体包括道内均衡和道间均衡。道内均衡是压缩各道中浅层能量较强的波、增大深部能量较弱的波，使浅层和深层地震波的振幅控制在一定的动态范围内；道间均衡主要是为了消除不同震源点激发能量差异，使得反射波振幅不受激
发条件的影响，而只是反映地质构造情况；
[0048] (1-7)有效反射波提取，采用f-k和τ-P联合滤波压制干扰波以及掘进机工作面后方的无效反射波，仅保留来自掘进机工作面前方和侧面来的有效反射波并自动提取；
[0049] (1-8)反Q滤波，补偿由于地层非弹性体导致的能量和频率衰减，校正子波
相位的拉伸效应，达到提高弱反射能量、改善同相轴连续性和提高地震资料分辨率的目的；
[0050] (1-9)纵横波分离，将三分量检波器三个分量中接收到的P波、SH波和SV波分离开来，便于进行下一步的偏移成像和地质解释；
[0051] (1-10)速度分析，在初至波波速拾取的
基础上通过对时距曲线的反复
迭代，分别建立掘进机工作面前方岩体的纵横波速度模型；
[0052] (1-11)深度偏移，在速度分析的基础上，采用深度偏移方法分别对纵横波地震记录进行偏移归位，使得到的地震剖面能够清晰准确地展示波阻抗界面的空间形态和真实位置。
[0053] 所述步骤(2)中，掘进机开始工作，在刀盘不断开挖工作面的同时，刀盘和掘进机主轴也随之向前缓缓运动，因此支撑装置导轨相对主轴产生向后的相对运动，前液压支撑杆逐渐伸长、后液压支撑杆逐渐缩短，并在铰链的作用下不断调节角度，保证支撑板及三分量检波器在隧道中的绝对位置不发生改变，即开挖过程中，支撑板及三分量检波器相对于隧道壁来说是不发生移动的，这样才能保证传感器能够较好的接收到地震信号。
[0054] 所述步骤(2)中，刀盘旋转切割岩石产生震动，各个滚刀组的破岩震动被安装在刀盘后方的破岩震源传感器阵列所接收，破岩震源同时激发地震波向掘进机工作面前方和隧道四周扩散，地震波遇到波阻抗界面后发生反射，被与隧道壁紧密接触的三分量检波器所接收，同时掘进机工作噪声传感器也在不断记录噪声源产生的噪声信号，上述破岩震源传感器、三分量检波器和掘进机工作噪声传感器所记录的信息实时传输给多通道地震波数据采集仪。
[0055] 所述步骤(2)中，当掘进机刀盘和主轴达到最大行程时，掘进机停止工作，径向液压支撑杆缓缓缩短，带动前液压支撑杆和后液压支撑杆同时缩短，再结合各个位置上铰链的角度调节功能，接收传感器及其支撑装置整体回缩，此时支撑装置导轨和支撑板都位于可移动路径的最后端。然后，支撑板在支撑装置导轨的带动下一起向前移动到可移动路径的最前端，相应的，前液压支撑杆缩短、后液压支撑杆伸长，接收传感器及其支撑装置又恢复到初始状态，能够继续进行下一轮的工作。
[0056] 所述步骤(2)中，非常规破岩震源地震记录实时自动处理方法包括：
[0057] (2-1)震源信号去噪：基于
独立分量分析理论，将震源信号进行
盲源分离，实现噪声信号和有效地震信号的分离，进一步计算分离得到的各个信号与各个滚刀组对应的震源信号相似系数的大小，相似系数最大的即为该滚刀组对应的有效震源信号，仍记为该处的震源信号；
[0058] (2-2)震源信号重构：考虑到掘进机施工过程中刀盘转动带来的影响，需要对(2-1)中去噪后的震源信号进行处理，重新构建统一的震源信号；
[0059] (2-3)接收信号去噪：所述接收信号中的噪声成分来自掘进机噪声源，为分离得到有效地震信号，需要结合掘进机工作噪声传感器记录的噪声信号，对接收信号进行强干扰噪声衰减；
[0060] (2-4)破岩信号等效归一化：将震源信号与经过去噪处理后的接收信号进行互相关和反褶积处理，能够进一步衰减不相干噪声，并把破岩震动信号压缩成等效脉冲信号，实现非常规破岩震源的等效归一化；
[0061] (2-5)通过上述(2-1)～(2-4)，完成了非常规破岩震源地震记录到常规震源地震记录的转化，之后按照(1-1)～(1-11)所述的常规地震记录实时自动处理方法继续进行滤波、P波和S波初至拾取、波场分离、偏移成像，最终获得隧道前方及周围区域的纵横波速度模型和三维地震剖面；
[0062] (2-6)从上述破岩震源地震记录处理结果，实时得到隧道工作面前方岩体近距离范围内较为精确的纵横波速度模型，并通过计算进一步得到岩体力学参数，综合纵横波速度和岩体力学参数的分布情况能够对岩体质量状况进行表征和评价。
[0063] 所述步骤(2-2)的具体方法为：根据刀盘上滚刀的分布情况，在刀盘上事先假设一个震源区域，随刀盘转动，只有经过该区域的滚刀组才被认为产生破岩震动，与之对应的破岩震源传感器在这一时间段内记录的信号则被认为是该时间段内的震源信号
片段，这样当刀盘旋转一周时，所有滚刀组及其相应的破岩震源传感器均经过一次震源区域，根据任意时刻自动记录的各个破岩震源传感器所处的空间位置与震源区域的相对关系，分别提取各个震源信号中相应的震源信号片段并按照时间先后顺序拼接起来组成震源信号。
[0064] 本发明的有益效果为：
[0065] (1)本发明综合利用主动震源和破岩震源两种方式进行三维地震联合超前探测，在掘进机开始工作前，使用激震能量较强的主动源地震法来实现地质异常体的远距离超前预报和地质异常体定位识别，并根据探测结果对接下来的掘进机施工进行调整优化，在掘进机工作过程中，利用能量较弱但含有较高比例横波成分的刀盘破岩震动作为震源来实现地质异常体的实时近距离较精确预报，并对待开挖区域的围岩质量进行表征和评价，通过两种方法的有效结合，能够进一步提高地震法超前预报结果的精确度和可靠度；
[0066] (2)本发明充分利用了掘进机停工期间和工作期间，安全可靠且不影响掘进机的正常工作流程，同
时针对传统直线类观测方法难以获得准确波速分布的问题，在综合考虑隧道掘进机现有内部空间环境和探测效果的基础上，提出了一种接收传感器支撑装置，能够在隧道中实现接收传感器的三维全空间快速布置，方便快捷并且与掘进机开挖工序紧密结合，特别适用于“观测空间狭小、探测时间紧促”的掘进机施工隧道；
[0067] (3)针对非常规破岩震源地震记录处理方法，考虑到隧道掘进机刀盘面积较大，且用于破岩的滚刀数量众多，不同滚刀之间的破岩震动差别很大，仅采用单一的破岩震源传感器难以获得准确、全面的破岩震动特征，本发明特别提出了通过破岩震源传感器阵列来获取各个滚刀组破岩震动信号的方法，并针对各个滚刀组之间严重的噪声干扰问题，提出了一种基于独立分量分析理论的震源信号盲源分离方法，能够实现噪声信号和有效地震信号的分离，并进一步提出了一种适用于多个破岩震源传感器同时测量条件下的震源信号重构方法；
[0068] (4)针对破岩震源地震法中，接收传感器记录信号中存在严重噪声干扰的问题，本发明在掘进机噪声源附近位置安装掘进机工作噪声传感器记录噪声信号，并结合所记录的噪声信号，提出了一种针对接收传感器信号进行强干扰噪声衰减的方法，能够有效地提高破岩震源地震记录的信噪比。
附图说明
[0069] 图1为隧道掘进机破岩震源和主动源三维地震联合超前探测装置的整体示意图；
[0070] 图2为三维地震联合超前探测装置的工作面震源布置图；
[0071] 图3为三维地震联合超前探测装置的边墙震源示意图；
[0072] 图4为接收传感器及其支撑装置的结构示意图；
[0073] 图5为隧道掘进机破岩震源和主动源三维地震联合超前探测方法
流程图；
[0074] 图6为基于独立分量分析理论的震源信号盲源分离方法的流程图；
[0075] 图7为破岩震源传感器阵列布置形式及震源区域划分的示意图；
[0076] 图8为震源信号重构过程的示意图；
[0077] 图中：1.激震系统，2.工作面震源，3.边墙震源，4.接收传感器及其支撑装置，5.掘进机刀盘，6.掘进机主轴，7.可控震源，8.震源压力传感器，9.震源液压伸缩杆，
10.震源导轨，11.前液压支撑杆，12.支撑板，13.三分量检波器，14.检波器压力传感器，
15.后液压支撑杆，16.径向液压支撑杆，17.支撑装置导轨，18.铰链，19-1～19-6.滚刀组，20-1～20-6.破岩震源传感器，21.震源区域。
具体实施方式：
[0078] 下面结合附图与
实施例对本发明作进一步说明。
[0079] 如图1所示，一种用于掘进机隧道复杂环境下主动源和破岩震源三维地震联合超前探测方法及装置，主要包括激震系统1、接收传感器及其支撑装置4、破岩震源传感器阵列、掘进机工作噪声传感器、控制系统，以及多通道地震波数据采集仪。
[0080] 所述激震系统根据位置不同分为工作面震源2和边墙震源3，所述工作面震源2包括可控震源7、震源压力传感器8、震源液压伸缩杆9和震源进出口舱门，所述边墙震源包括可控震源7、震源压力传感器8、震源液压伸缩杆9和震源导轨10。
[0081] 如图2所示，所述工作面震源安置在掘进机刀盘5上，共有4个，在刀盘上对称分布，具体位置可以根据刀盘上滚刀的分布情况而定，另外在刀盘相应位置上还需要预留4个工作面震源进出口。震源进出口舱门可以在控制系统的控制下按照预设的卡槽运动，实现震源进出口的开闭，供可控震源进出。
[0082] 如图3所示，所述边墙震源3位于震源导轨10上，震源导轨10利用现有的掘进机内部空间，设计由一个圆形滑环导轨和一个沿着掘进机主轴的轨道组成，可控震源7可以在其上沿主轴6前后方向自由滑动，同时可以绕主轴6呈360°自由旋转可实现边墙震源的三维任意布置。
[0083] 所述可控震源7和震源压力传感器8安装在震源液压伸缩杆9顶端，可控震源7、震源压力传感器8和震源液压伸缩杆9分别与控制系统相连，其中，震源液压伸缩杆9采用中空设计方式，上述连接线可以从当中引出。
[0084] 如图4所示，所述接收传感器及其支撑装置4以掘进机主轴6为中心呈环状分布有三组，分别对应隧道拱顶和左右拱腰，具体由三分量检波器13、检波器压力传感器14、前液压支撑杆11、后液压支撑杆15、径向液压支撑杆16、支撑板12、支撑装置导轨17及铰链18等部分组成。所述前液压支撑杆11一端与掘进机主轴6相连，另一端与支撑板12一端相连，支撑板12另一端与后液压支撑杆15一端相连，后液压支撑杆15另一端连接在掘进机主轴6上，以上连接都是通过铰链18完成的。所述支撑装置导轨17呈环形嵌套在掘进机主轴6上，上面安装有径向液压支撑杆16，径向液压支撑杆16另一端与支撑板12底面相连接。所述三分量检波器13和检波器压力传感器14安装在支撑板上。
[0085] 破岩震源传感器阵列安装在掘进机刀盘5后方，根据刀盘上滚刀的具体分布情况将滚刀分组，分别为滚刀分组19-1、滚刀分组19-2、滚刀分组19-3、滚刀分组19-4、滚刀分组19-5、滚刀分组19-6，在每个滚刀组后方的合适位置安装破岩震源传感器，分别为破岩震源传感器20-1、破岩震源传感器20-2、破岩震源传感器20-3、破岩震源传感器20-4、破岩震源传感器20-5、破岩震源传感器20-6，多个破岩震源传感器组成破岩震源传感器阵列，破岩震源传感器记录的信号称为震源信号，所述震源信号中包括有效信号(即相应滚刀组的破岩震动信号)和噪声信号(如：其他滚刀组的破岩震动信号、掘进机噪声源产生的干扰信号)，同时破岩震源传感器还设有定位单元，可以将所处的空间位置实时传输给多通道地震波数据采集仪。
[0086] 所述掘进机工作噪声传感器安装在掘进机噪声源(如电机工作噪声、传送皮带工作震动噪声、掘进机后方施工噪声等)附近位置，用于记录各个噪声源所产生的噪声信号。
[0087] 所述多通道地震波数据采集仪分别与破岩震源传感器阵列20、三分量检波器13和掘进机工作噪声传感器相连接，负责存储并处理检波器记录的地震波信息；所述控制系统能够控制震源液压伸缩杆9、前液压支撑杆11、后液压支撑杆15和径向液压支撑杆16的伸缩，并在震源压力传感器8和检波器压力传感器14的信号的作用下对上述液压装置进行反馈调节，另外，控制系统还负责调节可控震源7的震动情况，同时还能够控制震源导轨10、支撑装置导轨17和震源进出口舱门的移动。
[0088] 如图5所示，应用上述装置的隧道掘进机破岩震源和主动源三维地震联合超前探测方法，主要包括以下步骤：
[0089] (1)首先，当掘进机停工时，为初始状态，接收传感器及其支撑装置4整体处于回缩状态，支撑装置导轨17和支撑板12位于可移动路径的最前端，径向液压支撑杆16和前液压支撑杆11同时处于收缩状态、后液压支撑杆15处于拉伸状态。
[0090] (2)在将要开始主动源地震法超前探测时，利用接收传感器支撑装置4在隧道中实现三分量检波器13的三维全空间灵活、快速布置，径向液压支撑杆16缓缓伸长，带动前液压支撑杆11和后液压支撑杆15同时伸长，再结合各个位置上铰链18的角度调节功能，支撑板12被向外推出直至三分量检波器13与隧道壁相接触，当三分量检波器13与隧道壁之间的接触压力达到一定值时，检波器压力传感器14对控制系统进行反馈调节，停止各个液压支撑杆的运动，此时三分量检波器13与隧道壁紧密接触。
[0091] (3)控制系统控制震源液压伸缩杆9将可控震源7向外缓缓送出，当震源7与掘进机工作面或隧道壁之间的接触压力达到一定值时，震源压力传感器8对控制系统进行反馈调节，停止震源液压伸缩杆9的运动，控制系统控制激震系统1中所包含的可控震源7开始震动，激发产生宽频地震波，激震系统1中包含的可控震源7共激发12次，其中，工作面震源2中包含的4个可控震源7在掘进机工作面上依次激震，边墙震源3中的可控震源7在掘进机主体
护盾后方左右两侧的隧道边墙上各激发4次，激震点分布在两个横截面上，相应的，每个三分量检波器13都能采集到12个地震信号，这些信号全部分类存储在多通道地震波数据采集仪中。
[0092] (4)按照常规地震记录处理方法对采集到的地震波信息进行自动处理，得到较远范围内的纵横波速度模型和三维地震剖面，实现地质异常体的远距离超前预报和地质异常体定位识别，上述常规地震记录自动处理方法主要包括：
[0093] (4-1)道集编辑：实现对坏道切除和有效数据长度(依据预报长度)截取，使此后的处理重点突出，提高处理效率。数据长度＝预报长度×2×2.5÷Vp。公式中Vp表示预报段落纵波的平均速度，2.5表示考虑速度变化和横波较慢的安全因数，2则表示双程传播时间。
[0094] (4-2)球面波扩散真振幅补偿：补偿地震波波前球面几何扩散造成的振幅损失，1.48
使其保持相对真振幅。采用经验补偿函数g(T)＝42.1×T 实现波前球面扩散真振幅补偿。其中T为波前的旅行时间。
[0095] (4-3)频谱分析以及带通滤波，采用傅里叶变换将地震信号从时间域变换到频率域，根据有效波与干扰波在频谱上的差异来达到滤波的效果、提高地震记录的信噪比。
[0096] (4-4)初至波拾取，确定纵横波初至到达时间，为后续数据处理工作提供必要而可靠的参数。采用变时窗统计能量比法自动拾取反射事件，不需要手动拾取，大大提高了计算结果的准确性和
稳定性。
[0097] (4-5)炮检点静校正，将各检波器及震源校正到同一参考面上，并消除由于不同震源引起的各记录道地震波的超前或滞后效应。由于隧道内不存在常规地震的低速带，因此采用最小二乘
算法直接进行线性拟合。
[0098] (4-6)道集均衡，具体包括道内均衡和道间均衡。道内均衡是压缩各道中浅层能量较强的波、增大深部能量较弱的波，使浅层和深层地震波的振幅控制在一定的动态范围内；道间均衡主要是为了消除不同震源点激发能量差异，使得反射波振幅不受激发条件的影响，而只是反映地质构造情况。
[0099] (4-7)有效反射波提取，采用f-k和τ-P联合滤波压制
声波、面波、直达波等干扰波以及掘进机工作面后方的无效反射波，自动提取来自掘进机工作面前方和侧面来的有效反射波。
[0100] (4-8)反Q滤波，补偿由于地层非弹性体导致的能量和频率衰减，校正子波相位的拉伸效应，达到提高弱反射能量、改善同相轴连续性和提高地震资料分辨率的目的。
[0101] (4-9)纵横波分离，采用拉东变换和极化分析等方法将三分量检波器三个分量中接收到的P波、SH波和SV波分离开来，便于进行下一步的偏移成像和地质解释。
[0102] (4-10)速度分析，在初至波波速的基础上通过对时距曲线的反复迭代，分别建立掘进机工作面前方岩体的纵横波速度模型。采用共成像点道集拉平准则进行速度扫描，首先由拾取的初至数据换算成地震波速度，然后定义探测区域空间范围，并为此区域网格剖分进行速度扫描。
[0103] (4-11)深度偏移，在速度分析的基础上，采用深度偏移方法分别对纵横波地震记录进行偏移归位，使得到的地震剖面能够清晰准确地展示波阻抗界面的空间形态和真实位置。
[0104] 同时，根据上述主动源地震法的探测结果，分析接下来掘进工作中可能遭遇到的不良地质情况，对接下来的掘进机施工进行调整优化。
[0105] (5)选择合适的工作参数，控制掘进机开始工作，掘进机开始工作，在刀盘5不断开挖工作面的同时，刀盘5和掘进机主轴6也随之向前缓缓运动，因此支撑装置导轨17相对主轴6产生向后的相对运动，前液压支撑杆11逐渐伸长、后液压支撑杆15逐渐缩短，并在铰链18的作用下不断调节角度，保证支撑板12及三分量检波器13在隧道中的绝对位置不发生改变。
[0106] (6)刀盘5旋转切割岩石产生震动，各个滚刀组19的破岩震动被安装在刀盘5后方的破岩震源传感器阵列20所接收，破岩震源同时激发地震波向掘进机工作面前方和隧道四周扩散，地震波遇到波阻抗界面后发生反射，被与隧道壁紧密接触的三分量检波器13所接收，同时掘进机工作噪声传感器也在不断记录噪声源产生的噪声信号，上述破岩震源传感器20、三分量检波器13和掘进机工作噪声传感器所记录的信息实时传输给多通道地震波数据采集仪。
[0107] (7)按照非常规地震记录处理方法对采集到的地震波信息进行自动处理，得到较近距离范围内的纵横波速度模型和三维地震剖面，实现地质异常体的近距离较精确预报。上述非常规地震记录自动处理方法主要包括：
[0108] (7-1)震源信号去噪：如图6所示，n个统计独立的破岩震源信号S＝[s1(t)，Ts2(t)，...，sn(t)]，经过未知混合系统A，被m个破岩震源传感器观测得到震源信号P＝T
[p1(t)，p2(t)，...，pm(t)]。基于独立分量分析理论得到线性瞬时混合模型P＝AS，其中A为m×n维混合矩阵。
[0109] 要对震源信号P进行盲源分离，首先应对其进行零均值化，即令 其中E(P)为P的数学期望，实际计算中可用算术平均值代替。
[0110] 然后对 进行球化，定义球化矩阵T＝Λ-1UT，其中U和Λ分别代表 协方差矩阵的
特征向量矩阵和特征值矩阵，则 投影到新的子空间后变成球化向量
[0111] 最后将球化向量Z
正交变换后获得分离结果Y，使其各分量尽可能的独立，并且是破岩震源信号S的最优近似，具体可以采用基于负熵最大的固定点算法，利用如下迭代公式计算W：
[0112]
[0113] 这样通过盲源分离实现了噪声信号和有效地震信号的分离。
[0114] 进一步计算分离结果Y各独立分量与原始震源信号P各分量之间相似系数的大小，相似系数最大的即为该滚刀组对应的有效震源信号，仍记为该处的震源信号，假设yi＝[η1,η2,...,ηk]和pi＝[ξ1,ξ2,...,ξk]分别为分离结果Y的任意独立分量与震源信号P的任意分量，则相似系数的计算公式如下：
[0115]
[0116] (7-2)震源信号重构：考虑到掘进机施工过程中刀盘5转动带来的影响，需要对(7-1)中去噪后的震源信号进行处理，重新构建统一的震源信号。
[0117] 如图7所示，首先根据刀盘5上滚刀的分布情况将其分成6个滚刀组19-1～19-6，并在每个滚刀组19后方的合适位置安装破岩震源传感器20-1～20-6。
[0118] 然后，在刀盘上事先假设一个震源区域21，随刀盘5的转动，只有经过该区域21的滚刀组19才被认为产生破岩震动，与之对应的破岩震源传感器20在这一时间段内记录的信号则被认为是该时间段内的震源信号片段。这样当刀盘5旋转一周时，滚刀组19-1～19-6、破岩震源传感器20-1～20-6依次经过震源区域21，破岩震源传感器20-1～20-6记录的地震信号如图8左侧所示，根据任意时刻各个破岩震源传感器20所处的空间位置与震源区域21的相对关系，按照图8所示方法，分别提取各个震源信号中相应的震源信号片段并按照时间先后顺序拼接起来便组成了震源信号。
[0119] (7-3)接收信号去噪：首先构造褶积模型 来表示接收传感器阵列记录得到的接收信号，式中gi表示第i个接收传感器接收到的记录，Nk为第k个噪声源产生的强干扰噪声(假设共有M个噪声源)，hi为噪声源到第i个接收传感器的传输函数，为重构的震源信号，li表示从刀盘位置到第i个接收传感器的传输函数。
[0120] 其中，Nk可以近似表示成 Nkj为第j个掘进机工作噪声传感器接收到的第k个噪声源产生的干扰信号，tj是相应的传播时间；传输函数hi近似表示成其无偏估计
[0121] 这样可以得到消除上述M个强干扰噪声后的检波器记录 得到了有效地震接收信号。
[0122] (7-4)破岩信号等效归一化：将震源信号与经过去噪处理后的接收信号进行互相关和反褶积处理，能够进一步衰减不相干噪声，并把破岩震动信号压缩成等效脉冲信号，实现非常规破岩震源的等效归一化；
[0123] (7-5)通过上述(7-1)～(7-4)，完成了非常规破岩震源地震记录到常规震源地震记录的转化，之后可以按照(4)中所述常规震源地震记录处理方法继续进行滤波、P波和S波初至拾取、波场分离、偏移成像等工作，最终获得隧道前方及周围区域的纵横波速度模型和三维地震剖面。
[0124] (7-6)从上述破岩震源地震记录处理结果可以实时得到隧道工作面前方岩体近距离范围内较为精确的纵横波速度模型，并可以通过计算进一步得到较精确的岩体力学参数(如
弹性模量、泊松比等)，综合纵横波速度和岩体力学参数的分布情况能够对岩体质量状况进行表征和评价。
[0125] 然后，联合主动源和破岩震源三维地震超前探测的结果，对工作面前方的地质情况和围岩质量给出综合性的判断，并实时反馈给掘进机操作人员，为掘进机工作参数优化和施工安全控制提供支撑。
[0126] (8)当掘进机刀盘5和主轴6达到最大行程时，掘进机停止工作，径向液压支撑杆16缓缓缩短，带动前液压支撑杆11和后液压支撑杆15同时缩短，再结合各个位置上铰链
18的角度调节功能，接收传感器及其支撑装置4整体回缩，此时支撑装置导轨17和支撑板
12都位于可移动路径的最后端。
[0127] (9)最后，支撑板12在支撑装置导轨17的带动下一起向前移动到可移动路径的最前端，相应的，前液压支撑杆11缩短、后液压支撑杆15伸长，接收传感器及其支撑装置4又恢复到(1)中所述的掘进机停工时状态，能够继续进行下一轮的工作。
[0128] 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。
