技术领域
[0001] 本
发明涉及公路、
铁路隧道、地铁、
水电水利输水隧洞等的施工地质预报技术领域，尤其是涉及一种安装在盾构机上的弹性波反射法装置及其测量方法。
背景技术
[0002] 隧道和隧洞施工时的掌子面前方地质预报是重要的一项工作。目前在用
钻爆法开挖时已有多种方法可以进行预报工作，但在用盾构机施工时，掘进的刀盘前方不可能由人进入操作，业界希望设备安装在盾构机上自动操作，而且在刀盘前方充填着砂石、泥土、水、
泡沫等物体，探查的元件若安装在刀盘上，将很快被磨损。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于设计一种新型的安装在盾构机上的弹性波反射法装置及其安装方法，解决上述问题。
[0004] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0005] 一种安装在盾构机上的弹性波反射法装置，包括激震器、
检波器、弹性装置、
导线和盾构机的刀盘，在所述刀盘后面上设置钻孔，所述钻孔距离所述刀盘面有5～10cm不钻透所述刀盘，将所述激震器和所述检波器装入所述钻孔内并且激震和接收朝向掘进方向；
[0006] 所述弹性装置从后面将所述激震器和所述检波器抵紧在所述刀盘上，使所述激震器和所述检波器不致自由移动即可；所述检波器前端接收振动
信号一面，涂以耦合剂材料，作为所述检波器与前方所述刀盘的钻孔底的耦合剂；所述导线引出所述刀盘；
[0007] 所述激震器和所述检波器排列的布置形式包括：
[0008] a.沿所述刀盘的圆周方向排列，所述激震器在中间，两侧分别相距25cm～40cm各置一所述检波器，所述检波器和所述激震器朝向前方掌子面平行隧道中线方向；
[0009] b.沿所述刀盘的半径方向布置，所述激震器在中间，沿半径方向两侧分别相距25～60cm各置一个所述检波器,所述检波器朝向正前方平行隧道中线方向；或者一个所述检波器朝向前方，一个所述检波器偏向刀盘边缘5°～7°；
[0010] c.与上述2种方式之一配合，沿所述刀盘半径方向布置另一组装置，所述激震器在中间，沿所述刀盘半径方向在所述激震器两侧25～60cm各置一所述检波器，所述检波器朝向刀盘外缘方向分别为5°～10°和7°～15°，所述激震器朝向刀盘外缘方向为2个检波器偏
角和之1/2。
[0011] 所述弹性装置为
弹簧，所述耦合剂材料为黄油或凡士林。
[0012] 所述弹性装置从后面将所述激震器和所述检波器通过所述弹性装置、硬管和后盖抵紧在所述刀盘上。
[0013] 所述引线从所述刀盘引向所述刀盘的
主轴，在所述主轴中钻有导线的通过孔，所述通过孔为2个，一个所述孔通过控制所述激震器的强电导线，一个所述孔通过所述检波器连接主机的弱电导线。
[0014] 所述引线从所述刀盘引向刀盘的主轴，在所述主轴中钻有导线的通过孔，所述通过孔为1个，将连接所述检波器的弱电导线和连接强电的所述激震器导线合成一组通过，将所述弱电导线加屏蔽层，避免强电脉冲产生
电磁干扰。
[0015] 所述激震器为超
磁致伸缩震子并联的激震器；所述检波器为
地震勘探用的高
分辨率检波器，采用单点连续剖面形式工作。
[0016] 一种安装在盾构机上的弹性波反射法装置的测量方法：
[0017] 采用刀盘转动测量方式，所述刀盘以0.2～0.5周/分转动速度运行，每隔一定角度即激震器和检波器转动一定距离测量一次，根据刀盘转动的线速度设定激振器的激震间隔时间，即一个测点，并确定了测点距；所述刀盘转动一周为360°，即可完成多个测点形成的圆形测量剖面，资料处理后可形成一个圆筒形或者圆锥筒形的时间剖面图。
[0018] 在不作预报测量时，导线与主机引出导线脱离，以免盾构机刀盘掘进工作时导线缠绕；在测量时用人工或机械手将所述导线与所述主机引出导线连接；测后由人工或机械手将其脱离。
[0019] 为测量掌子面前方土体和岩体
波速，采用在边墙设所述激震器向开挖面前方激震的方法：
[0020] A在所述激震器两边布置朝向掌子面方向的所述检波器3～4个，形成一个短测线，所述激震器和所述检波器设置在一个
支架上，由人工或用机械手按压在边墙上，所述激震器沿着朝向掌子面即平行中线方向激震，所述检波器测量从掌子面方向来的反射波；
[0021] B、测量的导线一直与主机连通；
[0022] C、测量时主机给激震的信号，所述激震器激震并给出要采集信号；
[0023] D与设在刀盘上的测量结果联合，计算出波速。
[0024] 线路的连接及互控信号，按顺序为：
[0025] a.盾构机转动与测量主机启动：
[0026] b.所述盾构机在准备好之后，发信号给所述测量主机；
[0027] c.所述测量主机启动给所述盾构机发信号，同时给所述激震器启动信号；
[0028] d.所述盾构机转动，给出转角信号给所述测量主机；
[0029] e.所述测量主机给出激发信号给第1组排列的所述激震器，所述激震器给出激震成功信号给所述测量主机，所述测量主机给出开始测量信号，加确定延时后开始接收第1组排列所述激震器两侧的检波器信号；
[0030] f.所述盾构机不断发送转动的角度信号，转一定角度后，按预定角度和时间所述测量主机给出激震信号给第1组排列所述激震器，所述激震器给出激震成功信号给所述测量主机，所述测量主机给出开始测量信号，加确定延时后开始接收第1组排列激震器两侧的检波器信号；
[0031] g.返回c～e如此重复，至所述盾构机转角360°止；
[0032] h.解除所述测量主机与所述激震器及所述刀盘上4个所述检波器的线路连接，开始作边墙的测波速工作。
[0033] 本
专利中的超磁致伸缩震子并联的激震器，参见中国发明专利(专利号：201110430481.6)；本专利中的
地震勘探用的高分辨率检波器，参见中国实用新型专利(专利号：201020260262.9)。本发明的目的在于提供一种高宽频带的弹性波反射法及其在盾构机上的安装方法，以解决在盾构机上安装设备自动测量的难题。
[0034] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0035] (1)采用“超磁致伸缩震子并联的激震器”(发明专利，专利号：201110430481.6)作为
震源，采用“地震勘探用的高分辨率检波器”(实用新型专利，专利号：201020260262.9)作为接收振动信号的检波器，采用单点连续剖面形式工作；
[0036] (2)在盾构机的刀盘后面上钻孔，保留刀盘面有5～10cm不钻透作为保护层，将激震器和检波器装入，激震和接收朝向掘进方向；
[0037] (3)激震器和检波器装入后，用弹簧从后面抵紧在刀盘上，顶
力需小，使激震器和检波器不致自由移动即可。检波器前端接收振动信号一面，涂以少量黄油或凡士林，作为检波器与前方刀盘孔底的耦合剂。
[0038] (4)采用刀盘转动时作测量的方式，为避免刀盘转动时检波器及激震器的引线缠绕，引线从刀盘引向刀盘的主轴，在主轴中钻有导线通过孔，通过孔设置有2种方式：
[0039] A.钻2个通过孔，一个孔通过控制激震器的强电导线，一个孔通过检波器连接主机的弱电导线；
[0040] B.钻一个通过孔，将连接检波器的弱电导线和连接强电的激震器导线合成一组通过，这时要将弱电导线加屏蔽层，避免强电脉冲产生电磁干扰；
[0041] (5)在不作预报测量时，上述导线与主机引出导线脱离，以免盾构机刀盘掘进工作时导线缠绕。在测量时用人工或机械手将两段导线连接；测后由人工或机械手将其脱离；
[0042] (6)检波器与激震器排列及测量方式每一组激震点和检波器排列的布置可用多种形式
[0043] A、沿刀盘的圆周方向排列，所述激震器在中间，两侧分别相距25cm～40cm各置一检波器，检波器和激震器朝向前方掌子面平行隧道中线方向。采用刀盘转动测量方式，刀盘以0.2～0.5周/分转动速度运行，每隔一定角度即激震器和检波器转动一定距离测量一次，根据刀盘转动的线速度设定激振器的激震间隔时间，即一个测点，并确定了测点距。刀盘转动一周为360°，即可完成多个测点形成的圆形测量剖面，资料处理后可形成一个圆筒形或者圆锥筒形的时间剖面图；资料解释时也可拆出2条水平测线和2条铅垂测线，通过已有方法(发明专利，专利号：201010266601.9)计算反射面空间
位置；
[0044] B.沿刀盘半径方向布置，激震器在中间，沿半径方向两侧分别相距25～60cm各置一检波器，检波器朝向正前方平行隧道中线方向，刀盘转动一周测出多个测点，根据刀盘转动的线速度设定激振器的激震间隔时间，即一个测点，并确定了测点距；形成2个圆形测线，资料解释时也可拆成4条水平测线和4条铅垂测线，通过已有方法(发明专利，专利号：201010266601.9)计算反射面空间位置；也可一个检波器朝向前方，一个检波器偏向刀盘边缘5°～7°，刀盘转动一周测出多个测点，形成2个圆形测线，资料处理后可以形成一个水平圆桶形时间剖面，一个圆锥筒形的时间剖面，经过资料定性:定量解释后，可以形成一个水平圆筒面和一个圆锥筒面的地质剖面图，其中偏向刀盘边缘的检波器得到的圆锥筒面的地质剖面图可以探测隧道轮廓外的物体，在50m外可以探测到距隧道周边约4～6m的物体；
[0045] C.与上述2种方式之一配合，沿刀盘半径方向布置另一组装置，激震器在中间，沿刀盘半径方向在激震器两侧25～60cm各置一检波器，检波器朝向刀盘外缘方向分别为5°～10°和7°～15°，激震器朝向刀盘外缘方向为2检波器偏角和之1/2。刀盘转动一周测出多个测点，形成2个圆形剖面，资料处理后可以形成2个圆锥桶形的地质剖面图，从它们可以分别得到50m外隧道轮廓外约4m～15m的物体的信息；
[0046] (7)为了测量掌子面前方土体和岩体波速，采用在边墙设激震器向开挖面前方激震的方法，在激震器两边布置朝向掌子面方向的检波器3～4个，形成一个短测线，激震器和检波器设置在一个架子上，由人工或用机械手按压在边墙上，与设在刀盘上的测量结果联合，计算出波速(发明专利，专利号：201010290400.2)；
[0047] (8)线路的连接及互控信号，按顺序为：
[0048] A.盾构机转动与测量主机启动：
[0049] B.盾构机在准备好之后，发信号给测量主机；
[0050] C.主机启动给盾构机发信号，同时给激震器启动信号；
[0051] D.盾构机转动，给出转角信号给主机；
[0052] E.根据已确定的延时时间确定延时时间后开始接收第1组排列激震器两侧的检波器信号；
[0053] F.盾构机不断发送转动的角度信号，转一定角度后，按预定角度和时间主机给出激震信号给第1组排列激震器，激震器给出激震成功信号给主机，主机给出开始测量信号，加已确定的延时时间后开始接收第1组排列激震器两侧的检波器信号；
[0054] G.返回c～e，如此重复，至盾构机转角360°止；
[0055] H.解除主机与激震器及刀盘上4个检波器的线路连接，开始作边墙的测波速工作；
[0056] (9)测量掌子面前土体和岩体波速：
[0057] 采用在盾构机机头后方边墙上测量波速的办法：
[0058] A、通过人手或者机械手将含激震器和3-4个检波器的支架按紧在边墙上，激震器沿中线方向激震，检波器测量从掌子面方向来的反射波。
[0059] B、测量的导线可以一直与主机连通；
[0060] C、测量时主机给激震的信号，激震器激震并给出要采集信号。
[0061] 本发明的有益效果可以总结如下：
[0062] 1、本发明解决了目前在用钻爆法开挖时已有多种方法可以进行预报工作，但在用盾构机施工时，掘进的刀盘前方不可能由人进入操作，业界希望设备安装在盾构机上自动操作的问题。
[0063] 2、本发明解决了在刀盘前方充填着砂石、泥土、水、泡沫等物体，探查的元件若安装在刀盘上将很快被磨损的问题。
附图说明
[0064] 图1为激震器和检波器在刀盘上安装的沿刀盘半径剖面图之一，激震器和检波器沿刀盘半径方向排列，激震器和检波器朝向前方掌子面平行中线方向。
[0065] 其中：
[0066] 1 检波器；
[0067] 2 激震器；
[0068] 3 安装检波器和激震器的钻孔；
[0069] 4 用于顶住检波器的硬管；
[0070] 5 安装好检波器和激震器后稳定它们的弹簧；
[0071] 6 连通激震器和检波器与主机的导线；
[0072] 7 安装激震器和检波器顶住弹簧的后盖；
[0073] 10 刀盘；
[0074] k 激震器和检波器安装的距离。
[0075] 图2为激震器和检波器在刀盘上安装的沿刀盘半径剖面图之二，激震器和检波器沿刀盘半径方向排列，激震器和检波器朝向隧道边缘方向。
[0076] 其中：
[0077] 1 检波器；
[0078] 2 激震器；
[0079] 3 安装检波器和激震器的钻孔；
[0080] 4 用于顶住检波器的硬管；
[0081] 5 安装好的检波器和激震器后稳定它们的弹簧；
[0082] 6 连通激震器和检波器与主机的导线；
[0083] 7 安装激震器和检波器顶住弹簧的后盖；
[0084] 10 刀盘；
[0085] k 激震器和检波器安装的距离。
[0086] 图3为激震器和检波器在刀盘上安装的垂直刀盘半径剖面图之一，激震器和检波器沿垂直刀盘半径方向排列，朝向前方掌子面与中线平行中线方向。
[0087] 其中
[0088] 1 检波器；
[0089] 2 激震器；
[0090] 3 安装检波器和激震器的钻孔；
[0091] 4 用于顶住检波器的硬管；
[0092] 5 安装好的检波器和激震器后稳定它们的弹簧；
[0093] 6 连通激震器和检波器与主机的导线；
[0094] 7 激震器和检波器顶住弹簧的后盖；
[0095] 10 刀盘；
[0096] k 激震器和检波器安装的距离。
[0097] 图4为激震及接收示意图。
[0098] 其中：
[0099] 1 检波器；
[0100] 2 激震器；
[0101] 11 测量面；
[0102] 12 反射面。
[0103] 图5为在边墙上测波速的激震器及检波器安装示意图。
[0104] 其中：
[0105] 1 检波器；
[0106] 2 激震器；
[0107] 3 安装检波器和激震器的钻孔；
[0108] 4 用于顶住检波器的硬管；
[0109] 5 安装好的检波器和激震器后稳定它们的弹簧；
[0110] 6 连通激震器和检波器与主机的导线；
[0111] 7 激震器和检波器顶住弹簧的后盖；
[0113] 9 支架；
[0114] k 激震器和检波器安装的距离。
具体实施方式
[0115] 为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及
实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0116] 如图1-5所示的一种安装在盾构机上的弹性波反射法装置，包括激震器2、检波器1、弹性装置5、导线6和盾构机的刀盘10，在所述刀盘10后面上设置钻孔3，所述钻孔3距离所述刀盘面有5～10cm且不钻透所述刀盘，将所述激震器2和所述检波器1装入所述钻孔3内并且激震和接收朝向掘进方向。
[0117] 所述弹性装置5从所述刀盘10后面将所述激震器2和所述检波器1抵紧在所述刀盘10上，使所述激震器2和所述检波器1不致自由移动即可；所述检波器1前端接收震动信号一面，涂以耦合剂材料，作为所述检波器1与前方所述刀盘10的钻孔3底之间的耦合剂；所述导线6引出所述刀盘。
[0118] 所述激震器2和所述检波器1排列的布置形式包括：
[0119] a.沿所述刀盘10的圆周方向排列，所述激震器2在中间，两侧分别相距25cm～40cm各置一所述检波器1，所述检波器1和所述激震器2朝向前方掌子面平行隧道中线方向；
[0120] b.沿所述刀盘10的半径方向布置，所述激震器2在中间，沿半径方向两侧分别相距25～60cm各置一个所述检波器1,所述检波器1朝向正前方平行隧道中线方向；或者一个所述检波器1朝向前方，另一个所述检波器1偏向刀盘10边缘5°～7°；
[0121] c.与上述2种方式之一配合，沿所述刀盘10半径方向布置另一组装置，所述激震器2在中间，沿所述刀盘10半径方向在所述激震器2两侧25～60cm各置一所述检波器1，两所述检波器1朝向刀盘外缘方向分别为5°～10°和7°～15°，所述激震器2朝向刀盘外缘方向为2个检波器1偏角和之1/2。
[0122] 在更加优选的实施例中，所述弹性装置5为弹簧，所述耦合剂材料为黄油或凡士林。
[0123] 在更加优选的实施例中，所述弹性装置5从后面将所述激震器2和所述检波器1通过所述弹性装置5、硬管4和后盖7抵紧在所述刀盘10上。
[0124] 在更加优选的实施例中，所述引线引向所述刀盘10的主轴，在所述主轴中钻有导线6的通过孔，所述通过孔为2个，一个所述孔通过控制所述激震器2的强电导线6，一个所述孔通过所述检波器1连接主机的弱电导线6。
[0125] 在更加优选的实施例中，所述引线从所述刀盘10引向刀盘10的主轴，在所述主轴中钻有导线6的通过孔，所述通过孔为1个，将连接所述检波器1的弱电导线6和连接强电的所述激震器2导线6合成一组通过，将所述弱电导线6加屏蔽层，避免强电脉冲产生电磁干扰。
[0126] 在更加优选的实施例中，所述激震器2为超磁致伸缩震子并联的激震器；所述检波器1为地震勘探用的高分辨率检波器，采用单点连续剖面形式工作。
[0127] 一种安装在盾构机上的弹性波反射法装置的测量方法：
[0128] 采用刀盘转动测量方式，所述刀盘10以0.2～0.5周/分转动速度运行，每隔一定角度即激震器2和检波器1转动一定距离测量一次，根据所述刀盘10转动的线速度设定所述激振器2的激震间隔时间，即一个测点，并确定了测点距；所述刀盘10转动一周为360°，即可完成多个测点形成的圆形测量剖面，资料处理后可形成一个圆筒形或者圆锥筒形的时间剖面图。
[0129] 在更加优选的实施例中，在不作预报测量时，导线6与主机引出导线6脱离，以免盾构机刀盘10掘进工作时导线6缠绕；在测量时用人工或机械手将所述导线6与所述主机引出导线6连接；测后由人工或机械手将其脱离。
[0130] 在更加优选的实施例中，为测量掌子面前方土体和岩体波速，采用在边墙设所述激震器2向开挖面前方激震的方法：
[0131] A、在所述激震器2两边布置3～4个朝向掌子面方向的所述检波器1，形成一个短测线，所述激震器2和所述检波器1设置在一个支架9上，由人工或用机械手按压在边墙上，所述激震器2沿着朝向掌子面即平行中线方向激震，所述检波器1测量从掌子面方向来的反射波；
[0132] B、测量的导线6一直与主机连通；
[0133] C、测量时主机给激震的信号，所述激震器2激震并给出要采集信号；
[0134] D、与设在刀盘上的测量结果联合，计算出波速。
[0135] 在更加优选的实施例中，线路的连接及互控信号，按顺序为：
[0136] a.盾构机转动与测量主机启动：
[0137] b.所述盾构机在准备好之后，发信号给所述测量主机；
[0138] c.所述测量主机启动给所述盾构机发信号，同时给所述激震器2启动信号；
[0139] d.所述盾构机转动，给出转角信号给所述测量主机；
[0140] e.所述测量主机给出激发信号给第1组排列的所述激震器2，所述激震器2给出激震成功信号给所述测量主机，所述测量主机给出开始测量信号，加确定延时后开始接收第1组排列所述激震器2两侧的检波器1信号；
[0141] f.所述盾构机不断发送转动的角度信号，转一定角度后，按预定角度和时间所述测量主机给出激震信号给第1组排列所述激震器2，所述激震器2给出激震成功信号给所述测量主机，所述测量主机给出开始测量信号，加确定延时后开始接收第1组排列激震器2两侧的检波器1信号；
[0142] g.返回c～e如此重复，至所述盾构机转角360°止；
[0143] h.解除所述测量主机与所述激震器2及所述刀盘上4个所述检波器1的线路连接，开始作边墙的测波速工作。
[0144] 在某个具体的实施例中：
[0145] (1)若盾构机刀盘10直径为6.4m，则按图3所示的情况，在距刀盘10边边缘0.4m处设一个垂直刀盘半径方向的探查排列，含激震器2和检波器1，激震器2在中间，两侧距激震点25cm各设一检波器1。这样，刀盘10旋转一周360°，其圆周为18.84m；
[0146] (2)按0.3周/分设定刀盘10转速，则线速度为10.47cm/s，
角速度为2°/s。按图3方式作测线布置：前一次激震时，左检波器1在激震器2的左边，右检波器1在激震器2右边；下一次激震时，激震器2转动50cm，即转9.6°，这时左检波器1位于前一次激震时右检波器1所在位置……这样每次激震点的激震间隔时间是4.78秒。每个测点应当激震2次，间隔时间为0.5s，这时刀盘10移动了5.25cm。采集
软件将此2次激震接收的信息作
叠加；
[0147] (3)按上述(1)、(2)排列所测的是朝向隧道正前方开挖方向的掌子面前方的波，刀盘10转一周，形成一条圆形的测线，经处理后可形成一个圆桶型的时间剖面，可作为定性解释的三维资料。同时也可以从中拆成2条水平测线和2条铅垂测线，经资料处理后可成为4幅平面时间剖面，可选一条水平剖面和一条铅垂剖面作定量解释；
[0148] (4)按图2的布置方法，另有一组沿刀盘10半径方向布置的排列。在中间设激震器2，沿半径方向激震器2两侧各设一检波器1，其中一检波器1朝向刀盘10边缘方向10°，另一检波器1朝向刀盘边缘方向5°，激震器2朝向刀盘10边缘方向7°。这时它们所测的是朝向隧道外缘之外的地质情况，如斜10°检波器1所测在50m外将可以测到隧道轮廓外的8.8m，在
70m外可测到隧道轮廓外约12m；斜5°检波器1所测在50m外将可以测到隧道轮廓外的4.4m，在70m外可测到隧道轮廓外约6.7m；
[0149] 将每个测量点的2次测量数据将每个测量点的2次测量数据垂直叠加。这样可构成2条圆形测线，经过
数据处理后可构成2幅圆锥形的时间剖面，主要探测隧道外将每个测量点的2次测量数据垂直叠加。这样可构成2条圆形测线，经过数据处理后可构成2幅圆锥形的时间剖面，主要探测隧道外缘轮廓之外的地质情况。
[0150] (5)为了测量波速，按图5所示，将激震器2和四个检波器1安装在支架9上，使用时，用机械手或人力铅垂向贴在边墙上，将检波器1端部涂以黄油或凡士林做耦合剂，和激震器2前端的震块8的震面贴紧在边墙，用机械手或人力将各检波器1和激振器的导线6与主机连接，然后激震器2和震块8沿掌子面方向激震，检波器1接收。然后与设在刀盘10上的测量结果联合，计算出波速(发明专利，专利号：201010290400.2)。
[0151] 本发明解决了目前在用钻爆法开挖时已有多种方法可以进行预报工作，但在用盾构机施工时，掘进的刀盘前方不可能由人进入操作，业界希望设备安装在盾构机上自动操作的问题。本发明解决了在刀盘前方充填着砂石、泥土、水、泡沫等物体，探查的元件若安装在刀盘上，将很快被磨损的问题。
[0152] 以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
