CN118818593B - 一种隧洞tbm掘进地震超前预报接收装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地质勘察技术领域，并公开了一种隧洞TBM掘进地震超前预报接收装置，包括震源激发装置和震源信号接收装置，在TBM掘进机内靠近掌子面的位置对称安装有两组震源激发装置，在隧洞内壁的不同位置处安装多个震源信号接收装置，震源信号接收装置包括锥形套管、安装锚杆和无线地震检波器，锥形套管中空设置，锥形套管内对称设置有两个弧形加固板，弧形加固板靠近锥形套管内壁的端面固定有若干中空加强锥，锥形套管的侧壁对应中空加强锥的位置均开设有锥形孔，两个弧形加固板之间形成供安装锚杆穿过的锥形空间，安装锚杆穿过锥形空间挤压弧形加固板移动，安装锚杆连接无线地震检波器。实现了在护盾式TBM掘进隧洞中开展地震反射超前预报突破。

Description

一种隧洞TBM掘进地震超前预报接收装置

技术领域

本发明涉及地质勘察技术领域，具体为一种隧洞TBM掘进地震超前预报接收装置。

背景技术

随着我国大型基础设施的建设，在施工中经常遇到一些埋深大，里程长的隧洞，存在的地质问题也越来与复杂，穿越的地质单元也越来越多。在地下隧洞施工过程中，由于地质条件的变化，常发生突发性的意外情况(如：塌方、涌水、突泥、岩爆、高瓦斯等地质灾害)。因此，隧道施工开挖过程中的地质超前预报就显得尤为重要，通过隧洞地质超前预报，及时预报隧洞掌子面前方的不良地质体及其性质、位置、规模、产状与成灾可能性，预防灾害性事故的发生，为正确选择开挖断面、支护设计参数和优化施工方案提供依据。

目前，隧洞开挖一般分为钻爆法和TBM法，TBM法又分为敞开式TBM掘进和护盾式TBM掘进。隧洞开挖最为常见的是采用钻爆法掘进，掌子面、洞壁均裸露，洞室内相对开阔无遮挡，在开展地震反射超前预报时，激发震源可以采用常规的爆炸激发、锤击激发，接收检波器可以直接与岩石洞壁粘贴耦合；因此，在钻爆法掘进和敞开式TBM掘进隧道中开展地震反射超前预报现场作业较为容易。而护盾式TBM掘进，隧洞掌子面和洞壁全部被封闭，掌子面周边洞壁被护盾封闭，已开挖的洞身洞壁被预制管片封闭。采用常规的爆炸激发、锤击激发无法直接实施，接收检波器也无法直接与岩石洞壁粘贴耦合；因此，有必要设计一种专门针对护盾式TBM掘进的超前预报激发接收装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种隧洞TBM掘进地震超前预报接收装置，实现了在护盾式TBM掘进隧洞中开展地震反射超前预报突破。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种隧洞TBM掘进地震超前预报接收装置，包括震源激发装置和震源信号接收装置，在TBM掘进机内靠近掌子面的位置对称安装有两组所述震源激发装置，在隧洞内壁的不同位置处安装多个所述震源信号接收装置，所述震源信号接收装置包括锥形套管、安装锚杆和无线地震检波器，所述锥形套管中空设置，所述锥形套管内对称设置有两个弧形加固板，所述弧形加固板靠近所述锥形套管内壁的端面固定有若干中空加强锥，所述锥形套管的侧壁对应所述中空加强锥的位置均开设有锥形孔，两个所述弧形加固板之间形成供所述安装锚杆穿过的锥形空间，所述安装锚杆穿过锥形空间挤压所述弧形加固板移动，用于使所述中空加强锥过盈穿出所述锥形孔，所述锥形套管大直径的一端连接有浇注管，所述浇注管用于连接混凝土浇注设备，所述混凝土浇注设备用于向所述锥形套管内注入速凝水泥，所述安装锚杆穿出所述浇注管连接所述无线地震检波器；

所述震源激发装置包括箱体、锤棒和升降支腿，所述升降支腿竖直安装在TBM地板上，所述箱体安装在所述升降支腿上，所述锤棒滑动设置在所述箱体上，所述锤棒沿水平方向移动，在TBM掘进机左右两边的护盾上均开设有多个天窗孔，所述锤棒从所述天窗孔伸出撞击在隧洞内壁上产生地震信号，所述无线地震检波器用于接收所述震源激发装置产生的地震信号。

进一步地，所述安装锚杆内设有驱动腔，所述安装锚杆的侧壁开设有多个安装槽，多个所述安装槽绕所述安装锚杆的圆周方向均布，所述安装槽连通所述驱动腔，所述安装槽内滑动设置有支撑块，所述驱动腔内设置有挤压杆，所述挤压杆具有沿所述安装锚杆轴向移动的自由度，所述支撑块靠近所述挤压杆的一端设置有楔形面，所述楔形面位于所述挤压杆的移动路径上，所述支撑块局部从所述安装槽伸出抵在所述弧形加固板的末端。

进一步地，所述安装锚杆远离所述支撑块的一端开设有圆槽，所述圆槽内开设有螺纹孔，所述圆槽内设置有螺杆，所述螺杆螺纹适配于所述螺纹孔，所述螺杆的尾部穿入所述驱动腔内连接所述挤压杆，所述螺杆的头部位于所述圆槽内。

进一步地，所述浇注管的两端均设有内螺纹，所述浇注管螺纹套装在所述锥形套管上，所述浇注管内固定有封板，所述封板上转动设置有切换盘，所述封板的中部与切换盘的中部均贯穿开设有通孔，所述安装锚杆从所述通孔穿出，所述封板上围绕所述通孔贯穿开设有多个第一进浆孔，所述切换盘上围绕所述通孔贯穿开设有多个第二进浆孔，所述切换盘通过旋转使多个所述第一进浆孔与多个所述第二进浆孔一一对应。

进一步地，所述浇注管的内壁开设有环形槽，所述环形槽与所述浇注管同轴设置，所述切换盘转动适配于所述环形槽。

进一步地，所述安装锚杆连接有延长杆，所述延长杆的一端螺纹适配在所述圆槽内，所述延长杆远离所述安装锚杆的一端固定有安装片，所述安装片通过螺钉安装在所述无线地震检波器的壳体上。

进一步地，所述震源激发装置还包括勾齿杠杆、大弹簧和小弹簧，所述箱体内围绕所述锤棒设置有多个所述大弹簧，所述大弹簧的一端连接所述锤棒，另一端连接所述箱体的内壁，所述勾齿杠杆设置在所述锤棒的下方，并偏心铰接在所述箱体上，所述勾齿杠杆的短臂端形成有勾齿，所述锤棒的底部开设凹槽，所述小弹簧设置在所述勾齿杠杆的下方，所述小弹簧的一端连接所述勾齿杠杆的长臂，另一端连接所述箱体的内底壁，所述小弹簧始终处于拉伸状态。

进一步地，所述箱体内水平安装有锁止液压缸，所述锁止液压缸的伸缩轴连接有锁块，所述锁止液压缸垂直于所述勾齿杠杆，所述勾齿杠杆的长臂段靠近所述锁块的一侧开设有锁槽，当所述勾齿适配在所述凹槽内时，所述锁槽位于所述锁块的移动路径上，所述凹槽的顶壁为平面，所述凹槽远离所述勾齿杠杆的侧壁为抵接平面，所述凹槽靠近所述勾齿杠杆的侧壁为楔形面，所述勾齿的顶部为倾斜接触面，所述勾齿靠近所述凹槽的一端为倾斜抵接面，当所述勾齿向上偏转至所述凹槽内时，所述倾斜接触面偏转至水平状态与所述平面配合接触，所述倾斜抵接面偏转至与所述抵接平面平行，当所述倾斜抵接面接触所述抵接平面时，所述锁止液压缸带动所述锁块适配至所述锁槽内。

进一步地，所述锤棒的顶部沿自身长度方向固定有齿条，所述箱体内转动设置有大齿轮，所述大齿轮啮合所述齿条，所述箱体内安装有电机，所述电机的输出轴连接有小齿轮，所述小齿轮啮合所述大齿轮，所述箱体的内壁安装有距离传感器，所述距离传感器的检测光路平行于所述齿条，所述齿条的一端位于所述距离传感器的检测光路上，所述锤棒上设置有震动触发开关，所述震动触发开关连接所述无线地震检波器。

进一步地，所述大齿轮通过驱动轴转动连接所述箱体，所述大齿轮通过花键滑动套装在所述驱动轴上，所述大齿轮通过移动与所述齿条啮合或分离，所述驱动轴上间隙套装有驱动盘，所述驱动盘的外径大于所述大齿轮的外径，所述驱动盘靠近所述大齿轮的端面开设有轴承圆槽，所述轴承圆槽与所述驱动盘同轴设置，所述轴承圆槽内设置有轴承，所述轴承的外壁连接所述驱动盘，所述大齿轮靠近所述驱动盘的端面同轴固定有中空轴，所述中空轴连接在所述轴承的内圈上，所述箱体内安装有切换气缸，所述切换气缸平行于所述驱动轴，所述切换气缸的伸缩轴连接有拨齿杆，所述拨齿杆位于所述驱动盘的上方，所述拨齿杆的底壁间隔固定有两个限位齿，所述驱动盘限制在两个所述限位齿之间。

本发明的有益效果是：

1、锤棒从天窗孔伸出撞击在隧洞壁上产生震源信号，通过无线地震检波器接收地震信号，无线地震检波器通过采集多层反射信号，对隧道内各层介质体进行三维反演计算，得出隧洞掌子面前方约100m范围内的三维成果图，并分析资料进行地质超前预报，解决了现有隧洞TBM掘进机无法进行地震超前预报的问题，实现了在护盾式TBM掘进隧洞中开展地震反射超前预报突破。

2、通过锥形套管插入围岩与预制管片之间的砂砾石内，使锥形套管的末端接触围岩，隔绝砂砾石的影响，安装锚杆插入锥形套管内，通过安装锚杆挤压弧形加固板，使弧形加固板移动，弧形加固板使中空加强锥从锥形孔穿入嵌入砂砾石内，最后向锥形套管内浇注速凝水泥，从而提高震源信号接收装置的安装强度，保证在震源信号下保持稳定，不会出现脱落的情况。

附图说明

图1为本发明一种隧洞TBM掘进地震超前预报接收装置中震源信号接收装置的布置示意图；

图2为图1中A处放大图；

图3为图2中B处放大图；

图4为图2中C处放大图；

图5为本发明一种隧洞TBM掘进地震超前预报接收装置中震源激发装置的布置示意图；

图6为本发明一种隧洞TBM掘进地震超前预报接收装置中箱体内的局部示意图一；

图7为本发明一种隧洞TBM掘进地震超前预报接收装置中箱体内的局部示意图二；

图8为本发明一种隧洞TBM掘进地震超前预报接收装置中大齿轮与驱动盘的装配示意图；

图9为本发明一种隧洞TBM掘进地震超前预报接收装置中震源点与接收点的布置示意图；

图10为本发明隧道三维三维成像俯视图；

图11为本发明隧道三维三维成像立体图；

图中，1-锥形套管，2-安装锚杆，3-无线地震检波器，4-弧形加固板，5-中空加强锥，6-锥形孔，7-浇注管，8-箱体，9-锤棒，10-升降支腿，11-天窗孔，12-驱动腔，13-安装槽，14-支撑块，15-挤压杆，16-楔形面，17-圆槽，18-螺纹孔，19-螺杆，20-封板，21-切换盘，22-通孔，23-第一进浆孔，24-第二进浆孔，25-环形槽，26-延长杆，27-安装片，28-勾齿杠杆，29-大弹簧，30-小弹簧，31-勾齿，32-凹槽，33-锁止液压缸，34-锁块，35-锁槽，36-抵接平面，37-楔形面，38-倾斜接触面，39-倾斜抵接面，40-齿条，41-大齿轮，42-电机，43-小齿轮，44-距离传感器，45-震动触发开关，46-驱动轴，47-驱动盘，48-轴承圆槽，49-轴承，50-中空轴，51-切换气缸，52-拨齿杆，53-限位齿。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1至图8所示，一种隧洞TBM掘进地震超前预报接收装置，包括震源激发装置和震源信号接收装置，在TBM掘进机内靠近掌子面的位置对称安装有两组震源激发装置，在隧洞内壁的不同位置处安装多个震源信号接收装置，震源信号接收装置包括锥形套管1、安装锚杆2和无线地震检波器3，锥形套管1中空设置，锥形套管1内对称设置有两个弧形加固板4，弧形加固板4靠近锥形套管1内壁的端面固定有若干中空加强锥5，锥形套管1的侧壁对应中空加强锥5的位置均开设有锥形孔6，两个弧形加固板4之间形成供安装锚杆2穿过的锥形空间，安装锚杆2穿过锥形空间挤压弧形加固板4移动，用于使中空加强锥5过盈穿出锥形孔6，锥形套管1大直径的一端连接有浇注管7，浇注管7用于连接混凝土浇注设备，混凝土浇注设备用于向锥形套管1内注入速凝水泥，安装锚杆2穿出浇注管7连接无线地震检波器3，TBM掘进后会在隧洞壁上安装围岩，围岩内侧安装预制管片，预制管片与围岩之间填充砂砾石，安装震源信号接收装置时，使用钻机在预制管片上开钻安装孔，然后将锥形套管1从安装孔插入，圆锥形状的锥形套管1能轻易插入砂砾石内，并通过锥形套管1封堵安装孔，避免砂砾石在震源信号的作用下从安装孔掉落，锥形套管1的末端接触围岩，安装将安装锚杆2插入锥形套管1内，由于两个弧形加固板4之间形成为锥形空间，使得安装锚杆2在插入锥形套管1的过程中将挤压弧形加固板4，使弧形加固板4靠近锥形套管1的内壁移动，弧形加固板4带动中空加强锥5从锥形孔6内伸出，中空加强锥5嵌入砂砾石内，稳定锥形套管1的位置，然后将浇注管7安装在锥形套管1上，通过混凝土浇注设备向浇注管7内灌入速凝水泥，速凝水泥流入锥形套管1内，部分速凝水泥从锥形套管1的末端流出，使速凝水泥连接围岩与锥形套管1，速凝水泥还从中空加强锥5流入砂砾石内，使锥形套管1的四周包裹速凝水泥，速凝水泥将锥形套管1连接砂砾石，从而大大提高了锥形套管1的连接强度，同时安装锚杆2通过速凝水泥固定在锥形套管1内，加强安装锚杆2与锥形套管1的连接强度，最后将无限地震检波器3安装在安装锚杆2的末端即可，使锥形套管1与安装锚杆2均具有较强的抗震强度，保证在震源激发装置产生的震动下不会出现脱落的问题，使无限地震检波器3能正常接收地震信号；震源激发装置包括箱体8、锤棒9和升降支腿10，升降支腿10竖直安装在TBM地板上，箱体8安装在升降支腿10上，锤棒9滑动设置在箱体8上，锤棒9沿水平方向移动，在TBM掘进机左右两边的护盾上均开设有多个天窗孔11，锤棒9从天窗孔11伸出撞击在隧洞内壁上产生地震信号，无线地震检波器3用于接收震源激发装置产生的地震信号，无线地震检波器3通过采集多层反射信号，对隧道内各层介质体进行三维反演计算，得出隧洞掌子面前方约100m范围内的三维成果图，并分析资料进行地质超前预报，解决了现有隧洞TBM掘进机无法进行地震超前预报的问题，实现了在护盾式TBM掘进隧洞中开展地震反射超前预报突破。

进一步地，如图1至图4所示，安装锚杆2内设有驱动腔12，安装锚杆2的侧壁开设有多个安装槽13，多个安装槽13绕安装锚杆2的圆周方向均布，安装槽13连通驱动腔12，安装槽13内滑动设置有支撑块14，驱动腔12内设置有挤压杆15，挤压杆15具有沿安装锚杆2轴向移动的自由度，支撑块14靠近挤压杆15的一端设置有楔形面16，楔形面16位于挤压杆15的移动路径上，支撑块14局部从安装槽13伸出抵在弧形加固板4的末端，安装锚杆2远离支撑块14的一端开设有圆槽17，圆槽17内开设有螺纹孔18，圆槽17内设置有螺杆19，螺杆19螺纹适配于螺纹孔18，螺杆19的尾部穿入驱动腔12内连接挤压杆15，螺杆19的头部位于圆槽17内，将安装锚杆2插入锥形套管1内，直到安装锚杆2的末端经过弧形加固板4接触锥形套管1，然后拧紧螺杆19，螺杆19带动挤压杆15靠近支撑块14移动，挤压杆15挤压支撑块14的楔形面16，在楔形面16的导向作用下，使支撑块14从安装槽13伸出，使支撑块14远离安装锚杆2的一端与安装锚杆2圆心之间的距离大于锥形空间的最小直径，使支撑块14接触在弧形加固板4的末端，使安装锚杆2不会从锥形套管1内掉落下来，方便安装浇注管7进行速凝水泥的灌入。

进一步地，如图2至图4所示，浇注管7的两端均设有内螺纹，浇注管7螺纹套装在锥形套管1上，浇注管7内固定有封板20，封板20上转动设置有切换盘21，封板20的中部与切换盘21的中部均贯穿开设有通孔22，安装锚杆2从通孔22穿出，封板20上围绕通孔22贯穿开设有多个第一进浆孔23，切换盘21上围绕通孔22贯穿开设有多个第二进浆孔24，切换盘21通过旋转使多个第一进浆孔23与多个第二进浆孔24一一对应，浇注管7的内壁开设有环形槽25，环形槽25与浇注管7同轴设置，切换盘21转动适配于环形槽25，浇注管7对接锥形套管1与混凝土浇注设备的管道，浇注管7采用螺纹的方式快速连接在锥形套管1上，浇注管7远离锥形套管1的一端通过螺纹或法兰盘的方式连接管道，混泥土浇注设备可以通过泥浆泵将速凝水泥通入锥形套管1内，此时，第一进浆孔23与第二进浆孔24同轴对应，使速凝水泥通过第一进浆孔23与第二进浆孔24流入锥形套管1内，速凝水泥灌入完成后，拆下混凝土浇注设备，使用工具作用在切换盘21的第二进浆孔24内，以带动切换盘21转动，使第二进浆孔24与第一进浆孔23交错设置，从而通过切换盘21与封板20的交错布置，封堵第一进浆孔23与第二进浆孔24，使锥形套管1内的水泥不会溢出，使速凝水泥能正常凝固，以完成锥形套管1与安装锚杆2的连接。

进一步地，安装锚杆2连接有延长杆26，延长杆26的一端螺纹适配在圆槽17内，延长杆26远离安装锚杆2的一端固定有安装片27，安装片27通过螺钉安装在无线地震检波器3的壳体上，上述速凝水泥浇筑完成后，进行无限地震检波器3的安装，将延长杆26螺纹连接安装锚杆2，然后通过安装片27连接无线地震检波器3，锥形套管1连接后，锥形套管1的大直径端与预制管片的内壁齐平，保证锥形套管1不影响掘进机的退出，通过延长杆26使无线地震检波器3能在隧洞内进行安装，保证无线地震检波器3具有足够的安装空间，当预报作业完成后，拆下无线地震检波器3与延长杆26即可，不用拆卸锥形套管1与安装锚杆2，时锥形套管1继续封堵预制管片钻设的安装孔，减轻震源信号接收装置拆卸的工作量。

进一步地，如图5至图8所示，震源激发装置还包括勾齿杠杆28、大弹簧29和小弹簧30，箱体8内围绕锤棒9设置有多个大弹簧29，大弹簧29的一端连接锤棒9，另一端连接箱体8的内壁，勾齿杠杆28设置在锤棒9的下方，并偏心铰接在箱体8上，勾齿杠杆28的短臂端形成有勾齿31，锤棒9的底部开设凹槽32，小弹簧30设置在勾齿杠杆28的下方，小弹簧30的一端连接勾齿杠杆28的长臂，另一端连接箱体8的内底壁，小弹簧30始终处于拉伸状态，升降支腿10调节锤棒9的高度，使锤棒9能从不同高度的天窗孔11伸出产生地震信号，由于小弹簧30连接在勾齿杠杆28长臂的下方，且小弹簧30始终处于拉伸状态，使小弹簧30向下拉动勾齿杠杆28偏转，使勾齿杠杆28上的勾齿31向上偏转，勾齿31始终接触锤棒9的底面，锤棒9靠近护盾的圆心移动，使锤棒9上的凹槽32靠近勾齿杠杆28移动，直到勾齿31适配在凹槽32内时，勾齿杠杆28停止移动，此时大弹簧29处于拉伸状态，然后勾齿杠杆28偏转，使勾齿31向下偏转脱离凹槽32，从而解锁锤棒9的运动状态，锤棒9在大弹簧29的反作用下远离护盾的圆心移动，使锤棒9从天窗孔11伸出撞击在隧洞的岩壁上产生地震信号。

进一步地，如图6和图7所示，箱体2内水平安装有锁止液压缸33，锁止液压缸33的伸缩轴连接有锁块34，锁止液压缸33垂直于勾齿杠杆28，勾齿杠杆28的长臂段靠近锁块34的一侧开设有锁槽35，当勾齿31适配在凹槽32内时，锁槽35位于锁块34的移动路径上，为保证锤棒9释放后能顺利从天窗孔11伸出，因此，锤棒9安装在护盾内的初始状态为蓄力状态，即勾齿31适配在凹槽32内限制锤棒9移动，使震源激发装置不予护盾产生干涉，同时在释放的时候具有足够的长度从天窗孔11伸出锤击在隧洞岩壁上，为保证锤棒9的锁定稳定性，避免锤棒9克服勾齿杠杆28的作用力意外发射的情况，在勾齿31配合在凹槽32内后，锁止液压缸33伸长带动锁块34插入勾齿杠杆28的锁槽35内，通过液压的方式锁死勾齿杠杆28，进而锁死锤棒9的状态；凹槽32的顶壁为平面，凹槽32远离勾齿杠杆28的侧壁为抵接平面36，凹槽32靠近勾齿杠杆28的侧壁为楔形面37，勾齿31的顶部为倾斜接触面38，勾齿31靠近凹槽32的一端为倾斜抵接面39，当勾齿31向上偏转至凹槽32内时，倾斜接触面38偏转至水平状态与平面配合接触，倾斜抵接面39偏转至与抵接平面36平行，当倾斜抵接面39接触抵接平面36时，锁止液压缸33带动锁块34适配至锁槽35内，锤棒9的顶部沿自身长度方向固定有齿条40，箱体8内转动设置有大齿轮41，大齿轮41啮合齿条40，箱体8内安装有电机42，电机42的输出轴连接有小齿轮43，小齿轮43啮合大齿轮41，箱体8的内壁安装有距离传感器44，距离传感器44的检测光路平行于齿条40，齿条40的一端位于距离传感器44的检测光路上，锤棒9上设置有震动触发开关45，震动触发开关45连接无线地震检波器3，由于震源激发装置安装在护盾内，无法进行人员操作，需要震源激发装置自动启动多次锤击产生震源信号，因此，通过电机42带动小齿轮42转动，小齿轮42带动大齿轮41转动，大齿轮41带动齿条40移动，使齿条40带动锤棒9靠近勾齿杠杆28移动，需要注意的是，勾齿杠杆28处于常态时(勾齿31接触锤棒9的底面)，倾斜接触面38与倾斜抵接面39均为倾斜状态，且倾斜接触面38垂直于倾斜抵接面39，倾斜角度等于勾齿杠杆28偏转适配至凹槽32内的偏转角度，当锤棒9移动至凹槽32对应勾齿31时，在小弹簧30的作用力下，使勾齿杠杆28向上偏转适配至凹槽32内，此时，勾齿31的倾斜接触面38偏转至水平状态配合凹槽32的顶壁，然后锤棒9继续移动，直到勾齿31的倾斜抵接面39接触抵接平面36时，由于倾斜抵接面39与抵接平面36呈竖直状态接触，从而限制锤棒9继续沿靠近护盾圆心方向的自由度，此时锤棒9停止移动，在电机42的过载范围内设定距离传感器44的反馈时间，当距离传感器44检测到齿条40的距离在设定时间内不再发生变化时，距离传感器44反馈信号使锁止液压缸33带动锁块34适配至锁槽35内，从而锁定勾齿杠杆28的状态，同时电机42停机，从而起到保护电机42的效果，同时能自动使锤棒9切换至震源激发状态，然后，锁止液压缸33带动锁块34从锁槽35内脱离，此时，锤棒9在大弹簧29的反作用下远离护盾的圆心方向移动，使勾齿31接触楔形面37，由于多个大弹簧29产生的反作用力远大于小弹簧30产生的作用力，加上楔形面37的导向作用，使锤棒9能下压勾齿杠杆28的短臂，使勾齿杠杆28从凹槽32内脱离，进而使锤棒9从天窗孔11伸出作用在隧洞壁上产生震源信号，并使震动触发开关45启动，震动触发开关45使无线地震检波器3启动，用于接收震源信号，重复上述过程产生多个地震信号，或在不同震源点产生地震信号。

进一步地，如图6至图8所示，大齿轮41通过驱动轴46转动连接箱体8，大齿轮41通过花键滑动套装在驱动轴46上，大齿轮41通过移动与齿条40啮合或分离，驱动轴46上间隙套装有驱动盘47，驱动盘47的外径大于大齿轮41的外径，驱动盘47靠近大齿轮41的端面开设有轴承圆槽48，轴承圆槽48与驱动盘47同轴设置，轴承圆槽47内设置有轴承49，轴承49的外壁连接驱动盘47，大齿轮41靠近驱动盘47的端面同轴固定有中空轴50，中空轴50连接在轴承49的内圈上，箱体8内安装有切换气缸41，切换气缸51平行于驱动轴46，切换气缸51的伸缩轴连接有拨齿杆52，拨齿杆52位于驱动盘47的上方，拨齿杆52的底壁间隔固定有两个限位齿53，驱动盘47限制在两个限位齿53之间，为保护电机42，保证锤棒9产生地震信号不与电机42的输出轴产生干涉，同时也使电机42的自锁能力不影响锤棒9的移动，保证锤棒9顺利产生地震信号，为此，在锤棒9处于蓄力状态、锁块34未从锁槽35内脱离前，率先切断电机42与锤棒9的传动，保证锤棒9在释放时，锤棒9与电机42之间不会相互产生影响，具体为，切换气缸51带动驱动盘47远离锤棒9移动，由于大齿轮41通过中空轴50连接轴承49，使驱动盘47将带动大齿轮41远离齿条40移动，使大齿轮41与齿条40分离，而电机42通过小齿轮43啮合大齿轮41，从而间接切断了电机42与锤棒9之间传动，保证锤棒9在释放产生地震信号时不会与电机42之间产生相互影响，同时，轴承49的设置，使大齿轮41与驱动盘47之间能够相对转动，也不影响大齿轮41与小齿轮43的传动，当锤棒9产生地震信号后，切换气缸51推动驱动盘47靠近锤棒9移动，使驱动盘47带动大齿轮41靠近齿条40移动，使大齿轮41复位重新与齿条40移动，从而使电机42传动连接锤棒9，电机42启动，使锤棒9靠近护盾的圆心移动，使锤棒9回到护盾内重新处于蓄力状态，等待下一次启动。

综上所述，如图9所示，利用一种隧洞TBM掘进地震超前预报接收装置进行超前预报的方法，包括以下步骤：

S1、在TBM掘进机内靠近掌子面位置左右各安装震源激发装置，并在TBM掘进机左右两边的护盾均开设有多个天窗孔11，天窗孔11用于供锤棒9伸出撞击洞壁而激发地震波；

S2、锤棒9的撞击位置为震源点，在激发点后方20m处开始布设震源信号接收装置，布设至少四组接收断面，相邻两组接收断面的间距为5m，接收断面上设置有两个或三个震源信号接收装置，震源信号接收装置的信号接收位置即为接收点；

S3、测量出所有震源点与所有接收点的相对坐标位置；借助激光测距仪、皮尺等工具测量出震源点和接收点的相对坐标位置；

S4、震源激发装置动作，在震源点处激发地震信号，接收点的震源信号接收装置接收地震反射波信号；

S5、震源激发装置断电，回收各接收点处的震源信号接收装置及其他辅助装置；

S6、通过数据处理，计算反射系数，得出隧洞掌子面前方约100m范围内的三维成果图，并分析资料进行地质超前预报。

在步骤S2中布设有四组接收断面，相邻的两组接收断面上分别设置有两个震源信号接收装置与三个震源信号接收装置，两个震源信号接收装置分别布置在预制管片的左右边墙上，三个震源信号接收装置分别布置在顶拱与左右边墙上；在步骤S2中左右两边各开设两个天窗孔11，形成4个震源点。

步骤S3具体测量方式如下：

远离掌子面最后一组接收断面设有三个震源信号接收装置，相对坐标系统的原点设置在由该接收断面的三个接收点组成的圆弧的圆心位置，从原点位置向掌子面方向为X轴正方向，从原点位置向掌子面的右侧为Y轴正方向，从原点位置向上为Z轴正方向，TBM掘进机预制管片安装后为圆形隧道模型，洞泾为定值，记为Y₀；

利用测量工具(激光测距仪、皮尺等)测量各个震源点以及接收点的相对坐标X，或者根据震源点和接收点所在预制管片的环数，计算出以上点位相对于坐标原点的环数差，由于预制管片的尺寸已知，根据预制管片的长度即可计算出震源点与接收点的相对坐标X；

Y坐标：对于接收点，由于震源信号接收装置安装在预制管片的围岩上，因此，先测量预制管片的内表面到围岩表面的距离，记为Y₁，在测量震源信号接收装置中无线地震检波器3接收点所在预制管片内表面相对于坐标原点的水平距离，记为Y₂，Y＝Y₁+Y₂，震源点采用同样的方式测量，即锤棒9的锤击位置相对于坐标原点的水平距离；

Z坐标，根据三角几何关系计算得到依次计算出各震源点与接收点的Z坐标。

通过数据处理，计算反射系数，得出隧洞掌子面100m范围内的三维成果图，并分析资料进行地质超前预报，其步骤S7具体如下，地震波在穿越相邻两层地质分界面时，由于地质体之间波阻抗的差异而产生反射与透射现象，其中反射回来的地震波被无线地震检波器3接收，透射出去的地震波进入前方地质体继续传播，直到再次遇到地质交界面发生反射与透射现象，如此地震波便可在隧道各层地质交界面形成多层反射信号，无线地震检波器3通过采集多层反射信号，对隧道内各层介质体进行三维反演计算，得出隧道三维地质图像，反射系数与透射系数计算公式为：

式中：R为反射系数，T为透射系数，ρ₁、ρ₂分别为地质交界面前后的岩体介质的密度，V₁、V₂分别为地震波在地质交界面前后的岩体介质内的传播速度。

从式中可以看出，地震波的反射与透射的强弱，与交界面前后地质体的岩土性质直接相关，即：当地震波由软质岩层进入硬质岩层时，反射系数为正，反之，反射系数为负；当交界面处岩体之间波阻抗相差很大时，则反射较强，透射较弱。反之，则反射较弱，透射较强。这些规律的研究有助于综合判断隧道探测区内的岩性特征。

如图10和图11所示，依照上述超前预报装置与预报方法的实施案例：

Q隧道全长约5540m，隧洞最大埋深约为650m。隧洞内径8.1m，开挖洞径9.13m，该隧洞前150m(桩号K0～K0+200)采用人工钻爆法进行掘进，后续洞段采用护盾式TBM施工掘进。由于TBM护盾和预制管片所构成的封闭结构使得岩体被隔离，不仅激发和接收剖面较难布置实施，且震源激发点和接收点的位置容易被各种设备所阻挡，难以用测量设备测量出各个点位的大地坐标。

Q隧道在TBM掘进段采用本发明提出的装置与方法进行了超前预报，在该隧道中克服了解决了在护盾式TBM掘进隧洞中由于洞身全封闭而无法进行激发、接收和坐标测量的系统难题，实现了在护盾式TBM掘进隧洞中开展地震反射超前预报突破。

表1为Q隧洞超前预报与实际开挖情况对照表，可见超前预报该段地质条件与实际开挖揭示地质条件基本一致，100m内预报误差在5m以内，对裂隙构造反应敏感，预测精度较高。因此，本发明提出的装置与方法在护盾式TBM掘进隧洞中开展地震反射超前预报是可行的，且效果良好。

表1Q隧洞超前预报与实际开挖情况对照表

Claims (10)

1.一种隧洞TBM掘进地震超前预报接收装置，其特征在于，包括震源激发装置和震源信号接收装置，在TBM掘进机内靠近掌子面的位置对称安装有两组所述震源激发装置，在隧洞内壁的不同位置处安装多个所述震源信号接收装置，所述震源信号接收装置包括锥形套管（1）、安装锚杆（2）和无线地震检波器（3），所述锥形套管（1）中空设置，所述锥形套管（1）内对称设置有两个弧形加固板（4），所述弧形加固板（4）靠近所述锥形套管（1）内壁的端面固定有若干中空加强锥（5），所述锥形套管（1）的侧壁对应所述中空加强锥（5）的位置均开设有锥形孔（6），两个所述弧形加固板（4）之间形成供所述安装锚杆（2）穿过的锥形空间，所述安装锚杆（2）穿过锥形空间挤压所述弧形加固板（4）移动，用于使所述中空加强锥（5）过盈穿出所述锥形孔（6），所述锥形套管（1）大直径的一端连接有浇注管（7），所述浇注管（7）用于连接混凝土浇注设备，所述混凝土浇注设备用于向所述锥形套管（1）内注入速凝水泥，所述安装锚杆（2）穿出所述浇注管（7）连接所述无线地震检波器（3）；

所述震源激发装置包括箱体（8）、锤棒（9）和升降支腿（10），所述升降支腿（10）竖直安装在TBM地板上，所述箱体（8）安装在所述升降支腿（10）上，所述锤棒（9）滑动设置在所述箱体（8）上，所述锤棒（9）沿水平方向移动，在TBM掘进机左右两边的护盾上均开设有多个天窗孔（11），所述锤棒（9）从所述天窗孔（11）伸出撞击在隧洞内壁上产生地震信号，所述无线地震检波器（3）用于接收所述震源激发装置产生的地震信号。

2.根据权利要求1所述的一种隧洞TBM掘进地震超前预报接收装置，其特征在于，所述安装锚杆（2）内设有驱动腔（12），所述安装锚杆（2）的侧壁开设有多个安装槽（13），多个所述安装槽（13）绕所述安装锚杆（2）的圆周方向均布，所述安装槽（13）连通所述驱动腔（12），所述安装槽（13）内滑动设置有支撑块（14），所述驱动腔（12）内设置有挤压杆（15），所述挤压杆（15）具有沿所述安装锚杆（2）轴向移动的自由度，所述支撑块（14）靠近所述挤压杆（15）的一端设置有楔形面（16），所述楔形面（16）位于所述挤压杆（15）的移动路径上，所述支撑块（14）局部从所述安装槽（13）伸出抵在所述弧形加固板（4）的末端。

3.根据权利要求2所述的一种隧洞TBM掘进地震超前预报接收装置，其特征在于，所述安装锚杆（2）远离所述支撑块（14）的一端开设有圆槽（17），所述圆槽（17）内开设有螺纹孔（18），所述圆槽（17）内设置有螺杆（19），所述螺杆（19）螺纹适配于所述螺纹孔（18），所述螺杆（19）的尾部穿入所述驱动腔（12）内连接所述挤压杆（15），所述螺杆（19）的头部位于所述圆槽（17）内。

4.根据权利要求3所述的一种隧洞TBM掘进地震超前预报接收装置，其特征在于，所述浇注管（7）的两端均设有内螺纹，所述浇注管（7）螺纹套装在所述锥形套管（1）上，所述浇注管（7）内固定有封板（20），所述封板（20）上转动设置有切换盘（21），所述封板（20）的中部与切换盘（21）的中部均贯穿开设有通孔（22），所述安装锚杆（2）从所述通孔（22）穿出，所述封板（20）上围绕所述通孔（22）贯穿开设有多个第一进浆孔（23），所述切换盘（21）上围绕所述通孔（22）贯穿开设有多个第二进浆孔（24），所述切换盘（21）通过旋转使多个所述第一进浆孔（23）与多个所述第二进浆孔（24）一一对应。

5.根据权利要求4所述的一种隧洞TBM掘进地震超前预报接收装置，其特征在于，所述浇注管（7）的内壁开设有环形槽（25），所述环形槽（25）与所述浇注管（7）同轴设置，所述切换盘（21）转动适配于所述环形槽（25）。

6.根据权利要求3所述的一种隧洞TBM掘进地震超前预报接收装置，其特征在于，所述安装锚杆（2）连接有延长杆（26），所述延长杆（26）的一端螺纹适配在所述圆槽（17）内，所述延长杆（26）远离所述安装锚杆（2）的一端固定有安装片（27），所述安装片（27）通过螺钉安装在所述无线地震检波器（3）的壳体上。

7.根据权利要求1所述的一种隧洞TBM掘进地震超前预报接收装置，其特征在于，所述震源激发装置还包括勾齿杠杆（28）、大弹簧（29）和小弹簧（30），所述箱体（8）内围绕所述锤棒（9）设置有多个所述大弹簧（29），所述大弹簧（29）的一端连接所述锤棒（9），另一端连接所述箱体（8）的内壁，所述勾齿杠杆（28）设置在所述锤棒（9）的下方，并偏心铰接在所述箱体（8）上，所述勾齿杠杆（28）的短臂端形成有勾齿（31），所述锤棒（9）的底部开设凹槽（32），所述小弹簧（30）设置在所述勾齿杠杆（28）的下方，所述小弹簧（30）的一端连接所述勾齿杠杆（28）的长臂，另一端连接所述箱体（8）的内底壁，所述小弹簧（30）始终处于拉伸状态。

8.根据权利要求7所述的一种隧洞TBM掘进地震超前预报接收装置，其特征在于，所述箱体（8）内水平安装有锁止液压缸（33），所述锁止液压缸（33）的伸缩轴连接有锁块（34），所述锁止液压缸（33）垂直于所述勾齿杠杆（28），所述勾齿杠杆（28）的长臂端靠近所述锁块（34）的一侧开设有锁槽（35），当所述勾齿（31）适配在所述凹槽（32）内时，所述锁槽（35）位于所述锁块（34）的移动路径上，所述凹槽（32）的顶壁为平面，所述凹槽（32）远离所述勾齿杠杆（28）的侧壁为抵接平面（36），所述凹槽（32）靠近所述勾齿杠杆（28）的侧壁为楔形面（37），所述勾齿（31）的顶部为倾斜接触面（38），所述勾齿（31）靠近所述凹槽（32）的一端为倾斜抵接面（39），当所述勾齿（31）向上偏转至所述凹槽（32）内时，所述倾斜接触面（38）偏转至水平状态与所述凹槽（32）的顶壁配合接触，所述倾斜抵接面（39）偏转至与所述抵接平面（36）平行，当所述倾斜抵接面（39）接触所述抵接平面（36）时，所述锁止液压缸（33）带动所述锁块（34）适配至所述锁槽（35）内。

9.根据权利要求8所述的一种隧洞TBM掘进地震超前预报接收装置，其特征在于，所述锤棒（9）的顶部沿自身长度方向固定有齿条（40），所述箱体（8）内转动设置有大齿轮（41），所述大齿轮（41）啮合所述齿条（40），所述箱体（8）内安装有电机（42），所述电机（42）的输出轴连接有小齿轮（43），所述小齿轮（43）啮合所述大齿轮（41），所述箱体（8）的内壁安装有距离传感器（44），所述距离传感器（44）的检测光路平行于所述齿条（40），所述齿条（40）的一端位于所述距离传感器（44）的检测光路上，所述锤棒（9）上设置有震动触发开关（45），所述震动触发开关（45）连接所述无线地震检波器（3）。

10.根据权利要求9所述的一种隧洞TBM掘进地震超前预报接收装置，其特征在于，所述大齿轮（41）通过驱动轴（46）转动连接所述箱体（8），所述大齿轮（41）通过花键滑动套装在所述驱动轴（46）上，所述大齿轮（41）通过移动与所述齿条（40）啮合或分离，所述驱动轴（46）上间隙套装有驱动盘（47），所述驱动盘（47）的外径大于所述大齿轮（41）的外径，所述驱动盘（47）靠近所述大齿轮（41）的端面开设有轴承圆槽（48），所述轴承圆槽（48）与所述驱动盘（47）同轴设置，所述轴承圆槽（48）内设置有轴承（49），所述轴承（49）的外壁连接所述驱动盘（47），所述大齿轮（41）靠近所述驱动盘（47）的端面同轴固定有中空轴（50），所述中空轴（50）连接在所述轴承（49）的内圈上，所述箱体（8）内安装有切换气缸（51），所述切换气缸（51）平行于所述驱动轴（46），所述切换气缸（51）的伸缩轴连接有拨齿杆（52），所述拨齿杆（52）位于所述驱动盘（47）的上方，所述拨齿杆（52）的底壁间隔固定有两个限位齿（53），所述驱动盘（47）限制在两个所述限位齿（53）之间。