相控阵声波超前探测仪器及超前地质预报方法技术

本发明专利技术属于隧道掘进机施工过程中的超前地质预报领域，提供了一种相控阵声波超前探测仪器及超前地质预报方法。其中，相控阵声波超前探测仪器包括声波阵元组、时间控制装置和压力传感器；所述声波阵元组包含多个声波元件，每个声波元件用于独立发射声波和接收反射波；所述时间控制装置用于控制各个声波元件的激发时间，以使得分时激发或并时激发多个元件，实现声波的偏转和聚焦；所述压力传感器用于测量所述相控阵声波超前探测仪器与掌子面间的压力值，以检测是否接触良好。以检测是否接触良好。以检测是否接触良好。

【技术实现步骤摘要】
相控阵声波超前探测仪器及超前地质预报方法


[0001]本专利技术属于隧道掘进机施工过程中的超前地质预报领域，尤其涉及一种相控阵声波超前探测仪器及超前地质预报方法。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]在隧道开挖过程中，“安全”是第一要务，“高效”是最终目标。然而，在隧道施工中，掌子面前方易遭遇溶洞、断层破碎带等不良地质，极易导致塌方、冒顶、突水突泥等地质灾害。而掘进机施工对不良地质的适应性较差，当遭遇上述地质灾害时，易出现掘进机异常损毁和卡机事故，严重制约着隧道工程的安全、进度和经济，甚至会造成无可挽回的人员和财产损失，因此能够提前探测出掌子面前方的不良地质对保证隧道工程安全高效推进是十分重要的。隧道超前探测是一种有效的方法，可以提前探明隧道前方不良地质体的存在，进而对掘进参数和支护形式做出调整，可以有效规避地质灾害，保障人员、设备安全和隧道工程高效掘进。
[0004]最早的隧道超前探测方法主要有超前导洞、超前钻孔等，这类方法仅能反映前方小范围的地质情况，无法获取整个前方空间的地质情况，不仅浪费了人力物力和时间，而且对掘进机施工干扰大，降低了施工效率，不满足掘进机快速、高效掘进的要求。在研究远距离探测、减小施工干扰的过程中，逐渐形成了地质雷达、地震波法等隧道超前探测方法。专利技术人发现，由于掘进过程中掘进机占据了隧道掌子面后方的大部分空间，掌子面后方的边墙基本不具备铺设超前探测测线以及激发装置与传感器的条件，导致能够进行超前探测的观测空间极为狭小，精度较高的雷达方法无法在掌子面进行探测，而地震波法分辨率较低，有严重的能量衰减和噪声干扰。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术提供一种相控阵声波超前探测仪器及超前地质预报方法，其可以实现掌子面前方全局空间的聚焦效果，所得到的成像结果具有较高的分辨率，能够准确定位异常体位置。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]本专利技术的第一个方面提供一种相控阵声波超前探测仪器，其包括声波阵元组、时间控制装置和压力传感器；
[0008]所述声波阵元组包含多个声波元件，每个声波元件用于独立发射声波和接收反射波；
[0009]所述时间控制装置用于控制各个声波元件的激发时间，以使得分时激发或并时激发多个元件，实现声波的偏转和聚焦；
[0010]所述压力传感器用于测量所述相控阵声波超前探测仪器与掌子面间的压力值，以
检测是否接触良好。
[0011]本专利技术的第二个方面提供一种利用如上述所述的相控阵声波超前探测仪器的超前地质预报方法，其包括：
[0012]步骤1：利用压力传感器保证探测仪器与掌子面形成良好的接触；
[0013]步骤2：通过时间控制装置触发单个声波阵元组发射声波，所有声波阵元组接收反射回波信息，保存所有声波阵元组接收的数据，至此全矩阵数据采集结束；
[0014]步骤3：根据声波阵元组接收到的数据中直达波的接收时间和对应声波发射
‑
接收阵元的位置，求解掌子面前方地质的直达波波速，得到背景速度场；
[0015]步骤4：将掌子面前方不同探测距离的待测区域划分为网格，建立坐标系，记录每个声波阵元组和网格的坐标，求取声波自发射阵元组传播到各个网格点再传回接收阵元组的传播距离，根据传播距离和背景速度场求取声波在“发射阵元组
→
网格点
→
接收阵元组”的传播时间；
[0016]步骤5：将接收的数据集中所有发射
‑
接收对在该网格点传播时间处的幅值叠加，结果即为该点的信号幅值；
[0017]步骤6，重复步骤4
‑
步骤5，通过改变网格点位置进行数据处理，直至完成掌子面前方所有网格点的信号幅值求取，将所有网格点的幅值进行成像，即为掌子面前方地质情况，至此全聚焦成像结束。
[0018]本专利技术的有益效果是：
[0019](1)本专利技术设计了一种相控阵声波超前探测仪器，提出了掘进机和探测仪器间的便捷搭载方法，能够实现对掘进机掘进进程干扰较小的前提下进行掌子面前方超前探测，具有施工干扰小的优势；同时该仪器可以通过发射聚焦声波获得较强的声波激发能量，增加了探测距离，提高了探测分辨率。
[0020](2)本专利技术提出了一种利用声波方向特性优化阵元间距的算法，通过改变阵元间距观察声波是否具有良好的指向性，进而选择最优阵元间距，为仪器在刀盘的安装间距提供理论依据。
[0021](3)本专利技术将无损检测中的全矩阵数据采集和全聚焦成像方法引入隧道超前探测中，并利用本专利技术所设计的仪器进行实现。该方法可以实现掌子面前方全局空间的聚焦效果，所得到的成像结果具有较高的分辨率，能够准确定位异常体位置，为掘进机施工提供参考。
附图说明
[0022]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0023]图1为本专利技术实施例的相控阵声波超前探测仪器在掘进机上的搭载位置示意图；
[0024]图2为本专利技术实施例的相控阵声波超前探测仪器及搭载装置示意图；
[0025]图3为本专利技术实施例的相控阵声波方向特性图；
[0026]图4为本专利技术实施例的全矩阵数据采集和全聚焦成像示意图。
[0027]图中：1、保护门；2、掘进机刀盘；3、掘进机台车；4、声波阵元组；5、压力传感器；6、时间控制装置；7、金属壳；8、液压伸缩杆；9、数据传输电缆。
具体实施方式
[0028]下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。
[0029]应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0030]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0031]为解决现有技术上的缺陷，实现掘进机在掘进过程中快速精确地探测前方地质情况，本实施例提出了一种相控阵声波超前探测仪器。该相控阵声波超前探测仪器包含一个声波阵元组，每个声波阵元组包含多个声波元件，每个声波元件可以实现独立发射声波和接收反射波的功能，能够满足不同观测方式的要求。该仪器包含一个时间控制装置，可以实现声波阵元组复杂布置条件下的声波聚焦发射。本实施例还将无损检测中的全矩阵数据采集和全聚焦成像引入隧道超前探测中，可以实现掌子面前方全局空间的聚焦效果，所得到的成像结果具有较高的分辨率，能够准确定位异常体位置。
[0032]相控阵声波超前探测仪器在掘进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种相控阵声波超前探测仪器，其特征在于，包括声波阵元组、时间控制装置和压力传感器；所述声波阵元组包含多个声波元件，每个声波元件用于独立发射声波和接收反射波；所述时间控制装置用于控制各个声波元件的激发时间，以使得分时激发或并时激发多个元件，实现声波的偏转和聚焦；所述压力传感器用于测量所述相控阵声波超前探测仪器与掌子面间的压力值，以检测是否接触良好。2.如权利要求1所述的相控阵声波超前探测仪器，其特征在于，所述相控阵声波超前探测仪器安装在掘进机刀盘内侧的金属壳中。3.如权利要求2所述的相控阵声波超前探测仪器，其特征在于，所述相控阵声波超前探测仪器与金属壳通过液压推进装置的伸缩杆连接。4.如权利要求2所述的相控阵声波超前探测仪器，其特征在于，所述金属壳的表面为曲面。5.如权利要求2所述的相控阵声波超前探测仪器，其特征在于，金属壳与刀盘的连接面设置可自动开启和关闭的保护门。6.如权利要求5所述的相控阵声波超前探测仪器，其特征在于，保护门开启后的截面大于相控阵声波超前探测仪器的最大截面。7.如权利要求1所述的相控阵声波超前探测仪器，其特征在于，所述相控阵声波超前探测仪器的数据传输方式为有线传输。8.如权利要求7所述的相控阵声波超前探测仪器，其特征在于，所述相控阵声波超前探测仪器的数据传输电缆包裹有屏蔽层，并在连接端做接地处理。9.如权利要求1所述的相控阵声波超前探测仪器，其特征在于，所述声波阵元组中声波元件的最优阵元间距的获取过程为：保持声波阵元组的数量和发...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈磊，公志飞，李凯，付超，赵阳，李铎，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：