[发明专利]隧道地震波探测自持力智能可控激震装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种隧道施工中，用于地震反射法地质提前预报的人工震源设备，具体地说是一种在隧道施工中，可以在掌子面上移动，产生可控频率地震波的基于超磁致伸缩材料的隧道地震波探测自持力智能可控激震装置。

背景技术

在隧道施工中，我国已是世界上隧道建设规模与难度最大的国家。由于山高洞长，在隧道施工前期难以全部查清沿线不良地质情况，导致在隧道施工过程中经常发生突水、突泥、塌方等重大地质灾害，造成了重大的人员生命财产损失，严重影响了隧道工程建设安全。为了减少和避免隧道施工期间地质灾害的发生，在隧道施工过程中实施超前地质预报具有重要意义。所谓超前地质预报，就是采用勘探地球物理的技术探测隧道掘进面前方的地质情况，对断层、溶洞、暗河等地质缺陷进行识别和定位，提前探明地质灾害的危险源，为灾害的预防和处置提供指导和参考。

目前，国内外主要的隧道施工期不良地质超前预报的地球物理技术主要包括地震反射法(探测距离约120m)、电磁法(探测距离约40-70m)、直流电法(探测距离约40m)、红外线法(探测距离约20m)等。其中地震反射法具有探测距离大、分辨率高的突出优势，对于远距离提前定量识别并定位不良地质体具有重要作用，是最常用的隧道超前地质预报地球物理方法之一。目前隧道地震法超前预报方法主要有TSP法、TRT法、TGP法等（杨果林,杨立伟.隧道施工地质超前预报方法与探测技术研究[J].地下空间与工程学报,2006,(04):627-630+645），这些方法在实际数据采集中均采用雷管触发炸药爆炸的方式来实现地震波的激发，这种震源激发方法无法实现震源可控，震源能量、频率等主控指标离散性大，且炸药激发极为不安全，很多隧道工程(尤其在城市隧道中)禁止使用这种激发方法，给隧道地震法的发展与推广带来很大困难。针对该问题，研究一种“非爆式”的震源激发装置与方法具有重要意义。吉林大学林君等（梁铁成,林君,陈祖斌.电磁驱动可控震源在隧道探测中的应用[J].吉林大学学报(地球科学版),2005,(S1):87-89）将一种电磁驱动式轻便高频可控震源应用于隧道探测，取得了不错的效果，但这种震源的振动是利用磁场中载流导体所受电磁力的交变产生的，在载流导体与超磁致伸缩棒体积相同的情况下，输出功率比超磁致伸缩换能器小很多，所以探测距离比较小。钟世航（一种由2～8个超磁致伸缩震子并联的激震器，CN102495423A）研制了一种用于极小偏移距地震波超前预报方法的手持式的震源激震装置，采用了三个磁致伸缩棒并联的方式实现激震，在实际探测中起到较好的效果。但这种手持式的超磁致伸缩震源装置在激发时由于依靠人体提供反力，后坐力较大，激发效果对人体的稳定性的依赖程度较高，容易导致震源激发不稳定，另外，三个磁致伸缩棒并联的方法在伸缩长度及输出力的协调性控制方面存在较大难度。

可见，在隧道地震波法超前地质预报的“非爆式”震源激发技术方面已经出现了一些应用技术，但存在着一些问题，需要设计新型激震装置来弥补不足。在新型激震装置研制中需要解决的主要问题如下：①需要设计一种“电磁-动力”转化效能更高的激震装置，对激震装置中的致动结构、变幅结构、激励装置等进行优化设计，从而减少漏磁，增加磁场均匀性，提高地震波的能量密度；②由于激震点往往在隧道掘进面或者边墙上，激震方向垂直于掘进面或者边墙，没有提供反力的结构，需要设计一种可靠稳定的反力结构；③在实际探测中激震点多达几十个，采用人工移动换点的方式，效率较低，需要设计一种自动换点、自动激震的装置。

发明内容

针对上述问题，本发明设计了一种隧道地震波探测自持力智能可控激震装置，它利用优化变幅杆形状提高了地震波的能量密度；利用丝杠螺母机构和燕尾形滑动导轨对换能器进行移动和固定；利用一个调压缓冲的液压回路固定导轨，缓冲了换能器非工作端的振动，使激振更稳定；利用计算机和开关量控制卡来控制换能器的移动和定位、导轨固定卸载以及激振启停，实现了测量的智能化控制。

为了实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

一种隧道地震波探测自持力智能可控激震装置，它包括超磁致伸缩换能器、自动换点滑台，超磁致伸缩换能器活动安装在自动换点滑台上，自动换点装置(包括步进电机、丝杠螺母机构)则分别安装在超磁致伸缩换能器和自动换点滑台的导轨上；自动换点滑台还与固定缓冲装置连接，使整个自动换点滑台紧压在隧道掌子面上；超磁致伸缩换能器与驱动电源连接；驱动电源、自动换点装置以及固定缓冲装置由总体控制装置控制。