[发明专利]一种适用于钻爆法隧道的相控阵声波超前预报系统及方法

权利要求书

1.一种适用于钻爆法隧道的相控阵声波超前预报系统，其特征在于，包括声波换能装置和主机系统，所述的声波换能装置包括声波发射接收器、无线通讯模块、数据暂存模块和供电模块；所述的主机系统包括数据处理成像模块、控制模块和供电模块；

所述的声波发射接收器，用于发射和接收声波；

所述的无线通讯模块，通过无线方式实现声波换能装置与主机系统之间的控制信号及数据传输；

所述的数据暂存模块，暂时存储三维探测获得的声波反射信号数据与发射聚焦声波获得的反射信号数据，并通过无线通讯模块将存储数据发送至数据处理成像模块；

所述的控制模块，其内导入各声波发射接收器的三维坐标，并控制各声波发射接收器的发射时间和激发顺序，使之延时发射形成聚焦声波，然后将采集得到并暂存的数据通过无线通讯模块发送至数据处理成像模块；

所述的数据处理成像模块，运用深度学习算法对地质异常体边界进行自动识别判断，对采集得到的数据进行处理分析整合形成三维探测成像结果，最终得到掌子面前方高分辨率的三维探测成像；

所述的主机系统首先利用深度学习算法，将三维探测成像结果进行分析处理，得到地质异常体可能存在的初步规模与位置信息；而后主机系统根据各点的三维坐标计算并控制各声波换能装置的发射时间，使之延时发射形成聚焦声波，对异常体可能存在位置进行重点精细探测；

所述声波换能装置整体为一个圆柱体，在圆柱体一端呈阵列状排布有多个声波发射接收器，用于组合发射接收声波，圆柱状的另一端接有无线通讯模块、数据暂存模块与供电模块。

2.如权利要求1所述的一种适用于钻爆法隧道的相控阵声波超前预报系统，其特征在于，所述的声波换能装置在隧道掌子面上设置多个，各个声波换能装置在主机系统的控制下独立工作。

3.如权利要求1所述的一种适用于钻爆法隧道的相控阵声波超前预报系统，其特征在于，还包括固定套管，所述的固定套管为圆柱形，在固定套管的外壁上设有多圈的摩擦纹，在固定套管的末端还设有固定销。

4.如权利要求1-3任一所述的适用于钻爆法隧道的相控阵声波超前预报系统的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)：根据掌子面实际形状及大小设计观测系统，按照观测系统的设计在掌子面打孔；

步骤(2)：在钻孔内充填定量速凝剂，将声波换能装置的固定套管安置到钻孔底部，然后插入声波换能装置，保证声波换能装置顶部与围岩耦合良好；

步骤(3)：在隧道中测量出所布置全部声波换能装置的三维坐标，并将三维坐标导入主机系统；

步骤(4)：主机系统无线控制多个声波换能装置的交替发射与接收，使之一点激发面积接收，不断变换激发点位置，保持面积接收的采集方式，完成掌子面前方的三维数据采集；

步骤(5)：主机系统对采集到的三维数据进行处理，得到三维探测成像结果；

步骤(6)：主机系统利用深度学习算法，将三维探测成像结果进行分析处理，得到地质异常体可能存在的初步规模与位置信息；

步骤(7)：主机系统根据各点的三维坐标计算并控制各声波换能装置的发射时间，使之延时发射形成聚焦声波，对异常体可能存在位置进行重点精细探测；

步骤(8)：主机系统对聚焦声波反射回来的数据信息，进行数据无线回传并处理分析整合三维探测成像结果，最终得到掌子面前方高分辨率的三维探测成像，以优化隧道施工方案。

5.如权利要求4所述的施工方法，其特征在于，步骤(1)中的钻孔，孔径略大于固定套管的直径，钻孔深度等于或小于固定套管长度。