一种声波探测装置及其盾构机
技术领域
本实用新型属于隧道施工中地质探测研究与工程实践技术领域，具体涉及一种声波探测装置及其盾构机。
背景技术
随着我国隧道交通工程的快速发展，其安全和高效地施工受到人们更多的重视。开展隧道超前预报的工作，准确掌握隧道掌子面前方的地质情况，并提前做好预防工作，是隧道工程安全和高效施工的重要保障。当前已有很多孤石探测的方法，主要以地表钻探和物探为主。地表钻探是在盾构机前方钻取探测孔，将探测设备放置于探测孔内，使得探测设备更接近探测地层；该方法所需钻孔数量多、操作复杂、施工成本高、花费时间较长。地表工程物探方法利用孤石与围岩的物性差异对孤石进行探测，常用的探测方法为地震反射波法、二维微动剖面法；但是，地表工程物探方法容易受到地表环境的限制，从而使得孤石探测方法难以向探测的方向发展。
ISIS(integrated seismic imaging system)是一种隧道洞内主动源地震波超前探测技术，它利用磁致伸缩震源产生重复高分辨率信号，利用安装在隧道边墙上的三分量接收器接收信号，从而实现隧道的超前探测，但是该技术对不良地质体精确定位、探测范围、分辨率等方面的不足，使其难以满足隧道施工需要。国内学者提出了一种利用超声波进行孤石探测的方法，该方法是首先在盾构机刀盘上的钻孔通道内钻取多个探测孔，然后将超声波探测仪放入探测孔内进行移动来获取孤石信息，但是此技术由于成本高，探测时间长，操作不便的问题而应用前景不大。
实用新型内容
针对现有的地表探测技术背景干扰大、探测过程复杂且洞内孤石探测的时间成本和经济成本要求高的问题，本实用新型提出了一种声波探测装置及其盾构机，能够满足盾构施工复杂环境下快速、高效、准确和成本低的要求。
为解决以上技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下：
一种声波探测装置，包括设置在刀盘上的声波发射机构和声波接收机构，所述刀盘上设有若干个同心圆，且同心圆的圆心均与刀盘的中心重合，所述声波接收机构中包含至少一组声波接收组件，同一组声波接收组件设置在刀盘的同一直径上；所述声波接收组件中包含若干个声波接收器，且相邻的两个声波接收器之间的间距相等或不等；所述声波发射机构的数量至少为一个，且声波发射机构和声波接收器均与控制系统相连接。声波发射机构用于发射声波信号，声波接收组件用于接收反射信号，控制系统对声波接收组件所接收的信号进行处理。
优选地，至少一个声波发射机构与一组声波接收组件设置在声波接收组件所在直径的直线上。
当声波发射机构的数量大于一，且声波接收组件的数量为一组时，所有的声波发射机构均设置在同一同心圆上或者分别位于不同的同心圆上，至少一个声波发射机构与声波接收组件设置在声波接收组件所在直径的直线上。
当声波发射机构的数量大于一，且声波接收组件的数量大于一组时，所有的声波发射机构均设置在同一同心圆上或者分别位于不同的同心圆上，声波发射机构与声波接收组件对应设置，每个声波发射机构与对应的声波接收组件设置在同一直线上。
当声波发射机构的数量为一个，且声波接收组件的数量大于一组时，所述声波发射机构设置在任一组声波接收组件所在直径所对应的直线上。
所述声波接收器包括第一声波接收器和第二声波接收器，第一声波接收器和第二声波接收器分别与控制系统相连接，且第一声波接收器的数量为一个，第二声波接收器的数量至少为两个；同一组声波接收组件的第一声波接收器与第二声波接收器设置在刀盘的同一直径上，且第一声波接收器和第二声波接收器分别位于刀盘的中心的两侧；所述声波接收机构与第一声波接收器位于刀盘中心的同一侧。
当每组声波接收组件中相邻的声波接收器间的间距相等时，每组声波接收组件中的第一声波接收器与刀盘的中心间的距离相等或不等；当每组声波接收组件中相邻的声波接收器间的间距不等时，每组声波接收组件中的第一声波接收器与刀盘的中心间的距离均不相等。
当声波接收组件的数量为两组时，两组声波接收组件之间的夹角为120度；当声波接收组件的数量大于两组时，相邻的两组声波接收组件之间的夹角均相等。
一种盾构机，包括如上所述的声波探测装置。
本实用新型的有益效果：
本实用新型利用地震波的传播原理基于地震波反射技术可以对软土隧道进行超前预报，进而探测出软土层中的孤石等不良地质体的分布情况，以对后续盾构机的掘进提供有效预警，实现了隧道开挖的高速度掘进和低风险；声波发射器和声波接收器布置方式简单、有规律性，可以保证发射信号有效地穿透掌子面前方土层，提高接收信噪比，延长探测距离，方便控制系统基于深度偏移原理对反射声波信号进行处理并成像，以对开挖地质进行直观展现；按照所述布置方式设置声波发射器和声波接收器，无需现场安装和另行布置钻孔，避免使用破坏性震源，能够实现在掘进过程中的实时探测的目的，节约停机施工带来的时间成本。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为当声波接收组件为三组，声波发射器为三个，且三个声波发射器均设置在同一个同心圆上的结构示意图。
图2为当声波接收组件为三组，声波发射器为三个，且三个声波发射器分别设置在不同的同心圆上的结构示意图。
图3为当声波接收组件为两组，声波发射器为两个，两个声波发射器均设置在同一同心圆上，两个第一声波接收器距离刀盘中心点距离相同，且每组声波接收组件中相邻的声波接收器间的间距相同时的结构示意图。
图4当声波接收组件为两组，声波发射器为两个，两个声波发射器均设置在同一同心圆上，两个第一声波接收器距离刀盘中心点距离不同，且每组声波接收组件中相邻的声波接收器间的间距相同时的结构示意图。
图5当声波接收组件为两组，声波发射器为两个，两个声波发射器均设置在同一同心圆上，两个第一声波接收器距离刀盘中心点距离不同，且每组声波接收组件中相邻的声波接收器间的间距不同时的结构示意图。
图6为当声波接收组件为一组，声波发射器为一个，声波发射器和声波接收组件均设置在刀盘的同一直径上，且声波接收组件中相邻的声波接收器间的间距相同时的结构示意图。
图7为当声波接收组件为一组，声波发射器为一个，声波接收组件呈螺旋状布置的结构示意图。
图8为当声波接收组件为一组，声波发射器为三个，声波接收组件与任一声波发射器对应设置，且声波接收组件中相邻的声波接收器间的间距相同时的结构示意图。
图9为当声波接收组件为两组，声波发射器为一个，声波发射器与任一声波接收组件对应设置，且每组声波接收组件中相邻的声波接收器间的间距不同时的结构示意图。
图中，1为刀盘，1-1为第一同心圆，1-2为第二同心圆，1-3为第三同心圆，2为声波发射器，3为声波接收器。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例1：一种声波探测装置，如图1所示，包括设置在刀盘1上的声波发射机构和声波接收机构，所述声波接收机构中包含至少一组声波接收组件，同一组声波接收组件均设置在刀盘1的同一直径上，以利于控制系统接收掌子面前方所反射的声波信号后基于深度偏移原理更好地对信号进行处理，提高地质监测的精度；所述声波接收组件中包含若干个声波接收器3，且相邻的两个声波接收器3之间的间距相等或不等；所述声波发射机构的数量至少为一个，且声波发射机构和声波接收器3均与控制系统相连接。本实施例中，所述控制系统可以为上位机；所述声波发射机构为声波发射器2，声波发射器2的激发方式可以为两种，分别为单频脉冲激发和扫频激发，声波发射器2向掌子面的前方发射声波信号，声波信号经地层反射后再由声波接收器3接收，控制系统用于对声波接收器3所接收的信号进行处理，以对地层进行实时监测。
所述刀盘1上设有若干个同心圆，且同心圆的圆心均与刀盘1的中心相重合，本实施例中，所述同心圆包括第一同心圆1-1、第二同心圆1-2和第三同心圆1-3，第二同心圆1-2的直径大于第三同心圆1-3的直径，第三同心圆1-3的直径大于第一同心圆1-1的直径，且第一同心圆1-1、第二同心圆1-2和第三同心圆1-3的圆心均与刀盘1的中心点重合。
如图1和图2所示，至少一个声波发射机构与一组声波接收组件设置在声波接收组件所在直径的直线上。
所述声波接收器3包括第一声波接收器和第二声波接收器，第一声波接收器和第二声波接收器分别与控制系统相连接；第一声波接收器的数量为一个，第二声波接收器的数量至少为一个；同一组声波接收组件的第一声波接收器与第二声波接收器设置在刀盘1的同一直径上，且第一声波接收器和第二声波接收器分别位于刀盘1的中心的两侧；所述声波接收机构与第一声波接收器位于刀盘1中心的同一侧。
如图1和图2所示，当声波发射器2的数量大于一，且声波接收组件的组数大于一时，所有的声波发射器2均设置在同一同心圆上或者分别位于不同的同心圆上，声波发射器2与声波接收组件对应设置，声波发射器2的个数与声波接收组件的组数相等，每个声波发射器2与对应的声波接收组件设置在同一直线上，即声波发射器2与对应组的声波接收组件均设置在刀盘1的同一直径上，这样可以在接收反射信号后便于信号的处理。
如图3和图4所示，当每组声波接收组件中相邻的声波接收器3间的间距相等时，每组声波接收组件中的第一声波接收器与刀盘1的中心间的距离相等或不等；如图5所示，当每组声波接收组件中相邻的声波接收器3间的间距不等时，每组声波接收组件中的第一声波接收器与刀盘1的中心间的距离不同。图5中，声波接收组件的数量为两组，两组声波接收组件之间的夹角为120度，且两组声波接收组件分别设置在刀盘1的两个直径上；第一组声波接收组件为R11、R12和R13，其中，R11为第一声波接收器，R12和R13均为第二声波接收器，第二组声波接收组件为R21、R22和R23，其中，R21为第一声波接收器，R22和R23均为第二声波接收器；R21和R22、R22和R23之间的间距不等，R11和R12、R12和R13之间的间距不等，且R11和R12设置在第一同心圆1-1上，R21和R22设置在第三同心圆1-3上。所述声波发射器2的数量为两个，两个声波发射器分别为T1和T2，两个声波发射器均设置在第二同心圆1-2上；T1与第一组声波接收组件相对应，T2与第二组声波接收组件相对应，且T1和R11相对于R12和R13分别设置在刀盘1的一个直径的两侧，T2和R21相对于R22和R23分别设置在刀盘1的另一直径的两侧。
图3中声波发射器的数量为两个，分别为T1和T2，T1和T2均设置在第二同心圆1-2上；T1与第一组声波接收组件相对应，T2与第二组声波接收组件相对应，且T1和R11相对于第一组声波接收组件中的R12、R13和R14分别设置在刀盘1的中心点的两侧，T2和R21相对于第二组声波接收组件的R22、R23和R24分别设置在刀盘1的中心点的两侧；T1、R11、R12、R13和R14位于同一直线上，T2、R21、R22、R23和R24位于同一直线上；R11和R12、R12和R13、R13和R14之间的间距相等，R21和R22、R22和R23、R23和R24之间的间距相等。图4与图3相比，区别在于第一声波接收器距离刀盘中心的距离不同，图4中，R11与刀盘中心点之间的距离和R21与刀盘中心点之间的距离不同；但是在图3中，R11与刀盘中心点之间的距离和R21与刀盘中心点之间的距离相同。
当声波接收组件的数量大于两组时，相邻的两组声波接收组件之间的夹角均相等；如图1所示，声波接收组件的数量为三组，两两声波接收组件之间的夹角为120度，且三组声波接收组件分别设置在刀盘1的三个直径上；第一组声波接收组件为R11、R12、R13和R14，其中，R11为第一声波接收器，R12、R13和R14均为第二声波接收器，第二组声波接收组件为R21、R22、R23和R24，其中，R21为第一声波接收器，R22、R23和R24均为第二声波接收器；第三组声波接收组件为R31、R32、R33和R34，其中，R31为第一声波接收器，R32、R33和R34均为第二声波接收器；R21和R22、R22和R23、R23和R24之间的间距相等，R11和R12、R12和R13、R13和R14之间的间距相等，R31和R32、R32和R33、R33和R34之间的间距相等，且R11、R12、R21、R22、R31和R32均设置在第一同心圆1-1上。所述声波发射器2的数量为三个，三个声波发射器分别为T1、T2和T3，三个声波发射器分别设置在第二同心圆1-2的三等分点上；T1设置在第一组声波接收组件所在直径所对应的直线上，T2设置在第二组声波接收组件所在直径所对应的直线上，T3设置在第三组声波接收组件所在直径所对应的直线上，且T1和R11相对于R12、R13和R14分别设置在刀盘1的中心点的两侧，T2和R21相对于R22、R23和R24分别设置在刀盘1的中心点的两侧，T3和R31相对于R32、R33和R34分别设置在刀盘1的中心点的两侧。第一组声波接收组件的第二声波接收器所在半径与第二组声波接收组件的第二声波接收器所在半径之间的夹角为120度，第二组声波接收组件的第二声波接收器所在半径与第三组声波接收组件的第二声波接收器所在半径之间的夹角为120度，第三组声波接收组件的第二声波接收器所在半径与第一组声波接收组件的第二声波接收器所在半径之间的夹角为120度。
图2与图1相比，区别在于声波发射器的设置方式不同，图2中，T1、T2和T3分别位于不同的同心圆上。
实施例2：一种声波探测装置，如图6所示，本实施例中，声波发射器2的数量为一个，声波接收组件的组数为一组，且声波发射器2和声波接收组件设置在刀盘1的同一直径上。
如图6所示，声波发射器2为T1，声波接收组件的数量为一组，声波接收组件中声波接收器3的数量为四个，分别为R11、R12、R13和R14，R11为第一声波接收器，R12、R13和R14均为第二声波接收器，T1、R11、R12、R13和R14顺序设置在刀盘1的同一直径上，且T1设置在第二同心圆1-2上，R11和R12设置在第一同心圆1-1上，R13和R14设置在第二同心圆1-2的两侧，R11与R12、R12与R13、R13与R14之间的间距相等；T1和R11相对于R12、R13和R14分别设置在刀盘中心点的两侧。
本实施例与实施例1的区别在于声波发射器2和声波接收组件的数量不同。
实施例3：一种声波探测装置，本实施例中，声波发射器2的数量为一个，且声波接收组件的组数大于一组，所述声波发射器2可以设置在任意一组声波接收组件所在的直线上。
如图9所示，声波发射器2为T1，声波接收组件的数量为两组，每组声波接收组件中声波接收器3的数量均为四个，第一组声波接收组件为R11、R12、R13和R14，其中，R11为第一声波接收器，R12、R13和R14均为第二声波接收器，第二组声波接收组件为R21、R22、R23和R24，其中，R21为第一声波接收器，R22、R23和R24均为第二声波接收器；R21和R22、R22和R23、R23和R24之间的间距不相等，R11和R12、R12和R13、R13和R14之间的间距不相等，且R11和R12均设置在第一同心圆1-1上，R21设置在第一同心圆1-1内，R22设置在第一同心圆1-1外，R13和R14、R23和R24分别设置在第二同心圆1-2的两侧。第一组声波接收组件的第二声波接收器所在半径与第二组声波接收组件的第二声波接收器所在半径之间的夹角为120度，且T1设置在第二同心圆1-2上，T1设置在第一组声波接收组件所在直径所对应的直线上。
本实施例与实施例1的区别在于声波发射器2和声波接收组件的数量不同。
实施例4：一种声波探测装置，本实施例中，声波发射器2的数量大于一，且声波接收组件的数量为一组，所有的声波发射器2均设置在同一同心圆上或者分别位于不同的同心圆上，至少一个声波发射器2与声波接收组件设置在同一直线上。
如图8所示，声波发射器2的数量为三个，分别为T1、T2和T3，声波接收组件的数量为一组，声波接收组件中声波接收器3的数量为四个，分别为R11、R12、R13和R14，R11为第一声波接收器，R12、R13和R14均为第二声波接收器，T1、R11、R12、R13和R14顺序设置在刀盘1的同一直径上，且T1、T2和T3均设置在第二同心圆1-2上，R11和R12设置在第一同心圆1-1上，R13和R14设置在第二同心圆1-2的两侧，R11与R12、R12与R13、R13与R14之间的间距相等。
本实施例与实施例1的区别在于声波发射器2和声波接收组件的数量不同。
实施例5：一种声波探测装置，包括设置在刀盘1上的一个声波发射器2和一组声波接收组件，声波接收组件中包括若干个声波接收器3，刀盘1上均匀分布有若干个扇形区，扇形区的数量与声波接收器3的数量相等，每个声波接收器3分别位于不同的扇区内，且声波接收器3呈螺旋状设置；所述扇形区的顶点与刀盘1的中心相重合，声波发射器2设置在任一声波接收器3所在的扇形区内，且声波发射器2与所对应的声波接收器3设置在刀盘1的同一直径上。
如图7所示，声波发射器2为T1，声波接收组件中包括六个声波接收器，分别为R11、R12、R13、R14、R15和R16，刀盘被均分成了六个扇区，六个声波接收器分别设置在不同的扇区内，六个声波接收器成螺旋状设置，R11设置在第一同心圆1-1上，T1设置在第二同心圆1-2上，且T1位于R11所在的半径上。
实施例6：一种盾构机，采用了如实施例1、实施例2、实施例3、实施例4或实施例5所述的声波探测装置。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
