适用于隧道地质雷达法超前预报的辅助装置及工作方法

摘要

本发明公开了一种适用于隧道地质雷达法超前预报的辅助装置及工作方法，包括柔性轨道、雷达天线搭载单元和动力提供单元，柔性轨道布设于地质预报测线的两侧，并固定在隧道掌子面上，所述雷达天线搭载单元包括滑轮和雷达天线夹持单元，两者通过可拆卸式减震器相连接，所述雷达天线搭载单元搭载雷达天线后通过滑轮在柔性轨道自由滑动，所述动力提供单元接收并依据控制指令控制雷达天线搭载单元在柔性轨道上的运动与固定，到达地质预报测线的指定位置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于隧道地质雷达法超前预报的辅助装置及工作方法。

背景技术

为保证隧道开挖施工的安全，通常采用钻探、物探等勘察手段对隧道掌子面前方的地质情况进行超前预报，在施工前提供掌子面前方围岩的工程地质条件、水文地质条件等信息，从而有效避免施工过程中发生涌水突泥、岩爆、塌方等隧道地质灾害的发生，为隧道进一步的开挖提供指引，保证施工进度及安全。隧道超前地质预报方法主要包括TSP超前预报技术、TST超前预报技术、红外探水法、BEAM法等，其中隧道地质雷达法应用较为广泛。

隧道地质雷达法基于地下介质的电性差异，通过雷达天线发射高频电磁波，当电磁波遇到空洞、断裂破碎带等异常地质结构时发生反射并返回，被接收天线接收，并对接收到的信号进行记录、处理、分析，从而对掌子面前方的地质情况进行超前预报。

现阶段的隧道地质雷达法主要采用人工托举雷达天线进行测量和机械支承雷达天线进行测量两种方法，但这两种办法目前存在诸多缺点与不足。

第一，采用人工托举雷达天线进行测量存在的缺点与不足主要有：①人工托举雷达天线行进时，掌子面下方由于开挖隧道产生的破碎岩块及积水造成测量人员的行进困难；②长时间的人力托举和多次测量时对测量人员的体力有很大消耗；③隧道内环境嘈杂，托举雷达天线的测量人员无法及时听到操作数字控制单元人员的行进指令。上述问题的存在会直接造成雷达天线无法保证匀速前进，也无法保证雷达天线与掌子面的紧密贴合，从而无法准确预测隧道掌子面前方地质条件，对隧道进一步的施工安全产生较大影响。此外，长时间位于掌子面下方的测量人员的安全也无法得到有效保证。

第二，采用机械支承雷达天线进行测量时存在的缺点与不足主要由，①金属材料组成的机械往往对地质雷达的探测结果产生干扰，从而影响地质雷达预报的准确性，即使对后期数据进行处理时对干扰信号进行辨别，也会消耗大量的人力及时间，严重影响地质超前预报的效率及隧道施工进度；②机械支承雷达天线进行测量时很难精准控制雷达天线与掌子面的距离，从而影响信号采集的准确性；③隧道掌子面开挖区域空间狭小，雷达天线支承机械较难施展，影响地质预报效率。

因此，如何亟需一种使隧道地质雷达法超前预报高效、准确、安全进行的辅助装置及工作方法。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种适用于隧道地质雷达法超前预报的辅助装置及工作方法，本发明能够保证隧道地质雷达法超前预报时雷达天线匀速前进，保证雷达天线与掌子面的紧密贴合，辅助隧道地质雷达准确预测隧道掌子面前方地质条件，装置使用非金属材料，不会对地质雷达的探测产生干扰。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于隧道地质雷达法超前预报的辅助装置，包括柔性轨道、雷达天线搭载单元和动力提供单元，其中：

所述柔性轨道布设于地质预报测线的两侧，并固定在隧道掌子面上，所述雷达天线搭载单元包括滑轮和雷达天线夹持单元，两者通过可拆卸式减震器相连接，所述雷达天线搭载单元搭载雷达天线后通过滑轮在柔性轨道自由滑动，所述动力提供单元接收并依据控制指令控制雷达天线搭载单元在柔性轨道上的运动与固定，到达地质预报测线的指定位置。

进一步的，所述柔性轨道为非金属材料，不会对地质雷达的信号采集产生干扰。

进一步的，所述柔性轨道的柔性保证当隧道掌子面凹凸不平时轨道与隧道掌子面的紧密贴合，从而保证雷达天线与掌子面的紧密贴合。

进一步的，所述柔性轨道具有多段，相邻两段之间通过轨道搭接单元进行搭接固定。

更进一步的，所述轨道搭接单元含固定板、固定螺栓及柔性轨道衔接套筒，所述固定板与柔性轨道衔接套筒连接，相邻两个固定板通过固定螺栓相连接。在隧道待测掌子面跨度较大时进行布设，保证整个柔性轨道的水平布设，避免由于轨道过长产生的倾斜对地质雷达信号采集的影响。

进一步的，所述地质预报测线的两侧的柔性轨道相互分离，使用时根据具体的雷达天线型号确定间距后进行布设。这样的设置方式能够极大提高了本装置使用的灵活性、适用性。

进一步的，所述柔性轨道上安装有水准管，保证柔性轨道安装时保持水平。

进一步的，所述柔性轨道的轨槽为封闭式结构。通过设置封闭式的轨槽能够防止掌子面落石、灰尘等进入轨槽，进而保证雷达天线搭载单元正常运行。

进一步的，与掌子面连接的柔性轨道的端部通过轨道嵌固单元与掌子面连接，所述柔性轨道的端部和轨道嵌固单元的连接处设置缓冲带；能够减少雷达天线停止运动时由于惯性产生的振动对地质雷达信号采集的影响，提高信号采集的准确性。

进一步的，所述轨道嵌固单元材料选择高强度树脂材料，避免金属材料对地质雷达信号的干扰。

进一步的，所述轨道嵌固单元含固定板与固定螺栓，所述固定板与柔性轨道连接，通过固定螺栓固定在隧道掌子面上，保证与隧道掌子面的稳定嵌固且便于安装与拆卸。

进一步的，所述雷达天线搭载单元的滑轮与雷达夹持单元通过可拆卸式减震器相连接，一方面可以减少滑轮震动对地质雷达天线信号采集的干扰，一方面提高雷达天线搭载单元在轨槽中运行的自适应性，大大提高雷达天线搭载单元的灵活性。

所述可拆卸式减震器包括弹簧和阻尼筒，所述阻尼筒内设置弹簧，阻尼筒与滑轮相连接。

这样的设计能够保证可拆卸式减震器可以由雷达天线搭载单元主体上分离下来，使装置的安装、拆卸更加灵活，拆卸式减震器的可伸缩性有效防止当隧道掌子面凹凸不平时地质雷达搭载单元卡顿的发生。

进一步的，所述雷达天线搭载单元为可敞开式半封闭结构，保证地质雷达探测临空面的同时，便于地质雷达天线的安装与拆卸。

进一步的，所述雷达天线搭载单元的外壳由高强度树脂材料制成，避免金属材料对地质雷达信号采集的干扰。

进一步的，所述雷达天线搭载单元内设雷达天线夹持单元，夹持单元可以牢固夹持雷达天线，并通过调整旋钮可适应不同大小的雷达天线。

进一步的，所述雷达天线搭载单元内雷达天线夹持单元的夹持底板由橡胶材料制成，并呈波纹状，提高天线与夹持单元的摩阻力的同时，进一步减弱由雷达天线搭载单元运动产生的振动，减小地质雷达天线信号采集的干扰。

进一步的，所述动力提供单元采用节能变频式电机，可以调整不同的运行速度，适应不同的测量需求，为雷达天线搭载单元的运行提供动力，通过指令接收模块接收操作人员的指令后在轨槽中进行运动，指令接收模块与地质雷达天线的数字控制单元相集成，可以实现雷达天线搭载单元运行、停止与发射高频电磁波的开始、结束的同步，进一步提高地质雷达天线信号采集的准确性。

上述适用于隧道地质雷达法超前预报的辅助装置的工作方法，包括：

利用轨道嵌固单元将柔性轨道分别布设于测线两侧，保证柔性轨道与隧道掌子面紧密贴合；

将地质雷达搭载单元与柔性轨道连接后将地质雷达天线固定在雷达天线夹持单元上，雷达夹持单元与封闭式轨槽中的滑轮通过可拆卸式减震器相连接；

动力提供单元提供动力，根据控制指令下控制雷达天线搭载单元的横向匀速运动与雷达信号采集的同步进行，辅助隧道地质雷达预测隧道掌子面前方地质条件。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明可以保证隧道地质雷达法超前预报时雷达天线匀速前进，柔性轨道可以保证雷达天线与掌子面的紧密贴合，拆卸式减震器的可伸缩性有效防止当隧道掌子面凹凸不平时地质雷达搭载单元卡顿的发生并提高雷达天线搭载单元在轨槽中运行的自适应性，大幅提升地质雷达信号采集的精准度；

2、本发明可以实现雷达天线运动、停止与发射高频电磁波的开始、结束的同步，减震器与避震装置的设置减少雷达天线搭载单元运行时振动的影响，装置各单元使用高强度树脂等非金属材料制成，不会对地质雷达的探测产生干扰，进一步提高地质雷达天线信号采集的准确性；

3、本发明解决了人力托举雷达天线进行测量时体力消耗、人员安全、操作不便、测量效果难以保证的问题，解决了机械支承雷达天线进行测量时金属材料对雷达探测信号产生干扰、机械不便在隧洞内施展等问题，且本发明经济便携、便于拆卸与安装、可循环利用。

4、本发明各单元之间相互配合，可以使隧道地质雷达法超前预报高效、准确、安全的进行，有效提高隧道施工的经济效益和社会效益。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明主视图；

图2为本发明左视图；

图3是本发明轨道搭接单元主视图；

图4是本发明轨道搭接单元左视图；

其中，柔性轨道(1)，轨道嵌固单元(2)，轨道搭接单元(3)，雷达天线搭载单元(4)，动力提供单元(5)，滑轮(6)，雷达天线夹持单元(7)，可拆卸式减震器(8)，水准管(9)，封闭式轨槽(10)，缓冲带(11)，柔性轨道衔接套筒(12)，节能变频电机(13)，固定板(14)、六角高强度螺栓(15)。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

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申请的示例性实施方式。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。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

一种适用于隧道地质雷达法超前预报的辅助装置，包括柔性轨道、轨道嵌固单元、轨道搭接单元、雷达天线搭载单元和动力提供单元。所述柔性轨道布设于地质预报测线的两侧，所述柔性轨道通过轨道搭接单元相衔接，并由轨道嵌固单元牢固的嵌固在隧道掌子面上，所述雷达天线搭载单元由滑轮和雷达天线夹持单元等部分组成，两者通过可拆卸式减震器相连接，所述雷达天线搭载单元搭载雷达天线后通过滑轮可以在柔性轨道的轨槽中自由滑动，所述动力提供单元通过指令接收模块，在操作人员的指令下控制雷达天线搭载单元的横向运动。

具体的，所述柔性轨道采用非金属材料制成，不会对地质雷达的信号采集产生干扰。

具体的，所述柔性轨道的柔性可以保证当隧道掌子面凹凸不平时轨道与隧道掌子面的紧密贴合，从而保证雷达天线与掌子面的紧密贴合。

具体的，所述柔性轨道长度具有不同规格，当测线较长影响雷达天线水平运动时，可使用轨道搭接单元对两段柔性轨道进行搭接固定。

具体的，所述柔性轨道两部分轨道相互分离，使用时根据具体的雷达天线型号确定间距后进行布设，极大提高了本装置使用的灵活性、适用性。

具体的，所述柔性轨道上安装有水准管，保证柔性轨道安装时保持水平。

具体的，所述柔性轨道的轨槽采用封闭式结构，防止掌子面落石、灰尘等进入轨槽，进而保证雷达天线搭载单元正常运行。

具体的，所述柔性轨道与轨道嵌固单元连接处设置缓冲带，减少雷达天线停止运动时由于惯性产生的振动对地质雷达信号采集的影响，提高信号采集的准确性。

具体的，所述轨道嵌固单元材料选择高强度树脂材料，避免金属材料对地质雷达信号的干扰。

具体的，所述轨道嵌固单元含固定板与四个六角高强度螺栓，保证与隧道掌子面的稳定嵌固且便于安装与拆卸。

具体的，所述轨道搭接单元含固定板、四个六角高强度螺栓及柔性轨道衔接套筒，在隧道待测掌子面跨度较大时进行布设，从而保证整个柔性轨道的水平布设，避免由于轨道过长产生的倾斜对地质雷达信号采集的影响。

具体的，所述雷达天线搭载单元的可拆卸式减震器由弹簧和阻尼筒组成，可以由雷达天线搭载单元主体上分离下来，使装置的安装、拆卸更加灵活，拆卸式减震器的可伸缩性有效防止当隧道掌子面凹凸不平时地质雷达搭载单元卡顿的发生。

具体的，所述雷达天线搭载单元的滑轮与雷达夹持单元通过可拆卸式减震器相连接，一方面可以减少滑轮震动对地质雷达天线信号采集的干扰，一方面提高雷达天线搭载单元在轨槽中运行的自适应性，大大提高雷达天线搭载单元的灵活性。

具体的，所述雷达天线搭载单元为可敞开式半封闭结构，保证地质雷达探测临空面的同时，便于地质雷达天线的安装与拆卸。

具体的，所述雷达天线搭载单元的外壳由高强度树脂材料制成，避免金属材料对地质雷达信号采集的干扰。

具体的，所述雷达天线搭载单元内设雷达天线夹持单元，夹持单元可以牢固夹持雷达天线，并通过调整旋钮可适应不同大小的雷达天线。

具体的，所述雷达天线搭载单元内雷达天线夹持单元的夹持底板由橡胶材料制成，并呈波纹状，提高天线与夹持单元的摩阻力的同时，进一步减弱由雷达天线搭载单元运动产生的振动，减小地质雷达天线信号采集的干扰。

具体的，所述动力提供单元的电机采用节能变频式电机，可以调整不同的运行速度，适应不同的测量需求，为雷达天线搭载单元的运行提供动力，通过指令接收模块接收操作人员的指令后在轨槽中进行运动，指令接收模块与地质雷达天线的数字控制单元相集成，可以实现雷达天线搭载单元运行、停止与发射高频电磁波的开始、结束的同步，进一步提高地质雷达天线信号采集的准确性。

本发明的工作原理为：

使用轨道嵌固单元与轨道搭接单元将柔性轨道拼装后分别布设于测线两侧，通过固定板和六角高强度螺栓的嵌固作用，保证柔性轨道与隧道掌子面紧密贴合，将地质雷达搭载单元与柔性轨道连接后将地质雷达天线固定在雷达天线夹持单元上，雷达夹持单元与轨槽中的滑轮通过可拆卸式减震器相连接，可拆卸式减震器的可伸缩性有效防止当隧道掌子面凹凸不平时地质雷达搭载单元卡顿的发生，动力提供单元使用节能变频电机提供动力，通过指令接收模块在操作人员的指令下控制雷达天线搭载单元的横向匀速运动与雷达信号采集的同步进行，辅助隧道地质雷达高效、准确、安全的预测隧道掌子面前方地质条件。

作为具体实施方式，如图1、图3所示，一种适用于隧道地质雷达法超前预报的辅助装置及工作方法，包括柔性轨道(1)、轨道嵌固单元(2)、轨道搭接单元(3)、雷达天线搭载单元(4)、动力提供单元(5)。所述柔性轨道(1)布设于地质预报测线的两侧，所述柔性轨道(1)通过轨道搭接单元(3)相衔接，所述轨道搭接单元轨道搭接单元(3)含固定板(14)、四个六角高强度螺栓(15)及柔性轨道衔接套筒(12)，在隧道待测掌子面跨度较大时进行布设，从而保证整个柔性轨道(1)的水平布设，柔性轨道(1)由轨道嵌固单元(2)牢固的嵌固在隧道掌子面上，所述雷达天线搭载单元(4)由滑轮(6)和雷达天线夹持单元(7)等组成，两者通过可拆卸式减震器(8)相连接，所述雷达天线搭载单元(4)搭载雷达天线后通过滑轮(6)可以在柔性轨道(1)的轨槽(10)中自由滑动，所述动力提供单元(5)通过指令接收模块，在操作人员的指令下控制雷达天线搭载单元(4)的横向运动。

如图1、图3所示，一种适用于隧道地质雷达法超前预报的辅助装置及工作方法包括以下步骤：

步骤①：使用轨道嵌固单元(2)与轨道搭接单元(3)将柔性轨道(1)拼装后分别布设于测线两侧，通过固定板(14)和六角高强度螺栓(15)的嵌固作用，保证柔性轨道(1)与隧道掌子面紧密贴合；

步骤②：将地质雷达搭载单元(4)与柔性轨道(1)连接后将地质雷达天线固定在雷达天线夹持单元(7)上，雷达夹持单元(7)与封闭式轨槽(10)中的滑轮(6)通过可拆卸式减震器(8)相连接，可拆卸式减震器(8)的可伸缩性有效防止当隧道掌子面凹凸不平时地质雷达搭载单元(4)卡顿的发生；

步骤③：动力提供单元(5)使用节能变频电机(13)提供动力，通过指令接收模块在操作人员的指令下控制雷达天线搭载单元(4)的横向匀速运动与雷达信号采集的同步进行，辅助隧道地质雷达高效、准确、安全的预测隧道掌子面前方地质条件。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。