一种适合于TBM施工的地质超前预报方法转让专利
申请号 : CN200810044256.7
文献号 : CN101261325B
文献日 : 2010-06-09
发明人 : 李苍松 , 丁建芳 , 谷婷
申请人 : 中铁西南科学研究院有限公司
摘要 :
一种适合于TBM施工的地质超前预报方法，属地质超前预报技术领域。本方法包括以下步骤：(1)在TBM刀盘内部安装一个用于同步接收TBM刀具切割岩石所激发的声波信号的同步信号检波器，在位于TBM工作面后部的隧道围岩内安装一个用于接收所述声波信号经TBM工作面前方的岩体反射所产生的反射波信号的信号检波器，(2)将上述两个检波器所接收的信号传输给HSP声波仪，由HSP声波仪对所接收的信号进行处理和分析后给出地质预报结果。测试作业与TBM工作同步进行，对TBM隧道施工的适应性好，预报准确性高。
权利要求 :
1.一种适合于TBM施工的地质超前预报方法，其特征是所述的方法包括以下步骤：(1)、在TBM刀盘内部安装一个用于同步接收TBM刀具切割岩石所激发的声波信号的同步信号检波器，在位于TBM工作面后部的隧道围岩内安装一个用于接收所述声波信号经TBM工作面前方的岩体反射所产生的反射波信号的信号检波器，(2)、将上述两个检波器所接收的信号传输给HSP声波仪，由HSP声波仪对所接收的信号进行处理和分析后给出地质预报结果。
说明书 :
技术领域
本发明涉及地质超前预报技术领域。特别涉及的是一种适合于TBM施工的地质超前预报方法。
背景技术
在隧道开挖作业中，通常采用TBM施工与钻爆法施工。TBM施工与钻爆法施工相比，其主要特点是机械化程度高、速度快，但对地质条件变化适应性较差，为了保证施工安全，TBM施工对地质超前预报技术的要求比钻爆法施工隧道的要求更加严格和迫切。
就地质超前预报技术而言，钻爆法施工隧道的地质预报方法较多。其中，“HSP水平声波剖面法”(参见“武隆隧道岩溶地质超前预报综合技术”，《水文地质工程地质》[J]，Vol.32，No.2，2005：P.96～101)相对比较成熟且现场应用较多。该方法根据声波在岩土体中的传播速度及幅度等参数与岩土体的组成成分、密度、弹性模量及岩体的结构状态等有关，不良地质体(带)如断层、风化破碎带、岩溶洞穴、地下水富集带等与周边地质体存在明显的声学特性差异，表现在当声波传播路径中存在两种不同固体介质的界面时，波的传播将发生折射、反射和波型转换特征，现场测试时用大锤敲击插入测试面岩体的木桩作震源，将信号传给触发换能器，在触发换能器附近一定距离的岩体内安装接收换能器，用于接收敲击木桩激发的声波经过前方地质体界面反射回来的声波信号，这些声波信号数据由便携式计算机存储，再利用HSP声波仪对这些声波信号数据进行处理和分析后给出地质预报结果。该方法需要在TBM停工条件下人工激发声波信号，故不适合于以机械化连续作业为特征的TBM施工中。
此外，《工程地质学报》2007年第15卷第2期“Beam超前地质预报技术在铜锣山隧道中的应用”一文中介绍了由德国GEOHYDRAULIC DATA公司推出的电法超前预报技术(简称BEAM法)。该方法通过在隧道工作面环形布置的正电极A1建立一个保护电场，在TBM工作面安装向隧道纵深方向发射探测电流的探测电极A0，通过测取隧道前方不同质量岩体以及孔隙、水体、洞穴、断层等介质的PEE和电阻率数据来对隧道前方的岩体的地质情况进行预测。该方法的缺点一是测试设备安装复杂、需要人为激发交流电信号、测试时也需要TBM停工、且测试时间长，严重影响施工进度；二是由于TBM是个庞大的机械，其中大量的金属件和高压电缆对电法测试具有严重的干扰影响。此外，从该方法在我国几个主要长大隧道的应用情况来看，预报结果也不太理想。
就地质超前预报技术而言，钻爆法施工隧道的地质预报方法较多。其中，“HSP水平声波剖面法”(参见“武隆隧道岩溶地质超前预报综合技术”，《水文地质工程地质》[J]，Vol.32，No.2，2005：P.96～101)相对比较成熟且现场应用较多。该方法根据声波在岩土体中的传播速度及幅度等参数与岩土体的组成成分、密度、弹性模量及岩体的结构状态等有关，不良地质体(带)如断层、风化破碎带、岩溶洞穴、地下水富集带等与周边地质体存在明显的声学特性差异，表现在当声波传播路径中存在两种不同固体介质的界面时，波的传播将发生折射、反射和波型转换特征，现场测试时用大锤敲击插入测试面岩体的木桩作震源，将信号传给触发换能器，在触发换能器附近一定距离的岩体内安装接收换能器，用于接收敲击木桩激发的声波经过前方地质体界面反射回来的声波信号，这些声波信号数据由便携式计算机存储，再利用HSP声波仪对这些声波信号数据进行处理和分析后给出地质预报结果。该方法需要在TBM停工条件下人工激发声波信号，故不适合于以机械化连续作业为特征的TBM施工中。
此外，《工程地质学报》2007年第15卷第2期“Beam超前地质预报技术在铜锣山隧道中的应用”一文中介绍了由德国GEOHYDRAULIC DATA公司推出的电法超前预报技术(简称BEAM法)。该方法通过在隧道工作面环形布置的正电极A1建立一个保护电场，在TBM工作面安装向隧道纵深方向发射探测电流的探测电极A0，通过测取隧道前方不同质量岩体以及孔隙、水体、洞穴、断层等介质的PEE和电阻率数据来对隧道前方的岩体的地质情况进行预测。该方法的缺点一是测试设备安装复杂、需要人为激发交流电信号、测试时也需要TBM停工、且测试时间长，严重影响施工进度；二是由于TBM是个庞大的机械，其中大量的金属件和高压电缆对电法测试具有严重的干扰影响。此外，从该方法在我国几个主要长大隧道的应用情况来看，预报结果也不太理想。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述缺点，为TBM施工提供一种操作简便易行、准确率高的地质超前预报方法。
本发明方法包括以下步骤：
(1)、在TBM刀盘内部安装一个用于同步接收TBM刀具切割岩石所激发的声波信号的同步信号检波器，在位于TBM工作面后部的隧道围岩内安装一个用于接收所述声波信号经TBM工作面前方的岩体反射所产生的反射波信号的信号检波器。
(2)、将上述两个检波器所接收的信号传输给HSP声波仪，由HSP声波仪对所接收的信号进行处理和分析后给出地质预报结果。
本发明方法的工作原理如下：
在TBM的掘进过程中，刀盘刀具切割岩石产生强大的声波信号。这些不同频率的信号以球面波的形式向各方向传播。根据惠更斯-菲涅尔原理和费马原理，当声波传播路径中存在两种不同固体介质的界面时，波的传播将发生折射、反射和波型转换。TBM刀盘刀具切割岩石所激发声波信号一路经同步信号检波器传输给HSP声波仪，另一路向TBM工作面前方传播，遇到各种地质体界面时，其中一部分发生反射，产生的反射波信号沿隧道围岩向TBM工作面后方传播，该反射波信号被安装在隧道围岩内的反射波信号检波器所接收并传输给HSP声波仪。同现有的“HSP水平声波剖面法”一样，由HSP声波仪对所接收的同步信号和反射波信号进行处理和分析后即可给出地质预报结果。
在长距离掘进作业时，可随着TBM的掘进，适时将围岩内的反射波信号检波器前移至TBM工作面后方一定距离的围岩内，以保证反射波信号检波器能接收到有效的反射波信号。
与现有的隧道地质超前预报方法相比，本发明方法的主要优点如下：
(1)、本方法直接利用TBM刀盘刀具切割岩石所激发的声波信号作为系统测试的激发信号，不需要人工或人为激发声波信号，采用检波器进行现场数据采集，借用成熟的HSP技术，使得测试仪器操作简单，现场数据采集和分析快速、可靠；
(2)、地质预报与TBM工作同步进行，无需TBM停机配合，不专门占用TBM工作时间，有利于充分发挥TBM的工作效率；
(3)、本方法对TBM隧道施工的适应性好，隧道内的金属、电源等因素对数据采集的影响小，无须在现场专门配置外接电源等；
(4)、根据现场测试工作面围岩地质条件，预报距离可达到70～120米；
(5)、实践表明，本方法预报准确性较好，准确率大于80％。
本发明的内容结合以下实施例作更进一步的说明，但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容。
本发明方法包括以下步骤：
(1)、在TBM刀盘内部安装一个用于同步接收TBM刀具切割岩石所激发的声波信号的同步信号检波器，在位于TBM工作面后部的隧道围岩内安装一个用于接收所述声波信号经TBM工作面前方的岩体反射所产生的反射波信号的信号检波器。
(2)、将上述两个检波器所接收的信号传输给HSP声波仪，由HSP声波仪对所接收的信号进行处理和分析后给出地质预报结果。
本发明方法的工作原理如下：
在TBM的掘进过程中，刀盘刀具切割岩石产生强大的声波信号。这些不同频率的信号以球面波的形式向各方向传播。根据惠更斯-菲涅尔原理和费马原理，当声波传播路径中存在两种不同固体介质的界面时，波的传播将发生折射、反射和波型转换。TBM刀盘刀具切割岩石所激发声波信号一路经同步信号检波器传输给HSP声波仪，另一路向TBM工作面前方传播，遇到各种地质体界面时，其中一部分发生反射，产生的反射波信号沿隧道围岩向TBM工作面后方传播，该反射波信号被安装在隧道围岩内的反射波信号检波器所接收并传输给HSP声波仪。同现有的“HSP水平声波剖面法”一样，由HSP声波仪对所接收的同步信号和反射波信号进行处理和分析后即可给出地质预报结果。
在长距离掘进作业时，可随着TBM的掘进，适时将围岩内的反射波信号检波器前移至TBM工作面后方一定距离的围岩内，以保证反射波信号检波器能接收到有效的反射波信号。
与现有的隧道地质超前预报方法相比，本发明方法的主要优点如下：
(1)、本方法直接利用TBM刀盘刀具切割岩石所激发的声波信号作为系统测试的激发信号，不需要人工或人为激发声波信号，采用检波器进行现场数据采集，借用成熟的HSP技术，使得测试仪器操作简单，现场数据采集和分析快速、可靠；
(2)、地质预报与TBM工作同步进行，无需TBM停机配合，不专门占用TBM工作时间，有利于充分发挥TBM的工作效率；
(3)、本方法对TBM隧道施工的适应性好，隧道内的金属、电源等因素对数据采集的影响小，无须在现场专门配置外接电源等；
(4)、根据现场测试工作面围岩地质条件，预报距离可达到70～120米；
(5)、实践表明，本方法预报准确性较好，准确率大于80％。
本发明的内容结合以下实施例作更进一步的说明，但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是实施例的应用示意图。
图2是实施例的应用示意图。
具体实施方式
本实施例以大伙房水库输水隧洞中的TBM1标段26+054工作面测试为例。本次预报范围：26+054工作面前方100米(对应里程26+054～26+154)。
参见图1、图2。
(1)、在TBM的刀盘3内部安装一个用于同步接收TBM刀具切割岩石所激发的声波信号的同步信号检波器1，在位于TBM工作面后部的一侧拱腰围岩4内安装一个用于接收所述声波信号经TBM工作面前方的岩体反射所产生的反射波信号的信号检波器2，检波器2的具体位置以能接收到有效的反射波信号为准，没有严格的距离限制。检波器1和检波器2选用市售常规地震检波器，型号为50～100Hz。
(2)、将上述两个检波器的信号输出端连接到HSP声波仪。HSP声波仪采用中铁西南科学研究院研制的ZGS-1610型智能工程探测声波仪及与ZGS-1610型智能工程探测声波仪配套的分析处理软件。
(3)、TBM开始工作，掘进机刀盘刀具切割岩石所激发声波信号一路经同步信号检波器1传输给HSP声波仪，另一路向TBM掘进机工作面前方传播，当遇到地质界面时发生反射形成反射波，沿隧道围岩向TBM工作面后方传播的反射波信号，被安装在隧道围岩内的反射波信号检波器2所接收并传输给HSP声波仪。同现有的“HSP水平声波剖面法”一样，由HSP声波仪对所接收的同步信号和反射波信号进行处理，得到原始波形曲线。技术人员对该现场采集到的原始波形曲线进行时域和频域分析，得出如下预报结果：目前工作面前方100米范围内存在四个不良地质地段，分别距工作面前方10～26米(对应里程26+064～26+080)、31～36米(对应里程26+085～26+090)、50～71米(对应里程26+104～26+125)和82～92米(对应里程26+136～26+146)。根据施工开挖揭示的实际情况，对该预报结果进行了很好的验证：26+054～26+065段岩体破碎，稳定性差，干燥无水，节理裂隙发育；26+065～26+106段岩体较破碎～破碎，稳定性较差，干燥无水。
(4)、待掘进机向前掘进约60米时，将检波器2向前移动60米并安装在隧道围岩内，开展跟踪地质预报，得出预报结果为：26+109～26+130和26+135～26+145段岩体破碎。本次预报与本段第一次预报结果基本相当。实际开挖验证结果为：26+106～26+140段岩体破碎，干燥无水。
综合分析预报结果和开挖验证情况，采用本方法预报的准确率达到84％，完全能适用于TBM施工。
参见图1、图2。
(1)、在TBM的刀盘3内部安装一个用于同步接收TBM刀具切割岩石所激发的声波信号的同步信号检波器1，在位于TBM工作面后部的一侧拱腰围岩4内安装一个用于接收所述声波信号经TBM工作面前方的岩体反射所产生的反射波信号的信号检波器2，检波器2的具体位置以能接收到有效的反射波信号为准，没有严格的距离限制。检波器1和检波器2选用市售常规地震检波器，型号为50～100Hz。
(2)、将上述两个检波器的信号输出端连接到HSP声波仪。HSP声波仪采用中铁西南科学研究院研制的ZGS-1610型智能工程探测声波仪及与ZGS-1610型智能工程探测声波仪配套的分析处理软件。
(3)、TBM开始工作，掘进机刀盘刀具切割岩石所激发声波信号一路经同步信号检波器1传输给HSP声波仪，另一路向TBM掘进机工作面前方传播，当遇到地质界面时发生反射形成反射波，沿隧道围岩向TBM工作面后方传播的反射波信号，被安装在隧道围岩内的反射波信号检波器2所接收并传输给HSP声波仪。同现有的“HSP水平声波剖面法”一样，由HSP声波仪对所接收的同步信号和反射波信号进行处理，得到原始波形曲线。技术人员对该现场采集到的原始波形曲线进行时域和频域分析，得出如下预报结果：目前工作面前方100米范围内存在四个不良地质地段，分别距工作面前方10～26米(对应里程26+064～26+080)、31～36米(对应里程26+085～26+090)、50～71米(对应里程26+104～26+125)和82～92米(对应里程26+136～26+146)。根据施工开挖揭示的实际情况，对该预报结果进行了很好的验证：26+054～26+065段岩体破碎，稳定性差，干燥无水，节理裂隙发育；26+065～26+106段岩体较破碎～破碎，稳定性较差，干燥无水。
(4)、待掘进机向前掘进约60米时，将检波器2向前移动60米并安装在隧道围岩内，开展跟踪地质预报，得出预报结果为：26+109～26+130和26+135～26+145段岩体破碎。本次预报与本段第一次预报结果基本相当。实际开挖验证结果为：26+106～26+140段岩体破碎，干燥无水。
综合分析预报结果和开挖验证情况，采用本方法预报的准确率达到84％，完全能适用于TBM施工。