技術(shù)背景
應(yīng)用場(chǎng)景
隧道工程施工中經(jīng)常會(huì)遇到多種復(fù)雜的地質(zhì)條件，極易誘發(fā)突水突泥、塌方、TBM卡機(jī)等嚴(yán)重災(zāi)害和事故，常常會(huì)導(dǎo)致工期延誤、TBM損毀、嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失乃至重大人員傷亡。地質(zhì)條件復(fù)雜多構(gòu)造的區(qū)域，隧道開挖主要受斷層帶影響，甚至有些隧道經(jīng)過高瓦斯區(qū)域會(huì)受到瓦斯包的影響。由此可見，隧道前方賦存的斷層破碎帶、含水溶洞、暗河等不良地質(zhì)體嚴(yán)重制約和威脅了施工安全。因此，提前探明隧道前方賦存的斷層、溶洞、暗河等不良地質(zhì)情況，對(duì)于隧道施工安全和災(zāi)害防控極為重要。受地表勘探條件和技術(shù)手段所限，很難全面獲和災(zāi)害防控極為重要。受地表勘探條件和技術(shù)手段所限，很難全面獲知隧道沿線的地質(zhì)情況，給隧道施工安全帶來了較大隱患。隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)正好彌補(bǔ)了以上不足，隧道探測(cè)可以提供工作面前方不良地質(zhì)體的坐標(biāo)、形態(tài)以及含水性等，可以提前獲知隧道可能發(fā)生的涌水、突泥、崩塌、有害氣體等災(zāi)害的相關(guān)信息，確保施工安全，提高工程建設(shè)的效率、減少工程建設(shè)周期、避免工程建設(shè)災(zāi)害損失、節(jié)約資金成本等具有明顯的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。
現(xiàn)狀分析
隧道隨掘成像與安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)不良地質(zhì)的預(yù)報(bào)可以提前防范災(zāi)害的發(fā)生，保證施工人員及施工設(shè)備的安全，同時(shí)對(duì)工程質(zhì)量及進(jìn)度有著積極影響，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，這些影響在深埋隧道和TBM施工中尤為明顯，因此在地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下必須將地質(zhì)超前預(yù)報(bào)計(jì)劃在內(nèi)。隧道超前探測(cè)方法包括鉆探、電法和傳統(tǒng)地震法（TSP）等。鉆探法雖然能夠直接查清掘進(jìn)面前方的地層巖性、構(gòu)造等，但是設(shè)備笨重，一次有效探測(cè)受限較多，頻繁操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響正常掘進(jìn)。電法主要基于電阻率等巖石電磁屬性分析圍巖的視電阻率，由于發(fā)射電場(chǎng)為空間球形，會(huì)受到隧道側(cè)面地質(zhì)條件、雜散電流及運(yùn)行設(shè)備等干擾，造成較多的虛報(bào)或誤報(bào)，最關(guān)鍵的是每次探測(cè)的距離有限。傳統(tǒng)地震法則是利用炸藥作為震源獲得隧道掌子面前方地質(zhì)異常體位置信息，但是在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，需停止一切生產(chǎn)活動(dòng)。
針對(duì)隧道開挖過程中超前探測(cè)存在的上述問題，安徽萬泰地球物理技術(shù)有限公司開發(fā)出隧道隨掘成像與安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以利用TBM掘進(jìn)或者施工產(chǎn)生的震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行隧掘成像,避免了使用炸藥等主動(dòng)震源，不影響正常的施工進(jìn)度；且隨著掌子面不斷的向前推進(jìn)，可以定期移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使得探測(cè)距離更長(zhǎng)。能夠較好的實(shí)現(xiàn)隧道巖爆、突水突泥和有害氣體的安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)以及隧道掌子面前方構(gòu)造、瓦斯包等地質(zhì)異常體的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。
技術(shù)方案
技術(shù)路線
隧道在開挖過程中，會(huì)產(chǎn)生非常多的地震波信號(hào)，包含了豐富的構(gòu)造、瓦斯包等信息。基于地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，通過建立不良地質(zhì)體（斷層破碎帶、含水溶洞、暗河等）與隧道掘進(jìn)過程中地震波信號(hào)之間的地球物理特征響應(yīng)規(guī)律，分析、研究單點(diǎn)震源（炮掘）或者連續(xù)震源（TBM 開挖）作用于巖體產(chǎn)生的散射波信號(hào)。隧道在掘進(jìn)過程中，會(huì)產(chǎn)生沿著洞軸軸線方向傳播的 P 波，當(dāng)遇見地質(zhì)異常體時(shí)，由于地震波阻抗存在差異，會(huì)形成地震回波（散射波）。因此，可以將單點(diǎn)震源（炮掘）或者連續(xù)震源（TBM 開挖）所產(chǎn)生的地震回波信號(hào)作為隧道隨掘超前探測(cè)的震源激發(fā)信號(hào)，通過布設(shè)陣列式地震檢波器，并實(shí)時(shí)記錄隨采地震波形，分析地震波的旅行時(shí)間、振幅、相位和頻率，基于相關(guān)干涉理論，進(jìn)行反演探測(cè)。
核心技術(shù)
隧道隨掘成像與安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用了國(guó)內(nèi)先進(jìn)的散射波疊加成像算法，在數(shù)據(jù)處理方面關(guān)于散射波信號(hào)的提取除了常規(guī)的各個(gè)接收道與震源道進(jìn)行互相關(guān)處理之外，更重要的是利用了連續(xù)信號(hào)的無限時(shí)長(zhǎng)，且根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律以及有效信號(hào)的可重復(fù)性，通過多次疊加原理大大地提高了原始地震資料的信噪比及反演結(jié)果準(zhǔn)確度。利用深度域繞射掃描偏移疊加成像技術(shù)，進(jìn)行隧道掌子面前方三維地質(zhì)成像，如圖2-1所示。
實(shí)施方案
隧道隨掘成像與安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件
隧道隨掘成像與安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件主要包括高精度微地震檢波器（圖1）和數(shù)字采集儀（圖2）：高精度微地震檢波器負(fù)責(zé)記錄高質(zhì)量波形信號(hào)，數(shù)字采集儀將波形信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。本項(xiàng)目使用的采集儀，具有高精度、低本底噪聲和大動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)，并具有防水、防塵和耐酸咸腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。高精度微地震檢波器具有高靈敏度、頻帶范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。強(qiáng)大的硬件性能保證了信號(hào)采集的準(zhǔn)確性和有效性，大大降低了環(huán)境對(duì)信號(hào)采集的影響。通過布設(shè)在隧道內(nèi)的高精度微地震檢波器接收掘進(jìn)過程中圍巖產(chǎn)生微破裂所釋放的能量波，將機(jī)械振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)經(jīng)過通訊電纜傳輸至數(shù)字采集儀，通過數(shù)字采集儀的精細(xì)化處理，得到準(zhǔn)確可靠的探測(cè)數(shù)據(jù)。
隧道隨掘成像與安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件
隧道隨掘成像與安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件（圖3），集數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析與成像為一體的產(chǎn)品，具有技術(shù)先進(jìn)、定位精度高、系統(tǒng)布置快速靈活、操作簡(jiǎn)單、技術(shù)支持及時(shí)等優(yōu)點(diǎn)。通過將數(shù)字采集儀處理后的探測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件系統(tǒng)中，對(duì)波形進(jìn)行截取、濾波、陷波和噪聲過濾等操作，選取有效數(shù)據(jù)對(duì)隧道掌子面前方進(jìn)行反演（圖4），通過分析反演后的結(jié)果，確定前方異常體類型、空間分布等信息，為隧道安全快速掘進(jìn)提供服務(wù)。
施工方案
現(xiàn)場(chǎng)采用直線式的檢波器布設(shè)方式，檢波器間距宜為6m左右，檢波器不宜少于8個(gè)，依次編號(hào)做好標(biāo)記S1-S8，首個(gè)檢波器距離工作面間距宜小于20m，整個(gè)探測(cè)裝置隨著巷道工作面不斷向前推進(jìn)而交替前移。每個(gè)檢波器均應(yīng)能接收到震動(dòng)信號(hào)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖性設(shè)置采樣頻率。檢波器應(yīng)安裝于巷道鉆孔內(nèi)，鉆孔深度應(yīng)保持一致，以保證檢波器的順利安裝及高質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集，在檢波器孔附近用掛牌標(biāo)注檢波器孔號(hào)。采集儀應(yīng)布置于檢波器鋪設(shè)線狀中心點(diǎn)，便于后期的交替前移，檢波器電纜沿接收點(diǎn)鋪設(shè)并與采集端連接，如圖5所示。
項(xiàng)目效益
有效減少隧道事故的發(fā)生，保證隧道正常掘進(jìn)，隧道隨掘成像與安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)是關(guān)鍵。安徽萬泰地球物理技術(shù)有限公司研發(fā)的隧道隨掘成像與安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)隧道掌子面前方異常地質(zhì)體（斷層破碎帶、含水溶洞、暗河等）的空間分布情況，量化其對(duì)隧道進(jìn)行掘進(jìn)的危險(xiǎn)程度，減少盲目性投入，做到統(tǒng)籌規(guī)劃。本系統(tǒng)可以24小時(shí)不間斷運(yùn)行，對(duì)前方的地質(zhì)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不影響隧道的正常施工。本系統(tǒng)為隧道提供了一種新的“綠色”經(jīng)濟(jì)有效思路，能夠高效、快速、準(zhǔn)確的量化工作面前方未知地質(zhì)體的空間分布，為隧道正常掘進(jìn)提供了強(qiáng)有力的保障。
案例展示
現(xiàn)場(chǎng)施工情況
西藏某隧道采用TBM法單頭掘進(jìn)施工，為保證TBM安全、順利地通過不良地質(zhì)地段，提高經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，需根據(jù)TBM自身特點(diǎn)和隧道工程地質(zhì)條件采取相應(yīng)的處理措施，對(duì)隧道開挖安全進(jìn)行隨掘成像與安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
根據(jù)設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)場(chǎng)在TBM刀盤后方20m左右未注漿的管片預(yù)留孔上進(jìn)行鉆孔埋設(shè)檢波器，單側(cè)布置8個(gè)，間距為5m左右。為保證接收到的波形質(zhì)量，鉆孔深度為2m，加入剛套管，隨著隧道掌子面的推進(jìn)，每掘進(jìn)20m左右，最后面的傳感器拆下并安裝到最前斷面位置，監(jiān)測(cè)斷面交替前移，套管內(nèi)部用膩?zhàn)臃酃潭▊鞲衅鳎芸谟酶粢舨牧线M(jìn)行封堵。
監(jiān)測(cè)結(jié)果
該隧道進(jìn)行隨掘超前探測(cè)時(shí)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集原始波形數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析，相關(guān)干涉及反演成像，圖10反演成果切片圖。
現(xiàn)場(chǎng)在掌子面掘進(jìn)到K11+157位置時(shí)，探測(cè)出前方62.5m（即K11+220.5）處出現(xiàn)能量異常區(qū)，告知現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過此區(qū)域要加強(qiáng)安全措施。
現(xiàn)場(chǎng)開挖后，發(fā)現(xiàn)在K11+221.49~K11+226.89中間存在多處小斷層，與探測(cè)結(jié)果相符。該段巖性為混合片麻巖，巖體次塊狀～整體狀結(jié)構(gòu)為主，局部鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，地下水狀態(tài)為干燥，斷層錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生巖爆現(xiàn)象，采取安全措施，此次未出現(xiàn)任何傷亡事件，極大的降低了經(jīng)濟(jì)損失，為隧道安全開挖提供了強(qiáng)有力的保障。
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