|
一、技術(shù)背景
隧道工程施工中經(jīng)常會遇到多種復雜的地質(zhì)條件，極易誘發(fā)突水突泥、塌方、TBM卡機等嚴重災害和事故，導致工程建設(shè)過程中往往遭遇突水突泥、巖爆、塌方等重大災害，常常會導致施工工期延誤、TBM損毀、嚴重的經(jīng)濟損失乃至重大人員傷亡。地質(zhì)條件復雜多構(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、暗河等地質(zhì)嚴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，對于隧道施工安全和災害防控極為重要。受地表勘探條件和技術(shù)水平所限，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)預報正好彌補了以上不足，隧道探測可以提供工作面前方不良地質(zhì)體的坐標、形態(tài)以及含水性等，可以提前獲知隧道可能發(fā)生涌水、突泥、崩塌等災害的相關(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)災害損失、節(jié)約資金成本等具有明顯的社會價值和經(jīng)濟效益。 隧道超前探測系統(tǒng)對不良地質(zhì)的預報可以提前防范災害的發(fā)生，保證施工人員及施工設(shè)備的安全，同時對工程質(zhì)量及進度有著積極影響，帶來可觀的經(jīng)濟效益。這些影響在深埋長達隧道和TBM施工中尤為明顯，因此在地質(zhì)條件復雜的情況下必須將地質(zhì)超前預報計劃在內(nèi)。隧道超前探測方法包括鉆探、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，一次有效探測受限較多，頻繁操作費時費力，影響正常掘進。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)射電場為空間球形，會受到隧道側(cè)面地質(zhì)條件、雜散電流及運行設(shè)備等干擾，造成較多的虛報或誤報，最關(guān)鍵的是每次探測的距離有限。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)場施工過程中，需停止一切生產(chǎn)活動。 針對隧道開挖過程中超前探測存在的上述問題，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態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可以利用TBM掘進或者施工產(chǎn)生的震動信號進行反演探測,避免了使用炸藥等主動震源，不影響正常的施工進度；且隨著掌子面不斷的向前推進，可以對臺站進行向前同步移動，使得探測距離更長。能夠較好的實現(xiàn)隧道巖爆、突水突泥的安全動態(tài)監(jiān)測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)預報。 二、技術(shù)方案隧道在開挖過程中，會產(chǎn)生非常多的地震波信號，包含了豐富的構(gòu)造、瓦斯包等信息?；诘卣鸩ㄟ\動學原理，通過建立不良地質(zhì)體（斷層破碎帶、含水溶洞、暗河等）與隧道掘進過程中地震波信號之間的地球物理特征響應規(guī)律，分析、研究單點震源（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。隧道在掘進過程中，會產(chǎn)生沿著洞軸軸線方向傳播的 P 波，當遇見地質(zhì)異常體時，由于地震波阻抗存在差異，會形成地震回波（散射波）。因此，可以將單點震源（炮掘）或者連續(xù)震源（TBM 開挖）所產(chǎn)生的地震回波信號作為隧道隨掘超前探測的震源激發(fā)信號，通過布設(shè)陣列式地震檢波器，并實時記錄隨采地震波形，分析地震波的旅行時間、振幅、相位和頻率，基于相關(guān)干涉理論，進行反演探測。 萬泰隧道隨掘成像與安全動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)使用了國內(nèi)先進的散射波疊加成像算法，在數(shù)據(jù)處理方面關(guān)于散射波信號的提取除了常規(guī)的各個接收道與震源道進行互相關(guān)處理之外，更重要的是利用了連續(xù)信號的無限時長，且根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律以及有效信號的可重復性，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)果準確度。利用深度域繞射掃描偏移疊加成像技術(shù)，進行隧道掌子面前方三維地質(zhì)成像，如圖2-1所示。 
圖2-1 隨掘超前探測地質(zhì)預報三維視圖 隧道隨掘成像與安全動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)硬件主要括高精度地震檢波器（圖3-1）和數(shù)據(jù)采集儀（圖3-2）：高精度地震檢波器負責記錄高質(zhì)量波形信號，數(shù)據(jù)采集儀將波形信號通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。本項目使用的采集儀，具有高精度、低本底噪聲和大動態(tài)范圍等特點，并具有防水、防塵和耐酸咸腐蝕等優(yōu)點。高精度地震檢波器具有高靈敏度、頻帶范圍寬等優(yōu)點。強大的硬件性能保證了信號采集的準確性和有效性，大大降低了環(huán)境對信號采集的影響。通過布設(shè)在隧道內(nèi)的高精度地震檢波器接收掘進過程中圍巖產(chǎn)生微破裂所釋放的能量波，將機械振動信號轉(zhuǎn)化為電壓信號經(jīng)過通訊電纜傳輸至數(shù)據(jù)采集儀，通過數(shù)據(jù)采集儀的精細化處理，得到準確可靠的探測數(shù)據(jù)。  圖3-1 高精度地震檢波器圖 
圖3-2 數(shù)據(jù)采集儀 3.2  隧道隨掘成像與安全動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件 萬泰地球物理隧道隨掘成像與安全動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件，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、定位精度高、系統(tǒng)布置快速靈活、操作簡單、技術(shù)支持及時有效等優(yōu)點。通過將數(shù)據(jù)采集儀處理后的探測數(shù)據(jù)導入到軟件系統(tǒng)中，對波形進行截取、濾波、陷波和噪聲過濾等操作，選取有效數(shù)據(jù)對隧道掌子面前方進行反演，通過觀察反演后的結(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提供服務(wù)。 
圖3-3 人機交互處理界面  圖3-4 反演結(jié)果2D展示圖 現(xiàn)場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，依次編號做好標記S1-S8，首個檢波器距離工作面間距宜為20m，隨著隧道掌子面的推進，每掘進20m左右，最后面的傳感器拆下并安裝到最前斷面位置，監(jiān)測斷面交替前移。每個檢波器均應能接收到震動信號，應根據(jù)現(xiàn)場巖石的完整性設(shè)置采樣頻率。檢波器應安裝于隧道鉆孔內(nèi)，鉆孔深度應保持一致，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注檢波器孔號。采集儀應布置于檢波器鋪設(shè)線狀中心點，便于后期的交替前移，檢波器電纜沿接收點鋪設(shè)并與采集端連接，如圖3-5所示。 
圖3-5 地震傳感器安裝示意圖 本系統(tǒng)實施流程如圖3-6所示。 
圖3-6 隧道隨掘成像與安全動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實施流程 |
