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    隧道隨掘成像與安全動態監測系統

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    技術背景

    應用場景

    隧道工程施工中經常會遇到多種復雜的地質條件,極易誘發突水突泥、塌方、TBM卡機等嚴重災害和事故,常常會導致工期延誤、TBM損毀、嚴重的經濟損失乃至重大人員傷亡。地質條件復雜多構造的區域,隧道開挖主要受斷層帶影響,甚至有些隧道經過高瓦斯區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、暗河等不良地質體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手段所限,很難全面獲和災害防控極為重要。受地表勘探條件和技術手段所限,很難全面獲知隧道沿線的地質情況,給隧道施工安全帶來了較大隱患。隧道超前地質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體的坐標、形態以及含水性等,可以提前獲知隧道可能發生的涌水、突泥、崩塌、有害氣體等災害的相關信息,確保施工安全,提高工程建設的效率、減少工程建設周期、避免工程建設災害損失、節約資金成本等具有明顯的社會價值和經濟效益。

    現狀分析

    隧道隨掘成像與安全動態監測系統對不良地質的預報可以提前防范災害的發生,保證施工人員及施工設備的安全,同時對工程質量及進度有著積極影響,帶來可觀的經濟效益,這些影響在深埋隧道和TBM施工中尤為明顯,因此在地質條件復雜的情況下必須將地質超前預報計劃在內。隧道超前探測方法包括鉆探、電法和傳統地震法(TSP)等。鉆探法雖然能夠直接查清掘進面前方的地層巖性、構造等,但是設備笨重,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,由于發射電場為空間球形,會受到隧道側面地質條件、雜散電流及運行設備等干擾,造成較多的虛報或誤報,最關鍵的是每次探測的距離有限。傳統地震法則是利用炸藥作為震源獲得隧道掌子面前方地質異常體位置信息,但是在現場施工過程中,需停止一切生產活動。

    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有限公司開發出隧道隨掘成像與安全動態監測系統,可以利用TBM掘進或者施工產生的震動信號進行隧掘成像,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,可以定期移動監測系統,使得探測距離更長。能夠較好的實現隧道巖爆、突水突泥和有害氣體的安全動態監測以及隧道掌子面前方構造、瓦斯包等地質異常體的超前地質預報。

    技術方案

    技術路線

    隧道在開挖過程中,會產生非常多的地震波信號,包含了豐富的構造、瓦斯包等信息?;诘卣鸩ㄟ\動學原理,通過建立不良地質體(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律,分析、研究單點震源(炮掘)或者連續震源(TBM 開挖)作用于巖體產生的散射波信號。隧道在掘進過程中,會產生沿著洞軸軸線方向傳播的 P 波,當遇見地質異常體時,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)或者連續震源(TBM 開挖)所產生的地震回波信號作為隧道隨掘超前探測的震源激發信號,通過布設陣列式地震檢波器,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,基于相關干涉理論,進行反演探測。

    核心技術

    隧道隨掘成像與安全動態監測系統使用了國內先進的散射波疊加成像算法,在數據處理方面關于散射波信號的提取除了常規的各個接收道與震源道進行互相關處理之外,更重要的是利用了連續信號的無限時長,且根據統計規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果準確度。利用深度域繞射掃描偏移疊加成像技術,進行隧道掌子面前方三維地質成像,如圖2-1所示。


    實施方案

    隧道隨掘成像與安全動態監測系統硬件

    隧道隨掘成像與安全動態監測系統硬件主要包括高精度微地震檢波器(圖1)和數字采集儀(圖2):高精度微地震檢波器負責記錄高質量波形信號,數字采集儀將波形信號通過A/D轉換為數字信號。本項目使用的采集儀,具有高精度、低本底噪聲和大動態范圍等特點,并具有防水、防塵和耐酸咸腐蝕等優點。高精度微地震檢波器具有高靈敏度、頻帶范圍寬等優點。強大的硬件性能保證了信號采集的準確性和有效性,大大降低了環境對信號采集的影響。通過布設在隧道內的高精度微地震檢波器接收掘進過程中圍巖產生微破裂所釋放的能量波,將機械振動信號轉化為電壓信號經過通訊電纜傳輸至數字采集儀,通過數字采集儀的精細化處理,得到準確可靠的探測數據。



    隧道隨掘成像與安全動態監測系統軟件

    隧道隨掘成像與安全動態監測系統軟件(圖3),集數據處理、數據分析與成像為一體的產品,具有技術先進、定位精度高、系統布置快速靈活、操作簡單、技術支持及時等優點。通過將數字采集儀處理后的探測數據導入到軟件系統中,對波形進行截取、濾波、陷波和噪聲過濾等操作,選取有效數據對隧道掌子面前方進行反演(圖4),通過分析反演后的結果,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。


    施工方案

    現場采用直線式的檢波器布設方式,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小于20m,整個探測裝置隨著巷道工作面不斷向前推進而交替前移。每個檢波器均應能接收到震動信號,并根據現場巖性設置采樣頻率。檢波器應安裝于巷道鉆孔內,鉆孔深度應保持一致,以保證檢波器的順利安裝及高質量數據的采集,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并與采集端連接,如圖5所示。


    項目效益

    有效減少隧道事故的發生,保證隧道正常掘進,隧道隨掘成像與安全動態監測系統技術是關鍵。安徽萬泰地球物理技術有限公司研發的隧道隨掘成像與安全動態監測系統能夠準確預測隧道掌子面前方異常地質體(斷層破碎帶、含水溶洞、暗河等)的空間分布情況,量化其對隧道進行掘進的危險程度,減少盲目性投入,做到統籌規劃。本系統可以24小時不間斷運行,對前方的地質情況進行實時監測,不影響隧道的正常施工。本系統為隧道提供了一種新的綠色經濟有效思路,能夠高效、快速、準確的量化工作面前方未知地質體的空間分布,為隧道正常掘進提供了強有力的保障。

    案例展示

    現場施工情況

    西藏某隧道采用TBM法單頭掘進施工,為保證TBM安全、順利地通過不良地質地段,提高經濟和社會效益,需根據TBM自身特點和隧道工程地質條件采取相應的處理措施,對隧道開挖安全進行隨掘成像與安全動態監測。


    根據設計方案,現場在TBM刀盤后方20m左右未注漿的管片預留孔上進行鉆孔埋設檢波器,單側布置8個,間距為5m左右。為保證接收到的波形質量,鉆孔深度為2m,加入剛套管,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,監測斷面交替前移,套管內部用膩子粉固定傳感器,管口用隔音材料進行封堵。

    監測結果

    該隧道進行隨掘超前探測時,對現場采集原始波形數據進行時域、頻域分析,相關干涉及反演成像,圖10反演成果切片圖。

    現場在掌子面掘進到K11+157位置時,探測出前方62.5m(即K11+220.5)處出現能量異常區,告知現場經過此區域要加強安全措施。

    現場開挖后,發現在K11+221.49~K11+226.89中間存在多處小斷層,與探測結果相符。該段巖性為混合片麻巖,巖體次塊狀~整體狀結構為主,局部鑲嵌碎裂結構,地下水狀態為干燥,斷層錯動導致現場發生巖爆現象,采取安全措施,此次未出現任何傷亡事件,極大的降低了經濟損失,為隧道安全開挖提供了強有力的保障。





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