[實用新型]隧道掘進機搭載的綜合超前地質探測系統

有效

• 申請號: 201420010073.4
• 申請日: 2014-01-07
• 公開（公告）號: CN203658603U
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 李術才;劉斌;聶利超;李堯;馬翔雪;宋杰;劉征宇;孫懷鳳;王傳武;許新驥;徐磊
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01V11/00
• 分類號: G01V11/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 李鵬

技術領域

本實用新型涉及一種搭載于隧道掘進機上的綜合超前地質探測系統。

背景技術

在隧道（洞）施工過程中，國際上公認隧道掘進機施工方法具有“掘進速度快、施工擾動小、成洞質量高、綜合經濟社會效益高、施工安全文明”等鉆爆施工方法無法比擬的顯著優勢。目前世界上每年開挖隧道30%～40%是隧道掘進機完成的，隧道掘進機開挖的隧道數量超過1000余座，累計超過5000公里，國際上一些部門還明確規定3km以上的隧道（洞）必須采用隧道掘進機施工。目前中國已經成為世界上隧道（洞）修建規模最大、建設難度最大的國家，而隧道掘進機施工方法是中國隧道（洞）工程建設的必然趨勢和發展方向。

隧道掘進機施工方法對地層變化幅度大、不良地質發育等地質條件適應能力差，由于現有隧道施工期超前預報儀器和技術無法提前探明不良地質情況并預先處理，致使隧道掘進機施工中遭遇突水突泥、塌方大變形等地質災害的風險更高，極易導致掘進機卡機、損壞、報廢甚至人員傷亡的重大事故。因此開展對掘進機施工復雜環境中掌子面前方不良地質定量超前預報的技術研究與設備研制，是掘進機施工隧道建設安全的迫切需求。

對于超前地質預報技術和探測裝置而言，隧道掘進機施工與鉆爆法施工有著本質的區別：①隧道掘進機是一個龐然大物，占據了隧道掌子面后方的絕大部分空間，無法在隧道邊墻布置常用的地震波超前預報的激發炮點和接收系統，導致TSP（Tunnel?Seismic?Prediction，瑞士Amberg測量技術公司）和TRT（True?Reflection?Tomography，美國NSA工程公司）等地震類超前預報技術無法應用；②隧道掘進機中存在大量金屬構件和供電電纜，會產生巨大的電磁干擾，導致地質雷達法、瞬變電磁法等探測效果極不理想；③隧道掘進機施工時，每天約有兩個小時的檢修時間，此時隧道掘進機刀盤后退1-2m，這是唯一可用于超前地質預報的環節，但是其空間狹小且時間較短。總體而言，隧道掘進機施工環境中的超前地質預報面臨著“觀測空間狹小，電磁環境復雜，探測時間較短”的問題。

目前，在全世界范圍內，用于隧道掘進機施工超前地質預報的技術和儀器主要有以下幾種：①利用隧道掘進機配備的超前鉆機進行鉆探，缺點是只能揭露鉆孔周圍的地質情況，不能反映工作面前方整個范圍內的地質情況，極易遺漏不良地質，造成誤報、錯報及災害隱患；②利用一維聚焦激發極化法BEAM（Bore-Tunneling?Electrical?Ahead?Monitoring，德國Geohydraulic?Data公司）系統，但是BEAM觀測方式僅在掌子面上布置單個測量電極，屬單點聚焦型，只能定性的判斷掌子面前方20m內是否存在含水體，不能對掌子面前方異常體實施三維成像與精確定位，更不能對水量做出估算預測，未得到認可和推廣；③利用地震反射法ISIS（Integrated?Seismic?Imaging?System，德國GFZ公司）系統，從ISIS的觀測方式來看，采用了傳統的VSP（Vertical?Seismic?Profiling）方式，可探測斷層等較大規模的地質異常體，但無法識別含水體，且如何去除隧道掘進機施工的震動干擾是一個難題。④地震軟土探測SSP（Sonic?Softground?Probing，德國Herrenknecht公司）系統，缺點是僅能用于在軟土中進行孤石探測，不能適用于所有的不良地質預測。再者，文獻《TBM施工的HSP聲波反射法地質超前預報》、專利《TBM法施工中利用震動信號超前地質預報的裝置及使用方法》和專利《TBM施工隧道前向三維激發極化法超前探測裝置系統及方法》中分別提到了在隧道掘進機上搭載聲波、地震波和激發極化探測裝置進行超前地質探測的技術方案，但是由于其使用的探測方法單一，無法對掌子面前方的不良地質情況進行準確預報。

針對隧道掘進機施工復雜環境，為了探明掘進面前方賦存的斷層、破碎巖體、巖溶等不良地質體并定量探測地下水賦存位置及水量，不能單獨依靠某一種地球物理方法。通過已有技術調研和經驗分析，我們認為需要選擇以下三種地球物理探測方法實施綜合探測，以降低多解性和改善探測效果。

（1）地震波超前探測技術：該方法探測距離較遠（大于100米），對探測斷層、溶洞、暗河等潛在含水構造有較好效果；

（2）激發極化法超前探測技術：我們已經研究發現，該方法對定量預報含水體水量和空間位置有較好效果；

（3）鉆孔地質雷達法超前探測技術：該方法在隧道中進行打孔并將鉆孔雷達天線遞送到鉆孔中實施探測，鉆孔地質雷達的分辨率高，探測半徑較小，適用于隧道掘進機施工掌子面前方地質情況的精細化探查。