[發(fā)明專利]一種TBM掘進(jìn)過程中圍巖波速構(gòu)造連續(xù)自動(dòng)測量裝置及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710444310.6
• 申請(qǐng)日: 2017-06-13
• 公開（公告）號(hào): CN107085238A
• 公開（公告）日: 2017-08-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張曉平;呂根根;張旗;張夢(mèng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號(hào): G01V1/30
• 分類號(hào): G01V1/30
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙)42222
• 代理人: 薛玲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及在TBM隧道掘進(jìn)過程中圍巖彈性波速構(gòu)造連續(xù)自動(dòng)的測量測試，特別適合分析TBM掘進(jìn)過程中在不同的隧道圍巖區(qū)域而引起的波速變化。

背景技術(shù)

巖體可以近似的看作彈性介質(zhì)，當(dāng)受到外力場的作用后將發(fā)生運(yùn)動(dòng)和變形，這種形變將以彈性波的形式在介質(zhì)內(nèi)傳播。根據(jù)彈性理論，介質(zhì)中波速與彈性參數(shù)之間的關(guān)系為：

式中：V_P縱波速度；V_S橫波速度；E彈性模量；μ泊松比。

由上式可知，在巖體中波的傳播速度與巖體的密度及彈性常數(shù)有關(guān)，受巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)造、地下水、應(yīng)力狀態(tài)的影響，一般有如下規(guī)律：①巖體風(fēng)化、破碎、結(jié)構(gòu)面發(fā)育，則波速低，衰減快，頻譜復(fù)雜；②巖體充水或應(yīng)力增加，則波速增高，衰減減少，頻譜相對(duì)簡單；③巖體不均勻和各向異性使波速與頻譜的變化也相應(yīng)地表現(xiàn)出不均一性和各向異性。

目前在巖石(體)中進(jìn)行的測試都是通過對(duì)巖石的縱波研究，近年來，表面波調(diào)查(SWS)受到了巖土工程師們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。瑞利波法是一種新的巖土原位測試勘探方法，利用其頻散特性和傳播速度與巖土物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性，可以解決諸多工程地質(zhì)問題，如劃分地層，探測溶洞，土洞和飽水薄砂層等的分布，在本專利中主要應(yīng)用于獲得關(guān)于隧道開挖圍巖巖體完整性的地質(zhì)信息。

當(dāng)?shù)孛媸艿秸駝?dòng)后，振動(dòng)向遠(yuǎn)方傳播形成了波。在波中主要有縱波和橫波，其中縱波介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與傳播方向一致，傳播速度最快，發(fā)生振動(dòng)后會(huì)首先到達(dá)觀測點(diǎn)，所以又叫P波(Primary Wave)，橫波介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與傳播方向垂直，傳播速度較慢，在縱波之后到達(dá)，所以又叫S波(Secondary Wave)。縱波和橫波都是從震源呈放射狀向外在介質(zhì)中傳播，又被統(tǒng)稱為體波。除體波外，還存在一類波，他們只沿介質(zhì)的表面?zhèn)鞑ィ环Q為面波。最常見的是瑞雷面波，其質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡為一橢圓，傳播速度略低于橫波，在均勻介質(zhì)中其傳播速度約為橫波速度的0.9倍。瑞利面波沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑ィ杀砻嫦虻叵律钐幍拇┩干疃扰c其波長有關(guān)。瑞雷面波的振幅從介質(zhì)表面沿深度方向快速衰減，大約在半個(gè)波長以內(nèi)約集中了全部能量的80％以上，在一個(gè)波長以內(nèi)則集中了全部能量的約95％以上。所以瑞利面波的傳播速度主要由從介質(zhì)的表面到半個(gè)波長的深度范圍內(nèi)的介質(zhì)決定，而幾乎與1個(gè)波長以深的介質(zhì)無關(guān)。由此可見，高頻面波波長較短，只能穿透地表附近很淺的范圍內(nèi)的地層，因而其傳播速度只反映淺層地下構(gòu)造；低頻面波，波長很大，能穿透從地表到深處的地層，因而其傳播速度能反映從地表到深層的地下構(gòu)造的綜合影響。如果我們能得到從高頻到低頻的瑞利面波的傳播速度，也就得到了反映整個(gè)地下構(gòu)造的信息，用數(shù)學(xué)的方法按深度把這些信息分離開來，我們就掌握了整個(gè)的地下構(gòu)造。通過對(duì)頻散曲線進(jìn)行反演解釋，可推斷圍巖洞壁某一深度范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造，據(jù)此可對(duì)巖土的物理性質(zhì)做出評(píng)價(jià)。在應(yīng)用面波勘探來預(yù)測隧道圍巖構(gòu)造信息時(shí)，由于不能一次性取得整條隧道測線的數(shù)據(jù)，波在傳播的過程中會(huì)逐漸衰減，因此我們?cè)诓杉瘮?shù)據(jù)時(shí)，采用高密度面波勘探法。高密度面波勘探法的實(shí)現(xiàn)過程包括數(shù)據(jù)采集、波形處理、頻散分析和地下構(gòu)造分析4部分。

數(shù)據(jù)采集：高密度面波勘探法所采集的數(shù)據(jù)，各段(排列)之間有一部分區(qū)域相互重疊，在處理數(shù)據(jù)時(shí)，通過疊加處理，合成一個(gè)能夠覆蓋整條測線的共激發(fā)點(diǎn)數(shù)據(jù)，如圖1。

波形處理：高密度面波勘探法的波形處理是把坐標(biāo)信息與監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，然后使用帶通濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪音處理，最后把整條測線的數(shù)據(jù)疊加在一起，形成一個(gè)能夠覆蓋整條測線的“大排列”。使數(shù)據(jù)就像用一個(gè)排列一次采集的一樣，如圖2。

頻散分析：設(shè)面波測量數(shù)據(jù)為u(x,t),其富氏變換為U(x,f),x＝n*Δx，Δx為檢波器間距。檢波器n與檢波器1之間的相位差Δφ＝ψ(c,x)僅由兩檢波器之間的距離差x和相速度c＝C(f)引起，如果用相速度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，校正后的數(shù)據(jù)完全同相位，疊加在一起會(huì)得到最大振幅。因此如果用一系列C(f)進(jìn)行測試，就能找出對(duì)應(yīng)于最大疊加振幅的速度值，即找到了對(duì)應(yīng)于該頻率的相速度值，這一過程如下公式描述：

Δφ＝ψ(c,x)；c＝C(f)，

∑[U(x,w)/|U(x,w)|]·exp(-Δφ)＝Maximum (3)

從記錄的始端開始，將覆蓋整條測線的數(shù)據(jù)重新分段，各段之間有一部分相互重合，對(duì)每一段分別進(jìn)行頻散分析，以獲取對(duì)應(yīng)該段的頻散曲線。