[發明專利]地震波和電磁波聯合反演的隧道預報裝置、掘進機及方法

有效

• 申請號: 201910075010.4
• 申請日: 2019-01-25
• 公開（公告）號: CN109738964B
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發明（設計）人: 李術才;薛翊國;張開;李廣坤;邱道宏;陶宇帆;蘇茂鑫;崔久華;王鵬
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01V11/00
• 分類號: G01V11/00;E21D9/10
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 趙敏玲

本發明公開了一種地震波和電磁波聯合反演的隧道預報裝置、掘進機及方法，包括復合檢波器、激震桿、電磁發射桿、集線器和控制器；激震桿用于發送地震波信號；電磁發射桿用于發送電磁波信號，激震桿和電磁發射桿均通過第一集線器與控制器相連，或者激震桿和電磁發射桿分別通過第一集線器、第二集線器與控制器相連；控制器發出的激發命令能夠傳輸到電磁發射桿或激震桿；復合檢波器同步接收電磁波信號和地震波信號，復合檢波器通過第三集線器與所述的控制器相連，復合檢波器接收到的信號在第三集線器處集合后能夠傳輸給所述的控制器。

技術領域

本發明涉及隧道工程中的超前地質預報方向，特別是涉及地震波和電磁波聯合反演的隧道預報裝置、掘進機及方法。

背景技術

隨著我國交通技術的飛速發展，我國已是世界上隧道修建規模最大和難度最高的國家，隧道建設難點向西部地質復雜的巖溶地區和東部超長跨海區域轉移。在隧道建設中，工程地質狀況極其復雜，極易發生隧道突水涌泥、塌方等工程災害，嚴重威脅了施工人員和財產的安全，影響施工進度。超前地質預報作為在現有地質資料基礎上采取物探等手段對隧道開挖工作面前方的工程地質與水文地質條件及不良地質體的工程性質、位置、產狀、規模等進行探測、分析判釋及預報的方法，被納入隧洞建設的工序實施要求中，有《鐵路隧道超前地質預報技術規程》(Q/CR 9217-2015)等規范規程。

現有的隧道超前地質預報方法主要物探方法有地震波法、電磁波法和電法等，都是利用圍巖物性差異，發射和接收響應信號進行辨析，得到前方地質體特性的物理探測方法，其各有優缺點。地震波法對節理裂隙的發育情況較為敏感，傳統的TSP探測方法能夠探測到80m～150m的距離，但是對于圍巖含水性質沒有足夠敏感，只能大體推測前方圍巖含水情況且受各種因素影響，誤差較大。電磁波法和電法對含水體的含水情況極為敏感，能夠準確定性前方圍巖含水情況，但是單一的電法和電磁波法探測對圍巖裂隙發育情況的探測較為粗糙，而且如電阻率CT、激發極化法等實施較為復雜，需要布設冗長的測線，耗費大量的人力和時間。

特別是由于掘進機(Tunnel Boring Machine，全斷面隧道掘進機)具有掘進速度快、利于環保、綜合效益高等優點，可實現傳統鉆爆法難以實現的復雜地理地貌深埋長隧洞的施工，現有的掘進機施工方法在中國鐵道、水電、交通、礦山、市政等隧洞工程中的應用案例正在迅猛增長(全斷面硬巖隧道掘進機[J].建筑技術開發,2005(9):125-125)。而在掘進機的施工環境中，其施工環境特殊，狹小的觀測空間、嚴重的電磁干擾、短暫的探測時間都制約了傳統的超前地質預報手段。如傳統TSP方法要求在隧道邊墻采取爆炸震源，其炸藥的爆破易對掘進機設備安全產生威脅；傳統瞬變電磁方法需要在隧道工作面上布設測定和測量線圈，掘進機刀盤前狹小的觀測空間無法滿足瞬變電磁布設要求。

現有的掘進機搭載超前地質預報系統，如德國的BEAM(Bore-TunnellingElectrical Ahead Monitoring)系統，其探測距離短，測點布置有限，觀測方法單一，定位精度差，需要對刀盤、滾刀進行一定程度的改造。國內的有關學者申請的專利如適用于TBM的便攜式電阻率法超前預報系統及其方法(CN201510868928)、TBM施工隧道前向三維激發極化發超前探測裝置系統及方法(CN201310005132)、隧道掘進機破巖震源三維地震超前探測裝置及方法(CN201510106373)等都是單一掘進機隧道超前預報方法，或只能重點探測圍巖裂隙發育情況或只能重點探測圍巖含水情況，且方法都需要對掘進機的刀盤進行改造，易損傷，且破壞了刀盤的密封性。一種隧道掘進機中主動源三維地震超前地質探測裝置及方法(CN201510106173)采用檢波器與洞壁的接觸耦合、可控震源在洞壁激發的方法，其未考慮洞壁附近圍巖塑性區對地震波傳播的影響，探測精度低，與實際未開挖圍巖情況吻合度差。一種基于復頻電導的隧道超前探水方法及系統(CN201510271709)可以不針對刀盤進行改造，但其方法單一，只能重點探測圍巖含水情況，且人工操作方式不能適應掘進機隧道中的施工要求。