[实用新型]隧道掘进机搭载的综合超前地质探测系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种搭载于隧道掘进机上的综合超前地质探测系统。

背景技术

在隧道（洞）施工过程中，国际上公认隧道掘进机施工方法具有“掘进速度快、施工扰动小、成洞质量高、综合经济社会效益高、施工安全文明”等钻爆施工方法无法比拟的显著优势。目前世界上每年开挖隧道30%～40%是隧道掘进机完成的，隧道掘进机开挖的隧道数量超过1000余座，累计超过5000公里，国际上一些部门还明确规定3km以上的隧道（洞）必须采用隧道掘进机施工。目前中国已经成为世界上隧道（洞）修建规模最大、建设难度最大的国家，而隧道掘进机施工方法是中国隧道（洞）工程建设的必然趋势和发展方向。

隧道掘进机施工方法对地层变化幅度大、不良地质发育等地质条件适应能力差，由于现有隧道施工期超前预报仪器和技术无法提前探明不良地质情况并预先处理，致使隧道掘进机施工中遭遇突水突泥、塌方大变形等地质灾害的风险更高，极易导致掘进机卡机、损坏、报废甚至人员伤亡的重大事故。因此开展对掘进机施工复杂环境中掌子面前方不良地质定量超前预报的技术研究与设备研制，是掘进机施工隧道建设安全的迫切需求。

对于超前地质预报技术和探测装置而言，隧道掘进机施工与钻爆法施工有着本质的区别：①隧道掘进机是一个庞然大物，占据了隧道掌子面后方的绝大部分空间，无法在隧道边墙布置常用的地震波超前预报的激发炮点和接收系统，导致TSP（Tunnel Seismic Prediction，瑞士Amberg测量技术公司）和TRT（True Reflection Tomography，美国NSA工程公司）等地震类超前预报技术无法应用；②隧道掘进机中存在大量金属构件和供电电缆，会产生巨大的电磁干扰，导致地质雷达法、瞬变电磁法等探测效果极不理想；③隧道掘进机施工时，每天约有两个小时的检修时间，此时隧道掘进机刀盘后退1-2m，这是唯一可用于超前地质预报的环节，但是其空间狭小且时间较短。总体而言，隧道掘进机施工环境中的超前地质预报面临着“观测空间狭小，电磁环境复杂，探测时间较短”的问题。

目前，在全世界范围内，用于隧道掘进机施工超前地质预报的技术和仪器主要有以下几种：①利用隧道掘进机配备的超前钻机进行钻探，缺点是只能揭露钻孔周围的地质情况，不能反映工作面前方整个范围内的地质情况，极易遗漏不良地质，造成误报、错报及灾害隐患；②利用一维聚焦激发极化法BEAM（Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring，德国Geohydraulic Data公司）系统，但是BEAM观测方式仅在掌子面上布置单个测量电极，属单点聚焦型，只能定性的判断掌子面前方20m内是否存在含水体，不能对掌子面前方异常体实施三维成像与精确定位，更不能对水量做出估算预测，未得到认可和推广；③利用地震反射法ISIS（Integrated Seismic Imaging System，德国GFZ公司）系统，从ISIS的观测方式来看，采用了传统的VSP（Vertical Seismic Profiling）方式，可探测断层等较大规模的地质异常体，但无法识别含水体，且如何去除隧道掘进机施工的震动干扰是一个难题。④地震软土探测SSP（Sonic Softground Probing，德国Herrenknecht公司）系统，缺点是仅能用于在软土中进行孤石探测，不能适用于所有的不良地质预测。再者，文献《TBM施工的HSP声波反射法地质超前预报》、专利《TBM法施工中利用震动信号超前地质预报的装置及使用方法》和专利《TBM施工隧道前向三维激发极化法超前探测装置系统及方法》中分别提到了在隧道掘进机上搭载声波、地震波和激发极化探测装置进行超前地质探测的技术方案，但是由于其使用的探测方法单一，无法对掌子面前方的不良地质情况进行准确预报。

针对隧道掘进机施工复杂环境，为了探明掘进面前方赋存的断层、破碎岩体、岩溶等不良地质体并定量探测地下水赋存位置及水量，不能单独依靠某一种地球物理方法。通过已有技术调研和经验分析，我们认为需要选择以下三种地球物理探测方法实施综合探测，以降低多解性和改善探测效果。

（1）地震波超前探测技术：该方法探测距离较远（大于100米），对探测断层、溶洞、暗河等潜在含水构造有较好效果；

（2）激发极化法超前探测技术：我们已经研究发现，该方法对定量预报含水体水量和空间位置有较好效果；

（3）钻孔地质雷达法超前探测技术：该方法在隧道中进行打孔并将钻孔雷达天线递送到钻孔中实施探测，钻孔地质雷达的分辨率高，探测半径较小，适用于隧道掘进机施工掌子面前方地质情况的精细化探查。