CN109828317B - 一种耦合接收装置、tbm掘进隧洞精细化探测***及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种耦合接收装置、TBM掘进隧洞精细化探测***及方法，多个耦合接收装置，多个耦合接收装置将各自所采集的信号传输至控制单元，所述控制单元根据所采集的信号控制TBM动作，在数据反演后的三维成像过程中，将复电导率法探测的掌子面前方设定距离的含水构造作为约束条件，对地震波法探测的掌子面前方设定距离的不良地质构造进行叠加和修正，获得不良地质体信息，实现TBM隧洞掌子面前方设定距离断层破碎带以及含水构造的复合探测与成像。实现了TBM隧洞超前地质预报的最优组合，避免了传统方法的局限性，极大地提高了钻孔的利用效率和工作效率，降低了探测成本和时间成本。

Description

一种耦合接收装置、TBM掘进隧洞精细化探测***及方法

技术领域

本公开涉及地质探测技术领域，特别是涉及一种耦合接收装置、TBM掘进隧洞精细化探测***及方法。

背景技术

目前，隧道施工面临的最大挑战是复杂多变的地质及其伴生的地质灾害，众多工程实践表明，穿越岩溶地层和富水裂隙带极易诱发突水突泥等突发性地质灾害，极易发生TBM施工安全事故，轻者导致卡机，机械损坏，严重者导致整机报废，人员伤亡。

发明人在研究中发现，经过近半世纪的研究与发展，TBM超前地质预报技术尚处于起步阶段，目前尚未突破TBM施工隧道超前地质探测理论，还没有可靠有效的专用超前探测方法和仪器。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开的实施例子提供了一种耦合接收装置，使得地震波法和复电导率法可以在同一孔中实现不更换接收装置的情况下，完成两种方法的先后探测与数据采集。

为了实现上述目的，本申请采用以下技术方案：

本公开的一实施例子公开了一种耦合接收装置，所述装置包括依次连接的末尾段、连接段和传感器段，所述末尾段的一端悬空，另一端与连接段的一端首尾相连，所述连接段的另一端与传感器段的一端首尾相连，所述传感器段另一端位于钻孔底部；

所述连接段上中部分布有复电导率法使用的双通道数字传感器，所述传感器段的顶部安装有地震波法所使用的地震波传感器，双通道数字传感器接线分配有单独的隔层，隔层用于两种信号的互相屏蔽。

上述耦合接收装置使得地震波法和复电导率法可以在同一孔中实现不更换接收装置的情况下，完成两种方法的先后探测与数据采集。

本公开的另一实施例子公开了TBM掘进隧洞精细化探测***，所述***包括多个耦合接收装置，多个耦合接收装置将各自所采集的信号传输至控制单元，所述控制单元根据所采集的信号控制TBM动作。

本公开的再一实施例子公开了TBM掘进隧洞精细化探测方法，包括：

在掌子面后方左右两侧洞壁上分别安装耦合接收装置，地震波法和复电导率法分别在同一孔中实现不更换耦合接收装置的情况下，完成两种方法的先后探测与数据采集；

在数据反演后的三维成像过程中，将复电导率法探测的掌子面前方设定距离的含水构造作为约束条件，对地震波法探测的掌子面前方设定距离的不良地质构造进行叠加和修正，获得不良地质体信息，实现TBM隧洞掌子面前方设定距离断层破碎带以及含水构造的复合探测与成像。

作为本申请的进一步的技术方案，对不良地质体信息进行三维可视化表达，将复合探测的反演结果进行三维空间展布，在可视化基础上进行区块化插值，实现复合探测方式下的三维网格构建，最终实现隧洞掌子面前方设定距离不良地质体的精细化成像。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1.本公开技术方案的耦合接收装置，实现一孔多用，使得地震波法和复电导率法可以在同一孔中实现不更换接收装置的情况下，完成两种方法的先后探测与数据采集。

2.本公开基于地震波法和复电导率法联合反演的TBM掘进隧洞精细化探测，该方法创造性的将两种不同的超前地质预报方法进行整合，实现了TBM隧洞超前地质预报的最优组合，避免了传统方法的局限性，极大地提高了钻孔的利用效率和工作效率，降低了探测成本和时间成本。

3.本公开该复合探测方法实现了TBM隧洞掌子面前方100m断层破碎带和含水构造的同步探测，填补了目前TBM超前地质预报有效方法的不足，实现了TBM隧洞长距离、多类别、效果准的高效探测方法。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例子TBM掘进隧洞精细化探测方法的具体步骤流程图；

图2为本公开实施例子的耦合装置整体结构图；

图3(a)-图3(d)为本公开实施例子的耦合装置分解结构图；

图4为本公开实施例子的耦合装置断面图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在TBM施工隧洞中，由于目前尚不存在有效的专用预报方法，导致超前地质预报工作中存在更为复杂的难题，因此，TBM隧洞施工中面临着更高的地质灾害发生风险。尤其在含水体的预报方面存在巨大困难，涌水量预测与估算问题亟待解决和突破。同时，频发的地质灾害为TBM隧洞施工带来了巨大的经济损失和安全问题，开展针对TBM隧洞施工期不良地质的超前预报研究具有重大工程价值和理论意义。

实施例子一

为了实现对TBM隧洞施工期不良地质的超前预报，本公开实施例子公开了一种耦合接收装置，该耦合接收装置使其可分别接收地震波信息与电磁波信息，实现两种探测方式的综合采集，且相互之间互不干扰。

具体结构参见附图2所示，一种耦合接收装置分为三个部分，包括末尾段、连接段和传感器段，传感器段的顶部安装有地震波法所使用的地震波传感器，使用时须将磁铁面向隧道掌子面，连接段的中部分布有复电导率法使用的双通道数字传感器，该耦合装置的三个部分在使用时需拧紧固定到一起，测量完毕后分成三个部分存放，三部分单独存放时，具体的结构参见附图3(a)-图3(d)所示，此处采用分体式结构，在存储、携带及更换时均比较方便，增加了应用时的可靠性。

在一实施例子中，末尾段、连接段和传感器段中每一段都是中空杆体，杆体皆为金属材质，内部有传感器的信号线。该装置传感器段与连接段、连接段与末尾段的连接主要是靠螺纹转动固定在一起，拆装方便。末尾段主要有两个作用，一个是存放信号线输出端，一个是指明接收装置方向，即整个接收装置固定好后，末尾段的最后部分侧面有颜色标识，该标识与传感器段黑色磁铁朝向同一方向。

在一实施例子中，由于接收单元由一个极灵敏的三分量的地震波传感器(X-Y-Z分量)组成，为了确保三维空间范围的全波记录，需要将磁铁面朝向掌子面，磁铁是传感器的一部分，代表一个分量的方向。

在一实施例子中，复电导率法的双通道数字传感器有两个，当地震波传感器的磁铁朝向掌子面时，这两个双通道数字传感器分别位于接收杆的上下方。

当然，在另一实施例子中，三部分也可为一体结构，制作工艺相对简单，在具体工程应用时，可根据实际需要采用分体式或一体式。

在一实施例子中，为了实现对信号更好的屏蔽效果，参见附图4所示，复电导率法使用的双通道数字传感器接线分配有单独的隔层，以保证对信号完全屏蔽。

在一实施例子中，隔层位于杆体内部，双通道数字传感器下方直到杆体末尾，其作用是为了确保复电导率法的信号线与地震波法的信号线隔开，既容易辨别又能屏蔽干扰。隔层使用金属网状编织层把信号线包裹起来，屏蔽层外面为绝缘层，即隔层内部线材由信号线+屏蔽层+绝缘层构成。隔层为杆件内部独立出来的空间，同样为金属材质。这个独立出来的空间用来存放复电导率法的传感器线材。

在具体安装时，钻孔数目为6组共12个，掌子面后方左右两侧各6个，呈对称式分布，钻孔高度1.5m，钻孔间距为5～7m，孔深即接收装置埋深为1.5～2m，距离掌子面最近的一组钻孔到掌子面的距离为15m。

在孔内布置能够实现两种超前预报方法所用的耦合接收装置，实现一孔多用，使得地震波法和复电导率法可以在同一孔中实现不更换接收装置的情况下，完成两种方法的先后探测与数据采集。

具体的，耦合接收装置为两种探测方法探头的组合，一种探头工作时，另一种探头保持静默关闭状态，两种探头的接线包裹有绝缘胶圈和金属线圈，以达到两种信号的互相屏蔽。接线的组成从内到外分别是信号线、屏蔽层、绝缘层。屏蔽层是用金属线圈编织层把信号线包裹起来的，绝缘层即绝缘胶圈。

实施例子二

本公开实施例子公开了利用上述耦合接收装置的TBM掘进隧洞精细化探测方法，本公开结合TBM实际工程应用，通过在掌子面后方左右两侧洞壁上各打一排数量相同的等间距钻孔，同时布置两种超前预报方法的耦合接收装置，实现一孔多用，使得地震波法和复电导率法可以在同一孔中实现不更换接收装置的情况下，完成两种方法的先后探测与数据采集。

同时在数据反演后的三维成像过程中，将复电导率法探测的掌子面前方100m含水构造作为约束条件，对地震波法探测的掌子面前方100m不良地质构造进行叠加和修正，实现TBM隧洞掌子面前方100m断层破碎带以及含水构造的复合探测与成像，从而实现掌子面前方不良地质构造精细化探测。

该方法大大减少钻孔数量，不仅节约了探测成本，更节省了探测时间，同时该方法避免了地震波法探查含水构造能力不足的问题以及复电导率法只能探查含水构造的单一性局限，实现了两种方法的最优组合。该复合探测方法不仅实现了最优搭配，并且可以相互验证，极大地提高了TBM隧洞超前预报的效率和准确率，是一种高效、准确、开创性的复合探测方法。

本公开的技术方案在后期的三维成像过程中，将复电导率法探测的成果作为约束条件，对地震波法的探测结果进行检验和修正，最终得到利用两种超前预报方法探测的综合处理结果。

在一实施例子中，上述TBM掘进隧洞精细化探测方法，具体的流程见附图1所示，包括：

步骤(1)：通过研究基于岩石电容率与电导率的复电导探水方法的内在机理与地震波法探测技术，建立统一的复合观测方式，包括钻孔间距、钻孔数目等。

在具体实施例子中，钻孔数目为6组共12个，掌子面后方左右两侧各6个，呈对称式分布，钻孔高度1.5m，钻孔间距为5～7m，孔深即接收装置埋深为1.5～2m，距离掌子面最近的一组钻孔到掌子面的距离为15m。

地震波法观测方式既可以选用***作为激发震源，也可以选用震源枪或者锤击的方式，选用***作为震源时，炮孔应安置在掌子面上，炮孔间距为1.5～3m，炮孔高度1.5m，埋深为2m。

步骤(2)：建立地震波法与复电导率法的耦合接收装置，使其可分别接收地震波信息与电磁波信息，实现两种探测方式的综合采集，且相互之间互不干扰。

耦合接收装置为两种探测方法探头的组合，一种探头工作时，另一种探头保持静默关闭状态。使得地震波法和复电导率法可以在同一孔中实现不更换接收装置的情况下，完成两种方法的先后探测与数据采集。

步骤(3)：通过复电导率方法获得掌子面前方100m的含水构造发育情况，并将其作为约束条件对地震波法反演结果进行修正，获得掌子面前方100m的不良地质体信息。

通过频域相干方法对复电导率法探测结果进行处理，对地震波法的探测结果采用常规反演方法进行反演成像，将复电导率法获得的含水构造分布图作为约束条件对地震波法反演结果进行叠加和校正，得到修正后的不良地质体成像信息。

在具体实施例子中，含水构造发育情况在具体的数据形态上为含水构造分布位置以及水量图。

反演结果分别为两种超前预报方法的反演结果，由于地震波法在预报隧道掌子面前方含水构造时有天然的劣势，因此对于前方含水情况可信度不高，通过复电导率法的反演结果，可以准确地掌握隧道掌子面前方100m左右的含水情况。因此通过复电导率法的反演结果对地震波法的反演结果进行修正，可以弥补地震波法对于预报含水构造的不足，使得隧道掌子面前方100m无论是破碎带、断层还是含水体都能得到准确的预报。

叠加及校正的过程即为分别对两种超前地质预报方法获得的数据进行反演，通过复电导率法获得的处理结果与地震波法获得的处理结果进行叠加，就可以掌握隧道前方精确距离的不良地质体分布，由于地震波法可以获得可信的断层以及破碎带分布，但是对于水体的探测效果往往不佳，使得结果不可信或者缺失，因此通过叠加复电导率法获得的含水体数据，就可以弥补地震波法在这方面的不足，叠加后对两种方法的反演结果进行详细的分析，修改地震波法中对于含水体探测不准确的地方，这样就可以得到可信的隧道掌子面前方100m不良地质体分布。

步骤(4)：对不良地质体信息进行三维可视化表达，将复合探测的反演结果进行三维空间展布，在可视化基础上进行区块化插值，实现复合探测方式下的三维网格构建，最终实现隧洞掌子面前方100m不良地质体的精细化成像。

在该实施例子中，该复合探测方法不仅可以得到不良地质体的精确信息，还可以得到地质偏移成像和围岩波速分布，从而反应掌子面前方的地质与构造特征、岩土介质的力学参数、完整性等关键指标。

在地震波法中各激发点到接受点的距离是确定的，震动引起的直达波到达接收器的时间可以测出,这样便可计算出岩体的波速。地震波法进行超前地质预报就是利用了地震波的走时计算距离。断层破碎带往往由于结构面发育，岩体松散、破碎或泥化而具有较差的力学性质。与此相对应，断层破碎带的岩体波速较之周围岩体要低很多。

在具体实施例子中，区块化插值拟采用Kriging插值，首先对地震波法反演结果进行三维成像，然后依据复电导率法的约束条件，对三维网格模型进行重构。

需要说明的是，地震波法在TBM上是有应用先例的，主要位于TBM刀盘后方进行相关的超前地质预报工作，本公开实施例子与TBM的结合与已有的地震波法与TBM的结合工作原理是相同的，属于现有技术，此处不再详细描述。

实施例子三

本公开实施例子公开了利用上述耦合接收装置的TBM掘进隧洞精细化探测***，所述***包括多个耦合接收装置，多个耦合接收装置将各自所采集的信号传输至控制单元，所述控制单元根据所采集的信号控制TBM动作。耦合接收装置的具体结构参见实施例子一，此处不再赘述，在实现TBM掘进隧洞精细化探测时，可优选的采用采用实施例子二中的TBM掘进隧洞精细化探测方法，当然，该***也可用实施例二之外的方法进行探测工作。

可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耦合接收装置，其特征是，所述装置包括依次连接的末尾段、连接段和传感器段，所述末尾段的一端悬空，另一端与连接段的一端首尾相连，所述连接段的另一端与传感器段的一端首尾相连，所述传感器段另一端位于钻孔底部；

所述连接段上中部分布有复电导率法使用的双通道数字传感器，所述传感器段的顶部安装有地震波法所使用的地震波传感器，双通道数字传感器接线分配有单独的隔层，隔层用于两种信号的互相屏蔽；

所述耦合接收装置使得地震波法和复电导率法可以在同一孔中实现不更换接收装置的情况下，完成两种方法的先后探测与数据采集。

2.如权利要求1所述的一种耦合接收装置，其特征是，所述依次连接的末尾段、连接段和传感器段在连接时，采用连接部实现相邻段的连接。

3.如权利要求1所述的一种耦合接收装置，其特征是，所述依次连接的末尾段、连接段和传感器段替换为：所述末尾段、连接段和传感器段为一体结构。

4.如权利要求1所述的一种耦合接收装置，其特征是，所述双通道数字传感器及地震波传感器不同时工作，由各自相应的开关控制其工作状态。

5.如权利要求1所述的一种耦合接收装置，其特征是，所述装置安装在隧道掌子面后方左右两侧的孔内，所述装置使用时将磁铁面向隧道掌子面。

6.如权利要求1所述的一种耦合接收装置，其特征是，所述双通道数字传感器及地震波传感器的探头的接线均包裹有绝缘胶圈和金属线圈。

7.TBM掘进隧洞精细化探测***，其特征是，所述***包括多个权利要求1-6任一所述的耦合接收装置，多个耦合接收装置将各自所采集的信号传输至控制单元，所述控制单元根据所采集的信号控制TBM动作。

8.TBM掘进隧洞精细化探测方法，其特征是，包括：

在掌子面后方左右两侧洞壁上分别安装权利要求1-6任一所述的耦合接收装置，地震波法和复电导率法分别在同一孔中实现不更换耦合接收装置的情况下，完成两种方法的先后探测与数据采集；

数据采集传输至控制单元，在数据反演后的三维成像过程中，将复电导率法探测的掌子面前方设定距离的含水构造作为约束条件，对地震波法探测的掌子面前方设定距离的不良地质构造进行叠加和修正，获得不良地质体信息，实现TBM隧洞掌子面前方设定距离断层破碎带以及含水构造的复合探测与成像。

9.如权利要求8所述的TBM掘进隧洞精细化探测方法，其特征是，对不良地质体信息进行三维可视化表达，将复合探测的反演结果进行三维空间展布，在可视化基础上进行区块化插值，实现复合探测方式下的三维网格构建，最终实现隧洞掌子面前方设定距离不良地质体的精细化成像。

10.如权利要求8所述的TBM掘进隧洞精细化探测方法，其特征是，所述含水构造发育情况在具体的数据形态上为含水构造分布位置以及水量图。

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