一种智能感知预警系统、方法及预处理掘进方法

技术领域

本发明涉及隧道及地下工程施工领域，尤其涉及一种TBM应对极强岩爆不良地质的智能感知预警系统、方法及预处理掘进方法。

背景技术

近年来，我国隧道建设中采用全断面隧道掘进机TBM(Tunnel Boring Machine)施工的比例越来越高。TBM通常由主轴、刀盘、推进系统、甩土系统、控制系统和支撑系统等组成，通过在地下开挖一个环形隧道来移动自己，同时将岩石、土壤和其他材料从挖掘面上取出并运输到地面。TBM是一种利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩掘进，从而形成整个隧道断面的新型、先进的隧道施工机械。与传统的钻爆法施工相比，TBM具有掘进效率高、成洞质量高、围岩扰动小等优点。

随着我国高铁隧道不断修建开通，必然会穿越高海拔、高寒高原山区的岩爆不良地质。在隧道建设施工过程中，围岩级别为I类围岩中常发生岩爆，岩爆是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象。然而实践证明，常规敞开式TBM应对轻微、中等岩爆可以通过加强支护解决。而针对强岩爆和极强岩爆往往会造成TBM机械被卡、被埋甚至机械报废的严重事故，对现场施工人员人身安全构成威胁。同时由于TBM机械系统过于庞大，对地质条件的适应性较差，对复杂地质洞段岩爆问题的预处理不够灵活，现如今，开挖隧道工程地质条件越来越复杂，高应力、强岩爆隧道增多，传统的TBM及掘进方法应对岩爆问题存有很大局限性，因此研究并优化适用于TBM应对极强岩爆预警系统及预处理掘进措施具有重大意义。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种智能感知预警系统、方法及预处理掘进方法。本发明提供了一种智能感知预警系统，包括岩爆监测传感器、智能感知模块、预警控制器、通讯模块，所述智能感知模块分别与所述岩爆监测传感器、所述预警控制器、所述通讯模块相连，其中，

所述岩爆监测传感器：用于测量岩爆的微振动和弹性波信号，并将测量数据传输给所述智能感知模块；

所述智能感知模块：接收所述岩爆监测传感器传输的数据，使用深度学习算法处理所述岩爆监测传感器收集到的数据，并识别岩爆的类型和强度信息，并将分析结果发送给所述预警控制器；

所述预警控制器：根据所述智能感知模块的分析结果，控制TBM的运行状态并发出警报；

所述通讯模块：将所述智能感知模块的分析结果和警报信息传输给操作员。本发明公开了一种智能感知预警方法，包括以下步骤：

步骤一，将岩爆监测传感器和预警控制器安装在TBM的预留接口，利用微振动探测方法，在设定时间内持续监测掌子面设定范围内用于监测岩爆孕育过程岩体破裂而产生的弹性波；

步骤二，在TBM挖掘之前，对智能感知模块进行训练；

步骤三，将岩爆监测传感器采集的数据传输给智能感知模块，由智能感知模块对数据进行筛选、滤波和处理，去除噪声干扰，提取出岩石的弹性波信号，并对弹性波信号进行分析和处理；

步骤四，建立岩石弹性波信号的特征库，利用机器学习算法进行建模和训练，建立智能感知预警系统；

步骤五，将步骤四的智能感知预警系统与TBM的控制系统相连接；

步骤六，智能感知模块接收岩爆监测传感器传输的数据，并对数据进行分析，并根据分析结果发出警报，如果警报被触发，预警控制器将控制TBM的运行状态并发出警报信号；

步骤七：通讯模块将智能感知模块分析结果和警报信息传输给操作员，由操作员进行远程监控和控制。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤一中，将岩爆监测传感器和预警控制器安装在TBM的刀盘、护盾、后配套、电气液压系统的预留接口，利用微振动探测方法，24小时内持续监测掌子面前约10m范围内用于监测岩爆孕育过程岩体破裂而产生的弹性波,进行超前感知预测；

在所述步骤二中，所述智能感知模块使用深度学习算法，可以自动学习和识别不同类型的岩爆信号，并根据信号强度预测岩爆的规模和可能的危险程度。

本发明公开了一种预处理掘进方法，包括以步骤：

步骤1，进行地质勘探和安装智能感知预警系统；在掘进前，对隧道掘进段进行地质勘探，获取围岩的相关信息，并安装权利要求1所述的智能感知预警系统以实现对岩石岩爆的快速预警和及时控制；

步骤2，采用爆破、切割和注浆的处理方式对掘进段围岩进行预处理；

步骤3，进行超前地应力释放；

步骤4，在掘进过程中，采用被动防护措施对岩体进行加固和支护；

步骤5，在掘进过程中，根据实际掘进情况，及时采取强支措施；

步骤6，在掘进过程中，采用该智能感知系统实时监控系统，对掘进机和围岩的状态进行监测和预警。作为本发明的进一步改进，在所述步骤3中，具体包括：

步骤30，在TBM安装之前，通过超前应力释放孔，应力解除爆破；利用超前钻机在刀盘掌子面进行钻孔，并进行预裂爆破，通过钻孔加炸药进行应力释放，降低岩爆等级；

步骤31，TBM安装完成后，将刀具按照设定的间隔和角度进行布置，以实现超前地应力释放；将刀具沿着两个斜交的方向安装在TBM的刀盘上，使得刀具能够同时沿着不同的方向切削岩石，并通过电动机控制刀盘的转速和进给速度，实现超前地应力释放。

作为本发明的进一步改进，所述步骤31中，TBM刀盘的面板厚度为120mm，支撑筋板厚度为80mm，刀座筋板为60mm，大圆环厚度为100mm，刀盘整体厚度为1907.5mm。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤4中，所述被动防护措施包括：

刀具被动防护措施：在TBM的刀具上安装岩爆发生时用于吸收岩石碎片的刀具被动防护装置；

岩爆预警措施：在TBM的预留接口安装用于提前发现岩爆风险的岩爆预警系统；

围岩支撑措施：安装岩体覆盖物、防护钢板及防护网应对严重的岩爆事件；即在岩体上覆盖玻璃钢，TBM前端和顶部位置安装设定厚度的防护钢板，岩体表面安装防护网。

作为本发明的进一步改进，在所述岩爆预警措施中，所述岩爆预警系统包括应力监测系统、震动监测系统、视频监控系统，其中，

所述应力监测系统：通过测量岩体应力的变化，判断岩体的稳定性和是否存在岩爆风险；

所述震动监测系统：通过测量岩体震动的频率和振幅，判断岩体是否存在破碎和岩爆的情况；

所述视频监控系统：通过安装摄像头，对TBM设备周围的岩体进行实时监测和录像。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤5中，所述强支措施具体包括：

安装及时主动支护系统步骤：主动支护系统包括钢拱架、钢管片、液压缸、支架和液压泵，将钢拱架、钢管片和液压缸安装在TBM顶护盾下方，支架和液压泵安装在TBM控制室内；

应急喷混步骤：当岩爆发生时，TBM的控制系统自动启动应急喷混恢复围压系统，所述应急喷混恢复围压系统通过应急喷混机械手将喷混材料喷射到围岩上，以形成坚固壳体，抵抗岩爆压力；

安装支护系统步骤：采用锚加网加喷支护系统，所述锚加网加喷支护系统包括锚杆、锚板、钢丝网和喷浆机，即首先安装锚杆和锚板，然后固定钢丝网，最后喷浆机将水泥浆注入孔洞中，使其与钢丝网紧密结合。

作为本发明的进一步改进，在所述安装及时主动支护系统步骤中，采用可拆卸钢管片拼装装置安装和拆除钢管片，采用钢拱架拼装器安装钢拱架；该预处理掘进方法还包括采用可移动式格栅防护盾和/或可移动防护棚、以及防岩爆格栅护壳进行被动防护。

本发明的有益效果是：1.本发明的智能感知预警系统具有智能化、自动化、远程化和可调节灵敏度等独特和创新之处，可以有效提高岩爆监测的准确性和实时性，避免因岩爆造成的人员伤亡和设备损坏；2.本发明预处理掘进方法通过智能感知监测、预处理、超前地应力释放、被动防护和及时强支等措施，有效减少岩爆风险和掘进事故的发生；同时，采用实时监控系统，及时发现和处理掘进过程中的问题，保障掘进的安全和高效进行；3.本发明的预处理掘进方法提高了TBM的工作效率和安全性。

附图说明

图1是本发明的L1区喷混示意图；

图2是本发明TBM初支示意图；

图3是本发明超前应力释放示意图；

图4是本发明TBM掌子面预裂爆破孔布置图；

图5是本发明钢拱架拼装器结构图；

图6是本发明钢拱架结构图；

图7是本发明钢管片拼装装置结构图；

图8是本发明可移动防护棚示意图；

图9是本发明TBM机刀盘结构图；

图10是本发明X型刀盘示意图；

图11是本发明厚度增加的大法兰示意图；

图12是本发明智能感知预警系统原理框图。

具体实施方式

本发明公开的实现极强岩爆预处理的智能感知预警系统主要通过在TBM预留微震检测接口，进行实时智能监测与分析，提供直观的岩爆与岩爆防控信息。

本发明公开的实现极强岩爆预处理掘进方法的刀盘主要包括采用“X”型刀盘形式，并提升刀盘的整体厚度和高度、增强止口尺寸及螺柱数量及主驱动的针对设计，在注浆系统配合钢管片对塌方区域进行浇灌填充的同时利用支护系统进行及时强支；再超前应力释放孔进行主动应力释放达到解除爆破以及设置防岩爆格栅护壳进行远程操作达到被动防护的目的。本发明的预处理掘进方法可以有效地应对极强爆不良地质的掘进难题，提高TBM的工作效率和安全性。

如图12所示，本发明公开了一种智能感知预警系统，主要组成部分包括四个系统模块装置，岩爆监测传感器、智能感知模块、预警控制器、通讯模块，所述智能感知模块分别与所述岩爆监测传感器、所述预警控制器、所述通讯模块相连，其中，

岩爆监测传感器：用于测量岩爆的微振动和弹性波信号，并将测量数据传输给所述智能感知模块；

智能感知模块：接收所述岩爆监测传感器传输的数据，使用深度学习算法处理所述岩爆监测传感器收集到的数据，并识别岩爆的类型和强度信息，并将分析结果发送给所述预警控制器；

预警控制器：根据所述智能感知模块的分析结果，控制TBM的运行状态并发出警报；

通讯模块：将所述智能感知模块的分析结果和警报信息传输给操作员。

该智能感知预警系统为一种TBM应对极强岩爆不良地质的智能感知预警系统，该智能感知预警系统能够在TBM掘进过程中实时监测岩石的微振动信号，并利用弹性波探测技术进行分析和处理，从而实现对岩石岩爆的快速预警和及时控制，保障TBM设备和工人的安全。

TBM应对极强岩爆预警主要通过集成智能岩爆监测系统实现，TBM上预留微震检测接口，利用微振动探测方法，24小时持续监测掌子面前约10m范围内监测岩爆孕育过程岩体破裂而产生的弹性波，从而进行超前感知预测。采用参数预警及智能预警方法定量预测岩爆的区域和等级，并进行预警短信及报告的发布。智能感知系统界面提供掌子面桩号、预警时间、微震信息、岩爆等级率及防控措施建议，可提供直观的岩爆信息，为岩爆防控提供技术支撑。

本发明还公开了一种智能感知预警方法，包括以下步骤：

步骤一，预留接口；TBM上预留微震检测接口(在刀盘、护盾、后配套、电气液压系统上预留接口)，将岩爆监测传感器和预警控制器安装在预留接口，利用微振动探测方法，24小时持续监测掌子面前约10m范围内监测岩爆孕育过程岩体破裂而产生的弹性波，从而进行超前感知预测；岩爆监测传感器为多个高精度加速度传感器，该高精度加速度传感器能够实时感知岩石微振动信号，并将数据传输给数据采集器。微振动探测方法全称隧道岩爆微振动探测方法，是一种用于监测隧道开挖过程中岩爆事件的微小振动信号的技术。这种方法利用高灵敏度的振动传感器或监测设备，测量和记录隧道周围岩石在爆炸或岩体破裂时产生的微小振动信号。这些微振动信号可以包括低频到高频的振动波形和频谱信息。隧道岩爆微振动探测方法的基本原理是：当岩体受到应力集中或承受过大压力时，岩石内部的结构会发生破裂或破碎，从而引起微小振动。这些微振动信号可以通过振动传感器或监测设备捕捉到，并进行数据采集和分析。通过对微振动信号的监测和分析，可以了解岩体的稳定性、岩爆的发生与演化过程以及隧道工程的安全性。

步骤二，训练智能感知模块；在TBM挖掘之前，需要对智能感知模块进行训练，以便能够准确识别岩爆的类型和强度等信息，为此，需要使用大量的实验数据进行训练和验证，以提高模块的准确性。

步骤三，进行数据采集和处理；将岩爆监测传感器采集的数据传输给智能感知模块，由智能感知模块对数据进行筛选、滤波和处理，去除噪声干扰，提取出岩石的弹性波信号，并对弹性波信号进行分析和处理。岩爆监测传感器将不断采集岩爆的微振动和弹性波信号，这些数据都会传输给智能感知模块进行处理和分析。

步骤四，建立岩石弹性波信号的特征库，利用机器学习算法进行建模和训练，建立智能感知预警系统；该智能感知预警系统能够自动识别岩石岩爆的特征，进行快速预警，并根据预警信号的严重程度自动进行控制，减轻岩爆的影响，确保TBM设备和工人的安全。

步骤五，实时监控和控制；将步骤四的智能感知预警系统与TBM的控制系统相连接

步骤六，分析数据并发出警报；当智能感知模块接收到岩爆监测传感器传输的数据时，将对数据进行分析，并根据分析结果发出警报，如果警报被触发，预警控制器将控制TBM的运行状态并发出警报信号。

步骤七：通讯模块能够将智能感知模块分析结果和警报信息传输给操作员，由操作员进行远程监控和控制。

本发明公开的智能感知预警系统及方法能够快速、准确地预警并控制岩爆的发生，保障TBM设备和工人的安全，同时也能提高隧道掘进的效率和质量。

与传统的岩爆监测方法相比，本发明公开的智能感知预警系统具有以下几个独特和创新之处：①智能感知模块的应用。采用了智能感知模块，可以对传感器采集到的数据进行处理和分析。该模块使用深度学习算法，可以自动学习和识别不同类型的岩爆信号，并根据信号强度预测岩爆的规模和可能的危险程度。这种智能感知技术可以大大提高预警的准确性和实时性；②预警控制器的自动化控制。该系统还具有预警控制器，可以根据智能感知模块的分析结果自动控制TBM的运行状态，并发出警报。传统的岩爆监测方法需要人工判断岩爆的规模和可能的危险程度，并根据情况手动停止或调整TBM的运行状态。这种自动化控制可以提高预警响应的速度和准确性，并避免因人为因素造成的误判和延误；③通信模块的远程监控。该系统还配备了通信模块，可以将智能感知模块分析结果和警报信息传输给操作员。该通信模块还可以实现远程监控和控制，可以在TBM所在的地下隧道远离运营中心的情况下进行实时监测和控制；④可调节灵敏度的传感器。该系统使用可调节灵敏度的传感器进行监测，传感器可以根据不同的距离和岩石条件进行灵敏度调整，从而在不同条件下获得最佳的监测效果。

本发明还公开了一种预处理掘进方法，包括以步骤：

步骤1，进行地质勘探和安装智能感知预警系统；在掘进前，对隧道掘进段进行地质勘探，获取围岩的结构和性质等信息，并制定相应的施工方案。同时地质勘探也覆盖整个掘进段，并采用多种勘探手段，如钻孔、测量、地质雷达探测等。并安装本发明的智能感知预警系统以实现对岩石岩爆的快速预警和及时控制，即在TBM的刀盘、护盾、后配套、电气液压系统预留的接口安装岩爆智能传感器和预警控制器，利用微振动探测方法对极强岩爆微振动弹性波探测方法智能感知预警系统，能够快速、准确地预警并控制岩爆的发生。

步骤2，采用爆破、切割和注浆的处理方式对掘进段围岩进行预处理；其中，爆破方式采用分段控制的方式进行，以减小岩爆风险；切割方式使用硬质合金刀片，以确保切割效果和掘进速度；注浆方式选用高效固化材料，对岩体进行支护和加固，以提高围岩的强度和稳定性。在注浆过程中，需注意控制注浆压力和流量，确保注浆均匀和充分。

步骤3，进行超前地应力释放。在掘进过程中，根据地质勘探和实际掘进情况，及时采取超前地应力释放措施，以减少岩体应力集中和岩爆风险。通过超前应力释放孔，应力解除爆破。利用超前钻机在刀盘掌子面进行钻孔，并进行预裂爆破，通过钻孔加少量炸药进行应力释放，降低岩爆等级。采用独特的TBM刀具布置方式和刀具的实时调整切削参数，并实时监测岩石的状态和掘进参数，在岩爆发生前及时采取强制掘进措施。

步骤4，在掘进过程中，采用被动防护措施对岩体进行加固和支护，以减少岩体破碎和掘进机卡滞等事故的发生。具体措施包括：锚杆支护、网片喷锚、喷浆加固、衬砌支护等。主要包括安装岩爆预警系统，加强围岩支撑稳定和采用可移动式格栅防护盾、可移动防护棚。TBM可移动防护棚和可移动式格栅防护盾是两种不同的隧道施工设备，它们在TBM隧道开挖过程中用于提供安全保护和防护措施。可移动式格栅防护盾(Moveable GratingShield)是一种用于防护TBM刀盘和切削区域的设备。它由一系列金属格栅构成，可以移动和调整位置，以覆盖刀盘和切削区域。可移动式格栅防护盾的作用是阻挡和引导碎石和泥浆流出TBM切削区域，同时减少对周围环境的污染和对工作人员的伤害。

可移动防护棚和可移动式格栅防护盾在TBM隧道开挖中起到了不同的作用，可移动防护棚是为了保护工作人员和TBM机身，可移动式格栅防护盾则主要关注于刀盘和切削区域的防护。它们是相互独立的设备，但在实际应用中可能会同时使用，以提供全面的安全保护和防护措施。可移动防护棚如图8所示。

可移动式格栅防护盾通常由格栅结构(格栅通常呈现网格状或平行条形状)，具有足够的强度和稳定性，能够承受切削过程中产生的岩石碎片和泥浆的冲击。可移动式格栅防护盾包括支撑系统、移动装置(由滑轮、导轨、液压系统等组成，用于使格栅结构可以在需要时进行平移、升降或旋转。移动装置的设计使得格栅防护盾可以适应不同的切削条件和施工要求)、防护屏障等构成，通过其组合发挥防护作用。可移动式格栅防护盾通常安装在TBM的刀盘和切削区域，起到以下几个方面的防护作用：1.阻挡碎石飞溅：在TBM切削过程中，岩石会被刀盘切削成碎石，并带有泥浆。可移动式格栅防护盾位于切削区域的前方，能够有效阻挡碎石和泥浆飞溅出来，减少对周围环境和工作人员的伤害风险。2.引导碎石和泥浆流出：可移动式格栅防护盾上的金属格栅结构能够让碎石和泥浆通过，但同时也起到引导作用，使其沿着预定的路径流出切削区域。这样可以将碎石和泥浆控制在一定范围内，减少其扩散到其他区域的可能性。3.减少环境污染：通过引导碎石和泥浆流出并集中处理，可移动式格栅防护盾能够减少对周围环境的污染。这对于保护生态环境和维护施工现场的整洁非常重要。可移动式格栅防护盾的具体设计和使用方法可能会因不同的TBM型号和隧道工程要求而有所差异。在实际施工中，专业的工程师和技术人员会根据具体情况进行设计和安装，以确保可移动式格栅防护盾能够有效地起到防护作用，并提高施工安全性和环境保护水平。

防止岩爆的被动防护措施还包括采用防岩爆格栅护壳技术，防岩爆格栅护壳技术是用于隧道施工中防止岩爆的被动防护措施。主要是由格栅护壳(由坚固的金属材料制成的结构，通常采用钢材或合金材料。它具有特定的网孔大小和结构强度，以阻挡和捕获岩石碎片和岩爆物。)安装在TBM的主机区域，尤其是刀盘前方，与TBM机身固定，确保稳固，并与刀盘保持适当的距离，以允许切削作业进行。主要作用是阻挡和捕获岩石碎片，防止其进入TBM主机区域，从而保护刀盘和TBM的运行安全。格栅护壳通过其坚固的结构和适当的网孔大小，能够有效防止岩石碎片对TBM刀盘和其他关键部件的损坏，减少由于岩爆引起的意外事故发生。除了格栅护壳本身，还需要配备完善的系统来监测和维护格栅的状态。这包括网孔堵塞监测系统，用于及时检测和清理格栅上的堵塞物；岩石碎片清理和移除装置，用于清除和移除进入格栅的岩石碎片。

设置防岩爆格栅护壳技术以实现被动防护通常包括以下步骤和措施：

进一步的了解地质条件，在设计防岩爆格栅护壳之前，对隧道周围的地质条件进行详细的调查和评估。这包括确定岩性、节理发育情况、地应力分布等地质参数，以便更好地设计和选择合适的防护措施。

进一步的进行栅格设计，根据地质条件和设计要求，设计合适的防岩爆格栅护壳。格栅护壳通常由坚固的金属材料制成，具有适当的网孔大小和结构强度，以阻挡和捕获岩石碎片和岩爆物。

进一步的进行安装，将防岩爆格栅护壳安装在TBM的主机区域，特别是刀盘前方，以最大限度地阻挡和捕获岩石碎片。格栅护壳通常固定在TBM机身上，确保其稳固并与刀盘保持适当的距离，以允许切削作业进行。

进一步的再进行系统完善：除了格栅护壳本身，还需要配备完善的系统，包括网孔堵塞监测、岩石碎片清理和移除装置等。这些系统可以监测和处理格栅护壳上的网孔堵塞情况，及时清理和移除堵塞物，保持防护效果。

进一步的进行定期检查和维护：定期检查防岩爆格栅护壳的状况，并进行必要的维护和修复。这包括检查格栅的完整性、紧固件的状态，以及清理和维护相关系统。

步骤5，在掘进过程中，根据实际掘进情况，及时采取强支措施，以确保掘进机和人员的安全。具体措施包括：钢支撑加固、钻孔预拱、喷锚加固等。主要包括钢拱架拼装与拆除，高效“锚加网加喷”支护系统，快速封闭围岩，及时主动支护，应急喷混恢复围压。

步骤6，在掘进过程中，采用该智能感知系统实时监控系统，对掘进机和围岩的状态进行监测和预警，并及时采取措施，以确保掘进的安全和顺利进行。

在所述步骤3中，所述超前地应力释放主要包括以下步骤：

步骤30，在TBM安装之前，通过超前应力释放孔，应力解除爆破；利用超前钻机在刀盘掌子面进行钻孔，并进行预裂爆破，通过钻孔加炸药进行应力释放，降低岩爆等级。

步骤31，TBM安装完成后，采用独特的TBM刀具布置方式，将刀具按照一定的间隔和角度进行布置，以实现超前地应力释放；将刀具沿着两个斜交的方向安装在TBM的刀盘上，使得刀具能够同时沿着不同的方向切削岩石，并通过电动机控制刀盘的转速和进给速度，实现超前地应力释放。

在所述步骤4中，所述被动防护措施包括：

刀具被动防护措施：在TBM的刀具上安装岩爆发生时用于吸收岩石碎片的刀具被动防护装置，以保护刀具免受岩石碎片的撞击和磨损，延长刀具的使用寿命；当岩爆发生时，岩石碎片会被吸收到刀具被动防护装置的护罩内，避免碎片对TBM造成损害，同时防止碎片飞出伤人。

岩爆预警措施：在TBM的预留接口安装用于提前发现岩爆风险的岩爆预警系统；岩爆预警系统的组成部分包括：应力监测系统；通过测量岩体应力的变化，判断岩体的稳定性和是否存在岩爆风险。震动监测系统；通过测量岩体震动的频率和振幅，判断岩体是否存在破碎和岩爆的情况。视频监控系统；通过安装摄像头等设备，对TBM设备周围的岩体进行实时监测和录像，以便在发生事故时进行事后分析和处理。通过监测岩体应力、震动等指标的变化，掌握地质条件和岩体稳定性变化，减少岩爆对TBM设备的影响，需要在TBM设备上安装岩爆预警系统，提前发现岩爆风险，及时采取相应的措施，确保TBM设备和工作人员的安全。

围岩支撑措施：对于严重的岩爆事件，加强围岩支撑系统，包括安装岩体覆盖物、防护钢板及防护网；通过以下三种方式结合使用，以达到最佳的防护效果。安装岩体覆盖物：通过在岩体上覆盖一层特殊材料，如玻璃钢等，来减少岩体爆炸产生的冲击波对TBM设备的影响。安装防护钢板：在TBM前端和顶部位置，安装一定厚度的防护钢板，以减缓岩体爆炸对TBM设备的冲击，同时可以有效地保护TBM的前部刀盘。安装防护网：在岩体表面安装防护网，以减缓岩体破碎时碎片对TBM设备的影响。

进一步的，在TBM进行施工前，需要对刀具被动防护装置进行充分的测试和调试，确保其能够在岩爆事件中发挥应有的作用。在主机区域的可移动式格栅防护盾，由人员在防护下远程遥控操作，后配套增加岩爆防护网，保证后配套作业人员的安全。

在所述步骤5中，所述及时强支措施主要包括：①及时主动支护，应急喷混恢复围压。如图1、2所示，在L1区配置2台应急喷混机械手，围岩一出盾体能及时快速封闭围岩，最大的喷浆量为20m

在所述步骤5中，所述强支措施具体步骤如下：

安装及时主动支护系统步骤：主动支护系统包括钢拱架、钢管片、液压缸、支架和液压泵，将钢拱架、钢管片和液压缸安装在TBM顶护盾下方，支架和液压泵安装在TBM控制室内。

应急喷混步骤：当岩爆发生时，TBM的控制系统自动启动应急喷混恢复围压系统，所述应急喷混恢复围压系统通过应急喷混机械手将喷混材料喷射到围岩上，以形成坚固壳体，抵抗岩爆压力；喷混材料包括水泥、砂浆和快速硬化材料。在L1区配置2台应急喷混机械手，围岩一出盾体能及时快速封闭围岩；同时在主机区域配置一套超期注浆系统配合钢管片对塌方区域进行填充。这些喷混材料将被喷射到围岩上，形成一个坚固的壳体，以抵抗岩爆带来的巨大压力，实现及时主动支护，恢复围压。

安装支护系统步骤：采用锚加网加喷支护系统，所述锚加网加喷支护系统包括锚杆、锚板、钢丝网和喷浆机，即首先安装锚杆和锚板，然后固定钢丝网，最后喷浆机将水泥浆注入孔洞中，使其与钢丝网紧密结合。这将形成一个坚固的支护体系，有效地保护TBM和工人的安全。在TBM隧道开挖锚加网加喷支护系统中，锚杆和锚板是用于加固和支撑周围岩体的重要组成部分。它们的安装位置通常是在已经开挖的孔洞中。具体来说，安装锚杆是通过在孔洞内部插入钢制杆件，并在孔洞周围注入固化材料(如混凝土或树脂)来形成稳定的锚固。锚杆通常由钢筋或螺纹钢制成，具有一定的长度和直径，以确保足够的承载能力和抗拉强度。而安装锚板则是将钢制或预应力混凝土制成的板状构件固定在孔洞壁面上，与锚杆相连接，形成坚固的支撑结构。锚板的作用是承受来自岩体的压力，并将其传递到锚杆上，以增强周围岩体的稳定性。

进一步的，当岩爆风险降低时，将使用另一个系统来移除及时主动支护系统和高效“锚加网加喷”支护系统。移除过程应该注意保护TBM和工人的安全。

本发明公开的预处理掘进方法中，本发明设计了一种TBM刀具的独特设计和布置方式。本发明针对极强岩爆的刀盘结构设计主要包括以下内容：

采用更优材料和重型刀盘体抵抗掌子面岩爆以提高刀盘抗震能力。为了提高刀盘抗震能力，相对常规TBM刀盘，增加了面板9、背板13、刀座筋板4、支撑筋板5、大圆环板厚，增加了刀盘体整体高度刀盘面板厚度为100mm，支撑筋板厚度为80mm，刀座筋板厚度为60mm，大圆环厚度为100mm，刀盘整体厚度为1907.5mm，相较常规刀盘，面板厚度提升30mm，提升率为33.3％，支撑筋板厚度提升30mm，提升率为60％，刀座筋板厚度提升10mm，提升率为20％，大圆环厚度提升20，提升率为25，整体厚度提升157.5mm，提升率为9％，极大提升了刀盘的强度和刚度。TBM机刀盘结构如图9所示，TBM刀盘还包括外周刀箱筋板6，后锥板7，刀盘后背板8。

进一步的，如图11所示，为了提高刀盘与主轴连接的稳定性，为了增强刀盘与主轴3连接的刚度和承载能力以应对更大的切削力和转矩从而增加大法兰2的厚度，相比常规TBM，本发明的大法兰2厚度增至220mm。本发明中，主轴的台阶厚度h增加10mm，同时采用双排M48螺柱拉拔预紧大法兰2和主轴。

进一步的，对主驱动针对性设计。为提高主驱动结构的抗冲击能力，采用大轴承，双排圆柱滚子，承载能力大、偏载能力强、抗冲击性能好。刀盘和主驱动由“螺柱+螺栓”改为双排螺柱，并优化螺柱分布和数量。

如图10所示，本发明的刀盘采用“X”形布置方式进行设计，以应对极强岩爆。在传统的TBM中，刀具通常是沿着TBM旋转方向布置的。本发明刀具的布置方式采用了一种类似于“X”字形的布置方式，将刀具沿着两个斜交的方向安装在TBM的刀架上，使得刀具能够同时沿着不同的方向切削岩石。这种布置方式可以在岩爆发生后迅速加强掘进的支护能力，防止掘进机受到过大的挤压和摩擦力，从而保证隧道掘进的安全和进度。为了保证刀具的布置和安装精度，需要使用高精度的机械和测量工具。

进一步的，调整刀具的切削参数。根据不同的地质条件和掘进需求，需要调整刀具的切削参数，如切削深度、进给速度、转速等，以达到最优的掘进效果和支护能力。

进一步的，实时监测岩石的状态和掘进参数。在掘进过程中，需要实时监测岩石的状态和掘进参数，如岩石应力、岩体位移、刀具磨损情况等，以及及时调整刀具的切削参数和支护措施，以保证掘进的安全和进度。

进一步的，在岩爆发生后及时采取强支掘进措施。当岩爆发生后，需要及时采取强支掘进措施，如增加支护措施、调整刀具切削参数等，以防止掘进机受到过大的挤压和摩擦力，从而保证掘进的安全和进度。

采用以下步骤实现X型刀盘的实施工作步骤：

1.在前期对X刀盘进行准备，在开始TBM刀盘的实施之前，需要进行详细的工程设计和准备工作。这包括确定切削需求、地质勘探和评估、确定刀具规格和类型、制定刀盘组装计划等。

2.X型刀盘组装，根据设计要求和制定的计划，将TBM刀盘进行组装。这包括将刀具安装在刀盘上，并根据需要调整和安装刀盘止口、螺柱等配件。

3.实现刀盘安装，完成刀盘组装后，将刀盘安装到TBM机身上。这通常需要使用起重设备和专用工具来将刀盘准确地安装到TBM机身上的刀盘座位上，并进行适当的固定和校准。

4.进行刀盘调试，安装完刀盘后，进行刀盘的调试和测试。这包括检查刀具的安装质量、调整刀盘的平衡性、检查刀盘的旋转和切削性能等。通过适当的调整和测试，确保刀盘能够正常运行并满足设计要求。

5.进一步的运行工作，一旦刀盘调试完成并通过验收，TBM可以开始正式的隧道施工。在施工过程中，刀盘将持续进行切削作业，切削岩石并推进隧道。

6.进一步的进行定期维护：随着施工的进行，TBM刀盘需要进行定期的维护和保养，以确保其良好的工作状态和切削性能。这包括刀具更换、刀盘清洁、润滑和检查等。

本发明刀盘设计的独特和创新之处在于极强岩爆不良地质采用了增强刀盘强度的独特设计和“X”字形的刀具布置方式，在岩爆发生后能够及时加强掘进的支护能力，保证掘进的安全和进度。与现有的专利相比，本发明刀盘具有以下优点：①采用针对的刀盘设计，能够极大的提高刀盘的强度和刚度，增加刀盘应对极强岩爆的掘进能力和效率，也增加了使用寿命；②采用独特的刀具布置方式，能够在岩爆发生后迅速加强掘进的支护能力；③针对不同的地质条件和掘进需求，可以灵活调整刀具的切削参数，以达到最优的掘进效果和支护能力；④通过实时监测岩石的状态和掘进参数，能够及时调整刀具的切削参数和支护措施，保证掘进的安全和进度。

本发明技术效果如下：

1.实时智能监测与分析：智能感知预警系统通过预留微震检测接口，实现对极强岩爆的实时监测与分析，可以提供直观的岩爆与岩爆防控信息，从而提高掘进的安全性；

2.提高掘进机刀盘的整体厚度和高度：采用“X”型刀盘形式，并提升刀盘的整体厚度和高度，可以提高刀盘的承载能力和稳定性，从而提高掘进的效率；

3.强化止口的尺寸和螺柱数量：增强止口尺寸及螺柱数量，可以提高止口的承载能力和稳定性，从而进一步提高掘进的安全性和效率；

4.利用注浆系统配合钢管片对塌方区域进行浇灌填充：在注浆系统配合钢管片对塌方区域进行浇灌填充的同时利用支护系统进行及时强支，可以防止掘进过程中出现塌方的情况，从而保障掘进的安全性；

5.超前应力释放孔进行主动应力释放：通过超前应力释放孔进行主动应力释放，可以达到解除爆破的效果，从而进一步提高掘进的安全性；6.设置防岩爆格栅护壳进行远程操作达到被动防护：设置防岩爆格栅护壳进行远程操作达到被动防护，可以进一步提高掘进的安全性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。