一种盾构机综合地质预报方法

技术领域

本发明涉及地质预报的技术领域，尤其涉及一种盾构机综合地质预报方法。

背景技术

在隧道开挖施工过程中经常出现突发大规模塌方、冒顶、突水、涌泥等工程事故并诱发地表塌陷、地表水资源枯竭及地表生态环境等灾害。因此，如何准确大范围的预报施工掌子面前方是否存在断层破碎带、富水带及溶洞等不良地质就成为了隧道施工中解决的问题。

超前地质预报有多种探测方式：1)表面地质雷达探测方式：在掌子面上布置水平和竖直测线，将地质雷达紧贴掌子面沿测线移动进行探测，其适合于地层的精细测量，测量精度高，但是易受干扰，测量距离短；2)单孔探测方式：在掌子面上向前实施单个钻孔，将偶极子天线做无方向性探测，对钻孔周围的地层进行地质评价；3)跨孔探测方式：在掌子面上至少向前实施两个钻孔，分别放置发射天线和接收天线，对两孔之间的地层进行地质评价。单孔和多孔探测方式不能够实时探测，占用隧道施工时间长；且刀盘空间狭小，操作不便；对岩溶隧道布孔位置带有偶然性，在复杂地质条件下很难预测到掌子面前方的小断层和贯穿性地质；4)地震波探测方式，适合于围岩与目标层波阻抗差异较大的场合，探测距离大于100m，但测量精度稍差；5)激发极化法，适合于对含水断层和溶洞等水体构造的探测，但是探测距离短，掘进机掘进速度较快，短距离预报法无法较好的指导掘进机掘进，实现预期效果。

国内山东大学采用三维反演和水量估算方式，研究了地震波反射法三维观测系统的布置，采集数据的去噪，波速扫描对比分析，通过以上过程获得准确的成像波速，同时基于绕射扫描偏移叠加和共反射面元叠加成像原理，研究三维成像结果图示和解释方法，根据相关参数综合分析得出结果。此种地质预报方法存在以下缺点：1、对TBM有较大改动；2、电极多，与地接触情况不好保证；3、没有引入聚焦控制，聚焦效果不好保证。

华中科技大学提出了基于光纤电流传感的BEAM隧道超前地质预报方法，在BEAM综合法的基础上，通过在主轴承外缘安装光纤电流传感器，测出分布于主轴承内部的接触电流的大小，该方法同样依靠对视电阻的测量来判断前方的地质异常。此种地质预报方法存在以下缺点：1、光纤安装拆卸较为麻烦，且要求较高，可实施性低，2、光纤成本高，不利于产品的推广。

总之，各种方法都有利弊，没有一种万能的方法，考虑到地层的多解性，多种方法的结合可提高准确率。

发明内容

针对现有盾构机的地质预测方法结构复杂，准确性低，探测距离近的技术问题，本发明提出一种盾构机综合地质预报方法，解决单一预测方法的局限性，准确性低，探测距离近等问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种盾构机综合地质预报方法，其步骤如下：

步骤一：在盾构机上搭载地震波法和激电法的探测设备；

步骤二：综合预测：利用地震波法进行远距离的粗略探测，记录不同异常地质的位置信息；在掘进中，在盾构机距离掌子面前方的近距离区域利用激电法进一步验证异常地质的位置信息和介质的判断识别；

步骤三：地质预报的校准优化：在步骤二的地质预测结果和实际开挖地质不一致时，建立滚刀转速分布云图，结合刀盘中每组油缸的推力监测、出渣监测、盾构姿态和掘进速度得出前方实际的地质情况，基于实际的地质情况修正优化激电法中的地质预报评价标准表，得到地质解释评价标准表，并利用地质解释评价标准表进行地质预报。

所述地震波法的探测设备包括检波器，检波器布置在盾构机后侧的管片上，检波器与主机II相连接，主机II与上位机相连接；检波器接收震源向地层中发射的震动信号的反射波，主机II通过计算反射系数得出该位置是否是异常地质，通过对波形处理后得到反射面位置信息进而进行地质预报，并记录距离掌子面该异常地质的位置信息。

所述地震波法的震源在任意介质中传播声波，当声波传播到该介质I与另一介质II的分界面时，一部分产生反射，另一部分穿过界面折射继续在另一介质II中传播，反射系数表示为：

式中，R

所述激电法将聚焦电法和频域激电法相结合，将盾构机简化为导通连接的刀盘、盾体和主轴承，盾体处焊接检测的屏蔽电极A1，主轴承的开槽放置屏蔽电流检测电极A2；屏蔽电极A1和屏蔽电流检测电极A2连接到主控室的主机I，主机I通过滑环装置向刀盘供入恒流主电极A0，主机I与回流B电极相连接，回流B电极位于地面，回流B电极与恒流主电极A0、屏蔽电极A1、屏蔽电流检测电极A2构成电流回路；主机I通过检测屏蔽电流检测电极A2的电流I2的大小来调整屏蔽电极A1的屏蔽电流I1的输出大小，从而保证I2＝0，达到聚焦的目的；

在聚焦条件下通过检测电压和电流，计算出对应的视电阻率R和频域激电参数PFE分别为：

其中，R为视电阻率的参数，PFE为频域激电参数；电压U

所述激电法的地质预报评价标准为根据视电阻率R和频域激电参数PFE的曲线所在区间评价：频域激电参数PFE为正值，视电阻率R为高值，岩体较为完整；频域激电参数PFE为正值，视电阻率R为中低值，岩体含中低阻成分；PFE为负值，视电阻率R为高值，空洞；频域激电参数PFE为负值，视电阻率R为中值，溶洞填充中低阻介质或夹层；所述视电阻率的高值指100上下正负10％的范围，中值为80上下正负10％，低值为40上下正负10％。

所述步骤二中采用地震波法进行远距离的粗略探测，判断出异常地质的位置信息，记录不同异常地质距离掌子面前方的位置信息，异常地质的位置信息保存在上位机中，并对位置信息进行区域分类，将位置信息在0-30m范围内划分为区域一，在30-60m范围内划分为区域二，在60-90m范围内划分为区域三；区域一综合激电法进一步验证异常地质的位置信息和介质的判断识别；随着盾构机的掘进，以地震波探测的盾构机位置为基准0位置，掘进距离达到30m范围内后，区域二内的地质位置进入到区域一范围内，再次循环结合激电法进行地质信息预报；掘进距离达到60m，区域三内的地质位置进入到区域一范围内，再次循环结合激电法进行地质信息预报。

所述步骤三中地质预报的校准优化实现的方法为：

第一步：根据滚刀转速分布云图和刀盘中每组油缸的推力监测情况确定掌子面异常地质的方位：在异常位置前后范围内，监测滚刀转速分布云图的变化情况，看出掌子面不同区域下转速情况，滚刀转速分布云图结合不同区域油缸推力变化趋势判断出异常位置的具体方位；

第二步：异常地质方位确定后，结合滚刀转速分布云图变化趋势，综合该方位推力的变化趋势、掘进速度的变化和出渣监测的参数的变化，并根据该位置地层实际采集的视电阻率R和频域激电参数PFE，优化校准视电阻率R和频域激电参数PFE所对应的地质评价；

第三步：持续优化校准解释评价标准，校准综合地质预报方法中地质判断有所出入的情况，经过多次多地层的优化校准，提高综合地质预报方法的准确性。

所述第二步中：根据实际采集的视电阻率R和频域激电参数PFE及地质评价标准表对应得出异常地质信息；根据掘进机相关参数：推力大小的变化趋势、掘进速度的变化、出渣体积的测量和出渣石块的监测，得出实际的前方地质情况；基于实际的地质情况，修正优化地质评价标准表中对应地质，形成优化后的地质解释评价标准。

所述刀盘中每组油缸的推力监测、出渣监测、盾构姿态和掘进速度的计算方法为：

刀盘的推力F为：

式中，l表示推进油缸的个数，F

第i个推进油缸的推力F

式中，p

出渣监测包括渣土体积测量，采用二维激光传感器进行扫描测量，基于传送带建立XOY平面，且运行方向为Y轴、传送带垂直方向为X轴、渣土高度方向上为Z轴，随着传送带的运行，由激光传感器扫描测量不同渣土截面高度点云信息，并进行累加计算，得出一定时间段内的渣土体积；

盾构姿态为：以O

推进速度V为：V＝L*t；

式中，L表示推进油缸的平均行程，t表示推进时间；

且推进油缸的平均行程L为：

式中，L

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明地质预报方法可探测距离较远，可识别出异常地质的位置和介质，为正确选择开挖断面、支护设计参数和优化施工方案提供依据，指导盾构机施工的顺利进行；并为预防隧洞涌水、突泥、突气等可能形成的灾害性事故及时提供信息，使工程单位提前做好施工准备，保证施工安全，对隧洞中的超前预报对于安全科学施工、提高施工效率、缩短施工周期、避免事故损失、节约投资等具有重大的社会效益和经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明设备搭载的结构示意图。

图2为地震波原理示意图。

图3为基于视电阻率R和频率激电参数PFE的地质预报评价标准。

图4为视电阻率R和频率激电参数PFE的曲线图。

图5为本发明地质预报校准优化的流程图。

图6为盾构姿态的坐标示意图。

图7为盾构姿态的计算流程图。

图中，11为检波器，12为主机II，16为回流B电极，17为管片，21为刀盘，22为盾体，23为主轴承，24为滑环装置，25为主机I。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种盾构机综合地质预报方法，其步骤如下：

步骤一：在盾构机上搭载地震波法和激电法的探测设备。

如图1所示，地震波法震源以某种方式进行震动信号的发射，检波器11布置在管片17连接螺栓处，激励震源向地层中发射震动信号，激励震源通过各种方式产生，如敲击管片或声波发射器等方式产生激励震源。检波器11布置在盾构机侧后方，用于接收反射波。震源在任意介质中传播声波，当遇到波阻抗差异界面，例如断层、溶洞、破碎带及岩性变化界面时，一部分反射信号由布置在管片上的高灵敏度的检波器检测接收，计算反射系数，通过接收发射波信号的强度的大小得出该位置是否是异常地质，通过对波形处理后得到反射面位置信息进而进行地质预报，并记录距离掌子面该异常地质的位置信息。少部分反射信号由大地接收。地震波法有效的预报距离为60-100米。检波器11与主机II12相连接，主机II12将检波器11测量的信号进行汇总。

如图2所示地震波原理示意图，震源在任意介质中传播声波，当声波传播到该介质I与另一介质II的分界面时，一部分产生反射，另一部分穿过界面折射继续在另一介质中传播。反射系数可以表示为：

式中，R

因此波阻抗变化越大，反射系数越明显，预报辨识准确度越高。通过相关测试，岩体中的不良地质体——断层、溶洞、孤石等与岩体(土)相比，波阻抗差异较大，一般要比岩体小很多，因此不良地质体界面的反射系数一般比较大，其反射波易于识别。

地震波法的探测距离较远，但是对填充物的描述能力较差，在出现界面异常时无法分辨空洞、破碎带、岩溶及其填充物等进行准确识别；在异常地质位置下结合电法地质预报系统，可准确的判断区分出空洞、致密岩石、破碎岩石、泥沙、水等视电阻率差别较明显介质。

地质预报的激电法将聚焦电法和频域激电法相结合，以盾构机机体为电极向地层发射不同频率的交变电流。在聚焦作用下，测量电流深入掌子面前方地层，有效避免了侧后向电流的干扰。盾体处焊接有屏蔽电极，可屏蔽侧后方电流的干扰，发射到前方的电流可准确测量出异常地质的位置和介质。

将盾构机简化为刀盘21、盾体22(盾壳)和主轴承23三部分，这三部分导通连接，即刚性连接的导通，通过滑环装置24可以向前方供入主电极。主机I25通过滑环装置24向刀盘供入恒流主电极A0，盾壳处焊接检测的屏蔽电极A1，主轴承23的开槽放置线圈作为屏蔽电流检测电极A2；主机I通过检测屏蔽电流检测电极A2的电流I2的大小来调整屏蔽电极A1的屏蔽电流I1的输出大小，从而保证I2＝0，达到聚焦的目的。回流B电极是位于地面，回流B电极16与恒流主电极A0、屏蔽电极A1、屏蔽电流检测电极A2构成电流回路。回流B电极是为了与上述电极形成回路，位于地面的作用，是为了测量地层的信息，屏蔽掉盾构机结构件的影响。恒流主电极A0、屏蔽电极A1、屏蔽电流检测电极A2和回流B电极16连接到主控室的主机I25，在聚焦条件下通过放置在主控室的主机I。在聚焦条件下通过检测电压和电流，计算出对应的视电阻率R和百分比频率效应PFE的大小。

其中，R为视电阻率的参数，PFE为频域激电参数。电压U

建立解释体系与评价方法：岩体的含水性不同，电性和极化特征不同，频率响应也不同，表现为视电阻率参数和激电参数的差异。通过实时检测出目标层位的视电阻率和频域激电参数，即可实现对地层的含水特性及岩石完整性评价。

如图3所示，根据解释体系，设计岩石完整性评价标准，根据视电阻率R曲线和频域激电参数PFE所在区间解释评价：1、频域激电参数PFE为正值，视电阻率R为高值，岩体较为完整；2、频域激电参数PFE为正值，视电阻率R为中低值，岩体含中低阻成分；3、PFE为负值，视电阻率R为高值，空洞；4、频域激电参数PFE为负值，视电阻率R为中值，溶洞填充中低阻介质或夹层。具体实例中，如图3所示，视电阻率的高值指100上下正负10％的范围，中值为80上下正负10％，中低值为40上下正负10％，图3结合图4，在一段时间内视电阻率R和频域激电参数PFE不是固定的值，是有变化趋势的，故上述所指具体值得范围仅作为一个参考，具体还应根据图3和图4的结合进行介质的判断。

激电法是结合聚焦电法测井及复视电阻率测井的相关实现方法，提出一种变频激电法超前地质预报的实现方法：1、基于变频激电法，可以有效结合聚焦电法，电流流向更具方向性，测量结果更准确，有效的提高了探测深度；2、频域激电法有效地降低功耗、明显增强了对含水体的识别能力；3、电流控制聚焦法，设备与盾构机一体化设计，操作便捷、高效，不受主轴承接触电阻的影响；4、引入解释矩阵，理论与实际相结合，有效的提高解释评价结果。

步骤二：综合预测：利用地震波法进行远距离的粗略探测，记录不同异常地质的位置信息；在掘进中，在盾构机距离掌子面前方的近距离区域利用激电法进一步验证异常地质的位置信息和介质的判断识别。

首先采用地震波法进行远距离的粗略探测，其可以判断出异常地质的位置信息(掌子面前方距离D)，记录不同异常地质的D1、D2、D3等距离掌子面前方的位置信息，异常地质的位置信息保存在上位机中，并对其位置信息进行区域分类，将位置信息在0-30m范围内划分为区域一，在30-60m范围内划分为区域二，在60-90m范围内划分为区域三；区域一可综合激电法进一步验证异常地质的位置信息和介质的判断识别。随着盾构机的掘进，以地震波探测的盾构机位置为基准0位置，掘进距离达到L＝30m范围内后，区域二内的地质位置进入到区域一范围内，再次循环结合激电法进行地质信息预报。掘进距离达到L＝60m，区域三内的地质位置进入到区域一范围内，再次循环结合激电法进行地质信息预报。

地震波法利用掘进参数结合激电法进行地质预报，可准确且大范围的判断出大直径泥水盾构掌子面前方的具体异常地质情况信息。伴随着盾构机掘进参数信息，综合探测系统实现了实时探测，自动预警功能。

步骤三：地质预报的校准优化：在步骤二的地质预测结果和实际开挖地质不一致时，建立滚刀转速分布云图，结合刀盘中每组油缸的推力监测、出渣监测、盾构姿态和掘进速度得出前方实际的地质情况，基于实际的地质情况修正优化激电法中的地质预报评价标准表，得到地质解释评价标准表，并利用地质解释评价标准表进行地质预报。

声波法与激电法相互结合验证，提高了异常地质预报的准确性，但在综合地质预报某些情况下，会出现预报地质和实际开挖地质不一致的情况，因此，结合地质预报的校准优化，校准优化地质预报评价标准，使评价标准持续优化；大量的参数数据和大量实际开挖地质是解释评价标准校准优化依据，故校准优化使得解释评价标准准确率较高，进而进一步指导综合地质预报系统进行准确评价判断异常地质介质。

校准优化中包含有滚刀转速分布云图，刀盘中每组油缸的推力监测、出渣监测、盾构姿态、掘进速度；在地质预测结果和实际开挖地质不一致的情况下，如图5所示：

1、刀盘推力F的计算公式为：

式中，l表示推进油缸的个数，F

第i个推进油缸的推力F

F

式中，p

2、出渣监测包括渣土体积测量

采用二维激光传感器进行扫描测量，基于传送带建立XOY平面，运行方向为Y轴，传送带垂直方向为X轴，渣土高度方向上为Z轴，随着传送带的运行，由激光传感器扫描测量不同渣土截面高度点云信息，并进行累加计算，得出一定时间段内的渣土体积。

3、盾构姿态

如图6所示，O

4、推进速度V的计算公式为：

V＝L*t；

式中，L表示推进油缸的平均行程，t表示推进时间；

所述推进油缸的平均行程L的计算公式为：

式中，L

5、滚刀转速分布云图

滚刀转速传感器可以检测每把滚刀的实时转速，监测刀盘上所有滚刀转速情况，根据滚刀转速分布云图，并结合推力情况可先预判出异常地质的方位情况。

首先根据滚刀转速分布云图和刀盘中每组油缸的推力监测情况确定掌子面异常地质的方位：在异常位置前后范围内，监测滚刀转速分布云图的变化情况，可以看出掌子面不同区域下转速情况，滚刀转速分布云图结合不同区域油缸推力变化趋势，可判断出异常位置的具体方位。当某个方位的刀具转速和其他区域刀具转速有差异时，可初步判断出该方位前方出现异常地质，再结合该方位的推力大小，再次验证判断出该方位前方出现异常地质的情况。

第二步，异常地质方位确定后，结合滚刀转速分布云图变化趋势，该方位推力的变化趋势、掘进速度的变化和出渣监测；综合上述参数的变化，并根据该位置地层实际采集的视电阻率R和频域激电参数PFE，优化校准视电阻率R和频域激电参数PFE所对应的地质评价。根据实际采集的视电阻率R和频域激电参数PFE根据图3的地质评价标准表对应得出异常地质信息；根据掘进机相关参数：推力大小的变化趋势、掘进速度的变化、出渣体积的测量和出渣石块的监测，得出实际的前方地质情况，基于实际的地质情况，修正优化图3地质评价表，进一步提高综合地质预报的准确度。

当掌子面某方位区域的滚刀转速分布云图中的滚刀转速由正常转速降低，同时看该方位的油缸组推力变化呈现降低趋势、盾构机姿态呈现载头情况、出渣量变少，综合上述参量判断出该方位区域是小溶洞或是空腔溶洞。同时根据该方位采集的视电阻率R和频域激电参数PFE的值，查出视电阻率R和频域激电参数PFE所对应的地质解释评价标准中对应地质。地质解释评价标准表是根据多次实验得出的不同的视电阻率R和频域激电参数PFE的参数值对应的不同地质情况。根据实际判断地质情况，校准优化该地质评价标准表中对应地质，形成优化后的地质解释评价标准。激电法得出视电阻率R和激电参数PFE，根据优化后的地质解释评价标准表，对应得出异常地质的介质信息。

第三步：持续优化校准解释评价标准，结合校准单元可校准综合地质预报方法中地质判断有所出入的情况，经过多次多地层的优化校准，提高综合地质预报方法的准确性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。