CN103603669A - 盾构隧道不良地质预报装置及隧道施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种盾构隧道不良地质预报装置及隧道施工方法，用于解决现有技术中隧道施工工期长、风险大的问题。盾构隧道不良地质预报装置包括一雷达系统，所述雷达系统包括信号发射器、发射天线和接受天线，所述信号发射器与所述发射天线连接，所述发射天线和所述接受天线均设置于盾构机的刀盘上；以及一信息处理终端，所述信息处理终端与所述雷达系统电连接。采用本发明所提供的盾构隧道不良地质预报装置和隧道施工方法，能够有效缩短施工工期、降低隧道施工成本并提高隧道施工的安全性。

Description

盾构隧道不良地质预报装置及隧道施工方法

技术领域

本发明涉及超前地质预报技术领域，尤其涉及一种盾构隧道不良地质预报装置及隧道施工方法。

背景技术

在盾构隧道施工过程中，工作面前向地质情况复杂多变，常常存在诸如：市政构建物、水包、气囊、废弃的基桩等不良地质。在传统的盾构隧道施工过程中，随着盾构施工的行进，当盾构受力突显异常时，说明盾构隧道工作面处的地质情况发生了突变，这时需要停止施工，打开盾构机的刀盘，将工作面暴露出来，然后在工作面上做进一步的地质探测和地质分析，根据对工作面处的地质分析结果再制定相适应的施工方案。

具体来说，在传统的隧道施工过程中，随着盾构的推进，在工作面上压力显示异常或者是盾构姿态突然变化后，根据施工经验判断是否遇到了不良地质；当人为判断工作面前向为不良地质时，需要停止盾构推进，对周边地层进行加固后，再在盾构刀盘钢板上切割出过人洞口，然后施工人员穿过洞口对工作面前向的地质性质和状况进行探测；接着，根据对工作面前向的地质性质和状况的地质探测结果，制定出合理的处理方案；接着，根据处理方案，如果需要的话，需要对工作面前的不良地质进行改造，而这里的不良地质改造工作往往需要在高压的工作环境下进行；接着，在完成不良地质改造后，需要将盾构刀盘的洞口密封焊接；接着，继续推进盾构，进行后续的隧道施工。

综上所述，在传统的隧道施工过程中，对于不良地质的探测以及改造过于被动，并且需要盾构停机才能对不良地质进行处理，盾构停机意味着隧道施工效率下降，施工周期会被拖长；而且对工作面前向不良地质进行处理时需要的附加工序多，如对刀盘钢板的切割开孔和密封焊接、地层加固等；另外，上述多数附加工序需要在高压的工作环境中进行的，恶劣的工作环境再加上工作面较高的失稳概率，都将大大降低隧道施工的安全系数。可见，传统的盾构隧道施工方法存在施工周期长，附加工序多，安全系数低以及因此而导致的施工成本上升的问题。

为此，有必要开发一种盾构隧道不良地质预报装置和隧道施工方法，提前对盾构隧道工作面前方的地质状况进行探测和识别，以保证盾构推进的连续性和安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种盾构隧道不良地质预报装置及隧道施工方法，以解决现有技术中不良地质处理引起的施工工期延长的问题，保证盾构隧道施工持续安全进行，从而实现缩短隧道施工工期，降低施工成本的目的。

为解决上述技术问题，本发明提供一种盾构隧道不良地质预报装置，包括：

一雷达系统，所述雷达系统包括信号发射器、发射天线和接受天线，所述信号发射器与所述发射天线连接，所述发射天线和所述接受天线均设置于盾构机的刀盘上；以及

一信息处理终端，所述信息处理终端与所述雷达系统电连接。

可选的，在所述盾构隧道不良地质预报装置中，所述信息处理终端中设置一信息处理系统，所述信息处理系统包括信号触发模块、信号收集模块、信号分析模块以及分析结果输出模块；所述信号触发模块与所述信号发射器连接，所述信号收集模块与所述接受天线连接，所述信号触发模块、所述信号收集模块、所述信号分析模块以及所述分析结果输出模块依次连接。

可选的，在所述盾构隧道不良地质预报装置中，所述刀盘具有一嵌入所述刀盘表面的保护盒，所述发射天线和所述接受天线均位于所述保护盒内，所述保护盒采用非金属材料。

可选的，在所述盾构隧道不良地质预报装置中，所述信息处理终端为一个人电脑。

可选的，在所述盾构隧道不良地质预报装置中， 所述雷达系统的有效探测距离为15m~50m。

相应的，本发明还提供一种隧道施工方法，包括如下步骤：

步骤a. 提供一盾构机，所述盾构机上设置有所述盾构隧道不良地质预报装置；

步骤b. 通过所述信息处理终端控制所述发射天线发射探测波，通过所述信息处理系统收集并分析所述接受天线接受到的反射电磁波，并将分析结果通过所述分析结果输出模块显示出来；

步骤c. 根据步骤b中的分析结果，判断盾构隧道工作面前向预定距离处的地质情况；

步骤d. 根据步骤c中的判断结果，针对所述预定距离处的地质情况制定相应的处理方案；以及

步骤e. 在所述预定距离处实施步骤d中的所述处理方案；

其中，在实施所述步骤b、步骤c、步骤d以及步骤e的同时，所述盾构机持续推进作业。

可选的，在所述隧道施工方法中，所述步骤c包括：

根据所述步骤b中的分析结果初判所述盾构隧道工作面前向预定距离处的地质情况：

若初判所述预定距离处的地质情况为不良地质时，利用钻孔探测设备在所述预定距离处进行钻孔探测；

在隧道施工影响范围内对比不同深度处的岩土的物理力学性质：

若某一深度处岩土的物理力学性质与相邻深度处的岩土的物理力学性质的差异超过预定范围时，判断所述预定距离处的地质为不良地质；

若某一深度处岩土的物理力学性质与相邻深度处的岩土的物理力学性质的差异在预定范围内时，判断所述预定距离处的地质为正常地质；以及

若初判所述预定距离处的地质情况为正常地质时，则判断所述预定距离处的地质为正常地质。

可选的，在所述隧道施工方法中，所述步骤d包括：

若所述预定距离处的地质为正常地质时，所述处理方案为不对所述预定距离处进行干预处理；

若所述预定距离处的地质为不良地质时：

若所述不良地质的物理力学性质高于相邻深度处岩土的物理力学性质时，所述处理方案为：对所述不良地质进行软化处理，使得位于隧道施工影响范围内的岩土的物理力学性质的差异限于预定范围内；

若所述不良地质的物理力学性质低于相邻深度处岩土的物理力学性质时，所述处理方案为：对所述不良地质进行加固处理，使得位于隧道施工影响范围内的岩土的物理力学性质的差异限于预定范围内。

可选的，在所述隧道施工方法中，所述软化处理为破碎处理或者置换处理。

可选的，在所述隧道施工方法中，所述加固处理为填充处理或者置换处理。

采用本发明所提供的盾构隧道不良地质预报装置及隧道施工方法，至少具有如下有益技术效果：

1. 缩短隧道施工工期：在盾构隧道不良地质预报装置中，雷达系统的发射天线和接受天线均设置于盾构机的刀盘上，在盾构机推进过程中，发射天线和接受天线也始终与工作面接触，雷达系统的探测可随盾构机的推进同步进行。也就是说，盾构机在推进的过程中，雷达系统即可实时探测和识别出工作面前向预定距离处的地质情况。盾构隧道不良地质预报装置的实时和超前探测功能为不良地质的优化处理赢得了时间和空间，保证了本发明的隧道施工方法在盾构机不用停止推进的条件下即可实现工作面前向不良地质的优化处理，从而大大缩短了隧道的施工工期。

2. 提高了隧道施工的安全性：在隧道施工过程中，采用不良地质超前预报系统，可以提前探测盾构隧道工作面前向预定距离处的地质情况，并对预定距离处的不良地质提前进行优化处理，避免了在盾构推进过程中因为不良地质的处理而导致工作面可能出现的塌方、涌水甚至人员伤亡等恶性事故，大大提高了盾构隧道施工的安全性。

3. 降低了隧道施工的生产成本，因为施工工期的缩短以及隧道施工安全性的提高，从而也有效降低了盾构隧道施工的生产成本。 

附图说明

图1为本发明一实施例的盾构隧道不良地质预报装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例的信息处理终端的结构示意图；

图3为本发明另一实施例的隧道施工方法的流程图；

图4为本发明另一实施例的隧道施工方法中步骤d中的隧道结构示意图。 

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的盾构隧道不良地质预报装置及隧道施工方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，本发明一实施例的盾构隧道不良地质预报装置100包括一雷达系统和一信息处理终端2，信息处理终端2和雷达系统电连接。其中雷达系统包括信号发射器11、发射天线12和接受天线13，信号发射器11与发射天线12连接，发射天线12和接受天线13均设置于盾构机3的刀盘31上。

通常，信息处理终端2为一个人电脑，在信息处理终端2中设置有信息处理系统21，用于触发雷达系统和收集分析雷达系统接受到的探测信号。如图2所示，信息处理系统21包括信号触发模块211、信号收集模块212、信号分析模块213以及分析结果输出模块214。信号触发模块211与信号发射器11连接，用于触发信号发射器11发射探测电磁波；信号收集模块212与接受天线13连接，用于收集接收天线13收到的反射电磁波；信号触发模块211、信号收集模块212、信号分析模块213以及分析结果输出模块214依次连接，信号触发模块211在触发信号发射器11发射探测电磁波的同时，触发信号收集模块212开始收集接收天线13收到的反射电磁波。

在上述盾构隧道不良地质预报装置100中，雷达系统的发射天线12和接受天线13均设置于盾构机3的刀盘31表面，即使盾构机3在推进过程中，发射天线12和接受天线13也始终与盾构隧道工作面A-A’接触，雷达系统对盾构隧道工作面A-A’前向地质情况的探测可跟随盾构机3的推进同步进行。也就是说，盾构机3在推进的过程中，雷达系统可以实时探测和识别盾构隧道工作面A-A’前向预定距离B处的地质情况。如果预定距离B处存在不良地质，则在盾构机3推进的同时，可以对预定距离B处进行必要的地质处理，从而避免了当盾构机3推进到预定距离B处因不良地质的处理而导致盾构机3不得不停机的状况，大大缩短了隧道的施工工期。预定距离B处与盾构隧道工作面A-A’之间的距离取决于雷达系统的有效探测距离。而雷达系统的有效探测距离跟其发射的探测电磁波的频率以及地质环境有关，通常，雷达系统的有效探测距离为15m~50m。

为了减小隧道施工的恶劣环境对雷达系统的影响，优选的，刀盘31具有一嵌入刀盘31表面的保护盒32，发射天线12和接受天线13均位于保护盒32内。雷达系统是通过发射探测电磁波和接受反射电磁波探测地质情况的，为了减小保护盒32对探测电磁波和反射电磁波的衰减效应，进一步拓展雷达系统的有效探测距离，优选的，保护盒32采用非金属材料。

此外，本发明还提供一种隧道施工方法。图3为本发明另一实施例的隧道施工方法的流程图。下面结合图1至图4，详细说明另一实施例的隧道施工方法的过程：

步骤a. 提供一盾构机3，盾构机3上设置盾构隧道不良地质预报装置100；

步骤b. 通过信息处理终端2控制发射天线11发射探测波，通过信息处理系统21收集并分析接受天线13接受到的反射电磁波，并将分析结果通过分析结果输出模块214显示出来；

具体来说，操作信息处理终端2中的信息处理系统21，通过信号触发模块211触发信号发射器11，信号发射器11产生探测电磁波并通过发射天线11向着盾构隧道工作面A-A’前向进行发射，探测电磁波经由前向不同的地质体的反射，会形成反射电磁波；信号触发模块211在触发信号发射器11的同时触发信号收集模块212，收集模块经过触发后会收集接受天线13收到的反射电磁波，并传递给信号分析模块213，信号分析模块213分析发射电磁波的波形、频率等特征可以得出相应的扫描图像，并将扫描图像以及相关数据通过结果输出模块显示出来。

步骤c. 根据步骤b中的分析结果判断盾构机3工作面A-A’前向预定距离B处的地质情况；

具体来说，根据所述步骤b中的分析结果初判预定距离B处的地质情况：

当从信息处理终端2的扫描图像上看，可以初判预定距离B处的地质情况为正常地质时，即判断预定距离B处的地质为正常地质。

当从信息处理终端2的扫描图像上看，初判预定距离B处的地质情况为不良地质时，为了对初判为不良地质的地质情况做出更为准确的判断，可以进行进一步的检测判断，例如利用钻孔探测设备在预定距离B处进行钻孔探测：在钻孔探测过程中对比不同深度处的岩土的物理力学性质，不同物理力学性质的岩土对钻头的作用效果不同，因此可以通过测试钻头在钻孔过程中所受到的压力、应力以及钻头的转速变化或者位移变化，间接分析钻头所在位置处的岩土的物理力学性质。

如果位于盾构隧道施工影响范围内（图中EFGH区域为影响盾构隧道施工的范围）的岩土的物理力学性质差异过大，容易发生隧道轴线较大偏离、盾构刀具磨损严重、盾构机下陷、涌水涌砂等事故。因此可以根据以往的施工经验，对相邻岩土的物理力学性质的差异设立一预定范围，当位于盾构隧道施工影响范围内的相邻岩土的物理力学性质差异超过预定范围时，具体来说，在盾构隧道施工影响范围内，当某一深度处岩土的物理力学性质与相邻深度处的岩土的物理力学性质的差异超过预定范围时，即可以判断预定距离B处的地质为不良地质；而当位于盾构隧道施工影响范围内的岩土的物理力学性质差异在预定范围内时，具体来说，在盾构隧道施工影响范围内，当某一深度处岩土的物理力学性质与相邻深度处的岩土的物理力学性质的差异在预定范围内时，即可以判断预定距离B处的地质为正常地质。

步骤d. 根据步骤c中的判断结果，针对预定距离B处的地质情况制定相应的处理方案；

具体来说，当判断预定距离B处的地质为正常地质时，不需要进行额外的干预措施；

当判断预定距离B处的地质为不良地质时，制定相应的处理方案，处理方案的宗旨是通过对不良地质的处理，使位于盾构隧道施工影响范围内的岩土的物理力学性质尽可能的接近，以避免在推进过程中因不良地质的阻碍而造成的盾构停机，保证隧道施工的连续安全进行。具体来说，依照不同的情况制定不同的处理方案：

当不良地质的物理力学性质高于相邻深度处岩土的物理力学性质时，说明位于隧道施工影响范围内的不良地质相对于相邻深度处的岩土更加坚硬，为此需要对不良地质进行软化处理，例如破碎处理或者置换处理，使得位于隧道施工影响范围内的岩土的物理力学性质的差异限于预定范围内；

当不良地质的物理力学性质低于相邻深度处岩土的物理力学性质时，说明位于隧道施工影响范围内的不良地质相对于相邻深度处的岩土更加松软或者薄弱（图1中的不良地质为溶洞地质），为此需要对不良地质进行加固处理，例如填充处理或者置换处理，使得位于隧道施工影响范围内的岩土的物理力学性质的差异限于预定范围内。

步骤e. 在预定距离处实施步骤d中的处理方案；

以不良地质为溶洞或者水包为例，实施步骤d中的处理方案，对于预定距离处的不良地质进行加固处理，例如在不良地质处填充与周围岩土性质接近的材料，图4为实施步骤d后的隧道结构示意图。

如上所述，盾构隧道不良地质预报装置100可以在盾构机3推进的过程中实时进行地质超前预报，因此在步骤b进行的同时，盾构机3可以保持持续推进作业，而步骤c、步骤d和步骤e都是在距离盾构隧道工作面A-A’前向预定距离的B处进行的，并不会影响盾构机3的作业，因此在步骤c、步骤d和步骤e的实施过程中，盾构机3同样可以保持持续推进作业。可见，在上述隧道施工方法中，盾构机3始终处于持续推进作业状态，不需要为了不良地质的探测和处理而停止，因此能够有效缩短隧道施工工期。

综上所述，采用上述盾构隧道不良地质预报装置以及隧道施工方法，可以有效缩短施工工期并大大降低施工成本，同时因为针对性的不良地质处理方案的实施，可以大大提高盾构隧道施工的安全性。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。         

Claims (10)

1.一种盾构隧道不良地质预报装置，其特征在于，包括：

一雷达系统，所述雷达系统包括信号发射器、发射天线和接受天线，所述信号发射器与所述发射天线连接，所述发射天线和所述接受天线均设置于盾构机的刀盘上；以及

一信息处理终端，所述信息处理终端与所述雷达系统电连接。

2.如权利要求1所述的盾构隧道不良地质预报装置，其特征在于，所述信息处理终端中设置一信息处理系统，所述信息处理系统包括信号触发模块、信号收集模块、信号分析模块以及分析结果输出模块；所述信号触发模块与所述信号发射器连接，所述信号收集模块与所述接受天线连接，所述信号触发模块、所述信号收集模块、所述信号分析模块以及所述分析结果输出模块依次连接。

3.如权利要求1所述的盾构隧道不良地质预报装置，其特征在于，所述刀盘具有一嵌入所述刀盘表面的保护盒，所述发射天线和所述接受天线均位于所述保护盒内，所述保护盒采用非金属材料。

4.如权利要求1所述的盾构隧道不良地质预报装置，其特征在于，所述信息处理终端为一个人电脑。

5.如权利要求1至4中任一项所述的盾构隧道不良地质预报装置，其特征在于， 所述雷达系统的有效探测距离为15m~50m。

6.一种隧道施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤a. 提供一盾构机，所述盾构机上设置一如权利要求1至5中任一项所述的盾构隧道不良地质预报装置；

步骤b. 通过所述信息处理终端控制所述发射天线发射探测波，通过所述信息处理系统收集并分析所述接受天线接受到的反射电磁波，并将分析结果通过所述分析结果输出模块显示出来；

步骤c. 根据步骤b中的分析结果，判断盾构隧道工作面前向预定距离处的地质情况；

步骤d. 根据步骤c中的判断结果，针对所述预定距离处的地质情况制定相应的处理方案；以及

步骤e. 在所述预定距离处实施步骤d中的所述处理方案；

其中，在实施所述步骤b、步骤c、步骤d以及步骤e的同时，所述盾构机持续推进作业。

7.如权利要求6所述的隧道施工方法，其特征在于，所述步骤c包括：

根据所述步骤b中的分析结果初判所述盾构隧道工作面前向预定距离处的地质情况：

若初判所述预定距离处的地质情况为不良地质时，利用钻孔探测设备在所述预定距离处进行钻孔探测；

在隧道施工影响范围内对比不同深度处的岩土的物理力学性质：

若某一深度处岩土的物理力学性质与相邻深度处的岩土的物理力学性质的差异超过预定范围时，判断所述预定距离处的地质为不良地质；

若某一深度处岩土的物理力学性质与相邻深度处的岩土的物理力学性质的差异在预定范围内时，判断所述预定距离处的地质为正常地质；以及

若初判所述预定距离处的地质情况为正常地质时，则判断所述预定距离处的地质为正常地质。

8.如权利要求7所述的隧道施工方法，其特征在于，所述步骤d包括：

若所述预定距离处的地质为正常地质时，所述处理方案为不对所述预定距离处进行干预处理；

若所述预定距离处的地质为不良地质时：

若所述不良地质的物理力学性质高于相邻深度处岩土的物理力学性质时，所述处理方案为：对所述不良地质进行软化处理，使得位于隧道施工影响范围内的岩土的物理力学性质的差异限于预定范围内；

若所述不良地质的物理力学性质低于相邻深度处岩土的物理力学性质时，所述处理方案为：对所述不良地质进行加固处理，使得位于隧道施工影响范围内的岩土的物理力学性质的差异限于预定范围内。

9.如权利要求8所述的隧道施工方法，其特征在于，所述软化处理为破碎处理或者置换处理。

10.如权利要求8所述的隧道施工方法，其特征在于，所述加固处理为填充处理或者置换处理。

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