CN108798690B - 实现地质探测的组合式tbm及地质探测掘进方法 - Google Patents

Abstract

一种实现地质探测的组合式TBM及地质探测掘进方法，涉及隧道及地下工程施工领域。实现地质探测的组合式TBM包括超前TBM和扩挖TBM，扩挖TBM包围在超前TBM外侧，超前TBM上搭载有探地雷达装置、地质钻机、声波探测装置、微震监测装置，超前TBM开挖能直接揭露隧道掌子面前方地质情况，且超前TBM上可搭载各种超前地质探测装备，既能预报超前TBM掌子面前方地质情况，又能预报扩挖TBM掌子面前方的地质环境。地质探测掘进方法在开挖时进行多种超前地质探测，准确预报隧洞掌子面前方及周围的工程地质、水文地质结构，从而有效避免TBM施工工程地质灾害，确保施工安全，加快进度，节约成本。

Description

实现地质探测的组合式TBM及地质探测掘进方法

技术领域

本发明涉及隧道及地下工程施工领域，具体而言，涉及一种实现地质探测的组合式TBM(Tunnel Boring Machine，全断面隧道掘进机)及地质探测掘进方法。

背景技术

目前，隧道及地下工程施工中地质灾害防治工作是一项急待解决的技术难题，深埋隧洞的深埋条件决定了其地质条件的复杂程度，相应的勘察难度也较大，超前地质预报是解决此项技术难题的关键技术之一。超前地质预报是指在隧洞开挖前及施工过程中对隧洞周围及掌子面前方的地质情况进行探测，识别和预测隧洞掌子面前方及周围的工程地质、水文地质结构，提供准确的断裂带、含水带及岩体工程类别等地质参数。超前地质预报能有效地避免工程地质灾害、减少处治费用、确保施工安全和进度，节约成本。

随着我国广泛开展隧道建设，采用TBM施工的比例越来越高，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。但TBM对地质条件的适应性较差，在岩爆洞段，TBM会被迫直接接触高强度的岩爆，往往会造成TBM机械被卡、被埋甚至机械报废的严重事故。虽然采用超前地质预报技术能提前探明周围围岩洞壁及掌子面前方的地质情况，便于及时采取灾害防治措施，预防灾害事故的发生，能有效降低TBM在掘进工作时遭遇灾害事故的风险，而且针对钻爆法施工隧道的超前地质预报技术已较为成熟，但搭载于TBM上的超前地质预报技术还有待研究。这主要是应为TBM机械系统过于庞大，搭载于庞大TBM上的超前地质预报装备的预报结果不理想，在实施的灵活性、预报距离和预报准确性方面也存在较大局限。

如今在隧道等工程中，工程地质条件越来越复杂，研究并优化搭载于TBM上的超前地质探测技术成为必然，有鉴于此，设计出适用于TBM的超前地质探测方法成为必然。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现地质探测的组合式TBM，其实现超前TBM与扩挖TBM组合开挖形式，超前TBM开挖能直接揭露隧道掌子面前方地质情况，且超前TBM上可搭载各种超前地质探测装备，既能预报超前TBM掌子面前方地质情况，又能预报扩挖TBM掌子面前方的地质环境。

本发明的另一目的在于提供一种地质探测掘进方法，在开挖时进行多种超前地质探测，准确预报隧洞掌子面前方及周围的工程地质、水文地质结构，提供准确的断裂带、含水带及岩体工程类别等地质参数，从而有效避免TBM施工工程地质灾害，确保施工安全，加快进度，节约成本。

本发明的实施例是这样实现的：

一种实现地质探测的组合式TBM，其包括掘进方向相同的超前TBM和扩挖TBM，超前TBM沿组合式TBM的中轴线设置，扩挖TBM包围在超前TBM外侧，超前TBM和扩挖TBM之间预留间隙，超前TBM上搭载有用于对掌子面前方的地质进行探测的探地雷达装置，用于对掌子面钻掘探测孔的地质钻机，用于对前方和周围的岩体进行声波测试的声波探测装置，用于对围岩进行微震监测的微震监测装置。

在本发明较佳的实施例中，上述探地雷达装置包括通过光纤连接的雷达天线和雷达主机，雷达天线发射信号并采集掌子面前方地质体的回波信号，并通过光纤传输给雷达主机。

在本发明较佳的实施例中，上述地质钻机包括钻杆和电机，电机驱动钻杆转动，对掌子面或围岩钻掘探测孔。

在本发明较佳的实施例中，上述声波探测装置包括相互连接的声波探头和处理器，声波探头可以布置于探测孔内并激发和接收声波信号，声波探头将接收的声波信号传输给处理器。

在本发明较佳的实施例中，上述微震监测装置包括相互连接的微震传感器和信号采集处理系统，微震传感器可以布置于探测孔内并接收微震源形成的声发射信号，微震传感器将接受的声发射信号传输给信号采集处理系统。

在本发明较佳的实施例中，上述扩挖TBM的掘进面包围在超前TBM的掘进面的外侧，超前TBM的刀盘Ⅰ呈圆盘形，扩挖TBM的刀盘Ⅱ呈圆环形，扩挖TBM的刀盘Ⅱ包围在超前TBM的刀盘Ⅰ的外侧。

在本发明较佳的实施例中，上述超前TBM包括沿掘进方向连接设置的刀盘Ⅰ和旋转驱动Ⅰ，以及推进油缸Ⅰ，刀盘Ⅰ上安装有刀具，旋转驱动Ⅰ用于驱动刀盘Ⅰ旋转破岩，推进油缸Ⅰ用于推进刀盘Ⅰ；

扩挖TBM包括沿掘进方向连接设置的刀盘Ⅱ和旋转驱动Ⅱ，以及推进油缸Ⅱ，刀盘Ⅱ上安装有刀具，旋转驱动Ⅱ用于驱动刀盘Ⅱ旋转破岩，推进油缸Ⅱ用于推进刀盘Ⅱ。

在本发明较佳的实施例中，上述超前TBM还包括设置于旋转驱动Ⅰ外侧的外机架Ⅰ和设置于外机架Ⅰ后方的外机架上撑靴Ⅰ，推进油缸Ⅰ的两端分别连接外机架Ⅰ和外机架上撑靴Ⅰ；

扩挖TBM还包括设置于旋转驱动Ⅱ外侧的外机架Ⅱ和设置于外机架Ⅱ后方的外机架上撑靴Ⅱ，推进油缸Ⅱ的两端分别连接外机架Ⅱ和外机架上撑靴Ⅱ。

在本发明较佳的实施例中，上述刀盘Ⅰ后设置有铲斗Ⅰ用于铲起经刀盘Ⅰ破碎的岩渣，铲斗Ⅰ下方设置有皮带运输机Ⅰ用于将岩渣输送出去；

刀盘Ⅱ后设置有铲斗Ⅱ用于铲起经刀盘Ⅱ破碎的岩渣，铲斗Ⅱ下方设置有皮带运输机Ⅱ用于将岩渣输送出去。

一种基于上述的实现地质探测的组合式TBM的地质探测掘进方法，其包括以下步骤：

S1、将超前TBM和扩挖TBM的掘进面齐平并对准待开挖洞室位置；

S2、固定扩挖TBM的位置，启动超前TBM，使超前TBM向前掘进一个行程，停止超前TBM，在超前TBM掘进的过程中，启动探地雷达装置，对掌子面前方的地质进行探测；

S3、先启动地质钻机，在掌子面钻掘多个探测孔，再启动声波探测装置，对前方和周围的岩体进行声波测试，启动微震监测装置，对围岩进行微震监测，从而预报掌子面前方和周围的地质情况；

S4、若地质情况允许继续开挖，启动扩挖TBM，使扩挖TBM向前掘进一个行程；

S5、重复步骤S1-S4，直至完成洞室开挖。

本发明实施例的有益效果是：本发明实施例的实现地质探测的组合式TBM包括掘进方向相同的超前TBM和扩挖TBM，超前TBM沿组合式TBM的中轴线设置，扩挖TBM包围在超前TBM外侧，超前TBM和扩挖TBM之间预留间隙，超前TBM上搭载有用于对掌子面前方的地质进行探测的探地雷达装置，用于对掌子面钻掘探测孔的地质钻机，用于对前方和周围的岩体进行声波测试的声波探测装置，用于对围岩进行微震监测的微震监测装置，该实现地质探测的组合式TBM实现超前TBM与扩挖TBM组合开挖形式，超前TBM开挖能直接揭露隧道掌子面前方地质情况，且超前TBM上可搭载各种超前地质探测装备，既能预报超前TBM掌子面前方地质情况，又能预报扩挖TBM掌子面前方的地质环境。本发明实施例的地质探测掘进方法在开挖时进行多种超前地质探测，准确预报隧洞掌子面前方及周围的工程地质、水文地质结构，提供准确的断裂带、含水带及岩体工程类别等地质参数，从而有效避免TBM施工工程地质灾害，确保施工安全，加快进度，节约成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种实现地质探测的组合式TBM在超前TBM工作时的结构示意图；

图2为图1所示的实现地质探测的组合式TBM在使用探地雷达装置时的结构示意图；

图3为图1所示的实现地质探测的组合式TBM在使用地质钻机时的结构示意图；

图4为图1所示的实现地质探测的组合式TBM在使用声波探测装置的结构示意图；

图5为图1所示的实现地质探测的组合式TBM在使用微震监测装置的结构示意图；

图6为图5中微震监测装置的原理结构示意图。

图标：100-组合式TBM；110-超前TBM；111-刀盘Ⅰ；112-旋转驱动Ⅰ；113-推进油缸Ⅰ；114-外机架Ⅰ；115-外机架上撑靴Ⅰ；116-铲斗Ⅰ；117-皮带运输机Ⅰ；120-扩挖TBM；121-刀盘Ⅱ；122-旋转驱动Ⅱ；123-推进油缸Ⅱ；124-外机架Ⅱ；125-外机架上撑靴Ⅱ；126-铲斗Ⅱ；127-皮带运输机Ⅱ；130-可伸缩式护盾；137-油压缸；138-后支撑Ⅰ；139-后支撑Ⅱ；140-探地雷达装置；141-雷达天线；142-雷达主机；143-光纤；150-地质钻机；151-钻杆；152-电机；160-声波探测装置；161-声波探头；162-处理器；170-微震监测装置；171-微震传感器；172-信号采集处理系统；173-耦合剂；174-前置放大器；181-探测孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1至图5所示，本实施例提供一种实现地质探测的组合式TBM100，其包括掘进方向相同的超前TBM110和扩挖TBM120，超前TBM110沿组合式TBM100的中轴线设置，扩挖TBM120包围在超前TBM110外侧，超前TBM110和扩挖TBM120之间预留间隙，超前TBM110上搭载有用于对掌子面前方的地质进行探测的探地雷达装置140，用于对掌子面钻掘探测孔181的地质钻机150，用于对前方和周围的岩体进行声波测试的声波探测装置160，用于对围岩进行微震监测的微震监测装置170。超前TBM110用以洞室的试探性开挖，即开挖超前导洞，扩挖TBM120用以洞室的扩大开挖，实现超前TBM110与扩挖TBM120组合开挖形式，保证了深部地下洞室开挖的灵活性及安全性。超前TBM110开挖能直接揭露隧道掌子面前方地质情况，且超前TBM110上可搭载各种超前地质探测装备：探地雷达装置140、地质钻机150、声波探测装置160、微震监测装置170，既能预报超前TBM110掌子面前方地质情况，又能预报隧道围岩岩体，即扩挖TBM120掌子面前方的地质环境，实现同步超前地质预报。超前TBM110与扩挖TBM120组合开挖形式克服因TBM机械系统过于庞大造成的局限性，提高了TBM超前地质探测的灵活性，增大了探测距离，预报准确；保障TBM隧道施工的安全性，提高工程效率。

扩挖TBM120的掘进面包围在超前TBM110的掘进面的外侧，即超前TBM110的刀盘Ⅰ111包围在扩挖TBM120的刀盘Ⅱ121的外侧，刀盘Ⅰ111和刀盘Ⅱ121形成组合式刀盘，组合式刀盘表面安装有刀具。具体的，超前TBM110的刀盘Ⅰ111呈圆盘形，该圆盘的中轴线位于组合式TBM100的中轴线上，超前TBM110的刀盘Ⅰ111可沿中轴线转动；扩挖TBM120的刀盘Ⅱ121呈圆环形，扩挖TBM120的刀盘Ⅱ121包围在超前TBM110的刀盘Ⅰ111的外侧，扩挖TBM120的刀盘Ⅱ121可沿圆周方向转动。超前TBM110的刀盘Ⅰ111和扩挖TBM120的刀盘Ⅱ121之间预留适当间隙，扩挖TBM120的刀盘Ⅰ111上配置的刀具不能碰到超前TBM110的刀盘Ⅱ121，以减小超前TBM110的刀盘Ⅰ111和扩挖TBM120的刀盘Ⅱ121之间的摩擦力。

本实施例中，超前TBM110或扩挖TBM120的外侧可套设封闭的可伸缩式护盾130，可伸缩式护盾130与对应的超前TBM110或扩挖TBM120之间设置有油压缸137，利用可伸缩式护盾130和油压缸137实现超前TBM110或扩挖TBM120的支护。

参见图1所示，超前TBM110包括沿掘进方向连接设置的刀盘Ⅰ111和旋转驱动Ⅰ112，以及推进油缸Ⅰ113，即刀盘Ⅰ111位于超前TBM110的前端，刀盘Ⅰ111上安装有刀具，旋转驱动Ⅰ112位于刀盘Ⅰ111后方用于驱动刀盘Ⅰ111旋转破岩，推进油缸Ⅰ113用于推进刀盘Ⅰ111。具体的，超前TBM110还包括设置于旋转驱动Ⅰ112外侧的外机架Ⅰ114和设置于外机架Ⅰ114后方的外机架上撑靴Ⅰ115，推进油缸Ⅰ113的两端分别连接外机架Ⅰ114和外机架上撑靴Ⅰ115，即推进油缸Ⅰ113位于超前TBM110的机架外，且位于外机架Ⅰ114后方，推进油缸Ⅰ113能够推进超前TBM110；外机架上撑靴Ⅰ115可向外侧伸缩，用于撑紧围岩洞壁，从而固定超前TBM110的机架；推进油缸Ⅰ113的后方还可以安装设置后支撑Ⅰ138用于支撑超前TBM110。刀盘Ⅰ111后设置有铲斗Ⅰ116用于铲起经刀盘Ⅰ111破碎的岩渣，铲斗Ⅰ116下方设置有皮带运输机Ⅰ117用于将岩渣输送出去。

参见图1所示，扩挖TBM120包括沿掘进方向连接设置的刀盘Ⅱ121和旋转驱动Ⅱ122，以及推进油缸Ⅱ123，即刀盘Ⅱ121位于扩挖TBM120的前端，刀盘Ⅱ121上安装有刀具，旋转驱动Ⅱ122位于刀盘Ⅱ121后方用于驱动刀盘Ⅱ121旋转破岩，推进油缸Ⅱ123用于推进刀盘Ⅱ121。具体的，扩挖TBM120还包括设置于旋转驱动Ⅱ122外侧的外机架Ⅱ124和设置于外机架Ⅱ124后方的外机架上撑靴Ⅱ125，推进油缸Ⅱ123的两端分别连接外机架Ⅱ124和外机架上撑靴Ⅱ125，即推进油缸Ⅱ123位于扩挖TBM120的机架外，且位于外机架Ⅱ124后方，推进油缸Ⅱ123能够推进扩挖TBM120；外机架上撑靴Ⅱ125可向外侧伸缩，用于撑紧围岩洞壁，从而固定扩挖TBM120的机架；推进油缸Ⅱ123的后方还可以安装设置后支撑Ⅱ139用于支撑扩挖TBM120。刀盘Ⅱ121后设置有铲斗Ⅱ126用于铲起经刀盘Ⅱ121破碎的岩渣，铲斗Ⅱ126下方设置有皮带运输机Ⅱ127用于将岩渣输送出去。

参见图2所示，探地雷达装置140包括通过光纤143连接的雷达天线141和雷达主机142，雷达天线141发射信号并采集掌子面前方地质体的回波信号，并通过光纤143传输给雷达主机142。本实施例中，雷达天线141位于超前TBM110的刀盘Ⅰ111上，该雷达天线141自发自收，雷达主机142置于组合式TBM100后方，处理探测所得结果。

探地雷达法是一种用于探测地下介质分布的广谱电磁技术，目前地质雷达是隧洞内探测岩溶的最有效、最便捷、最直观的物探手段。在超前TBM110掘进的过程中，探地雷达装置140工作，雷达天线141发出波信号，并采集前方地质体的回波信号，再由光纤143传输给雷达主机142，实时探测掌子面前方地质。探地雷达法所接收到的反射电磁波信号经滤波、增益恢复、时深转换等数据处理后形成雷达图像。从雷达图像中识别地层结构或地质构造，读取目标地质体的反射波旅行时间，根据介质的电磁波速计算其深度：

式中：h为目标地质体的埋深；x为发射天线和接收天线的间距；V为介质中的电磁波速度。

除了探地雷达装置140，还可在超前TBM110的刀盘Ⅰ111上安装其他探测手段，具体包括供电/测量电极、红外线探头、同步信号检波器等，后方均连接有处理器。供电/测量电极是通过电阻率法进行超前地质预报，利用地质体电阻率差异实现了断层破碎带、软硬分层地层、含水溶洞、地下暗河等不良地质体的探测。红外线探头采用的红外探测法是利用地下水的活动会引起岩体红外辐射场强的变化，通过测量岩体红外辐射场强，根据围岩红外辐射场强的变化幅值来确定隧洞掌子面前方是否存在隐伏的富水体。同步信号检波器同步接收超前TBM110的刀具切割岩石所激发的声波信号。上述所有的探测手段所需装备均安装于超前TBM110上，在超前TBM110掘进的同时就可同步探测。

参见图3所示，地质钻机150包括钻杆151和电机152，电机152驱动钻杆151转动，对掌子面或围岩钻掘探测孔181。本实施例中，钻杆151具有一定的长度，超前TBM110的刀盘Ⅰ上设有通孔，钻杆151可穿过通孔在掌子面上钻掘探测孔181，一般钻掘3个探测孔181，其中一个探测孔181沿隧洞轴线钻取，另外两个探测孔181与隧洞轴线成一定角度。

利用地质钻机150在超前TBM110对应的掌子面钻掘探测孔181，可直接揭露隧洞掌子面前方地层岩性、构造、地下水、岩溶、软弱夹层等地质体及其性质、岩体的可钻性、岩体完整性等资料。探测孔181内可以做地质测试试验，钻出的岩样可用于测试，可通过岩芯试验获得岩石强度等指标。利用内窥镜进行孔内摄像，记录探测孔181内岩体特征，用于直观观察地质体是否发生岩性变化，判断是否存在地质交界带。另外，如有需要可将超前TBM110与拖车连接，由拖车将其撤回，再利用地质钻机150对围岩洞壁进行探测孔181钻探，探测周围岩体的地质条件。

参见图4所示，声波探测装置160包括相互连接的声波探头161和处理器162，声波探头161可以布置于探测孔181内并激发和接收声波信号，声波探头161将接收的声波信号传输给处理器162。本实施例中，声波探头161分别布置在其中两个探测孔181内，利用声波探头161在探测孔181内向岩壁人工激发声波，声波向掌子面前方及周围岩体各方向传播，当遇到波阻抗不同的地质界面时，将产生反射波和透射波，其中部分反射波返回掌子面，被埋设在探测孔181内岩壁的声波接收器所接收，记录声波反射波信号；透射波则继续向前传播，当遇到新的波阻抗差异地质界面时，又一次产生反射波并返回掌子面；透射波继续前行，遇到新的界面再次反射，直至声波信号衰竭为止。声波探头161将收到的声波信号传输给处理器162分析，处理器162内置有分析软件，进行采样数据的实时分析并显示分析曲线，对信号进行滤波处理，判读出当前波形的声时和幅值，并计算出声速。

参见图5所示，微震监测装置170包括相互连接的微震传感器171和信号采集处理系统172，微震传感器171可以布置于探测孔181内并接收微震源形成的声发射信号，微震传感器171将接受的声发射信号传输给信号采集处理系统172。本实施例中，微震监测装置170还包括耦合剂173和前置放大器174，耦合剂173使微震传感器171与围岩贴合，便于其接收微震信号，前置放大器174设置在微震传感器171和信号采集处理系统172之间，用于放大信号，传输到后方的信号采集处理系统172。微震监测装置170利用多个微震传感器171对岩体中微震事件形成的声发射信号(弹性波)进行监测、记录，通过信号采集、数据处理确定震源的位置，从而对岩体稳定性做出恰当的判断和预测。

参见图1所示，本实施例提供一种基于上述的实现地质探测的组合式TBM100的地质探测掘进方法，其包括以下步骤：

S1、将超前TBM110和扩挖TBM120的掘进面齐平并对准待开挖洞室位置。

S2、固定扩挖TBM120的位置，启动超前TBM110，使超前TBM110向前掘进一个行程开挖超前导洞，停止超前TBM110。参见图2所示，在超前TBM110掘进的过程中，启动探地雷达装置140，对掌子面前方的地质进行探测，具体是超前TBM110的刀盘Ⅰ111上雷达天线141发出波信号，并采集前方地质体的回波信号，再由光纤143传输给雷达主机142，雷达主机142所接收到的反射电磁波信号经滤波、增益恢复、时深转换等数据处理后形成雷达图像，实时探测掌子面前方地质。如果探地雷达装置140探测到地质情况不允许继续开挖，则立即停止超前TBM110。

超前TBM110具体工作过程为：外机架上撑靴Ⅱ125撑紧围岩洞壁，固定整个组合式TBM100的机架；超前TBM110的刀盘Ⅰ111由旋转驱动Ⅰ112驱动旋转，推进油缸Ⅰ113向刀盘Ⅰ111施加推力，超前TBM110被慢慢推出，向前掘进，外机架上撑靴Ⅰ115撑紧围岩洞壁，固定超前TBM110的机架，后支撑Ⅰ138提供支撑，刀具自身旋转的同时随刀盘Ⅰ111旋转，破碎岩体，崩落的岩渣由铲斗Ⅰ116铲入带式输送机Ⅰ，运至带式输送机Ⅱ，最后运至机后卸载。推进油缸Ⅰ113伸长一个行程，刀盘Ⅰ111及与刀盘Ⅰ111连接的构件相应向前移动一个行程。推进油缸Ⅰ113收缩，停止推进，利用减速器使超前TBM110的刀盘Ⅰ111旋转速度降为零，与此同时，由人工操纵机械安装可伸缩式护盾130和油压缸137提供支护。

S3、利用搭载于超前TBM110上的各种超前地质探测装备完成同步超前地质预报。参见图3所示，先启动地质钻机150，在掌子面钻掘多个探测孔181，具体是电机152驱动钻杆151高速转动，驱动钻杆151转动，在掌子面上钻掘3个探测孔181，其中一个探测孔181沿隧洞轴线钻取，另外两个探测孔181与隧洞轴线成一定角度。探测孔181内可以做地质测试试验，钻出的岩样可用于测试，可通过岩芯试验获得岩石强度等指标。利用内窥镜进行孔内摄像，记录探测孔181内岩体特征，用于直观观察地质体是否发生岩性变化，判断是否存在地质交界带。另外，如有需要可将超前TBM110与拖车连接，由拖车将其撤回，利用地质钻机150进行垂直于围岩壁上的探测孔181钻探，探测周围岩体的地质条件。

参见图4所示，再启动声波探测装置160，对前方和周围的岩体进行声波测试，具体是在钻取的其中两个探测孔181内分别布置声波探头161，两个声波探头161交替激发声波信号，探测探头之间岩体的地质，将收到的声波信号传输给处理器162分析，处理器162内置有分析软件，进行采样数据的实时分析并显示分析曲线，对信号进行滤波处理，判读出当前波形的声时和幅值，并计算出声速。

参见图5所示，启动微震监测装置170，对围岩进行微震监测，从而预报掌子面前方和周围的地质情况，具体是先在围岩洞壁钻掘探测孔181，在此之前需抽回超前TBM110，利用地质钻机150在围岩洞壁钻掘一定深度的探测孔181；将微震传感器171按照一定的规则布置到钻取的探测孔181内，组成微震监测网，微震传感器171与后方信号采集处理系统172连接。岩体内微裂隙的产生与扩展伴随有弹性波或应力波的释放并在周围岩体内快速释放和传播，微震源形成的声发射信号，经传播介质传播，被微震传感器171接收，利用多个微震传感器171对岩体中微震事件形成的声发射信号(弹性波)进行监测、记录，通过信号采集、数据处理确定震源的位置，从而对岩体稳定性做出恰当的判断和预测。对微震传感器171接收到的微震信号进行滤噪，得到对岩爆预测有用的微震信号；通过对滤波后微震事件的波形图、波谱频谱以及微震信号到时分析，即可得到微震事件的相关指标参数；通过对指标参数的评价，对岩体稳定性做出恰当的判断和预测。

S4、若地质情况允许继续开挖，启动扩挖TBM120，使扩挖TBM120向前掘进一个行程，在扩挖TBM120进行正洞开挖时，围岩岩体会产生微破裂，微震监测装置170的微震传感器171通过检测微破裂，预报岩体是否存在发生岩爆风险。

扩挖TBM120的具体工作过程为：刀盘Ⅱ121由旋转驱动Ⅱ122驱动旋转，推进油缸Ⅱ123向刀盘Ⅱ121施加推力，扩挖TBM120向前掘进，刀具自身旋转的同时随刀盘Ⅱ121旋转，破碎岩体，崩落的岩渣由铲斗Ⅱ126铲入带式输送机Ⅱ，运至机后卸载。推进油缸Ⅱ123伸长一个行程，刀盘Ⅱ121及与刀盘Ⅱ121连接的构件相应向前移动一个行程，直至与超前TBM110的刀盘Ⅰ111处于同一平面。与此同时，由人工操纵机械安装可伸缩式护盾130和油压缸137提供支护。换步，外机架上撑靴Ⅱ125缩回，推进油缸Ⅱ123收缩，外机架Ⅱ124向前移，后支撑Ⅱ139在换步过程中予以配合，组合式TBM100恢复原始状态。

S5、重复步骤S1-S4，直至完成洞室开挖。

综上所述，本发明实施例的实现地质探测的组合式TBM实现超前TBM与扩挖TBM组合开挖形式，超前TBM开挖能直接揭露隧道掌子面前方地质情况，且超前TBM上可搭载各种超前地质探测装备，既能预报超前TBM掌子面前方地质情况，又能预报扩挖TBM掌子面前方的地质环境；本发明实施例的地质探测掘进方法在开挖时进行多种超前地质探测，准确预报隧洞掌子面前方及周围的工程地质、水文地质结构，提供准确的断裂带、含水带及岩体工程类别等地质参数，从而有效避免TBM施工工程地质灾害，确保施工安全，加快进度，节约成本。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

Claims (9)

1.一种实现地质探测的组合式TBM，其特征在于，其包括掘进方向相同的超前TBM和扩挖TBM，所述超前TBM沿组合式TBM的中轴线设置，所述扩挖TBM包围在所述超前TBM外侧，所述超前TBM和所述扩挖TBM之间预留间隙，所述超前TBM上搭载有用于对掌子面前方的地质进行探测的探地雷达装置，用于对掌子面钻掘探测孔的地质钻机，用于对前方和周围的岩体进行声波测试的声波探测装置，用于对围岩进行微震监测的微震监测装置；

所述超前TBM包括沿掘进方向连接设置的刀盘Ⅰ和旋转驱动Ⅰ，以及推进油缸Ⅰ，所述刀盘Ⅰ上安装有刀具，所述旋转驱动Ⅰ用于驱动所述刀盘Ⅰ旋转破岩，所述推进油缸Ⅰ用于推进所述刀盘Ⅰ；

所述地质钻机包括钻杆和电机；所述超前TBM的刀盘Ⅰ上设有通孔；所述电机驱动钻杆转动，所述钻杆可穿过所述通孔对掌子面钻或围岩钻掘探测孔。

2.根据权利要求1所述的实现地质探测的组合式TBM，其特征在于，所述探地雷达装置包括通过光纤连接的雷达天线和雷达主机，所述雷达天线发射信号并采集掌子面前方地质体的回波信号，并通过光纤传输给所述雷达主机。

3.根据权利要求1所述的实现地质探测的组合式TBM，其特征在于，所述声波探测装置包括相互连接的声波探头和处理器，所述声波探头布置于所述探测孔内并激发和接收声波信号，所述声波探头将接收的声波信号传输给所述处理器。

4.根据权利要求1所述的实现地质探测的组合式TBM，其特征在于，所述微震监测装置包括相互连接的微震传感器和信号采集处理系统，所述微震传感器布置于所述探测孔内并接收微震源形成的声发射信号，所述微震传感器将接受的声发射信号传输给所述信号采集处理系统。

5.根据权利要求1所述的实现地质探测的组合式TBM，其特征在于，所述扩挖TBM的掘进面包围在所述超前TBM的掘进面的外侧，所述超前TBM的刀盘Ⅰ呈圆盘形，所述扩挖TBM的刀盘Ⅱ呈圆环形，所述扩挖TBM的刀盘Ⅱ包围在所述超前TBM的刀盘Ⅰ的外侧。

6.根据权利要求1所述的实现地质探测的组合式TBM，其特征在于，所述扩挖TBM包括沿掘进方向连接设置的刀盘Ⅱ和旋转驱动Ⅱ，以及推进油缸Ⅱ，所述刀盘Ⅱ上安装有刀具，所述旋转驱动Ⅱ用于驱动所述刀盘Ⅱ旋转破岩，所述推进油缸Ⅱ用于推进所述刀盘Ⅱ。

7.根据权利要求6所述的实现地质探测的组合式TBM，其特征在于，所述超前TBM还包括设置于所述旋转驱动Ⅰ外侧的外机架Ⅰ和设置于外机架Ⅰ后方的外机架上撑靴Ⅰ，所述推进油缸Ⅰ的两端分别连接所述外机架Ⅰ和所述外机架上撑靴Ⅰ；

所述扩挖TBM还包括设置于所述旋转驱动Ⅱ外侧的外机架Ⅱ和设置于外机架Ⅱ后方的外机架上撑靴Ⅱ，所述推进油缸Ⅱ的两端分别连接所述外机架Ⅱ和所述外机架上撑靴Ⅱ。

8.根据权利要求6所述的实现地质探测的组合式TBM，其特征在于，所述刀盘Ⅰ后设置有铲斗Ⅰ用于铲起经刀盘Ⅰ破碎的岩渣，所述铲斗Ⅰ下方设置有皮带运输机Ⅰ用于将岩渣输送出去；

所述刀盘Ⅱ后设置有铲斗Ⅱ用于铲起经刀盘Ⅱ破碎的岩渣，所述铲斗Ⅱ下方设置有皮带运输机Ⅱ用于将岩渣输送出去。

9.一种基于权利要求1所述的实现地质探测的组合式TBM的地质探测掘进方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、将所述超前TBM和所述扩挖TBM的掘进面齐平并对准待开挖洞室位置；

S2、固定所述扩挖TBM的位置，启动所述超前TBM，使所述超前TBM向前掘进一个行程，停止所述超前TBM，在超前TBM掘进的过程中，启动探地雷达装置，对掌子面前方的地质进行探测；

S3、先启动地质钻机，在掌子面钻掘多个探测孔，再启动声波探测装置，对前方和周围的岩体进行声波测试，启动微震监测装置，对围岩进行微震监测，从而预报掌子面前方和周围的地质情况；

S4、若地质情况允许继续开挖，启动所述扩挖TBM，使所述扩挖TBM向前掘进一个行程；

S5、重复步骤S1-S4，直至完成洞室开挖。

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