CN108957563B - 一种隧道施工超前地质探测系统以及探测方法 - Google Patents

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Abstract

一种隧道施工超前地质探测系统以及探测方法，通过激发极化的地球物理勘探方法，对隧道掌子面前方断层破碎带、溶洞等含导水构造进行超前预报与识别，其中通过设置多组探测电极，从而能够在掌子面前方存在含水结构时，进一步确定含水结构的位置，从而对隧道施工过程进行超前地质预报提供重要的参考，保障隧道施工建设安全。

Description

一种隧道施工超前地质探测系统以及探测方法
技术领域
本发明涉及地质探测系统，尤其是涉及隧道施工过程中对前方含水情况进行探测的超前地质探测系统以及探测方法。
背景技术
随着国内公路、铁路、水利、矿山及其他工程建设的飞速发展，隧道工程也大量出现。隧道施工前由于地形复杂、隧道埋深大、地表勘察技术有限，在地勘阶段不能全部查清沿线的不良地质情况，施工期超前预报方法未能对含水构造做出有效预报。在隧道施工过程中，常因地质问题出现塌方、涌水等自然灾害。因此，开展针对隧道掌子面前方断层破碎带、溶洞等含导水构造超前预报与定量识别研究，是保障隧道施工建设安全的迫切需求，具有重大的理论意义和工程价值。
目前，在隧道超前探测领域使用较多的有地质分析法，地震波法、地质雷达法、红外探水法等，这些方法都有各自的优势和不足。地质分析法通过地表和隧道内的工程地质调查与分析，推断前方的地质情况，在隧道埋深较浅、构造不太复杂的情况下具有很高的准确性，但其在复杂地质条件下的预报结果的精度难以保证。地震波法在预报掌子面前方岩性变化和大断层方面有较好的效果，但是其观测方式为直线测线方式，难以获取掌子面前方的波速分布，无法预报与隧道轴线小夹角断层，且不能预报隧道前方水体。地质雷达法具有分辨高、无损伤、探测和数据处理快、机动灵活的特征,但是其最大的缺点是可预报范畴较小，只能控制在30m内。红外探水法过测量分析隧道内温度场分布来判别含水体，其仅能对掌子面前方一定范围内有无含水体做定性预报，难以进行定位。
电法勘探是通过研究和观测电流的变化来探测地层岩性、地质构造等地质条件的勘探方法。激发极化法是一种电法勘探的地球物理勘探方法，以不同地质介质之间的激电参数差异为物质基础，可以测量电阻率、极化率、半衰时、衰减度等参数，其中电阻率参数对水体响应敏感，半衰时表征激发极化衰减信息与水体水量存在一定关系。通过对激发极化法中极化率、电阻率以及半衰时之差等参数进行分析和反演, 可以得到掌子面前方岩体的电阻率、极化率结构, 为进行超前地质预报提供重要的参考。现有技术中，在激发极化法超前探测时，通常将供电正电极设置于掘进机械上，测量电极设置于隧道侧壁，供电负电极设置于隧道后方无穷远处，其激发电流上是从供电正电极前方流向供电负电极，由于掘进机械本身电磁环境极为复杂，其会产生电磁干扰，影响探测结果；同时，随着掘进机械的前进，测量电极与供电电极的距离产生变化，由于距离变化导致的电阻率以及极化率变化会对于由于地质环境变化导致的电阻率以及极化率变化产生干扰。
为了解决上述问题，在先申请提出了一种隧道施工超前地质探测系统，通过测量电极以及供电负电极的设置，使测量电极与供电电极的距离保持不变，从而避免距离变化产生的影响，但是其仅能通过视电阻率和视极化率定性的确定掌子面前方是否存在含水结构，无法确定含水结构的位置。
发明内容
本发明提供一种隧道施工超前地质探测系统以及探测方法，能够在掌子面前方存在含水结构时，确定含水结构的位置。
作为本发明的一个方面，提供一种隧道施工超前地质探测系统，包括：供电正电极，其设置TBM施工机械上；第一移动沟道，其设置于隧道施工方向掌子面前方的上方地面土层，沿着隧道掘进方向设置；探测电极，其设置于所述第一移动沟道上，能够沿着所述移动沟道随着隧道掘进方向前进；第二移动沟道，其沿着隧道掘进方向设置于所述第一移动沟道前方；供电负电极，其设置于所述第二移动沟道上，能够沿着所述第二移动沟道随着隧道掘进方向前进；数据采集模块，其与所述探测电极相连，用于采集所述探测电极的信号；所述第一移动沟道包括三组第一移动沟道，其中一组设置于掌子面中线沿着隧道施工方向的延长线上，另外两组分别设置于掌子面侧壁的延长线上；数据处理主机根据三组第一移动沟道中的探测电极的数据，确定掌子面前方是否存在含水结构，并且确定其位置。
进一步的，所述各组第一移动沟道中存在一个或者多个探测电极。
进一步的，所述数据处理主机根据各组第一移动沟道的探测电极的数据，分别确定其视电阻率和视极化率，计算三组数据的平均值，在视电阻率平均值小于阈值并且视极化率平均值大于阈值时，确定掌子面前方存在含水结构。
进一步的，所述阈值通过模拟实验预先确定。
进一步的，所述数据处理主机在确定掌子面前方存在含水结构时，比较根据各组视极化率的大小，确定其中视极化率最高对应的第一移动沟道的位置，如果其是中间的第一移动沟道，表示含水结构位于掌子面正前方，如果其是一侧的第一移动沟道，表示含水结构位于掌子面的该面侧前方。
进一步的，所述探测电极为“T”形，其下部位于所述第一移动沟道内。
进一步的，所述供电负电极为“T”形，其下部位于所述第二移动沟道内。
进一步的，在隧道掘进探测时，通过移动装置将所述探测电极与所述TBM施工机械相同的速度沿所述第一移动沟道移动，同时将所述供电负电极与所述TBM施工机械相同的速度沿第二移动沟道进行移动。
进一步的，所述第一移动沟道的深度大于第二移动沟道。
进一步的，所述三组第一移动沟道中，所述探测电极的水平纵坐标相等。
作为本发明的另外一个方面，提供一种上述隧道施工超前地质探测系统的探测方法，包括如下步骤：（1）根据隧道的掘进方向，在隧道上方的地面土层设置多组第一移动沟道；（2）沿着隧道掘进方向设置于所述第一移动沟道前方设置第二移动沟道；（3）将供电正电极设置于TBM施工机械上；（4）在隧道掘进探测时，通过移动装置将所述探测电极与所述TBM施工机械相同的速度沿第一移动沟道进行移动；将所述供电负电极与所述TBM施工机械相同的速度沿第二移动沟道进行移动；（5）采集并且传输所述探测电极的信号；（6）根据探测电极的数据信号，确定隧道施工前方地质情况。
进一步的，所述步骤（1）中，所述多组第一移动沟道为三组，其中一组设置于掌子面中线沿着隧道施工方向的延长线上，另外两组分别设置于掌子面侧壁的延长线上。
进一步的，所述步骤（6）中，数据处理主机根据各组移动沟道的探测电极的数据，分别确定其视电阻率和视极化率，计算三组数据的平均值，在视电阻率平均值小于阈值并且视极化率平均值大于阈值时，确定掌子面前方存在含水结构。
进一步的，所述步骤（6）中，所述数据处理主机在确定掌子面前方存在含水结构时，比较根据各组视极化率的大小，确定其中视极化率最高对应的第一移动沟道的位置，如果其是中间的第一移动沟道，表示含水结构位于掌子面正前方，如果其是一侧的第一移动沟道，表示含水结构位于掌子面的该面侧前方。
附图说明
图1是本发明实施例的隧道施工超前地质探测系统的设置示意图。
图2是本发明实施例的第一沟道组设置的俯视图。
图3是本发明实施例的隧道施工超前地质探测方法的步骤图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。而且，应当理解，在此描述的各种各样的实施例的特征不互斥，并且能在各种各样的组合和换变过程中存在。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
参见图1，本发明实施例的隧道施工超前地质探测系统，用于隧道工程施工过程中，对掌子面附近地质条件进行预判，包括供电正电极10，探测电极20，供电负电极30，第一移动沟道40，第二移动沟道50，数据采集模块60，通讯模块70以及数据处理主机80。
供电正电极10为金属电极，与直流电源连接，用于提供向前的探测电流。供电正电极10可以环形电极，其可以是一组或者多组设置于TBM施工机械前方，在隧道施工过程中沿着隧道掘进方法前进。
参见图1以及图2，沿着隧道的掘进方向，在隧道上方的地面土层设置三组第一移动沟道40，其中一组设置于掌子面中线沿着隧道施工方向的延长线上，另外两组分别设置于掌子面侧壁的延长线上。每组第一移动沟道40上可以设置一个或者多个探测电极20，不同移动沟道上各探测电极20在水平面投影的纵坐标相等，从而使其与掌子面的水平距离相等。探测电极20用于采集激发极化产生的电流或者电压信号，其与隧道掌子面的距离可以是例如50~100m。探测电极20为不极化电极，其可以是例如“T”字形，通过移动设备例如小车能够使探测电极20以TBM施工机械相同的速度沿第一移动沟道40移动。
第二移动沟道50沿着隧道掘进方向设置于第一移动沟道40前方，可以将第二移动沟道50的深度设置为小于第一移动沟道40。供电负电极30为金属电极，其一端设置于第二移动沟道50上，另一端通过导线与电源负极相连。供电负电极30与隧道掌子面的距离可以是例如100~150m。。供电负电极30也可以是例如“T”字形，通过移动设备例如小车能够使供电负电极30以TBM施工机械相同的速度沿第二移动沟道50移动。
数据采集模块60与探测电极20相连，用于采集探测电极20的信号。通讯模块70将数据采集模块60采集的数据信号传送到数据处理主机80，通讯模块70可以是无线通讯模块或者有线通讯模块。数据处理主机80根据接收到的探测信号，确定掌子面前方是否存在含水结构，并且确定其位置。具体的，数据处理主机60根据各组第一移动沟道50的探测电极20的数据，分别确定其视电阻率和视极化率，计算三组数据的平均值，在视电阻率平均值小于阈值并且视极化率平均值大于阈值时，确定掌子面前方存在含水结构。视电阻率和视极化率的阈值可以通过模拟实验预先得到。数据处理主机60在确定掌子面前方存在含水结构时，比较根据各组视极化率的大小，确定其中视极化率最高对应的第一移动沟道的位置，如果其是中间的第一移动沟道，表示含水结构位于掌子面正前方，如果其是一侧的第一移动沟道，表示含水结构位于掌子面的该面侧前方。
本发明实施例的隧道施工超前地质探测系统的探测方法，参见图3，包括如下步骤：（1）根据隧道的掘进方向，在隧道上方的地面土层设置三组第一移动沟道，其中一组设置于掌子面中线沿着隧道施工方向的延长线上，另外两组分别设置于掌子面侧壁的延长线上；（2）沿着隧道掘进方向设置于所述第一移动沟道前方设置第二移动沟道；（3）将供电正电极设置于TBM施工机械上；（4）在隧道掘进探测时，通过移动装置将所述探测电极与所述TBM施工机械相同的速度沿第一移动沟道进行移动；将所述供电负电极与所述TBM施工机械相同的速度沿第二移动沟道进行移动；（5）采集并且传输所述探测电极的信号；（6）数据处理主机根据各组移动沟道的探测电极的数据，分别确定其视电阻率和视极化率，计算三组数据的平均值，在视电阻率平均值小于阈值并且视极化率平均值大于阈值时，确定掌子面前方存在含水结构；数据处理主机在确定掌子面前方存在含水结构时，比较根据各组视极化率的大小，确定其中视极化率最高对应的第一移动沟道的位置，如果其是中间的第一移动沟道，表示含水结构位于掌子面正前方，如果其是一侧的第一移动沟道，表示含水结构位于掌子面的该面侧前方。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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。在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种隧道施工超前地质探测系统，包括：供电正电极，其设置TBM施工机械前方；第一移动沟道，其设置于隧道施工方向掌子面前方的上方地面土层，沿着隧道掘进方向设置；探测电极，其设置于所述第一移动沟道上，能够沿着所述移动沟道随着隧道掘进方向前进；第二移动沟道，其沿着隧道掘进方向设置于所述第一移动沟道前方；供电负电极，其设置于所述第二移动沟道上，能够沿着所述第二移动沟道随着隧道掘进方向前进；数据采集模块，其与所述探测电极相连，用于采集所述探测电极的信号；其特征在于：所述第一移动沟道包括三组第一移动沟道，其中一组设置于掌子面中线沿着隧道施工方向的延长线上，另外两组分别设置于掌子面侧壁的延长线上；数据处理主机根据三组第一移动沟道中的探测电极的数据，确定掌子面前方是否存在含水结构，并且确定其位置；其中，所述数据处理主机根据各组第一移动沟道的探测电极的数据，分别确定其视电阻率和视极化率，计算三组数据的平均值，在视电阻率平均值小于阈值并且视极化率平均值大于阈值时，确定掌子面前方存在含水结构；所述数据处理主机在确定掌子面前方存在含水结构时，比较根据各组视极化率的大小，确定其中视极化率最高对应的第一移动沟道的位置，如果其是中间的第一移动沟道，表示含水结构位于掌子面正前方，如果其是一侧的第一移动沟道，表示含水结构位于掌子面的该面侧前方。
2.根据权利要求1所述的隧道施工超前地质探测系统，其特征在于：所述各组第一移动沟道中存在一个或者多个探测电极。
3.根据权利要求2所述的隧道施工超前地质探测系统，其特征在于：所述阈值通过模拟实验预先确定。
4.一种权利要求1所述隧道施工超前地质探测系统的探测方法，包括如下步骤：（1）根据隧道的掘进方向，在隧道上方的地面土层设置多组第一移动沟道；所述多组第一移动沟道为三组，其中一组设置于掌子面中线沿着隧道施工方向的延长线上，另外两组分别设置于掌子面侧壁的延长线上；（2）沿着隧道掘进方向设置于所述第一移动沟道前方设置第二移动沟道；（3）将供电正电极设置于TBM施工机械上；（4）在隧道掘进探测时，通过移动装置将所述探测电极与所述TBM施工机械相同的速度沿第一移动沟道进行移动；将所述供电负电极与所述TBM施工机械相同的速度沿第二移动沟道进行移动；（5）采集并且传输所述探测电极的信号；（6）根据探测电极的数据信号，确定隧道施工前方地质情况；其中，数据处理主机根据各组移动沟道的探测电极的数据，分别确定其视电阻率和视极化率，计算三组数据的平均值，在视电阻率平均值小于阈值并且视极化率平均值大于阈值时，确定掌子面前方存在含水结构；所述数据处理主机在确定掌子面前方存在含水结构时，比较根据各组视极化率的大小，确定其中视极化率最高对应的第一移动沟道的位置，如果其是中间的第一移动沟道，表示含水结构位于掌子面正前方，如果其是一侧的第一移动沟道，表示含水结构位于掌子面的该面侧前方。
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