CN109343111B - 一种软硬互层地质条件下长距离tbm隧洞岩爆微震监测方法 - Google Patents

一种软硬互层地质条件下长距离tbm隧洞岩爆微震监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种软硬互层地质条件下的长距离TBM隧洞岩爆微震监测方法，通过地质勘探区分隧洞内硬岩区和软岩区，对硬岩区的硬岩钻孔开展钻孔摄像，将微震传感器布置在硬岩区内完整硬岩段的硬岩钻孔内；将微震监测系统安装在TBM上，并通无线网桥组与隧洞外岩爆微震监控中心通讯。本发明较好地解决了软硬互层地质条件下微震传感器的安装与回收问题，避免软岩区对微震监测信号接受的影响，克服了长距离隧洞信号传输的线路易损坏的困难，保证岩爆微震监测的质量与连续性，为岩爆灾害的准确预警奠定基础。本发明可用于复杂地质条件下深埋长距离TBM隧洞工程安全开挖。

Description

一种软硬互层地质条件下长距离TBM隧洞岩爆微震监测方法
技术领域
本发明涉及微震监测领域，更具体涉及一种软硬互层地质条件下长距离TBM隧洞岩爆微震监测方法。
技术背景
岩爆是高应力地下工程施工过程中，岩体内积聚的高应变能突然释放而导致的强烈围岩破坏，具有突发性、猛烈性和随机性，对施工人员及机械设备造成极大的危害。而复杂地质条件是岩爆的重要影响因素，易诱发更危险的强烈甚至极强岩爆，严重危害施工安全。
微震监测技术是岩爆的一种重要监测手段，在非洲、澳大利亚、美国、加拿大、中国等隧洞、矿山、地下实验室等工程的岩爆监测中进行了广泛应用，取得了一系列研究成果。微震监测技术利用在空间上不同方位布设的微震传感器，捕捉岩体微破裂过程所发出的应力波信息，对其加以分析处理后确定微破裂事件发生的时间、位置及能量释放等信息，并以此为基础推断岩体内部应力状态、破坏情况，进而对岩爆灾害进行预警。
微震监测方法对捕捉岩体微破裂的能力具有重要影响，进而影响岩爆预警效果。至今，未见针对复杂软硬互层地质条件下的长距离TBM隧洞岩爆监测方法的报道。隧洞微震监测方法相关研究成果，如，实用新型“隧洞掘进机TBM掘进隧洞微震监测结构”，专利号201721434732.；实用新型“深埋长隧洞TBM掘进过程中微震监测传感器布置结构”，专利号201120380491.9；发明“一种隧道微震监测传感器布置及与数据采集仪连接方法”，专利号201410014854.5；发明“一种分层开挖深埋硬岩隧道微震监测传感器布置方法”，专利号201410015118.1；均对隧洞微震监测方法进行了发明优化，但均未充分考虑隧洞地质岩性及长距离对微震监测的影响。首先，未区分软硬地质条件及岩体破裂性质，若将微震传感器布置于软岩中，软岩变形及塌孔造成微震传感器难以安装及无法回收；若微震传感器布置于破裂岩体段，微震传感器对信号的采集质量较差，甚至无法捕捉到岩体内产生的信号。其次，长距离TBM隧洞监测过程中，监测系统及线路需不断跟随TBM快速移动，会带来巨大工作量。另外，监测线路移动不及时或长距离TBM隧洞内多处施工易而造成线路损坏，影响对岩爆的连续性监测。
发明内容
本发明的目的就是要克服上述缺陷，提供一种软硬互层地质条件下的长距离TBM隧洞岩爆微震监测方法，提升岩爆监测能力，确保岩爆微震监测的效果。
为了实现上述目的，本发明所设计的软硬互层地质条件下长距离TBM隧洞岩爆微震监测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
通过地质勘探区分隧洞内硬岩区和软岩区，对硬岩区的硬岩钻孔开展钻孔摄像，将微震传感器布置在硬岩区内完整硬岩段的硬岩钻孔内；
将微震监测系统安装在TBM上，并通无线网桥组与隧洞外岩爆微震监控中心通讯；所述无线网桥组包括若干依次通讯的无线网桥对；所述无线网桥对由接收端和发射端组成；所述无线网桥对数量随长距离TBM隧洞的施工情况逐渐增加，以实现通讯。
进一步地，所述微震传感器布置在硬岩钻孔的无原生裂隙的完整段。
进一步地，所述无线网桥对的上一对无线网桥的接收端与下一对无线网桥的发射端布置在同一处，通过线路连接。
更进一步地，所述无线网桥组的第一对无线网桥发射端布置在微震监测系统上；所述无线网桥组的最后一对无线网桥的接收端布置在隧洞外岩爆微震监控中心。
进一步地，所述硬岩钻孔深度大于开挖扰动区深度。
进一步地，所述微震传感器安装在TBM开挖面后方与距离TBM开挖面较近的硬岩钻孔中。
本发明的优点在于：
1、通过地质踏勘区分隧洞内硬岩区和软岩区，并通过钻孔摄像识别硬岩钻孔内岩体裂隙分布，将微震传感器安装在钻孔内完整硬岩段中，避免软岩变形及塌孔造成微震传感器难以安装及回收，同时，完整硬岩段布置的微震传感器有利于对微震信号的监测。
2、将微震监测系统安装在TBM上，无需跟随TBM开挖不断移动微震监测系统，大量减少了微震监测工作量；基于无线网桥及成对增补技术实现长距离TBM隧洞岩爆微震实时监测，解决长距离TBM隧洞岩爆监测线路难以布设的问题，避免微震监测线路移动不及时或长距离TBM隧洞内多处施工而造成线路损坏，保障了岩爆微震监测的连续性。
3、沿隧洞轴线不等间距布置一系列无线网桥，将无线网桥布置于隧洞受施工干扰少的区域，避免洞内多处施工易损坏岩爆微震监测线路或无线网桥，进一步保障了岩爆微震监测的连续性监测。
附图说明
图1为本发明整体分布图。
图2为本发明微震传感器安装剖面图。
图3为本发明微震监测数据传输系统。
图中：1-已开挖隧洞，2-掌子面，3-硬岩区，4-软岩区，5-开挖扰动区，6-原生裂隙，7-开挖方向，8-TBM，9-微震监测系统，10-TBM前方未开挖岩体，11-第一对无线网桥发射端，12-微震传感器，13-洞外岩爆微震监控中心，14-钻孔，15-TBM刀盘，1112-第一对无线网桥接收端，1121-第二对无线网桥发射端，1122-第二对无线网桥接收端，1131-第三对无线网桥发射端，1142-第四对无线网桥接收端，1151-第五对无线网桥发射端，1152-第五对无线网桥接收端。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
本发明所设计的软硬互层地质条件下长距离TBM隧洞岩爆微震监测方法，如图1所示，在TBM8已开挖隧洞1中开展地质踏勘，识别硬岩区3与软岩区4。在硬岩区3施工硬岩钻孔14，对硬岩区3中的硬岩钻孔14开展钻孔摄像，识别开挖扰动区5及原生裂隙6。若硬岩钻孔14深度小于开挖扰动区5深度，增加钻孔14深度。确定钻孔内部裂隙6分布特征后，将微震传感器12布置于硬岩钻孔14中完整硬岩段，即没有原生裂缝段。如此可避免软岩区4变形及塌孔造成微震传感器12难以安装及回收的问题，同时，在完整硬岩区3布置微震传感器4有利于对微震信号的监测。
随着掌子面2向TBM前方未开挖岩体10移动，微震传感器12与掌子面2距离逐渐增大，当微震传感器12与掌子面2距离接近微震传感器12极限监测距离时，将微震传感器12移动至靠近掌子面2的硬岩区3钻孔14完整段，不断重复上述步骤，直至隧洞开挖完成。
将微震监测系统9安装于TBM8上，跟随TBM8移动。相对于将微震监测系统9安装于已开挖隧洞1内某个位置而言，省去了移动微震监测系统9的工作量。在微震监测系统9上安装第一对无线网桥数据发射端11，在TBM8尾部后方无施工干扰的地方拱顶安装第一对无线网桥的接收端1112和第二对无线网桥发射端1121，避免采用有线线路进行数据传输容易被洞内施工作业损坏，也省去了在TBM8上布置有线线路的作业。
在距离TBM8尾部后方一定距离的已开挖隧洞1内安装第二对无线网桥接收端1122和第三对无线网桥接发射端1131，两者布置于同一处，通过较短的有线线路相互连接。进一步，在第二对无线网桥接收端1122和第三对无线网桥接发射端1131后方一定距离的已开挖隧洞1内安装在第三对无线网桥接收端1132和第四对无线网桥接发射端1141。如此循环，向TBM隧洞出口方向不断成对布置无线网桥直至洞外岩爆微震监控中心13。在洞外岩爆微震监控中心13处无遮挡的地方安装最后一对网桥的接收端1152，与洞外岩爆微震监控中心13通过较短有线线路连接。为降低TBM已开挖隧洞1内多处施工与车辆对无线网桥的遮挡与损坏，无线网桥布置于洞内高处施工难以触及遮挡的地方。在满足无线网桥数据传输距离的前提下，无线网桥之间的间距不必要相等，选择性的在无线网桥11极限数据传输距离之内洞内施工较少的区域安装。
随着掌子面2向TBM8前方未开挖岩体10快速移动，在即将达微震监测系统9上第一对无线网桥数据发射端11和在TBM8后方第一对无线网桥的接收端1112数据传输极限距离时，在TBM8尾部后方隧洞内增加一对无线网桥，其中一个无线网桥作为第一对无线网桥数据发射端11对应的无线网桥数据接收端，另一个无线网桥作为第一对无线网桥数据接收端1112对应的无线网桥数据发射端。如此随着TBM8的快速移动，不断成对在TBM8尾部后方隧洞内成对增加无线网桥，直至隧洞开挖完成。
实施例1
某水电工程引水隧洞采用TBM开挖，最大埋深1900m，TBM洞线长11.5km，为超深埋长隧洞大型地下水电工程。工程区硬岩砂岩、硬岩粉砂岩和软岩泥岩互层，岩层走向与隧洞轴线呈大角度相交，呈连续分布发育规律。对该软硬互层地质条件下长距离TBM隧洞进行岩爆微震监测，微震监测方法如下。
地质踏勘发现TBM掌子面2后方17m范围内为泥岩与砂岩，其中泥岩洞段长3m，砂岩段长为14m。在综合考虑岩体质量与监测距离的前提下，将微震传感器12布置于TBM刀盘15后方砂岩段3靠近掌子面2的位置，距掌子面2的距离为12m。根据TBM8可操作的位置，微震传感器12安装于隧洞两侧拱肩及拱顶，见图2。
在微震传感器12安装位置打钻孔14，隧洞左侧拱肩钻孔深度3.3m，钻孔摄像发现开挖扰动区5约为1.6m，在2.5m及3.2m位置发现了原生裂隙6，微震传感器12长度为0.1m，为保证微震传感器12接受微震信号的能力，将微震传感器12安装在2.9～3m完整硬岩3岩体段。隧洞右侧拱肩钻孔摄像发现开挖扰动区5约为1.5m，在2m及2.6m位置发现了原生裂隙6，大于2.6m位置的岩体完整，根据微震传感器安装阵列的要求，尽量增大微震传感器12覆盖范围，将微震传感器12安装在距孔口3.2～3.3m的钻孔14孔底。隧洞拱顶钻孔摄像发现开挖扰动区5约为1.4m，在1.8m、2.5m及2.9m位置发现了原生裂隙6，大于2.9m位置的岩体完整，根据微震传感器12安装阵列的要求，尽量增大微震传感器12覆盖范围，将微震传感器安装在3.2～3.3m的硬岩钻孔14孔底。
随着掌子面2向前快速移动，当掌子面2推进40m时，回收所安装的微震传感器。在TBM刀盘15后方进行地质踏勘，确定适合硬岩钻孔14的硬岩段，然后钻孔14和钻孔摄像，将回收的微震传感器安装在完整硬岩段。不断重复上述步骤，直至引水隧洞开挖完成。
微震传感器12通过线路与微震监测系统9相连，将微震监测系统9安装在TBM8上，并在微震监测系统9上方布置第一对无线网桥发射端11，与微震监测系统9通过较短有线线路相连。在TBM8尾部后方洞内拱顶位置布置第一对无线网桥接收端1112。同时在同一处布置第二对无线网桥接收端1121，与第一对无线网桥接收端1112通过线路相连。在该对无线网桥后方1500m的拱顶位置布置第二对无线网桥接收端1122。同时在该处布置第三对无线网桥接收端1131，与第二对无线网桥接收端1122通过线路相连。依次在引水隧洞中每隔1500～2000m布置了5对无线网桥，布置位置均为施工干扰较少的位置，其中第5对无线网桥接收端1152布置于隧洞外岩爆微震监控中心13上部，与岩爆微震监控中心13通过线路相连。
随着掌子面2的快速移动，当第一对无线网桥发射端11与第一对无线网桥接收端1112的距离达到1800m左右时，在TBM8尾部后方隧洞内拱顶位置增加一对无线网桥。其中一个无线网桥作为第一对无线网桥数据发射端11对应的无线网桥数据接收端，另一个无线网桥作为第一对无线网桥数据接收端1112对应的无线网桥数据发射端。如此随着TBM8的快速移动，不断在TBM8尾部后方隧洞内成对增加无线网桥，直至隧洞开挖完成。
以上实例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，本发明的技术方案进行修改或者同等替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (4)

1.一种软硬互层地质条件下长距离TBM隧洞岩爆微震监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过地质勘探区分隧洞内硬岩区和软岩区，对硬岩区的硬岩钻孔开展钻孔摄像，识别硬岩钻孔内岩体裂缝分布；将微震传感器布置在TBM开挖面后方与距离TBM开挖面较近的无原生裂隙的完整硬岩段内；
将微震监测系统安装在TBM上，并通无线网桥组与隧洞外岩爆微震监控中心通讯；所述无线网桥组包括若干依次通讯的无线网桥对，所述无线网桥对设置于隧道受施工干扰少的区域；所述无线网桥对由接收端和发射端组成；所述无线网桥对数量随长距离隧洞的施工情况逐渐增加，以实现通讯。
2.根据权利要求1所述的软硬互层地质条件下长距离TBM隧洞岩爆微震监测方法，其特征在于：所述无线网桥对的上一对无线网桥的接收端与下一对无线网桥的发射端布置在同一处，通过线路连接。
3.根据权利要求2所述的软硬互层地质条件下长距离TBM隧洞岩爆微震监测方法，其特征在于：所述无线网桥组的第一对无线网桥发射端布置在微震监测系统上；所述无线网桥组的最后一对无线网桥的接收端布置在隧洞外岩爆微震监控中心。
4.根据权利要求1所述的软硬互层地质条件下长距离TBM隧洞岩爆微震监测方法，其特征在于：所述硬岩钻孔深度大于开挖扰动区深度。
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