CN111220776A - Tbm搭载式放射性氡进行超前地质预报的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种TBM搭载式放射性氡进行超前地质预报的系统及方法，搭载于TBM上的氡浓度测试模块，包括空气中氡浓度测试单元和水氡测试单元，所述空气中氡浓度测试单元包括依次连接的空气采集囊和第一干燥管，空气采集囊和第一干燥管之间设置有滤膜，第一干燥管的一端设置有吸气泵，所述第一干燥管的另一端通过管路连通至连续测氡仪；水氡测试单元包括扩散瓶，扩散瓶内设置有取水器，扩散瓶与第二干燥管一端连接，第二干燥管的另一端通过管路连接至所述连续测氡仪；连续测氡仪对空气和水中的氡含量进行测量，并传输给数据处理分析模块，分析计算氡浓度，对TBM隧道内氡浓度进行长期监测，并实时给出氡浓度曲线图和异常下限。

Description

TBM搭载式放射性氡进行超前地质预报的系统及方法

技术领域

本公开属于隧道超前探测预报领域，具体涉及一种TBM搭载式放射性氡进行超前地质预报的系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

国际公认隧道掘进机施工方法因具有“掘进速度快、施工扰动小、综合经济效益高”等优势，未来我国引水隧洞、铁路隧道、海底隧道的建设将越来越多采用掘进机施工方法。TBM隧道施工在遭遇断层不良地质时，在施工扰动下极有可能诱发卡机、突涌水和塌方等严重地质灾害。因此在TBM隧道施工过程中，必须对不良地质赋存情况进行准确预报。

现有TBM隧道超前地质预报方法主要为地球物理探测方法，如地震波法、激发极化法等，但由于隧道TBM施工环境复杂，观测空间狭小、震动干扰和电磁干扰强烈，上述超前地质预报方法往往在TBM停机维护保养的环境中才能开展，且TBM掘进速度快，用于不良地质识别的时间间隔很短，因此，寻求一种TBM不停机便可开展超前地质预报的方法就显得尤为重要。

众所周知，放射性镭元素普遍存在于地质体中，作为自然界唯一的放射性气体氡主要由镭元素衰变形成，氡往往在花岗岩和富含炭质的岩土层构成的隧道中富集。在断层活动加剧岩石破碎时，矿物晶格遭到破坏，大量的氡透过岩石的裂隙和孔隙迁移吸附至岩石表面，同时一部分存在于岩石自身的孔隙和裂隙中，且氡显著地溶于水，上述表明在断层破碎带和裂隙密集区往往富集氡。

据发明人了解，目前TBM隧道放射性氡测试不同于传统钻爆法隧道，仍存在以下难以解决的问题：

(1)TBM重型设备占据了隧道内大部分空间，导致传统放射性氡测试方法难以在隧道狭窄处开展，无法满足测试需求；

(2)传统人工测试方法利用手持放射性氡测试仪进行测试，无法满足对岩石中氡元素含量及时、长期测试的需求，且需要耗费大量的人力和财力；

(3)由于放射性氡衰变具有随机性，传统人工测试方法很难消除统计误差的影响。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种TBM搭载式放射性氡进行超前地质预报的系统及方法，本公开能够获取隧道掌子面附近氡浓度，并利用氡含量的变化对隧道前方不良地质进行超前预报。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种TBM搭载式放射性氡进行超前地质预报的系统，包括：

搭载于TBM上的氡浓度测试模块，包括空气中氡浓度测试单元和水氡测试单元，所述空气中氡浓度测试单元包括依次连接的空气采集囊和第一干燥管，空气采集囊和第一干燥管之间设置有滤膜，所述第一干燥管的一端设置有吸气泵，所述第一干燥管的另一端通过管路连通至连续测氡仪；

所述水氡测试单元包括扩散瓶，扩散瓶内设置有取水器，扩散瓶与第二干燥管一端连接，第二干燥管的另一端通过管路连接至所述连续测氡仪；

所述连续测氡仪对空气和水中的氡含量进行测量，并传输给数据处理分析模块，分析计算氡浓度。

作为可选择的实施方式，所述第一干燥管和所述第二干燥管为U型干燥管。

作为可选择的实施方式，所述空气采集囊通过固定在TBM上的伸缩支架和吸气泵采集隧道掌子面附近的空气，采集管连接滤膜，用于过滤空气中的氡子体，过滤后的气体通过干燥管进入连续测氡仪进行氡含量测试。

作为可选择的实施方式，所述取水器通过固定在TBM上的伸缩支架采集隧道排水口处的地下水，采集的水通过管路流入扩散管，扩散管下方设置排水阀。

作为进一步的实施方式，所述玻璃管上方安有流量计，用于控制水量的大小。

作为进一步的实施方式，所述扩散管一侧安有鼓风泵，鼓风泵将扩散管内水中的氡送入连续测氡仪。

作为可选择的实施方式，所述连续测氡仪配置硅半导体探测器。

作为可选择的实施方式，所述数据处理分析模块对空气和水中的氡浓度进行分析，自动绘制出空气和水中氡浓度曲线图，并实时计算出一段时间内空气和水中氡浓度测试的平均值和均方差，将氡浓度和相关数据结果进行记录保存，并无限传输给TBM主控室。

作为可选择的实施方式，所述管路为玻璃管。

基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：

启动空气中氡浓度测试单元，关闭水中氡浓度测试单元，对隧道掌子面附近氡浓度进行连续测量，得出一段时间内空气中氡浓度曲线图、平均值和均方差；

启动水中氡浓度测试单元，关闭空气中氡浓度测试单元，对隧道内掌子面附近地下水中氡浓度进行连续测量，得出一段时间内水中氡浓度曲线图、平均值和均方差；

将平均值与两倍均方差之和作为氡浓度异常下限，若隧道掌子面空气和水中实时氡浓度超出各自氡异常下限，则隧道掌子面前方可能存在富含氡的断层破碎带和构造裂隙密集带，且断层破碎带和构造裂隙密集带的规模和氡浓度与异常限差值呈正比。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开可方便、快速和实时测量TBM隧道掌子面附近空气和水中的氡浓度，避免了传统氡测试方法因TBM隧道工作空间狭窄而不方便测试的情况，节省了人力、物力和财力。

本公开可对TBM隧道内氡浓度进行长期监测，并实时给出氡浓度曲线图和异常下限，同时可消除统计误差的影响，不需要TBM停机便可开展测试。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本公开的整体结构示意图；

图2是本公开的操作步骤简化流程图。

其中1空气采集囊、2滤膜、3吸气泵、4伸缩支架4a(4b)、5U形干燥管5a(5b)、6阀门6a(6b、6c)、7连续测氡仪、8有机玻璃管、9扩散瓶、10排水阀、11鼓气泵、12流量计、13取水器、14排气阀、15数据处理分析模块。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

如图1所示，TBM搭载式隧道内利用放射性氡进行超前地质预报系统包括空气中氡浓度测试单元UT1和水氡测试单元UT2，两单元公用一个连续测氡仪和数据处理模块，具体包括空气采集囊1、滤膜2、吸气泵3、伸缩支架4a(4b)、U形干燥管5a(5b)、阀门6a(6b、6c)、连续测氡仪7、有机玻璃管8、扩散瓶9、排水阀10、鼓气泵11、流量计12、取水器13、排气阀14、数据处理分析模块15。

空气中氡浓度测试单元，包含空气采集囊、滤膜、吸气泵和U形干燥管，空气采集囊通过固定在TBM上的伸缩支架和吸气泵采集隧道掌子面附近的空气，采集管连接滤膜，用于过滤空气中的氡子体，提高氡含量测试精度，过滤后的气体通过U形干燥管进入连续测氡仪进行氡含量测试，其中，空气采集囊1由伸缩支架4a支撑，固定在测试系统的顶部右侧，用于采集隧道掌子面附近的空气，所述滤膜2位于空气采集囊1的下部，用于过滤空气中的氡子体，提高氡含量测试精度；

吸气泵3位于滤膜2的下部，用于吸附掌子面附近的空气，使空气能顺利进入测氡仪7，所述伸缩支架4a(4b)分别位于系统的右侧和左侧，用于支撑空气采集囊1和取水器13；

U形干燥管5a(5b)分别位于连续测氡仪7的两侧，用于空气和水中氡浓度测试前的干燥处理，阀门6a(6b)分别位于连续测氡仪7的右侧和左侧，用于控制空气在有机玻璃管8中的流动,阀门6c位于流量计12的上方，用于控制水的流动；

连续测氡仪7配置硅半导体探测器，可对氡浓度进行快速精确测量，使用现有的RCM-01型连续测氡仪即可，有机玻璃管8用于连接各测试装置，使用现有的有机玻璃管即可，在此均不再赘述。

水中氡浓度测试单元，包含取水器、扩散管、流量计、U形干燥管、伸缩支架和鼓风泵，取水器通过固定在TBM上的伸缩支架采集隧道排水口处的地下水，采集的水通过玻璃管流入扩散管，扩散管下方设置排水阀，用于排出已测试地下水，玻璃管上方安有流量计，用于控制水量的大小，扩散管左侧安有鼓风泵，鼓风泵将扩散管内水中的氡送入连续测氡仪，连续测氡仪左端安有U形干燥管对氡气进行干燥处理，扩散瓶9用于将水中的氡气扩散出来；排水阀10位于扩散瓶的底部，用于排除已经测试过的水；

鼓气泵11位于扩散瓶中部左侧，用于鼓吹从扩散器中扩散出来的氡气进入有机玻璃管8；流量计12位于扩散瓶9的顶部，用于控制采集水的流量；

取水器13由伸缩支架4b支撑，固定在测试系统的顶部左侧，用于采集隧道内需要测试的地下水，排气阀14位于连续测氡仪的右上部，用于排出已测试的氡气；

所述数据处理分析模块15对空气和水中的氡浓度进行分析，可自动绘制出空气和水中氡浓度曲线图，并实时计算出一段时间内空气和水中氡浓度测试的平均值和均方差，且该模块具有存储和无线传输功能，可将氡浓度和相关数据结果进行记录保存，并无限传输给TBM主控室。

如图2所示，TBM搭载式的隧道内利用放射性氡进行超前地质预报的方法，包括以下步骤：

开启阀门6a，关闭阀门6b，空气氡浓度测试单元UT1对隧道掌子面附近空气进行氡浓度测试，得到隧道当前里程空气中氡浓度N1，开启阀门14约5min，用于排出已测试的氡气；

开启阀门6b，关闭阀门6a，流量计12控制进水量约300ml，后关闭阀门6c，水中氡浓度测试单元UT2对隧道掌子面附近地下水进行氡浓度测试，得到隧道当前里程水中氡浓度N2；

开启排水阀10和排气阀14，分别排除已经测试过的水和氡气；

重复上述(1)～(3)步骤，数据处理分析模块根据测试结果自动得出氡浓度隧道掌子面里程变化的曲线图，并分别计算出空气和水中氡浓度平均值J1、J2和均方差δ1和δ2；

将氡浓度平均值与2倍均方差之和作为氡浓度异常下限，若实时测得的氡浓度大于氡浓度异常下限，即N空气>J1+2δ1或N水>J2+2δ2，则隧道掌子面前方可能存在富含氡的断层破碎带和构造裂隙密集带，且断层破碎带和构造裂隙密集带的规模和氡的浓度与异常限差值呈正比。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种TBM搭载式放射性氡进行超前地质预报的系统，其特征是：包括：

搭载于TBM上的氡浓度测试模块，包括空气中氡浓度测试单元和水氡测试单元，所述空气中氡浓度测试单元包括依次连接的空气采集囊和第一干燥管，空气采集囊和第一干燥管之间设置有滤膜，所述第一干燥管的一端设置有吸气泵，所述第一干燥管的另一端通过管路连通至连续测氡仪；

所述水氡测试单元包括扩散瓶，扩散瓶内设置有取水器，扩散瓶与第二干燥管一端连接，第二干燥管的另一端通过管路连接至所述连续测氡仪；

所述连续测氡仪对空气和水中的氡含量进行测量，并传输给数据处理分析模块，分析计算氡浓度。

2.如权利要求1所述的一种TBM搭载式放射性氡进行超前地质预报的系统，其特征是：所述第一干燥管和所述第二干燥管为U型干燥管。

3.如权利要求1所述的一种TBM搭载式放射性氡进行超前地质预报的系统，其特征是：所述空气采集囊通过固定在TBM上的伸缩支架和吸气泵采集隧道掌子面附近的空气，采集管连接滤膜，用于过滤空气中的氡子体，过滤后的气体通过干燥管进入连续测氡仪进行氡含量测试。

4.如权利要求1所述的一种TBM搭载式放射性氡进行超前地质预报的系统，其特征是：所述取水器通过固定在TBM上的伸缩支架采集隧道排水口处的地下水，采集的水通过管路流入扩散管，扩散管下方设置排水阀。

5.如权利要求1所述的一种TBM搭载式放射性氡进行超前地质预报的系统，其特征是：所述玻璃管上方安有流量计，用于控制水量的大小。

6.如权利要求1所述的一种TBM搭载式放射性氡进行超前地质预报的系统，其特征是：所述扩散管一侧安有鼓风泵，鼓风泵将扩散管内水中的氡送入连续测氡仪。

7.如权利要求1所述的一种TBM搭载式放射性氡进行超前地质预报的系统，其特征是：所述连续测氡仪配置硅半导体探测器。

8.如权利要求1所述的一种TBM搭载式放射性氡进行超前地质预报的系统，其特征是：所述数据处理分析模块对空气和水中的氡浓度进行分析，自动绘制出空气和水中氡浓度曲线图，并实时计算出一段时间内空气和水中氡浓度测试的平均值和均方差，将氡浓度和相关数据结果进行记录保存，并无限传输给TBM主控室。

9.如权利要求1所述的一种TBM搭载式放射性氡进行超前地质预报的系统，其特征是：所述管路为玻璃管。

10.基于权利要求1-9中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

启动空气中氡浓度测试单元，关闭水中氡浓度测试单元，对隧道掌子面附近氡浓度进行连续测量，得出一段时间内空气中氡浓度曲线图、平均值和均方差；

启动水中氡浓度测试单元，关闭空气中氡浓度测试单元，对隧道内掌子面附近地下水中氡浓度进行连续测量，得出一段时间内水中氡浓度曲线图、平均值和均方差；

将平均值与两倍均方差之和作为氡浓度异常下限，若隧道掌子面空气和水中实时氡浓度超出各自氡异常下限，则隧道掌子面前方可能存在富含氡的断层破碎带和构造裂隙密集带，且断层破碎带和构造裂隙密集带的规模和氡浓度与异常限差值呈正比。

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