CN113655541B - 基于定向钻-探-测一体化的水下盾构隧道安全保障方法 - Google Patents

基于定向钻-探-测一体化的水下盾构隧道安全保障方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于定向钻‑探‑测一体化的水下盾构隧道安全保障方法，先在水域下方施工一小直径钻孔，并建立初始地质模型；接着将小直径钻孔进行扩孔形成大直径钻孔，然后将并行电法电缆和监测光缆放置在大直径钻孔内，在隧道掘进之前，通过碳棒测量电极获得零次场、一次场、二次场数据，并利用现有反演方法对数据处理形成反演图像，完成地层精细化地质模型；开始进行隧道掘进，通过并行电法电缆和监测光缆分别获得掘进过程中岩土体受扰动情况及隧道周边岩土体沉降变形情况，完成隧道安全掘进；在隧道后续使用过程中，并行电法电缆和监测光纤对隧道及其周围岩土体进行持续监测，能及时发现发生沉降变形的情况，从而保障隧道全生命周期的安全。

Description

基于定向钻-探-测一体化的水下盾构隧道安全保障方法
技术领域
本发明涉及水下盾构隧道安全保障方法，具体是一种基于定向钻-探-测一体化的水下 盾构隧道安全保障方法。
背景技术
水域下施工隧道等地下工程具有极大的安全风险。隧道等地下工程施工一般均需要提前对施工区域进行地质勘探，通过了解其地质模型才能保证后续开发的安全稳定性，目前主要的方式为地面勘探，即在隧道掘进区域上方的地面放置勘探设备，然后勘探设备对所需掘进区域进行地质勘探；这种方式虽然能有效实现地质勘探，但是通常存在不适合进行地面勘探作业的区域，严重影响隧道施工的效率和安全，尤其在水域特别是居民供水或自然保护区域的水域等，因为此类水域上的地面勘探会造成污染水体，导致不能进行地面勘探。因此，如何对水下隧道进行探测并保障其安全施工是所需解决的问题。
目前常用方法是在水域一侧通过掘进岩土层达到一定深度后，利用勘探设备向水域下 方待掘岩土层进行掘进前方的超前探测，获得其地质模型，但超前探测时勘探设备会受到 盾构机的金属影响，探测效率较低，即使采用盾构机前方钻孔的探测方法，其探测范围小， 只能局部探测，难以从更大的视角对整个隧道进行安全保障。
另外由于隧道掘进过程中，会导致周围岩土体应力变化，从而稳定性发生变化，而常 规地球物理勘探方法难以在隧道掘进过程中及隧道掘进完成后运营期进行持续监测，从而 无法实现全周期持续监测作用；因此如何能在隧道掘进前对水域下方的地质模型进行有效 勘探，从而对后续掘进期间进行指导，同时还能在隧道掘进过程中及完成后持续对隧道周 围的岩土体进行长期监测，从而提供全生命周期的数据指导，是本行业的研究方向。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于定向钻-探-测一体化的水下盾构 隧道安全保障方法，能在隧道掘进前对水域下方的地质模型进行有效勘探，从而对后续掘 进期间进行指导，同时还能在隧道掘进过程中及完成后持续对隧道周围的岩土体进行长期 监测，从而提供全生命周期的数据指导。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于定向钻-探-测一体化的水下盾 构隧道安全保障方法，具体步骤为：
步骤一、在水域一侧通过定向钻进方式施工一个小直径钻孔，小直径钻孔穿过水域下 方岩土体，并从水域另一侧穿出地面，完成小直径钻孔钻进，所述小直径钻孔的直径为 90～108mm；钻进时全程记录钻进返渣、钻进速度，综合编录分析小直径钻孔穿透的地层信 息，建立初始地质模型；
步骤二、采用大直径钻头沿着小直径钻孔对其进行扩孔，并在扩孔过程中进行泥浆护 壁作业，完成后形成大直径钻孔；所述大直径钻孔的直径为300～400mm；
步骤三、将并行电法电缆一端和监测光缆一端从大直径钻孔一端伸入并从另一端穿出， 并行电法电缆一端和监测光缆一端分别与并行电法监测系统和光纤监测系统连接并采集信 号；所述并行电法电缆上内嵌n组双模电极，其中n＝4*(钻孔长度/隧道高度)，每组双模 电极由1个供电电极及1个碳棒测量电极组成，供电电极与测量电极之间的间距为0.2m；
步骤四、检查并行电法及光纤信号的效果，若并行电法无电流及光纤无通讯信号则重 复步骤三，直至检查效果正常，正常后向大直径钻孔内注入1.5Mpa压力的注浆材料，进行 钻孔全段封孔，实现电缆、光缆与地层耦合；
步骤五、首先并行电法监测系统测量n个碳棒测量电极的零次场数据，然后并行电法 监测系统向并行电法电缆上的n个供电电极进行供电并同步测量n个碳棒测量电极的一次 场数据，再次并行电法监测系统测量供电结束后的n个碳棒测量电极的二次场数据，利用 基于量子粒子群算法与BP神经网络算法相结合的反演方法，对零次场、一次场、二次场数 据进行多参数非线性反演，形成反演图像，更新步骤一中形成的初始地质模型，得到地层 精细化地质模型；根据地层精细化地质模型找出隧道待掘地层(隧道从水域一侧穿入，从 水域另一侧穿出)内是否存在导通水域的通道，若发现通道则在地面进行及时治理；
步骤六、根据步骤五得出的精细化地质模型，采用盾构机从水域一侧向水域下方掘进 隧道，在隧道掘进过程中，并行电法电缆的n组双模电极实时将检测数据反馈给并行电法 监测系统，对采集的数据进行分析处理并反演，然后与步骤五中的反演图像进行对比，获 得掘进过程中岩土体受扰动情况；同时通过光纤监测系统实时采集光纤上的应变、温度及 振动参数，从而实时获得掘进过程中隧道周边岩土体沉降变形情况；
步骤七、根据步骤六实时监测结果，对隧道掘进线路进行实时优化调整，若在掘进过 程中监测到受掘进扰动影响的岩土体损伤，则利用注浆方法进行加固处理，完成后通过步 骤六对该位置的注浆加固效果进行监测评估；达到所需加固要求后，继续进行掘进工作；
步骤八、当水域一侧、下方、另一侧隧道全线完成掘进及支护后，在后续隧道使用过 程中，并行电法电缆和监测光纤采用步骤六的方式对隧道及其周围岩土体进行持续监测， 能及时发现发生沉降变形的情况，使工作人员进行后续处理，从而实现对隧道在掘进前的 地质勘探、掘进中的实时扰动监测及掘进后沉降变形的持续监测，保障隧道全生命周期的 安全。
进一步，所述大直径钻孔处于隧道顶部的上方3～5m范围内。设置在这个位置，不仅能 保证并行电法电缆和监测光纤对下方隧道的持续监测精度，而且能降低隧道掘进过程中发 生变形时导致并行电法电缆和监测光纤出现破坏的情况。
进一步，所述n组双模电极嵌在并行电法电缆呈不同密度分布，其中处于水域下方的 并行电法电缆上双模电极的分布密度大于处于水域两侧的并行电法电缆上双模电极的分布 密度。在水域下方分布密度大，从而有效保证对该部分的监测精度，水域两侧由于无需较 高精度因此降低电极分布密度，从而节省布设成本。
进一步，所述并行电法电缆与监测光纤捆绑在一起，在安装时依靠并行电法电缆进行 拉拔，并行电法电缆的抗拉力不小于其重量的3～5倍，并行电法电缆信号低损耗且其电阻 小于250Ω/km。采用这种参数的并行电法电缆，能有效保证安装及使用过程中并行电法电 缆的稳定运行。
与现有技术相比，本发明采用先从水域一侧通过定向钻进方式施工一个小直径钻孔穿 过水域下方并从另一侧穿出，钻进过程中根据收集的信息建立初始地质模型；接着将小直 径钻孔进行扩孔形成大直径钻孔，然后将并行电法电缆和监测光缆放置在大直径钻孔内， 完成安装及检测后，在隧道掘进之前，通过碳棒测量电极获得零次场、一次场、二次场数 据，并利用基于量子粒子群算法与BP神经网络算法相结合的反演方法对数据进行多参数非 线性反演，形成反演图像，完成地层精细化地质模型；根据精细化地质模型，开始进行隧 道掘进，在掘进过程中，通过并行电法电缆实时进行反演成像，获得掘进过程中岩土体受 扰动情况；同时通过监测光缆获得掘进过程中隧道周边岩土体沉降变形情况，完成隧道安 全掘进；最后在隧道使用过程中，并行电法电缆和监测光纤对隧道及其周围岩土体进行持 续监测，能及时发现发生沉降变形的情况，使工作人员进行后续处理，从而实现对隧道在 掘进前的地质勘探、掘进中的实时扰动监测及掘进后沉降变形的持续监测，保障隧道全生 命周期的安全。
附图说明
图1是本发明的整体布设示意图。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的具体步骤为：
步骤一、在水域一侧通过定向钻进方式施工一个小直径钻孔，小直径钻孔穿过水域下 方岩土体，并从水域另一侧穿出地面，完成小直径钻孔钻进，所述小直径钻孔的直径为 90～108mm；钻进时全程记录钻进返渣、钻进速度，综合编录分析小直径钻孔穿透的地层信 息，建立初始地质模型；
步骤二、采用大直径钻头沿着小直径钻孔对其进行扩孔，并在扩孔过程中进行泥浆护 壁作业，完成后形成大直径钻孔；所述大直径钻孔的直径为300～400mm；所述大直径钻孔 处于待掘进隧道顶部的上方3～5m范围内。设置在这个位置，不仅能保证并行电法电缆和监 测光纤对下方隧道的持续监测精度，而且能降低隧道掘进过程中发生变形时导致并行电法 电缆和监测光纤出现破坏的情况。
步骤三、将并行电法电缆一端和监测光缆一端从大直径钻孔一端伸入并从另一端穿出， 并行电法电缆一端和监测光缆一端分别与并行电法监测系统和光纤监测系统连接并采集信 号；所述并行电法电缆与监测光纤捆绑在一起，在安装时依靠并行电法电缆进行拉拔，并 行电法电缆的抗拉力不小于其重量的3～5倍，并行电法电缆信号低损耗且其电阻小于250 Ω/km。采用这种参数的并行电法电缆，能有效保证安装及使用过程中并行电法电缆的稳定 运行。所述并行电法电缆上内嵌n组双模电极，其中n＝4*(钻孔长度/隧道高度)，每组双 模电极由1个供电电极及1个碳棒测量电极组成，供电电极与测量电极之间的间距为0.2m； 所述并行电法监测系统和光纤监测系统均为现有设备；所述n组双模电极嵌在并行电法电 缆呈不同密度分布，其中处于水域下方的并行电法电缆上双模电极的分布密度大于处于水 域两侧的并行电法电缆上双模电极的分布密度；双模电极在水域下方分布密度大，从而有 效保证对该部分的监测精度，水域两侧由于无需较高精度因此降低电极分布密度，从而节 省布设成本。
步骤四、检查并行电法及光纤信号的效果，若并行电法无电流及光纤无通讯信号则重 复步骤三，直至检查效果正常，正常后向大直径钻孔内注入1.5Mpa压力的注浆材料，进行 钻孔全段封孔，实现电缆、光缆与地层耦合；
步骤五、首先并行电法监测系统测量n个碳棒测量电极的零次场数据，然后并行电法 监测系统向并行电法电缆上的n个供电电极进行供电并同步测量n个碳棒测量电极的一次 场数据，再次并行电法监测系统测量供电结束后的n个碳棒测量电极的二次场数据，利用 基于量子粒子群算法与BP神经网络算法相结合的反演方法，对零次场、一次场、二次场数 据进行多参数非线性反演，形成反演图像，更新步骤一中形成的初始地质模型，得到地层 精细化地质模型；根据地层精细化地质模型找出隧道待掘地层(隧道从水域一侧穿入，从 水域另一侧穿出)内是否存在导通水域的通道，若发现通道则在地面进行及时治理；
步骤六、根据步骤五得出的精细化地质模型，采用盾构机从水域一侧向水域下方掘进 隧道，在隧道掘进过程中，并行电法电缆的n组双模电极实时将检测数据反馈给并行电法 监测系统，对采集的数据进行分析处理并反演，然后与步骤五中的反演图像进行对比，获 得掘进过程中岩土体受扰动情况；同时通过光纤监测系统实时采集光纤上的应变、温度及 振动参数，从而实时获得掘进过程中隧道周边岩土体沉降变形情况；
步骤七、根据步骤六实时监测结果，对隧道掘进线路进行实时优化调整，若在掘进过 程中监测到受掘进扰动影响的岩土体损伤，则利用注浆方法进行加固处理，完成后通过步 骤六对该位置的注浆加固效果进行监测评估；达到所需加固要求后，继续进行掘进工作；
步骤八、当水域一侧、下方、另一侧隧道全线完成掘进及支护后，在后续隧道使用过 程中，并行电法电缆和监测光纤采用步骤六的方式对隧道及其周围岩土体进行持续监测， 能及时发现发生沉降变形的情况，使工作人员进行后续处理，从而实现对隧道在掘进前的 地质勘探、掘进中的实时扰动监测及掘进后沉降变形的持续监测，保障隧道全生命周期的 安全。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视 为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于定向钻-探-测一体化的水下盾构隧道安全保障方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤一、在水域一侧通过定向钻进方式施工一个小直径钻孔，小直径钻孔穿过水域下方岩土体，并从水域另一侧穿出地面，完成小直径钻孔钻进，所述小直径钻孔的直径为90~108mm；钻进时全程记录钻进返渣、钻进速度，综合编录分析小直径钻孔穿透的地层信息，建立初始地质模型；
步骤二、采用大直径钻头沿着小直径钻孔对其进行扩孔，并在扩孔过程中进行泥浆护壁作业，完成后形成大直径钻孔；所述大直径钻孔的直径为300~400mm；
步骤三、将并行电法电缆一端和监测光缆一端从大直径钻孔一端伸入并从另一端穿出，并行电法电缆一端和监测光缆一端分别与并行电法监测系统和光纤监测系统连接并采集信号；所述并行电法电缆上内嵌n组双模电极，其中n=4*（钻孔长度/隧道高度），每组双模电极由1个供电电极及1个碳棒测量电极组成，供电电极与测量电极之间的间距为0.2m；
步骤四、检查并行电法及光纤信号的效果，若并行电法无电流及光纤无通讯信号则重复步骤三，直至检查效果正常，正常后向大直径钻孔内注入1.5Mpa压力的注浆材料，进行钻孔全段封孔，实现电缆、光缆与地层耦合；
步骤五、首先并行电法监测系统测量n个碳棒测量电极的零次场数据，然后并行电法监测系统向并行电法电缆上的n个供电电极进行供电并同步测量n个碳棒测量电极的一次场数据，再次并行电法监测系统测量供电结束后的n个碳棒测量电极的二次场数据，利用基于量子粒子群算法与BP神经网络算法相结合的反演方法，对零次场、一次场、二次场数据进行多参数非线性反演，形成反演图像，更新步骤一中形成的初始地质模型，得到地层精细化地质模型；根据地层精细化地质模型找出隧道待掘地层内是否存在导通水域的通道，若发现通道则在地面进行及时治理；
步骤六、根据步骤五得出的精细化地质模型，采用盾构机从水域一侧向水域下方掘进隧道，在隧道掘进过程中，并行电法电缆的n组双模电极实时将检测数据反馈给并行电法监测系统，对采集的数据进行分析处理并反演，然后与步骤五中的反演图像进行对比，获得掘进过程中岩土体受扰动情况；同时通过光纤监测系统实时采集光纤上的应变、温度及振动参数，从而实时获得掘进过程中隧道周边岩土体沉降变形情况；
步骤七、根据步骤六实时监测结果，对隧道掘进线路进行实时优化调整，若在掘进过程中监测到受掘进扰动影响的岩土体损伤，则利用注浆方法进行加固处理，完成后通过步骤六对该位置的注浆加固效果进行监测评估；达到所需加固要求后，继续进行掘进工作；
步骤八、当水域一侧、下方、另一侧隧道全线完成掘进及支护后，在后续隧道使用过程中，并行电法电缆和监测光纤采用步骤六的方式对隧道及其周围岩土体进行持续监测，能及时发现发生沉降变形的情况，使工作人员进行后续处理，从而实现对隧道在掘进前的地质勘探、掘进中的实时扰动监测及掘进后沉降变形的持续监测，保障隧道全生命周期的安全。
2. 根据权利要求1 所述的一种基于定向钻-探-测一体化的水下盾构隧道安全保障方法，其特征在于，所述大直径钻孔处于隧道顶部的上方3~5m范围内。
3. 根据权利要求1 所述的一种基于定向钻-探-测一体化的水下盾构隧道安全保障方法，其特征在于，所述n组双模电极嵌在并行电法电缆呈不同密度分布，其中处于水域下方的并行电法电缆上双模电极的分布密度大于处于水域两侧的并行电法电缆上双模电极的分布密度。
4. 根据权利要求1 所述的一种基于定向钻-探-测一体化的水下盾构隧道安全保障方法，其特征在于，所述并行电法电缆与监测光纤捆绑在一起，在安装时依靠并行电法电缆进行拉拔，并行电法电缆的抗拉力为其重量的3~5倍，并行电法电缆信号低损耗且其电阻小于250Ω/km。
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