適于TBM施工的HSP法實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

盧 松， 汪 旭， 李蒼松， 丁建芳

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司， 四川 成都 611731)

0 引言

隧道掘進(jìn)機(jī)TBM(tunnel boring machine)以其掘進(jìn)效率高的特點(diǎn)，逐步被引入國(guó)內(nèi)長(zhǎng)大隧道施工中。但與鉆爆法相比，TBM設(shè)備對(duì)不良地質(zhì)適應(yīng)能力較差，如果不預(yù)先了解地層情況的話，其受到的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉆爆法，會(huì)造成掘進(jìn)速度減慢； 若處理不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致卡機(jī)或更嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。為確保隧道TBM施工安全，且適應(yīng)TBM快速施工要求,國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于研發(fā)適合于TBM施工的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)。2003年，趙永貴等[3-4]開(kāi)發(fā)了TST(tunnel seismic tomography)隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，其觀測(cè)系統(tǒng)采用空間布置，接收與激發(fā)系統(tǒng)布設(shè)于隧道兩側(cè)圍巖中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)前方不良地質(zhì)預(yù)報(bào)工作； 2006年，Kopp[5]將BEAM(bore-tunneling electrical ahead monitoring)技術(shù)引入高速鐵路隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)中，以TBM護(hù)盾作為屏蔽電極，而滾刀則作為測(cè)量電極，實(shí)現(xiàn)頻率域激發(fā)極化法探測(cè)； 2007年，李術(shù)才等[6]依托863計(jì)劃將激發(fā)極化法引入隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)中，實(shí)現(xiàn)了地下水的定量探測(cè)技術(shù)，在TBM刀盤(pán)、周圈以及后方布設(shè)多個(gè)電極開(kāi)展激發(fā)極化法探水； 2008年，李蒼松等[2]首次提出了利用TBM刀盤(pán)剪切巖石產(chǎn)生的震動(dòng)信號(hào)作為激發(fā)震源的被動(dòng)源HSP(horizontal sonic/seismic profiling)法探測(cè)技術(shù)； 隨后何發(fā)亮等[7]提出巖體溫度法，實(shí)現(xiàn)隧道掌子面前方涌水預(yù)報(bào)； 近些年，陳方明等[8]應(yīng)用CFC(complex frequency conductance)復(fù)頻電導(dǎo)隧道探水技術(shù)在巴基斯坦NJ水電站進(jìn)行地下水探測(cè)； 海瑞克股份公司等聯(lián)合開(kāi)發(fā)了ISP(integrated seismic prediction)綜合地震波預(yù)報(bào)系統(tǒng)。以上探測(cè)方法均有各自的特點(diǎn)，也取得了一定的成效，但均采用的是主動(dòng)源物探技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)或多或少會(huì)影響到施工。為了適應(yīng)TBM掘進(jìn)速度快的特點(diǎn)，適于TBM施工的實(shí)時(shí)地質(zhì)預(yù)報(bào)新技術(shù)并將其搭載于TBM系統(tǒng)是目前的研究趨勢(shì)。

利用TBM刀盤(pán)滾刀破巖震動(dòng)作為激發(fā)震源的被動(dòng)源HSP法探測(cè)技術(shù)[9]，與傳統(tǒng)主動(dòng)源彈性波探測(cè)方法相比，可在TBM掘進(jìn)過(guò)程中完成數(shù)據(jù)采集，在不影響施工的同時(shí)實(shí)現(xiàn)不良地質(zhì)(體)預(yù)報(bào)，這為實(shí)現(xiàn)TBM的實(shí)時(shí)地質(zhì)預(yù)報(bào)提供了研究基礎(chǔ)。本文結(jié)合TBM施工特點(diǎn)，在TBM地質(zhì)預(yù)報(bào)搭載設(shè)計(jì)、探測(cè)理論、儀器研制、軟件開(kāi)發(fā)等方面取得了新突破，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、快速化數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)技術(shù)。

1 適于TBM施工的HSP法預(yù)報(bào)技術(shù)

HSP法地質(zhì)預(yù)報(bào)原理是建立在彈性波理論的基礎(chǔ)上。彈性波場(chǎng)傳播的速度、幅度、形態(tài)等特征參數(shù)與介質(zhì)成分、密度、彈性模量及結(jié)構(gòu)狀態(tài)等有關(guān)，不良地質(zhì)體(帶)如斷層、風(fēng)化破碎帶、巖溶、地下水富集帶等與圍巖特性差異較大。波場(chǎng)傳播的反射與透射特性表現(xiàn)為：

(1)

(2)

式(1)—(2)中：R12為反射系數(shù);T12為透射系數(shù);ρ1為隧道掌子面前圍巖密度；ρ2為不良地質(zhì)(體)密度;v1為隧道掌子面前圍巖縱波速度；v2為不良地質(zhì)(體)縱波速度。

1.1 TBM施工的HSP法探測(cè)技術(shù)

本文重點(diǎn)分析TBM施工工藝、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及預(yù)報(bào)要求，提出以TBM掘進(jìn)過(guò)程中刀盤(pán)滾刀剪切巖石產(chǎn)生的震源信號(hào)作為被動(dòng)激震震源，開(kāi)展適于TBM施工的HSP法預(yù)報(bào)探測(cè)。

基于被動(dòng)震源的HSP法探測(cè)，通過(guò)空間陣列式測(cè)試布置方法，同時(shí)接收圍巖震動(dòng)回波和TBM機(jī)身震動(dòng)噪聲，如圖1所示。其中，檢波器會(huì)結(jié)合實(shí)際環(huán)境，在隧道的輪廓上進(jìn)行布置，無(wú)需固定的位置； 在軟件輸入檢波器與刀盤(pán)的相對(duì)位置坐標(biāo)，確定接收與震源的空間位置，通過(guò)連續(xù)接收TBM完全掘進(jìn)狀態(tài)下某一時(shí)段內(nèi)的破巖震動(dòng)信號(hào)，并對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域波形分析、頻譜分析、數(shù)字濾波、相關(guān)干涉分析、反射成像、時(shí)深轉(zhuǎn)換、物探異常提取、地質(zhì)解譯等處理，從而獲取前方不良地質(zhì)(體)空間位置及范圍，完成地質(zhì)預(yù)報(bào)工作； 隨著TBM的掘進(jìn)，通過(guò)修改軟件內(nèi)檢波器坐標(biāo)(或改變檢波器布設(shè)位置)，獲取震源點(diǎn)與接收點(diǎn)的位置信息，進(jìn)而完成實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。HSP探測(cè)流程如圖2所示。

R1、R2、…、R12為無(wú)線檢波器。

圖1HSP探測(cè)檢波點(diǎn)布設(shè)示意圖

Fig. 1 Layout of ware points of HSP detection

圖2 HSP探測(cè)流程圖

1.2 TBM施工被動(dòng)源波場(chǎng)正演模擬

為了更好地分析TBM掘進(jìn)過(guò)程中刀盤(pán)滾刀剪切巖石所產(chǎn)生的信號(hào)特點(diǎn)，進(jìn)行TBM滾刀剪切巖石震動(dòng)信號(hào)的數(shù)值模擬。在二維空間中，假定6把滾刀投影至同一平面內(nèi)，作為T(mén)BM剪切巖石模型，地層設(shè)置為2層，縱波速度分別為2 000 m/s和4 000 m/s。正演地層模型如圖3所示。

圖3正演地層模型

Fig. 3 Forward stratigraphic model

因TBM施工時(shí)刀盤(pán)滾刀破巖為連續(xù)破巖，因此選用的子波信號(hào)采用真實(shí)破巖信號(hào)序列段進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，模擬的波場(chǎng)圖選取信號(hào)在20 ms時(shí)刻和35 ms時(shí)刻波場(chǎng)快照?qǐng)D，如圖4所示。從圖中可以看出，信號(hào)在傳播過(guò)程中，滾刀激發(fā)的各子波信號(hào)相互疊加與干涉(見(jiàn)圖4(a))； 當(dāng)信號(hào)傳播至地層分界面處時(shí)，波形出現(xiàn)散射和反射現(xiàn)象(見(jiàn)圖4(b))。利用TBM破巖產(chǎn)生震動(dòng)信號(hào)傳播的這一特性，提取空間內(nèi)波阻抗特征參數(shù)，完成對(duì)應(yīng)阻抗變化界面的定位，從而實(shí)現(xiàn)適于TBM施工的HSP法對(duì)前方不良地質(zhì)(體)的探測(cè)。

(a) 20 ms信號(hào)

(b) 35 ms信號(hào)

圖4波場(chǎng)快照?qǐng)D

Fig. 4 Wave field snapshot

1.3 TBM施工的HSP法數(shù)據(jù)處理

TBM掘進(jìn)時(shí)，刀盤(pán)滾刀剪切巖石所激發(fā)的震動(dòng)信號(hào)，在地層的“濾波效應(yīng)”下，其震動(dòng)信息被測(cè)試系統(tǒng)接收； 并通過(guò)濾波、信號(hào)提取、相關(guān)干涉、聚焦成像等處理，從而定位TBM刀盤(pán)前方不良地質(zhì)(體)，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)的目的。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)在TBM隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)領(lǐng)域有著積極的意義。

1)首先，要對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析[10]，將布設(shè)于隧道輪廓上的檢波器所接收的信號(hào)作為有效信號(hào)，并濾除機(jī)身自有震動(dòng)噪聲信號(hào)(由布設(shè)于TBM機(jī)身的檢波器接收的信號(hào)分析獲取)。

2)然后，對(duì)記錄的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)干涉處理，獲取探測(cè)的等效虛擬震源點(diǎn)[11-13]，即以某個(gè)接收點(diǎn)為震源點(diǎn)，其他接收點(diǎn)為接收點(diǎn)的共炮記錄集。具體的單道數(shù)據(jù)互相關(guān)計(jì)算可由下式表示：

(3)

式中：R(n)為2組信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)；f(n)、g(n)(其中n取值范圍為0～N-1)為2組接收信號(hào)；N為信號(hào)的點(diǎn)數(shù)。

3)最后，對(duì)多組共炮記錄點(diǎn)進(jìn)行反射成像，該技術(shù)采用的是橢球理論，包含2個(gè)步驟，分別為對(duì)掌子面前方空間進(jìn)行速度修正和橢球聚焦成像[11，14-15]，最終獲取地層特征數(shù)據(jù)，用以指導(dǎo)施工。

2 HSP法實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)技術(shù)設(shè)計(jì)

目前，適于TBM施工的被動(dòng)源HSP法預(yù)報(bào)技術(shù)在多個(gè)項(xiàng)目得到了推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了TBM不停機(jī)、不影響施工預(yù)報(bào)方法的突破。然而，非搭載式的HSP預(yù)報(bào)技術(shù)仍以單次預(yù)報(bào)的形式實(shí)現(xiàn)前方不良地質(zhì)(體)的探測(cè)，如何有效地利用TBM破巖震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)地質(zhì)預(yù)報(bào)成為了研究的重點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)在掘進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行不間斷或高頻次的探測(cè)和預(yù)報(bào)，應(yīng)具備以下幾個(gè)基本條件：

1)掘進(jìn)過(guò)程中破巖震源的有效利用為開(kāi)展實(shí)時(shí)地質(zhì)預(yù)報(bào)提供了前提條件；

2)預(yù)報(bào)設(shè)備合理地搭載于TBM主控室或其他部位，實(shí)現(xiàn)智能控制，為預(yù)報(bào)的實(shí)現(xiàn)提供了載體；

3)對(duì)預(yù)報(bào)設(shè)備的程序化控制、參數(shù)簡(jiǎn)單設(shè)置、數(shù)據(jù)快速處理與成像等技術(shù)推進(jìn)方法的實(shí)現(xiàn)與推廣。

在原有的適于TBM施工的HSP法基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)探測(cè)搭載硬件小型化、信號(hào)采集自動(dòng)化、數(shù)據(jù)處理快速化、異常提取智能化等設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)HSP法實(shí)時(shí)地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)。

開(kāi)展TBM實(shí)時(shí)地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)，預(yù)報(bào)流程見(jiàn)圖5。具體操作如下：

圖5 地質(zhì)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)流程圖

1)首先，進(jìn)行檢波器布置，并進(jìn)行檢波器接收性能調(diào)試和環(huán)境噪聲調(diào)查。

2)其次，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，如采集參數(shù)、采集模式、檢波器位置信息、數(shù)據(jù)處理參數(shù)等。結(jié)合前期工程項(xiàng)目及TBM實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。

3)啟動(dòng)采集。根據(jù)采集模式要求，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

4)采集結(jié)束后，進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)處理、反演成像、反射層拾取、異常解釋等，并進(jìn)入下一次地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，實(shí)現(xiàn)循環(huán)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。如遇重大異常區(qū)，則進(jìn)行人工干預(yù)，精細(xì)處理，進(jìn)一步復(fù)核異常區(qū)位置、規(guī)模、性質(zhì)等，完成不良地質(zhì)(體)的有效探查。

3 HSP法實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)技術(shù)硬件要求

將預(yù)報(bào)設(shè)備與TBM設(shè)備融為一體，對(duì)推進(jìn)實(shí)時(shí)地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)具有重要的意義，其應(yīng)具備以下功能：

1)體積小，盡可能少占用TBM設(shè)備空間；

2)對(duì)TBM機(jī)身的改造盡可能少；

3)設(shè)備及檢波器應(yīng)具有較好的抗干擾能力和穩(wěn)定性，能適于TBM高噪聲環(huán)境應(yīng)用；

4)盡可能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸；

5)對(duì)設(shè)備進(jìn)行程序化控制，且簡(jiǎn)單有效；

6)對(duì)設(shè)備的檢修與維護(hù)應(yīng)便捷等。

搭載式HSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于上述原則，搭載于TBM控制室內(nèi)，依托控制室內(nèi)工控機(jī)及顯示屏，通過(guò)軟件控制，完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與后臺(tái)處理，實(shí)時(shí)展現(xiàn)掌子面前方反射結(jié)構(gòu)面情況；當(dāng)遇到長(zhǎng)大或強(qiáng)反射結(jié)構(gòu)面時(shí)，也可采用人工處理獲取精細(xì)探測(cè)成果，從而實(shí)現(xiàn)小型化、無(wú)線傳輸、程序化控制、搭載便捷、抗干擾能力強(qiáng)等。該模塊尺寸為250 mm×250 mm×73.5 mm，如圖6所示； 同時(shí)配有無(wú)線模塊以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸功能，包含有1個(gè)接收模塊和4個(gè)發(fā)射模塊，如圖7所示。

圖6 HSP數(shù)控模塊

圖7 HSP無(wú)線收發(fā)模塊

4 HSP法實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)軟件的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)統(tǒng)計(jì)先驗(yàn)技術(shù)參數(shù)，如引紅濟(jì)石、引漢濟(jì)渭、西藏派墨農(nóng)村公路等項(xiàng)目預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)采集參數(shù)要求、處理方法及參數(shù)范圍、波形時(shí)頻域特征、異常形態(tài)與圖譜相關(guān)性等資料，來(lái)指導(dǎo)適于TBM施工的HSP法實(shí)時(shí)地質(zhì)預(yù)報(bào)軟件的開(kāi)發(fā)。HSP法實(shí)時(shí)地質(zhì)預(yù)報(bào)主控軟件界面如圖8所示。通過(guò)主控軟件分別調(diào)出各子模塊，完成實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)工作，各模塊功能如下：

1)對(duì)適于TBM施工的HSP法實(shí)時(shí)地預(yù)報(bào)系統(tǒng)的參數(shù)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖9)，并不斷地優(yōu)化。包括硬件控制參數(shù)、裝置參數(shù)等在內(nèi)的多流程參數(shù)的設(shè)計(jì)，如硬件控制參數(shù)(采樣間隔、預(yù)延遲、采集長(zhǎng)度等)、裝置參數(shù)(隧道半徑、掌子面坐標(biāo)、檢波點(diǎn)位置、里程方向等)、數(shù)據(jù)處理參數(shù)(濾波參數(shù)、干涉方法、虛擬震源道等)、采集模式(實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)量、啟動(dòng)方式等)。

2)對(duì)TBM施工HSP法實(shí)時(shí)接收時(shí)域波形的展示、編輯與回放(見(jiàn)圖10)。

3)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速處理、智能反演成像、異常拾取、成果解釋等后臺(tái)控制與成果展示，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，指導(dǎo)TBM掘進(jìn)。形成的反射成像切片圖、反射異常識(shí)別圖、推測(cè)不良地質(zhì)圖如圖11和圖12所示。

圖8 HSP法地質(zhì)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)主控軟件界面

Fig. 8 Main control software interface of HSP real-time geological prediction

圖9 參數(shù)設(shè)計(jì)界面

圖10 數(shù)據(jù)采集界面

圖11 地層反射成像切片圖

A—反射異常識(shí)別圖; B—推測(cè)不良地質(zhì)圖。

圖12成果展示界面

Fig. 12 Interface of results display

5 結(jié)論與討論

1)采用TBM刀盤(pán)滾刀破巖震動(dòng)作為被動(dòng)震源的HSP法預(yù)報(bào)技術(shù)，可通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)用以TBM施工的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。

2)通過(guò)預(yù)報(bào)硬件的搭載與軟件的智能控制，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)或高頻次地獲取TBM前方不良地質(zhì)(體)位置、規(guī)模與性質(zhì)。

該技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，為T(mén)BM的高效掘進(jìn)起到了推助作用，具有重要的意義。但如何有效地提升實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)成果智能解釋技術(shù)，以及如何實(shí)現(xiàn)地質(zhì)、物探、巖機(jī)感知、出渣等信息的綜合分析和聯(lián)動(dòng)預(yù)警，是下一步研究的重點(diǎn)。