一種基于隧道掌子面鉆進(jìn)監(jiān)測(cè)信息的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

　　[摘 要] 采用先進(jìn)的手段和技術(shù)來(lái)探明和評(píng)估隧道工程建設(shè)區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件及巖體質(zhì)量，是亟需解決的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)炮孔鉆進(jìn)信息的分析，開(kāi)展基于隨鉆監(jiān)測(cè)信息的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究。結(jié)果表明，巖石的可鉆性與鉆桿壓力、鉆桿轉(zhuǎn)速以及鉆進(jìn)速度有直接的關(guān)系，引入隧道掌子面巖石的抗鉆系數(shù)，提出隧道掌子面巖石的巖石抗鉆系數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，建立了不同級(jí)別圍巖的巖石抗鉆系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，完成了基于隧道掌子面炮孔鉆進(jìn)的短距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)理論研究，并開(kāi)發(fā)了與之配套的軟硬件設(shè)備。

　　本文源自姬同旭; 吳維義; 李昌龍， 水利科技與經(jīng)濟(jì) 發(fā)表時(shí)間：2021-04-30《水利科技與經(jīng)濟(jì)》(月刊)創(chuàng)刊于1995年，由哈爾濱市水務(wù)科學(xué)研究院、哈爾濱市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院、哈爾濱市水利學(xué)會(huì)主辦。以介紹國(guó)內(nèi)水利水電工程的勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理和水利經(jīng)濟(jì)等方面的研究論文為主，同時(shí)介紹國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，在國(guó)內(nèi)水利科技與經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域具有較大影響。

　　[關(guān)鍵詞] 隧道工程; 炮孔鉆進(jìn); 隨鉆監(jiān)測(cè); 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

　　概 述

　　隧道工程因隱蔽性和地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性，在前期勘察階段無(wú)法完全弄清地質(zhì)情況，實(shí)際開(kāi)挖揭露的圍巖情況與勘察報(bào)告出入較大的情況屢見(jiàn)不鮮。因此，隧道施工過(guò)程準(zhǔn)確、及時(shí)地預(yù)測(cè)掌子面前方的地質(zhì)條件是決定隧道建設(shè)順利與否的關(guān)鍵，施工期隧道開(kāi)展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作尤為重要[1 - 2]。

　　鉆孔過(guò)程中鉆具與巖土體進(jìn)行直接接觸，鉆具響應(yīng)信息綜合反映了巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)。鉆具響應(yīng)信息中隱藏的大量地質(zhì)資料，可用于分析、測(cè)定巖體的工程地質(zhì)特性和空間分布，是進(jìn)行地層界面識(shí)別和圍巖級(jí)別劃分的重要參考指標(biāo)。本文利用高精度的傳感器將隧道炮孔鉆進(jìn)信息進(jìn)行收集，研發(fā)采集鉆進(jìn)信息的硬件設(shè)備，建立炮孔鉆進(jìn)過(guò)程相關(guān)參數(shù)與前方巖體質(zhì)量的關(guān)系。具體方法是對(duì)鉆桿壓力、鉆桿轉(zhuǎn)速、鉆進(jìn)速率等參數(shù)利用傳感器進(jìn)行自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集，建立巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)同上述參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，形成綜合評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量的新方法。

　　2 巖體可鉆性指數(shù)研究

　　不同質(zhì)量等級(jí)巖體其破碎單位體積巖石所需的能量不同，可以此作為刻畫(huà)巖體質(zhì)量的標(biāo)志性指標(biāo)[6 - 8]。可鉆性指數(shù)就是基于能量觀點(diǎn)提出來(lái)的，用于刻畫(huà)圍巖綜合物理特性的指標(biāo)，其具體計(jì)算過(guò)程如下:

　　設(shè)圍巖破碎總體積為 V，鉆機(jī)鉆進(jìn)功率為 E，根據(jù)能量守恒有: Vq = k1Et ( 1) 式中: q 為單位體積巖石破碎功; k1 為鉆機(jī)能量轉(zhuǎn)化率; t 為鉆進(jìn)時(shí)間。

　　因鉆機(jī)鉆進(jìn)功率 E 與鉆桿扭矩 M 和轉(zhuǎn)速 N 成正比，即: E = k2MN ( 2) 又因鉆桿扭矩 M 和鉆進(jìn)壓力 p 及鉆頭底面積 A 成正比，即 M = k3Ap，進(jìn)而有: E = k2 k3ApN ( 3) 式中: k2、k3 均為常系數(shù); A 為鉆頭底面積。巖破碎總體積 V 取決于鉆頭底面積 A、鉆進(jìn)速度 v 及鉆進(jìn)時(shí)間 t，所以: V = Avt ( 4)將式( 3) 、式( 4) 代入式( 1) 得: Avtq = k1 k2 k3ApNt ( 5) 即: v pN = k1 k2 k3 q ( 6) 令 K = k1 k2 k3 q ，則: K = v pN ( 7) 稱(chēng) K 為可鉆性指數(shù)，K = v pN為可鉆性指數(shù)的計(jì)算公式，在相同的鉆進(jìn)條件下，可鉆性指數(shù) K 只與鉆進(jìn)速率 v、鉆進(jìn)壓力 p、鉆桿轉(zhuǎn)速 N 相關(guān)。

　　3 圍巖級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)

　　3. 1 建立典型圍巖標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)

　　首先建立典型圍巖級(jí)別的可鉆性指數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)[Ki ]' ( i = Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，分別表示Ⅰ、Ⅱ、 Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，下同) 。通過(guò)在 i 級(jí)圍巖中進(jìn)行 n 次炮孔鉆進(jìn)得到的鉆進(jìn)信息，由 K = v pN計(jì)算可得到該級(jí)圍巖的可鉆性指數(shù) K' i1、K' i2、K' i3……K' in，從而得到 i 級(jí)圍巖的可鉆性指數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)[Ki ]' 。

　　對(duì) i 級(jí)圍巖的可鉆性指數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)[Ki ]' 內(nèi)的數(shù)據(jù) K' i1、K' i2、K' i3……K' in，根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)方法將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，數(shù)據(jù)經(jīng)篩選后作為該級(jí)圍巖可鉆性指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)[Ki]。

　　具體的數(shù)據(jù)篩選方法是:

　　由概率統(tǒng)計(jì)方法，認(rèn)為 i 級(jí)圍巖的可鉆性指數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)[Ki ]' 內(nèi)的數(shù)據(jù) K' i1、K' i2、K' i3……K' in服從正態(tài)分布，則:

　　可鉆性指數(shù)的均值 K - ' i 為: K - ' i = 1 n ∑ n j = 1 kij ( 8) 標(biāo)準(zhǔn)差 S' i 為: S' i = 1 n - 1 ∑ n j = 1 ( kij - K - ' i 槡 ) 2 ( 9) 則可鉆性指數(shù)均值的置信水平為 1 - α 的置信區(qū)間為: K - ' i - S' i 槡n t α 2 ( n - 1) ，K - ' i + S' i 槡n t α 2 ( n - 1 ( ) ) ( 10) 式中: α 為分位點(diǎn)，是一給定數(shù)值，此處取 α = 0. 05; t α 2 ( n - 1) 為 t 分布中，樣本數(shù)為 n 時(shí)，t 分布 α 2 分位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值，可以通過(guò)查閱相關(guān)概率論手冊(cè)中的 t 分布表來(lái)確定。將符合: K' ij ∈ K - ' i - S' i 槡n t α 2 ( n - 1) ，K - ' i + S' i 槡n t α 2 ( n - 1 ( ) ) ， j = 1、2、3……n ( 11) 將數(shù)據(jù)納入可鉆性指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中，形成 i 級(jí)圍巖的可鉆性指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)[Ki]。

　　3. 2 基本圍巖級(jí)別的判定標(biāo)準(zhǔn)

　　對(duì)采集的鉆進(jìn)參數(shù)根據(jù) K = v pN計(jì)算可鉆性指數(shù) K，然后與可鉆性指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)[Ki ]' 進(jìn)行對(duì)比。若計(jì)算的可鉆性指數(shù) K ∈ ( min[Ki ]， max[Ki]) ( i = Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ) ，則認(rèn)為鉆進(jìn)段的基本圍巖級(jí)別為 i 級(jí)。

　　4 數(shù)據(jù)采集方式

　　采用先進(jìn)的傳感器對(duì)鉆進(jìn)速率、鉆桿扭矩、鉆桿鉆速、鉆進(jìn)壓力、回水量及顏色等數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和采集。然后，結(jié)合巖體力學(xué)、巖體強(qiáng)度、巖體完整性等參數(shù)同以上參數(shù)的比對(duì)、分析，構(gòu)建巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)同上述參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。最后，綜合評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量。

　　主要參數(shù)是通過(guò)傳感器采集得到的，采集過(guò)程如下: 1) 鉆進(jìn)速率 v 是通過(guò)安裝在鉆機(jī)上的位移傳感器采集的鉆進(jìn)深度增量 Δz 除以鉆進(jìn)時(shí)間 Δt 計(jì)算得到，即: v = Δz/Δt。 2) 鉆進(jìn)壓力 p 通過(guò)安裝在鉆機(jī)上的振動(dòng)加速傳感器采集得到振動(dòng)加速度 a，再通過(guò)牛頓第二定律 p = ma，可以求得實(shí)時(shí)鉆進(jìn)壓力 p。 3) 鉆桿轉(zhuǎn)速 N 通過(guò)安裝在鉆桿上的旋轉(zhuǎn)傳感器采集得到。轉(zhuǎn)速 N 的范圍為 0 ～ 500 r/min。 4) 巖渣、回水量及回水顏色通過(guò)人工現(xiàn)場(chǎng)記錄。

　　5 設(shè)備研發(fā)

　　5. 1 硬件開(kāi)發(fā)

　　基于上述理論研究和 YT 系列鑿巖機(jī)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展一種基于隧道掌子面鉆進(jìn)監(jiān)測(cè)信息的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法相關(guān)設(shè)備的研發(fā)，設(shè)備布置圖見(jiàn)圖 1。

　　傳感器布置方式如下: 監(jiān)測(cè)單元采集器安裝在鑿巖機(jī)氣管; 激光位移傳感器( 圖 2) 安裝于鉆機(jī)頭下方; 振動(dòng)加速度傳感器( 圖 3) 安裝在鑿巖機(jī)扶手上; 鉆桿轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)傳感器安裝在鑿巖機(jī)鉆桿尾部; 垂吊減震接收單元放置于現(xiàn)場(chǎng)距離鑿巖機(jī)附近( 臺(tái)車(chē)處) ，可與監(jiān)測(cè)單元( 圖 4) 進(jìn)行無(wú)線控制和數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)備連接方式見(jiàn)圖 5。

　　此外，為降低激光位移傳感器因鉆機(jī)振動(dòng)導(dǎo)致測(cè)量精度失準(zhǔn)，特別設(shè)置減震裝置。位移傳感器減震裝置呈矩形構(gòu)造，保護(hù)裝置右側(cè)中間處設(shè)一通孔，用于位移傳感器發(fā)射紅外測(cè)距信號(hào)，并對(duì)應(yīng)第一通孔在保護(hù)裝置左側(cè)設(shè)第二通孔，用于位移傳感器與數(shù)據(jù)處理模塊連接。保護(hù)裝置左側(cè)和右側(cè)分別設(shè)置兩個(gè)固定圓環(huán)，圓環(huán)與位移傳感器的左端面和右底面之間存有一定的距離，圓環(huán)與位移傳感器之間均固定安裝一個(gè)彈簧，彈簧與傳感器相連，彈簧呈環(huán)形結(jié)構(gòu)布置。保護(hù)裝置內(nèi)壁面中間底部設(shè)置一個(gè)固定托架，托架的寬度大于位移傳感器的寬度，防止位移傳感器在工作時(shí)上下擺動(dòng)。位移傳感器減震裝置見(jiàn)圖 6。

　　5. 2 軟件開(kāi)發(fā)

　　在設(shè)備研發(fā)的同時(shí)，項(xiàng)目組還進(jìn)行了配套軟件的開(kāi)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)智能化數(shù)據(jù)采集分析，分別建立了無(wú)線信息采集軟件( 圖 7) 和鉆進(jìn)信息分析軟件( 圖 8) 。

　　6 結(jié) 論

　　本文通過(guò)對(duì)隧道炮孔鉆進(jìn)過(guò)程中的相關(guān)信息進(jìn)行分析，提出了一種基于隨鉆信息的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。本方法不同于物探方法的間接探測(cè)，炮孔鉆進(jìn)時(shí)鉆桿與巖體直接接觸，鉆進(jìn)信息直接反映巖體地質(zhì)信息，結(jié)果更加直觀準(zhǔn)確，預(yù)報(bào)結(jié)果可靠性更高。主要研究結(jié)果如下:

　　1) 研究炮孔鉆進(jìn)過(guò)程中的破巖機(jī)理，進(jìn)行了隧道掌子面巖石的可鉆性研究，研究證明了巖石的可鉆性與鉆進(jìn)壓力 p、鉆桿轉(zhuǎn)速 N、鉆進(jìn)速率 v 相關(guān)。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算得出巖石的抗鉆系數(shù)，并且提出了巖石抗鉆系數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

　　2) 建立了基于鉆進(jìn)壓力 p、鉆桿轉(zhuǎn)速 N、鉆進(jìn)速率 v 的不同圍巖級(jí)別巖體的抗鉆系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，完成了隧道掌子面炮孔鉆進(jìn)短距離地質(zhì)預(yù)報(bào)的理論研究。

　　3) 研發(fā)了一套隨鉆監(jiān)測(cè)設(shè)備，應(yīng)用于氣動(dòng)鑿巖機(jī)，隨鉆設(shè)備可采集鉆機(jī)鉆進(jìn)速率、振動(dòng)加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，由監(jiān)測(cè)單元儲(chǔ)存并無(wú)線傳輸給接收單元，接收單元加載了鉆進(jìn)信息采集軟件，可以顯示振動(dòng)加速度波形與鉆進(jìn)深度的動(dòng)態(tài)變化情況。

　　4) 本方法可實(shí)現(xiàn)探測(cè)深度 5 ～ 9 m，不占用隧道掘進(jìn)時(shí)間和空間，將掘進(jìn)炮孔與地質(zhì)預(yù)報(bào)融為一體。提高了地質(zhì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，減少安全隱患，保障了施工人員安全。