[发明专利]地震波和电磁波联合反演的隧道预报装置、掘进机及方法

说明书

本发明公开了一种地震波和电磁波联合反演的隧道预报装置、掘进机及方法，包括复合检波器、激震杆、电磁发射杆、集线器和控制器；激震杆用于发送地震波信号；电磁发射杆用于发送电磁波信号，激震杆和电磁发射杆均通过第一集线器与控制器相连，或者激震杆和电磁发射杆分别通过第一集线器、第二集线器与控制器相连；控制器发出的激发命令能够传输到电磁发射杆或激震杆；复合检波器同步接收电磁波信号和地震波信号，复合检波器通过第三集线器与所述的控制器相连，复合检波器接收到的信号在第三集线器处集合后能够传输给所述的控制器。

技术领域

本发明涉及隧道工程中的超前地质预报方向，特别是涉及地震波和电磁波联合反演的隧道预报装置、掘进机及方法。

背景技术

随着我国交通技术的飞速发展，我国已是世界上隧道修建规模最大和难度最高的国家，隧道建设难点向西部地质复杂的岩溶地区和东部超长跨海区域转移。在隧道建设中，工程地质状况极其复杂，极易发生隧道突水涌泥、塌方等工程灾害，严重威胁了施工人员和财产的安全，影响施工进度。超前地质预报作为在现有地质资料基础上采取物探等手段对隧道开挖工作面前方的工程地质与水文地质条件及不良地质体的工程性质、位置、产状、规模等进行探测、分析判释及预报的方法，被纳入隧洞建设的工序实施要求中，有《铁路隧道超前地质预报技术规程》(Q/CR 9217-2015)等规范规程。

现有的隧道超前地质预报方法主要物探方法有地震波法、电磁波法和电法等，都是利用围岩物性差异，发射和接收响应信号进行辨析，得到前方地质体特性的物理探测方法，其各有优缺点。地震波法对节理裂隙的发育情况较为敏感，传统的TSP探测方法能够探测到80m～150m的距离，但是对于围岩含水性质没有足够敏感，只能大体推测前方围岩含水情况且受各种因素影响，误差较大。电磁波法和电法对含水体的含水情况极为敏感，能够准确定性前方围岩含水情况，但是单一的电法和电磁波法探测对围岩裂隙发育情况的探测较为粗糙，而且如电阻率CT、激发极化法等实施较为复杂，需要布设冗长的测线，耗费大量的人力和时间。

特别是由于掘进机(Tunnel Boring Machine，全断面隧道掘进机)具有掘进速度快、利于环保、综合效益高等优点，可实现传统钻爆法难以实现的复杂地理地貌深埋长隧洞的施工，现有的掘进机施工方法在中国铁道、水电、交通、矿山、市政等隧洞工程中的应用案例正在迅猛增长(全断面硬岩隧道掘进机[J].建筑技术开发,2005(9):125-125)。而在掘进机的施工环境中，其施工环境特殊，狭小的观测空间、严重的电磁干扰、短暂的探测时间都制约了传统的超前地质预报手段。如传统TSP方法要求在隧道边墙采取爆炸震源，其炸药的爆破易对掘进机设备安全产生威胁；传统瞬变电磁方法需要在隧道工作面上布设测定和测量线圈，掘进机刀盘前狭小的观测空间无法满足瞬变电磁布设要求。

现有的掘进机搭载超前地质预报系统，如德国的BEAM(Bore-TunnellingElectrical Ahead Monitoring)系统，其探测距离短，测点布置有限，观测方法单一，定位精度差，需要对刀盘、滚刀进行一定程度的改造。国内的有关学者申请的专利如适用于TBM的便携式电阻率法超前预报系统及其方法(CN201510868928)、TBM施工隧道前向三维激发极化发超前探测装置系统及方法(CN201310005132)、隧道掘进机破岩震源三维地震超前探测装置及方法(CN201510106373)等都是单一掘进机隧道超前预报方法，或只能重点探测围岩裂隙发育情况或只能重点探测围岩含水情况，且方法都需要对掘进机的刀盘进行改造，易损伤，且破坏了刀盘的密封性。一种隧道掘进机中主动源三维地震超前地质探测装置及方法(CN201510106173)采用检波器与洞壁的接触耦合、可控震源在洞壁激发的方法，其未考虑洞壁附近围岩塑性区对地震波传播的影响，探测精度低，与实际未开挖围岩情况吻合度差。一种基于复频电导的隧道超前探水方法及系统(CN201510271709)可以不针对刀盘进行改造，但其方法单一，只能重点探测围岩含水情况，且人工操作方式不能适应掘进机隧道中的施工要求。