適于TBM施工的HSP法實時預報技術設計與實現

盧 松， 汪 旭， 李蒼松， 丁建芳

(中鐵西南科學研究院有限公司， 四川 成都 611731)

0 引言

隧道掘進機TBM(tunnel boring machine)以其掘進效率高的特點，逐步被引入國內長大隧道施工中。但與鉆爆法相比，TBM設備對不良地質適應能力較差，如果不預先了解地層情況的話，其受到的影響遠遠大于鉆爆法，會造成掘進速度減慢； 若處理不當，可能會導致卡機或更嚴重的風險[1-2]。為確保隧道TBM施工安全，且適應TBM快速施工要求,國內外學者致力于研發適合于TBM施工的超前地質預報技術。2003年，趙永貴等[3-4]開發了TST(tunnel seismic tomography)隧道地質預報技術，其觀測系統采用空間布置，接收與激發系統布設于隧道兩側圍巖中，進而實現前方不良地質預報工作； 2006年，Kopp[5]將BEAM(bore-tunneling electrical ahead monitoring)技術引入高速鐵路隧道地質預報中，以TBM護盾作為屏蔽電極，而滾刀則作為測量電極，實現頻率域激發極化法探測； 2007年，李術才等[6]依托863計劃將激發極化法引入隧道地質預報中，實現了地下水的定量探測技術，在TBM刀盤、周圈以及后方布設多個電極開展激發極化法探水； 2008年，李蒼松等[2]首次提出了利用TBM刀盤剪切巖石產生的震動信號作為激發震源的被動源HSP(horizontal sonic/seismic profiling)法探測技術； 隨后何發亮等[7]提出巖體溫度法，實現隧道掌子面前方涌水預報； 近些年，陳方明等[8]應用CFC(complex frequency conductance)復頻電導隧道探水技術在巴基斯坦NJ水電站進行地下水探測； 海瑞克股份公司等聯合開發了ISP(integrated seismic prediction)綜合地震波預報系統。以上探測方法均有各自的特點，也取得了一定的成效，但均采用的是主動源物探技術，現場測試時或多或少會影響到施工。為了適應TBM掘進速度快的特點，適于TBM施工的實時地質預報新技術并將其搭載于TBM系統是目前的研究趨勢。

利用TBM刀盤滾刀破巖震動作為激發震源的被動源HSP法探測技術[9]，與傳統主動源彈性波探測方法相比，可在TBM掘進過程中完成數據采集，在不影響施工的同時實現不良地質(體)預報，這為實現TBM的實時地質預報提供了研究基礎。本文結合TBM施工特點，在TBM地質預報搭載設計、探測理論、儀器研制、軟件開發等方面取得了新突破，實現了自動化、快速化數據采集和實時預報技術。

1 適于TBM施工的HSP法預報技術

HSP法地質預報原理是建立在彈性波理論的基礎上。彈性波場傳播的速度、幅度、形態等特征參數與介質成分、密度、彈性模量及結構狀態等有關，不良地質體(帶)如斷層、風化破碎帶、巖溶、地下水富集帶等與圍巖特性差異較大。波場傳播的反射與透射特性表現為：

(1)

(2)

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

1.1 TBM施工的HSP法探測技術

本文重點分析TBM施工工藝、結構特點及預報要求，提出以TBM掘進過程中刀盤滾刀剪切巖石產生的震源信號作為被動激震震源，開展適于TBM施工的HSP法預報探測。

基于被動震源的HSP法探測，通過空間陣列式測試布置方法，同時接收圍巖震動回波和TBM機身震動噪聲，如圖1所示。其中，檢波器會結合實際環境，在隧道的輪廓上進行布置，無需固定的位置； 在軟件輸入檢波器與刀盤的相對位置坐標，確定接收與震源的空間位置，通過連續接收TBM完全掘進狀態下某一時段內的破巖震動信號，并對信號數據進行時域波形分析、頻譜分析、數字濾波、相關干涉分析、反射成像、時深轉換、物探異常提取、地質解譯等處理，從而獲取前方不良地質(體)空間位置及范圍，完成地質預報工作； 隨著TBM的掘進，通過修改軟件內檢波器坐標(或改變檢波器布設位置)，獲取震源點與接收點的位置信息，進而完成實時預報。HSP探測流程如圖2所示。

R1、R2、…、R12為無線檢波器。

圖1HSP探測檢波點布設示意圖

Fig. 1 Layout of ware points of HSP detection

圖2 HSP探測流程圖

1.2 TBM施工被動源波場正演模擬

為了更好地分析TBM掘進過程中刀盤滾刀剪切巖石所產生的信號特點，進行TBM滾刀剪切巖石震動信號的數值模擬。在二維空間中，假定6把滾刀投影至同一平面內，作為TBM剪切巖石模型，地層設置為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施工時刀盤滾刀破巖為連續破巖，因此選用的子波信號采用真實破巖信號序列段進行有限元數值模擬，模擬的波場圖選取信號在20 ms時刻和35 ms時刻波場快照圖，如圖4所示。從圖中可以看出，信號在傳播過程中，滾刀激發的各子波信號相互疊加與干涉(見圖4(a))； 當信號傳播至地層分界面處時，波形出現散射和反射現象(見圖4(b))。利用TBM破巖產生震動信號傳播的這一特性，提取空間內波阻抗特征參數，完成對應阻抗變化界面的定位，從而實現適于TBM施工的HSP法對前方不良地質(體)的探測。

(a) 20 ms信號

(b) 35 ms信號

圖4波場快照圖

Fig. 4 Wave field snapshot

1.3 TBM施工的HSP法數據處理

TBM掘進時，刀盤滾刀剪切巖石所激發的震動信號，在地層的“濾波效應”下，其震動信息被測試系統接收； 并通過濾波、信號提取、相關干涉、聚焦成像等處理，從而定位TBM刀盤前方不良地質(體)，實現預報的目的。該技術的實現在TBM隧道施工地質預報領域有著積極的意義。

1)首先，要對接收的信號進行頻譜分析[10]，將布設于隧道輪廓上的檢波器所接收的信號作為有效信號，并濾除機身自有震動噪聲信號(由布設于TBM機身的檢波器接收的信號分析獲取)。

2)然后，對記錄的信號進行相關干涉處理，獲取探測的等效虛擬震源點[11-13]，即以某個接收點為震源點，其他接收點為接收點的共炮記錄集。具體的單道數據互相關計算可由下式表示：

(3)

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

3)最后，對多組共炮記錄點進行反射成像，該技術采用的是橢球理論，包含2個步驟，分別為對掌子面前方空間進行速度修正和橢球聚焦成像[11，14-15]，最終獲取地層特征數據，用以指導施工。

2 HSP法實時預報技術設計

目前，適于TBM施工的被動源HSP法預報技術在多個項目得到了推廣應用，實現了TBM不停機、不影響施工預報方法的突破。然而，非搭載式的HSP預報技術仍以單次預報的形式實現前方不良地質(體)的探測，如何有效地利用TBM破巖震動信號進行實時地質預報成為了研究的重點。實現在掘進過程中進行不間斷或高頻次的探測和預報，應具備以下幾個基本條件：

1)掘進過程中破巖震源的有效利用為開展實時地質預報提供了前提條件；

2)預報設備合理地搭載于TBM主控室或其他部位，實現智能控制，為預報的實現提供了載體；

3)對預報設備的程序化控制、參數簡單設置、數據快速處理與成像等技術推進方法的實現與推廣。

在原有的適于TBM施工的HSP法基礎上，實現探測搭載硬件小型化、信號采集自動化、數據處理快速化、異常提取智能化等設計，進而實現HSP法實時地質預報技術。

開展TBM實時地質預報時，預報流程見圖5。具體操作如下：

圖5 地質實時預報流程圖

1)首先，進行檢波器布置，并進行檢波器接收性能調試和環境噪聲調查。

2)其次，進行相關參數設置，如采集參數、采集模式、檢波器位置信息、數據處理參數等。結合前期工程項目及TBM實際情況進行設置。

3)啟動采集。根據采集模式要求，進行實時數據采集。

4)采集結束后，進行自動數據處理、反演成像、反射層拾取、異常解釋等，并進入下一次地質預報工作，實現循環實時預報。如遇重大異常區，則進行人工干預，精細處理，進一步復核異常區位置、規模、性質等，完成不良地質(體)的有效探查。

3 HSP法實時預報技術硬件要求

將預報設備與TBM設備融為一體，對推進實時地質預報技術具有重要的意義，其應具備以下功能：

1)體積小，盡可能少占用TBM設備空間；

2)對TBM機身的改造盡可能少；

3)設備及檢波器應具有較好的抗干擾能力和穩定性，能適于TBM高噪聲環境應用；

4)盡可能實現數據的無線傳輸；

5)對設備進行程序化控制，且簡單有效；

6)對設備的檢修與維護應便捷等。

搭載式HSP系統的設計基于上述原則，搭載于TBM控制室內，依托控制室內工控機及顯示屏，通過軟件控制，完成數據實時采集與后臺處理，實時展現掌子面前方反射結構面情況；當遇到長大或強反射結構面時，也可采用人工處理獲取精細探測成果，從而實現小型化、無線傳輸、程序化控制、搭載便捷、抗干擾能力強等。該模塊尺寸為250 mm×250 mm×73.5 mm，如圖6所示； 同時配有無線模塊以實現信號的實時傳輸功能，包含有1個接收模塊和4個發射模塊，如圖7所示。

圖6 HSP數控模塊

圖7 HSP無線收發模塊

4 HSP法實時預報軟件的實現

通過統計先驗技術參數，如引紅濟石、引漢濟渭、西藏派墨農村公路等項目預報的數據采集參數要求、處理方法及參數范圍、波形時頻域特征、異常形態與圖譜相關性等資料，來指導適于TBM施工的HSP法實時地質預報軟件的開發。HSP法實時地質預報主控軟件界面如圖8所示。通過主控軟件分別調出各子模塊，完成實時預報工作，各模塊功能如下：

1)對適于TBM施工的HSP法實時地預報系統的參數模塊進行設計(見圖9)，并不斷地優化。包括硬件控制參數、裝置參數等在內的多流程參數的設計，如硬件控制參數(采樣間隔、預延遲、采集長度等)、裝置參數(隧道半徑、掌子面坐標、檢波點位置、里程方向等)、數據處理參數(濾波參數、干涉方法、虛擬震源道等)、采集模式(實時預報數據量、啟動方式等)。

2)對TBM施工HSP法實時接收時域波形的展示、編輯與回放(見圖10)。

3)實現數據快速處理、智能反演成像、異常拾取、成果解釋等后臺控制與成果展示，實現實時地質預報技術，指導TBM掘進。形成的反射成像切片圖、反射異常識別圖、推測不良地質圖如圖11和圖12所示。

圖8 HSP法地質實時預報主控軟件界面

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

圖9 參數設計界面

圖10 數據采集界面

圖11 地層反射成像切片圖

A—反射異常識別圖; B—推測不良地質圖。

圖12成果展示界面

Fig. 12 Interface of results display

5 結論與討論

1)采用TBM刀盤滾刀破巖震動作為被動震源的HSP法預報技術，可通過優化設計用以TBM施工的實時預報。

2)通過預報硬件的搭載與軟件的智能控制，能夠實現連續或高頻次地獲取TBM前方不良地質(體)位置、規模與性質。

該技術的設計與實現，為TBM的高效掘進起到了推助作用，具有重要的意義。但如何有效地提升實時預報成果智能解釋技術，以及如何實現地質、物探、巖機感知、出渣等信息的綜合分析和聯動預警，是下一步研究的重點。