一種基于隧道掌子面鉆進監(jiān)測信息的超前地質(zhì)預(yù)報方法

姬同旭，吳維義，李昌龍

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司，貴陽 550081)

1 概 述

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

鉆孔過程中鉆具與巖土體進行直接接觸，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、測定巖體的工程地質(zhì)特性和空間分布，是進行地層界面識別和圍巖級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信息進行收集，研發(fā)采集鉆進信息的硬件設(shè)備，建立炮孔鉆進過程相關(guān)參數(shù)與前方巖體質(zhì)量的關(guān)系。具體方法是對鉆桿壓力、鉆桿轉(zhuǎn)速、鉆進速率等參數(shù)利用傳感器進行自動化實時監(jiān)測和采集，建立巖體質(zhì)量評價指標(biāo)同上述參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，形成綜合評價巖體質(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，可以此作為刻畫巖體質(zhì)量的標(biāo)志性指標(biāo)[6-8]?？摄@性指數(shù)就是基于能量觀點提出來的，用于刻畫圍巖綜合物理特性的指標(biāo)，其具體計算過程如下：

設(shè)圍巖破碎總體積為V，鉆機鉆進功率為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為鉆機能量轉(zhuǎn)化率；t為鉆進時間。

因鉆機鉆進功率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和鉆進壓力p及鉆頭底面積A成正比，即M=k3Ap，進而有：

E=k2k3ApN

(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、鉆進速度v及鉆進時間t，所以：

V=Avt

(4)

將式(3)、式(4)代入式(1)得：

Avtq=k1k2k3ApNt

(5)

即：

(6)

(7)

3 圍巖級別的標(biāo)準數(shù)據(jù)庫

3.1 建立典型圍巖標(biāo)準數(shù)據(jù)庫

具體的數(shù)據(jù)篩選方法是：

(8)

(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：

(10)

(11)

將數(shù)據(jù)納入可鉆性指數(shù)標(biāo)準數(shù)據(jù)庫中，形成i級圍巖的可鉆性指數(shù)標(biāo)準數(shù)據(jù)庫[Ki]。

3.2 基本圍巖級別的判定標(biāo)準

4 數(shù)據(jù)采集方式

采用先進的傳感器對鉆進速率、鉆桿扭矩、鉆桿鉆速、鉆進壓力、回水量及顏色等數(shù)據(jù)進行自動化監(jiān)測和采集。然后，結(jié)合巖體力學(xué)、巖體強度、巖體完整性等參數(shù)同以上參數(shù)的比對、分析，構(gòu)建巖體質(zhì)量評價指標(biāo)同上述參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。最后，綜合評價巖體質(zhì)量。

主要參數(shù)是通過傳感器采集得到的，采集過程如下：

1) 鉆進速率v是通過安裝在鉆機上的位移傳感器采集的鉆進深度增量Δz除以鉆進時間Δt計算得到，即：v=Δz/Δt。

2) 鉆進壓力p通過安裝在鉆機上的振動加速傳感器采集得到振動加速度a，再通過牛頓第二定律p=ma，可以求得實時鉆進壓力p。

3) 鉆桿轉(zhuǎn)速N通過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人工現(xiàn)場記錄。

5 設(shè)備研發(fā)

5.1 硬件開發(fā)

基于上述理論研究和YT系列鑿巖機的基礎(chǔ)上，開展一種基于隧道掌子面鉆進監(jiān)測信息的超前地質(zhì)預(yù)報方法相關(guān)設(shè)備的研發(fā)，設(shè)備布置圖見圖1。

圖1 設(shè)備布置樣圖

傳感器布置方式如下：監(jiān)測單元采集器安裝在鑿巖機氣管；激光位移傳感器(圖2)安裝于鉆機頭下方；振動加速度傳感器(圖3)安裝在鑿巖機扶手上；鉆桿轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)傳感器安裝在鑿巖機鉆桿尾部；垂吊減震接收單元放置于現(xiàn)場距離鑿巖機附近(臺車處)，可與監(jiān)測單元(圖4)進行無線控制和數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)備連接方式見圖5。

此外，為降低激光位移傳感器因鉆機振動導(dǎo)致測量精度失準，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)射紅外測距信號，并對應(yīng)第一通孔在保護裝置左側(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。保護裝置左側(cè)和右側(cè)分別設(shè)置兩個固定圓環(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彈簧，彈簧與傳感器相連，彈簧呈環(huán)形結(jié)構(gòu)布置。保護裝置內(nèi)壁面中間底部設(shè)置一個固定托架，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上下擺動。位移傳感器減震裝置見圖6。

圖2 激光位移傳感器

圖4 監(jiān)測單元

圖3 振動加速度傳感器

圖5 設(shè)備連接方式圖

圖6 減震裝置布置樣圖

5.2 軟件開發(fā)

在設(shè)備研發(fā)的同時，項目組還進行了配套軟件的開發(fā)，以實現(xiàn)智能化數(shù)據(jù)采集分析，分別建立了無線信息采集軟件(圖7)和鉆進信息分析軟件(圖8)。

圖7 鉆進信息采集軟件

圖8 鉆進信息分析軟件

6 結(jié) 論

本文通過對隧道炮孔鉆進過程中的相關(guān)信息進行分析，提出了一種基于隨鉆信息的超前地質(zhì)預(yù)報方法。本方法不同于物探方法的間接探測，炮孔鉆進時鉆桿與巖體直接接觸，鉆進信息直接反映巖體地質(zhì)信息，結(jié)果更加直觀準確，預(yù)報結(jié)果可靠性更高。主要研究結(jié)果如下：

1) 研究炮孔鉆進過程中的破巖機理，進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壓力p、鉆桿轉(zhuǎn)速N、鉆進速率v相關(guān)。在此基礎(chǔ)上，計算得出巖石的抗鉆系數(shù)，并且提出了巖石抗鉆系數(shù)評價指標(biāo)。

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

3) 研發(fā)了一套隨鉆監(jiān)測設(shè)備，應(yīng)用于氣動鑿巖機，隨鉆設(shè)備可采集鉆機鉆進速率、振動加速度和轉(zhuǎn)動速度的實時數(shù)據(jù)，由監(jiān)測單元儲存并無線傳輸給接收單元，接收單元加載了鉆進信息采集軟件，可以顯示振動加速度波形與鉆進深度的動態(tài)變化情況。

4) 本方法可實現(xiàn)探測深度5～9 m，不占用隧道掘進時間和空間，將掘進炮孔與地質(zhì)預(yù)報融為一體。提高了地質(zhì)預(yù)報準確性，減少安全隱患，保障了施工人員安全。