技术背景
应用场景
隧道工程施工中经常会遇到多种复杂的地质条件，极易诱发突水突泥、塌方、TBM卡机等严重灾害和事故，常常会导致工期延误、TBM损毁、严重的经济损失乃至重大人员伤亡。地质条件复杂多构造的区域，隧道开挖主要受断层带影响，甚至有些隧道经过高瓦斯区域会受到瓦斯包的影响。由此可见，隧道前方赋存的断层破碎带、含水溶洞、暗河等不良地质体严重制约和威胁了施工安全。因此，提前探明隧道前方赋存的断层、溶洞、暗河等不良地质情况，对于隧道施工安全和灾害防控极为重要。受地表勘探条件和技术手段所限，很难全面获和灾害防控极为重要。受地表勘探条件和技术手段所限，很难全面获知隧道沿线的地质情况，给隧道施工安全带来了较大隐患。隧道超前地质预报正好弥补了以上不足，隧道探测可以提供工作面前方不良地质体的坐标、形态以及含水性等，可以提前获知隧道可能发生的涌水、突泥、崩塌、有害气体等灾害的相关信息，确保施工安全，提高工程建设的效率、减少工程建设周期、避免工程建设灾害损失、节约资金成本等具有明显的社会价值和经济效益。
现状分析
隧道随掘成像与安全动态监测系统对不良地质的预报可以提前防范灾害的发生，保证施工人员及施工设备的安全，同时对工程质量及进度有着积极影响，带来可观的经济效益，这些影响在深埋隧道和TBM施工中尤为明显，因此在地质条件复杂的情况下必须将地质超前预报计划在内。隧道超前探测方法包括钻探、电法和传统地震法（TSP）等。钻探法虽然能够直接查清掘进面前方的地层岩性、构造等，但是设备笨重，一次有效探测受限较多，频繁操作费时费力，影响正常掘进。电法主要基于电阻率等岩石电磁属性分析围岩的视电阻率，由于发射电场为空间球形，会受到隧道侧面地质条件、杂散电流及运行设备等干扰，造成较多的虚报或误报，最关键的是每次探测的距离有限。传统地震法则是利用炸药作为震源获得隧道掌子面前方地质异常体位置信息，但是在现场施工过程中，需停止一切生产活动。
针对隧道开挖过程中超前探测存在的上述问题，安徽万泰地球物理技术有限公司开发出隧道随掘成像与安全动态监测系统，可以利用TBM掘进或者施工产生的震动信号进行隧掘成像,避免了使用炸药等主动震源，不影响正常的施工进度；且随着掌子面不断的向前推进，可以定期移动监测系统，使得探测距离更长。能够较好的实现隧道岩爆、突水突泥和有害气体的安全动态监测以及隧道掌子面前方构造、瓦斯包等地质异常体的超前地质预报。
技术方案
技术路线
隧道在开挖过程中，会产生非常多的地震波信号，包含了丰富的构造、瓦斯包等信息。基于地震波运动学原理，通过建立不良地质体（断层破碎带、含水溶洞、暗河等）与隧道掘进过程中地震波信号之间的地球物理特征响应规律，分析、研究单点震源（炮掘）或者连续震源（TBM 开挖）作用于岩体产生的散射波信号。隧道在掘进过程中，会产生沿着洞轴轴线方向传播的 P 波，当遇见地质异常体时，由于地震波阻抗存在差异，会形成地震回波（散射波）。因此，可以将单点震源（炮掘）或者连续震源（TBM 开挖）所产生的地震回波信号作为隧道随掘超前探测的震源激发信号，通过布设阵列式地震检波器，并实时记录随采地震波形，分析地震波的旅行时间、振幅、相位和频率，基于相关干涉理论，进行反演探测。
核心技术
隧道随掘成像与安全动态监测系统使用了国内先进的散射波迭加成像算法，在数据处理方面对于散射波信号的提取除了常规的各个接收道与震源道进行互相关处理之外，更重要的是利用了连续信号的无限时长，且根据统计规律以及有效信号的可重复性，通过多次迭加原理大大地提高了原始地震资料的信噪比及反演结果准确度。利用深度域绕射扫描偏移迭加成像技术，进行隧道掌子面前方叁维地质成像，如图2-1所示。
实施方案
隧道随掘成像与安全动态监测系统硬件
隧道随掘成像与安全动态监测系统硬件主要包括高精度微地震检波器（图1）和数字采集仪（图2）：高精度微地震检波器负责记录高质量波形信号，数字采集仪将波形信号通过A/D转换为数字信号。本项目使用的采集仪，具有高精度、低本底噪声和大动态范围等特点，并具有防水、防尘和耐酸咸腐蚀等优点。高精度微地震检波器具有高灵敏度、频带范围宽等优点。强大的硬件性能保证了信号采集的准确性和有效性，大大降低了环境对信号采集的影响。通过布设在隧道内的高精度微地震检波器接收掘进过程中围岩产生微破裂所释放的能量波，将机械振动信号转化为电压信号经过通讯电缆传输至数字采集仪，通过数字采集仪的精细化处理，得到准确可靠的探测数据。
隧道随掘成像与安全动态监测系统软件
隧道随掘成像与安全动态监测系统软件（图3），集数据处理、数据分析与成像为一体的产物，具有技术先进、定位精度高、系统布置快速灵活、操作简单、技术支持及时等优点。通过将数字采集仪处理后的探测数据导入到软件系统中，对波形进行截取、滤波、陷波和噪声过滤等操作，选取有效数据对隧道掌子面前方进行反演（图4），通过分析反演后的结果，确定前方异常体类型、空间分布等信息，为隧道安全快速掘进提供服务。
施工方案
现场采用直线式的检波器布设方式，检波器间距宜为6m左右，检波器不宜少于8个，依次编号做好标记S1-S8，首个检波器距离工作面间距宜小于20m，整个探测装置随着巷道工作面不断向前推进而交替前移。每个检波器均应能接收到震动信号，并根据现场岩性设置采样频率。检波器应安装于巷道钻孔内，钻孔深度应保持一致，以保证检波器的顺利安装及高质量数据的采集，在检波器孔附近用挂牌标注检波器孔号。采集仪应布置于检波器铺设线状中心点，便于后期的交替前移，检波器电缆沿接收点铺设并与采集端连接，如图5所示。
项目效益
有效减少隧道事故的发生，保证隧道正常掘进，隧道随掘成像与安全动态监测系统技术是关键。安徽万泰地球物理技术有限公司研发的隧道随掘成像与安全动态监测系统能够准确预测隧道掌子面前方异常地质体（断层破碎带、含水溶洞、暗河等）的空间分布情况，量化其对隧道进行掘进的危险程度，减少盲目性投入，做到统筹规划。本系统可以24小时不间断运行，对前方的地质情况进行实时监测，不影响隧道的正常施工。本系统为隧道提供了一种新的“绿色”经济有效思路，能够高效、快速、准确的量化工作面前方未知地质体的空间分布，为隧道正常掘进提供了强有力的保障。
案例展示
现场施工情况
西藏某隧道采用TBM法单头掘进施工，为保证TBM安全、顺利地通过不良地质地段，提高经济和社会效益，需根据TBM自身特点和隧道工程地质条件采取相应的处理措施，对隧道开挖安全进行随掘成像与安全动态监测。
根据设计方案，现场在TBM刀盘后方20m左右未注浆的管片预留孔上进行钻孔埋设检波器，单侧布置8个，间距为5m左右。为保证接收到的波形质量，钻孔深度为2m，加入刚套管，随着隧道掌子面的推进，每掘进20m左右，最后面的传感器拆下并安装到最前断面位置，监测断面交替前移，套管内部用腻子粉固定传感器，管口用隔音材料进行封堵。
监测结果
该隧道进行随掘超前探测时，对现场采集原始波形数据进行时域、频域分析，相关干涉及反演成像，图10反演成果切片图。
现场在掌子面掘进到K11+157位置时，探测出前方62.5m（即K11+220.5）处出现能量异常区，告知现场经过此区域要加强安全措施。
现场开挖后，发现在K11+221.49~K11+226.89中间存在多处小断层，与探测结果相符。该段岩性为混合片麻岩，岩体次块状～整体状结构为主，局部镶嵌碎裂结构，地下水状态为干燥，断层错动导致现场发生岩爆现象，采取安全措施，此次未出现任何伤亡事件，极大的降低了经济损失，为隧道安全开挖提供了强有力的保障。
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