一種基于隧道掌子面鉆進監測信息的超前地質預報方法

　　[摘 要] 采用先進的手段和技術來探明和評估隧道工程建設區內地質條件及巖體質量，是亟需解決的問題。通過對炮孔鉆進信息的分析，開展基于隨鉆監測信息的超前地質預報研究。結果表明，巖石的可鉆性與鉆桿壓力、鉆桿轉速以及鉆進速度有直接的關系，引入隧道掌子面巖石的抗鉆系數，提出隧道掌子面巖石的巖石抗鉆系數評價指標。在此基礎上，建立了不同級別圍巖的巖石抗鉆系數標準數據庫，完成了基于隧道掌子面炮孔鉆進的短距離超前地質預報理論研究，并開發了與之配套的軟硬件設備。

　　本文源自姬同旭; 吳維義; 李昌龍， 水利科技與經濟 發表時間：2021-04-30《水利科技與經濟》(月刊)創刊于1995年，由哈爾濱市水務科學研究院、哈爾濱市水利規劃設計研究院、哈爾濱市水利學會主辦。以介紹國內水利水電工程的勘測、設計、施工、運行管理和水利經濟等方面的研究論文為主，同時介紹國外的先進技術和經驗，在國內水利科技與經濟領域具有較大影響。

　　[關鍵詞] 隧道工程; 炮孔鉆進; 隨鉆監測; 超前地質預報

　　概 述

　　隧道工程因隱蔽性和地質環境的復雜性，在前期勘察階段無法完全弄清地質情況，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、及時地預測掌子面前方的地質條件是決定隧道建設順利與否的關鍵，施工期隧道開展超前地質預報工作尤為重要[1 - 2]。

　　鉆孔過程中鉆具與巖土體進行直接接觸，鉆具響應信息綜合反映了巖體的工程地質性質。鉆具響應信息中隱藏的大量地質資料，可用于分析、測定巖體的工程地質特性和空間分布，是進行地層界面識別和圍巖級別劃分的重要參考指標。本文利用高精度的傳感器將隧道炮孔鉆進信息進行收集，研發采集鉆進信息的硬件設備，建立炮孔鉆進過程相關參數與前方巖體質量的關系。具體方法是對鉆桿壓力、鉆桿轉速、鉆進速率等參數利用傳感器進行自動化實時監測和采集，建立巖體質量評價指標同上述參數的對應關系，形成綜合評價巖體質量的新方法。

　　2 巖體可鉆性指數研究

　　不同質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量的標志性指標[6 - 8]。可鉆性指數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，其具體計算過程如下:

　　設圍巖破碎總體積為 V，鉆機鉆進功率為 E，根據能量守恒有: Vq = k1Et ( 1) 式中: q 為單位體積巖石破碎功; k1 為鉆機能量轉化率; t 為鉆進時間。

　　因鉆機鉆進功率 E 與鉆桿扭矩 M 和轉速 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 = k2 k3ApN ( 3) 式中: k2、k3 均為常系數; 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 = k1 k2 k3ApNt ( 5) 即: v pN = k1 k2 k3 q ( 6) 令 K = k1 k2 k3 q ，則: K = v pN ( 7) 稱 K 為可鉆性指數，K = v pN為可鉆性指數的計算公式，在相同的鉆進條件下，可鉆性指數 K 只與鉆進速率 v、鉆進壓力 p、鉆桿轉速 N 相關。

　　3 圍巖級別的標準數據庫

　　3. 1 建立典型圍巖標準數據庫

　　首先建立典型圍巖級別的可鉆性指數數據庫[Ki ]' ( i = Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，分別表示Ⅰ、Ⅱ、 Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖，下同) 。通過在 i 級圍巖中進行 n 次炮孔鉆進得到的鉆進信息，由 K = v pN計算可得到該級圍巖的可鉆性指數 K' i1、K' i2、K' i3……K' in，從而得到 i 級圍巖的可鉆性指數數據庫[Ki ]' 。

　　對 i 級圍巖的可鉆性指數數據庫[Ki ]' 內的數據 K' i1、K' i2、K' i3……K' in，根據概率統計方法將數據庫中的數據進行篩選，數據經篩選后作為該級圍巖可鉆性指數標準數據庫[Ki]。

　　具體的數據篩選方法是:

　　由概率統計方法，認為 i 級圍巖的可鉆性指數數據庫[Ki ]' 內的數據 K' i1、K' i2、K' i3……K' in服從正態分布，則:

　　可鉆性指數的均值 K - ' i 為: K - ' i = 1 n ∑ n j = 1 kij ( 8) 標準差 S' i 為: S' i = 1 n - 1 ∑ n j = 1 ( kij - K - ' i 槡 ) 2 ( 9) 則可鉆性指數均值的置信水平為 1 - α 的置信區間為: 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，是一給定數值，此處取 α = 0. 05; t α 2 ( n - 1) 為 t 分布中，樣本數為 n 時，t 分布 α 2 分位點對應的數值，可以通過查閱相關概率論手冊中的 t 分布表來確定。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) 將數據納入可鉆性指數標準數據庫中，形成 i 級圍巖的可鉆性指數標準數據庫[Ki]。

　　3. 2 基本圍巖級別的判定標準

　　對采集的鉆進參數根據 K = v pN計算可鉆性指數 K，然后與可鉆性指數標準數據庫[Ki ]' 進行對比。若計算的可鉆性指數 K ∈ ( min[Ki ]， max[Ki]) ( i = Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ) ，則認為鉆進段的基本圍巖級別為 i 級。

　　4 數據采集方式

　　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、回水量及顏色等數據進行自動化監測和采集。然后，結合巖體力學、巖體強度、巖體完整性等參數同以上參數的比對、分析，構建巖體質量評價指標同上述參數的對應關系。最后，綜合評價巖體質量。

　　主要參數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) 鉆桿轉速 N 通過安裝在鉆桿上的旋轉傳感器采集得到。轉速 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場記錄。

　　5 設備研發

　　5. 1 硬件開發

　　基于上述理論研究和 YT 系列鑿巖機的基礎上，開展一種基于隧道掌子面鉆進監測信息的超前地質預報方法相關設備的研發，設備布置圖見圖 1。

　　傳感器布置方式如下: 監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; 鉆桿轉速旋轉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場距離鑿巖機附近( 臺車處) ，可與監測單元( 圖 4) 進行無線控制和數據傳輸。設備連接方式見圖 5。

　　此外，為降低激光位移傳感器因鉆機振動導致測量精度失準，特別設置減震裝置。位移傳感器減震裝置呈矩形構造，保護裝置右側中間處設一通孔，用于位移傳感器發射紅外測距信號，并對應第一通孔在保護裝置左側設第二通孔，用于位移傳感器與數據處理模塊連接。保護裝置左側和右側分別設置兩個固定圓環，圓環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，彈簧呈環形結構布置。保護裝置內壁面中間底部設置一個固定托架，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。

　　5. 2 軟件開發

　　在設備研發的同時，項目組還進行了配套軟件的開發，以實現智能化數據采集分析，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) 。

　　6 結 論

　　本文通過對隧道炮孔鉆進過程中的相關信息進行分析，提出了一種基于隨鉆信息的超前地質預報方法。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信息，結果更加直觀準確，預報結果可靠性更高。主要研究結果如下:

　　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、鉆桿轉速 N、鉆進速率 v 相關。在此基礎上，計算得出巖石的抗鉆系數，并且提出了巖石抗鉆系數評價指標。

　　2) 建立了基于鉆進壓力 p、鉆桿轉速 N、鉆進速率 v 的不同圍巖級別巖體的抗鉆系數標準數據庫，完成了隧道掌子面炮孔鉆進短距離地質預報的理論研究。

　　3) 研發了一套隨鉆監測設備，應用于氣動鑿巖機，隨鉆設備可采集鉆機鉆進速率、振動加速度和轉動速度的實時數據，由監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變化情況。

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