本發(fā)明涉及隧道施工中的地質預測，具體涉及一種tbm掘進復雜條件下超前地質預測方法及系統(tǒng)。

背景技術：

1、tbm(全斷面隧道掘進機)施工具有掘進速度快、安全高效等諸多優(yōu)勢，我國的隧道建設中越來越多的采用tbm施工。近年來抽水蓄能電站開啟了小斷面大曲率tbm排水廊道非開挖技術應用性生產研究，斜井tbm及豎井sbm施工技術也在開始探索試驗。在抽水蓄能電站的隧道建設中，尤其是在我國西部地區(qū)時，tbm施工時經常遭遇斷層破碎帶、軟弱地層、溶洞、暗河等不良地質，往往面臨極端復雜的地質條件。

2、但基于tbm較差的地質適應性，施工進度受地質條件制約，波動較大。比如tbm掘進穿越導水斷層、充水溶洞等不良地質發(fā)育段落時，極易誘發(fā)突水突泥等突發(fā)性地質災害，造成tbm卡機，甚至導致tbm整機報廢以及人員傷亡等。又如當tbm掘進過程中對未開挖段圍巖分級的預測準確性不合理時，就會造成掘進效率不高。這些影響tbm施工進度的因素大多是由于施工時對tbm掘進前方的地質情況預測不充分造成的。

3、由于tbm施工隧洞環(huán)境的復雜性，在該類隧洞中按照傳統(tǒng)鉆爆施工隧洞超前地質預報方法開展存在較大的難度，且預報效果也會受到眾多干擾源的影響，超前地質預測不夠準確，難以為tbm的安全掘進提供技術指導。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于：為了確保tbm掘進的施工安全和施工效率，提供一種tbm掘進復雜條件下超前地質預測方法及系統(tǒng)，可以更準確的預測掘進前方的地質情況，該地質情況包括掘進前方不良地質和圍巖分級的情況，以便可以提前做好施工準備和施工計劃，進而保障tbm施工的安全和掘進進度。

2、本發(fā)明通過下述技術方案實現(xiàn)：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種tbm掘進復雜條件下超前地質預測方法，包括以下步驟：

4、對隧道掘進路線區(qū)域地質開展第一預測，所述第一預測用于探測隧道掘進路線區(qū)域的總體圍巖狀況，確定地質第一異常段，并根據(jù)探測的圍巖參數(shù)獲得該段tbm掘進參數(shù)，通過將tbm掘進參數(shù)輸入神經網(wǎng)絡模型預測得到圍巖分級；

5、對隧道掘進路線區(qū)域地質開展第二預測，所述第二預測用于探測隧道掘進路線區(qū)域的總體地下水狀況，確定地質第二異常段；

6、對待掘進掌子面前方未開挖段地質開展第三預測，且第三預測對掌子面前方的探測距離小于第一預測和第二預測的探測距離，所述第三預測用于同時探測掌子面前方未開挖段圍巖及含水狀況，確定地質第三異常段；

7、當?shù)谌惓６闻c第一異常段和/或第二異常段相重合時，再次開展第三預測，并根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)確定掌子面前方未開挖段是否具有不良地質。

8、在一些實施例中，所述第一預測采用地震波法從前至后分多次對施工隧道全程進行探測，并且每次根據(jù)探測數(shù)據(jù)獲得圍巖波速分布圖和地質構造偏移圖。

9、在一些實施例中，采用地震波法探測時，在tbm護盾后方設置多個接收孔和多個激發(fā)孔；其中，多個接收孔位于隧道軸線下方的水平面上，且對稱布置在開挖隧道軸線的兩側；沿隧道開挖方向多個激發(fā)孔位于多個接收孔的后方，多個激發(fā)孔分布在隧道軸線上下方的兩個水平面上，且每個水平面上的多個激發(fā)孔對稱布置在開挖隧道軸線的兩側。

10、在一些實施例中，所述第二預測采用復頻電導法從前至后分多次對施工隧道全程進行探測，并且每次根據(jù)探測數(shù)據(jù)進行相干成像，獲得含水性偏移成像和相對介電常數(shù)。

11、在一些實施例中，采用復頻電導法探測時，在掌子面后方依次設置接收電極和發(fā)射電極；其中，接收電極有多個，兩個接收電極為一組對稱布置在隧道軸線的兩側，沿隧道軸線方向間隔設置多組；發(fā)射電極有兩個，對稱布置在隧道軸線的兩側。

12、在一些實施例中，所述第三預測采用地質雷達對掌子面前方未開挖段進行探測，并且獲得掌子面前方地質結構的三維圖像和波速分布。

13、在一些實施例中，圍巖狀況至少包括巖石種類、巖石強度、巖石完整性。

14、在一些實施例中，還包括：再次開展第三預測后，根據(jù)探測情況確定掌子面前方未開挖段具有不良地質時，對第三預測地段進行超前鉆孔直接探測，獲得不良地質勘探數(shù)據(jù)。

15、在一些實施例中，在實施超前鉆孔探測時，根據(jù)不良地質的位置和規(guī)模確定超前鉆孔位置和數(shù)量。

16、第二方面，本發(fā)明提供了一種tbm掘進復雜條件下超前地質預測系統(tǒng)，包括第一預測系統(tǒng)、第二預測系統(tǒng)和第三預測系統(tǒng)；所述第一預測系統(tǒng)通過地震波法探測掌子面前方未開挖段圍巖狀況，所述第二預測系統(tǒng)通過復頻電導法探測掌子面前方未開挖段圍巖含水狀況，所述第三預測系統(tǒng)通過地質雷達探測掌子面前方未開挖段圍巖及含水狀況；所述第一預測系統(tǒng)和所述第二預測系統(tǒng)布置于tbm護盾后方，所述第三預測系統(tǒng)設置于tbm刀盤上。

17、本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果：

18、本發(fā)明通過對隧道掘進路線區(qū)域地質開展第一預測和第二預測，以分別探測隧道掘進路線區(qū)域的總體圍巖狀況和地下水狀況，并確定地質第一異常段和地質第二異常段；再對待掘進掌子面前方未開挖段地質開展第三預測，且第三預測對掌子面前方的探測距離小于第一預測和第二預測的探測距離，第三預測用于同時探測掌子面前方未開挖段圍巖及含水狀況，確定地質第三異常段；當?shù)谌惓６闻c第一異常段和/或第二異常段相重合時，再次開展第三預測，并根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)確定掌子面前方未開挖段是否具有不良地質；同時由于在第一預測中探測得到圍巖參數(shù)，可以根據(jù)該圍巖參數(shù)獲得該段tbm掘進參數(shù)，然后將tbm掘進參數(shù)輸入神經網(wǎng)絡模型預測得到圍巖分級，大大提高對圍巖分級的預測準確性，進而可以使tbm在較高的掘進效率下運行；該方法可以更準確的預測tbm掘進前方的地質情況，具有較高的預測精度，可針對不良地質提前做好施工準備和施工計劃，降低了tbm施工中遭遇突發(fā)事故的風險，保障tbm施工安全和掘進效率。

技術特征：

1.一種tbm掘進復雜條件下超前地質預測方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的tbm掘進復雜條件下超前地質預測方法，其特征在于，所述第一預測采用地震波法從前至后分多次對施工隧道全程進行探測，并且每次根據(jù)探測數(shù)據(jù)獲得圍巖波速分布圖和地質構造偏移圖。

3.根據(jù)權利要求2所述的tbm掘進復雜條件下超前地質預測方法，其特征在于，采用地震波法探測時，在tbm護盾后方設置多個接收孔和多個激發(fā)孔；其中，多個接收孔位于隧道軸線下方的水平面上，且對稱布置在開挖隧道軸線的兩側；沿隧道開挖方向多個激發(fā)孔位于多個接收孔的后方，多個激發(fā)孔分布在隧道軸線上下方的兩個水平面上，且每個水平面上的多個激發(fā)孔對稱布置在開挖隧道軸線的兩側。

4.根據(jù)權利要求1所述的tbm掘進復雜條件下超前地質預測方法，其特征在于，所述第二預測采用復頻電導法從前至后分多次對施工隧道全程進行探測，并且每次根據(jù)探測數(shù)據(jù)進行相干成像，獲得含水性偏移成像和相對介電常數(shù)。

5.根據(jù)權利要求4所述的tbm掘進復雜條件下超前地質預測方法，其特征在于，采用復頻電導法探測時，在掌子面后方依次設置接收電極和發(fā)射電極；其中，接收電極有多個，兩個接收電極為一組對稱布置在隧道軸線的兩側，沿隧道軸線方向間隔設置多組；發(fā)射電極有兩個，對稱布置在隧道軸線的兩側。

6.根據(jù)權利要求1所述的tbm掘進復雜條件下超前地質預測方法，其特征在于，所述第三預測采用地質雷達對掌子面前方未開挖段進行探測，并且獲得掌子面前方地質結構的三維圖像和波速分布。

7.根據(jù)權利要求1所述的tbm掘進復雜條件下超前地質預測方法，其特征在于，圍巖狀況至少包括巖石種類、巖石強度、巖石完整性。

8.根據(jù)權利要求1所述的tbm掘進復雜條件下超前地質預測方法，其特征在于，還包括：再次開展第三預測后，根據(jù)探測情況確定掌子面前方未開挖段具有不良地質時，對第三預測地段進行超前鉆孔直接探測，獲得不良地質勘探數(shù)據(jù)。

9.根據(jù)權利要求8所述的tbm掘進復雜條件下超前地質預測方法，其特征在于，在實施超前鉆孔探測時，根據(jù)不良地質的位置和規(guī)模確定超前鉆孔位置和數(shù)量。

10.一種tbm掘進復雜條件下超前地質預測系統(tǒng)，其特征在于，包括第一預測系統(tǒng)、第二預測系統(tǒng)和第三預測系統(tǒng)；所述第一預測系統(tǒng)通過地震波法探測掌子面前方未開挖段圍巖狀況，所述第二預測系統(tǒng)通過復頻電導法探測掌子面前方未開挖段圍巖含水狀況，所述第三預測系統(tǒng)通過地質雷達探測掌子面前方未開挖段圍巖及含水狀況；所述第一預測系統(tǒng)和所述第二預測系統(tǒng)布置于tbm護盾后方，所述第三預測系統(tǒng)設置于tbm刀盤上。

技術總結
本發(fā)明公開了一種TBM掘進復雜條件下超前地質預測方法及系統(tǒng)，包括：開展第一預測以探測隧道掘進路線區(qū)域的總體圍巖狀況，確定地質第一異常段，并根據(jù)探測的圍巖參數(shù)獲得該段TBM掘進參數(shù)，通過將TBM掘進參數(shù)輸入神經網(wǎng)絡模型預測得到圍巖分級；開展第二預測以探測隧道掘進路線區(qū)域的總體地下水狀況，確定地質第二異常段；開展第三預測以探測掌子面前方未開挖段圍巖及含水狀況，確定地質第三異常段，且第三預測對掌子面前方的探測距離小于第一預測和第二預測的探測距離；當?shù)谌惓６闻c第一異常段和/或第二異常段相重合時，再次開展第三預測，并根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)確定掌子面前方未開挖段是否具有不良地質。該方法可以更準確的預測掘進前方地質情況。

技術研發(fā)人員：李崢,趙云飛,李秋石,袁幸朝,熊亮,梁濤,肖瑞,吳桌盼,任健
受保護的技術使用者：中國水利水電第五工程局有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/10/21