盾构机隧道掘进实时地质超前预报

发布于 三月 25th, 2016 | 暂无评论 »

 

广州岩泰公司开展隧道地质超前预报电法技术(BEAM)-盾构机(TBM)掘进过程实时地质超前预报技术服务,提供BEAM系统租赁业务(与德国GET公司合作),欢迎咨询与联系!

 

  水是电流的良导体,针对这一物理特性,德国GET公司开发出一种叫隧道电法的预报方法——隧道地电超前监测技术,即The Bore-Tunnelling Electrical Ahead Monitoring,简称BEAM。这一技术由德国GET公司常务董事Kaus于1998年开始进行研制开发,2004年获得德国专利,是一种应用聚焦电流激发极化方法原理的地质超前探测技术,其最大特点是实时测量和自动测量。特别设计应用于地下工程建筑工业的。

       BEAM技术不但适用于现有隧道的测量,同样更适合于现代化高机械化的盾构机上安装使用。BEAM是一种无损的技术,在盾构机掘进的过程中能够持续地工作。在任何硬岩和软土层地质情况下,BEAM可在土压平衡式(EPB)盾构机、泥水(Slurry)盾构机、撑靴式(Gripper)盾构机、单或双屏蔽盾构机上安装使用,而不受盾构机厂家的影响。,随着隧洞掘进,自动进行测量,并实时处理得出掌子面前方的测量结果。它是目前唯一能与TBM 同步进行实时、自动化测量的系统。

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BEAM法的方法原理
          BEAM测试技术是通过对岩层视电阻率进行测试来探知岩体质量和其中的空洞及水体。BEAM测试系统就是以交流激发极化为理论基础的一种全新的电法勘探技术,通过测取与岩体孔隙(空隙)有关的电能储存能力参数PFE(Percentage frequency effect)和视电阻率的变化,预报前方岩体的完整性和含水状况。
聚焦激发极化法(IP) 电场和电流束 
聚焦激发极化法(IP) :电场和电流束

工作原理示意图
— 工作原理示意图

          BEAM测试技术的核心在于改善了电法测试的灵敏度和稳定性,依靠适合在隧道掘进工作面来布置的环绕Al电极利用同性电极相排斥的原理来实现的保护电场,使独立的AO电极产生的电流能够更纵深的以放射状半径或者垂直隧道掘进的径向传播,成功的解决了这一问题。

          在BEAM对掌子面前方的地质情况的预测预报当中,除了PFE值这一主要的表征参数,电阻率也是一种反映不良地质体尤其是针对含水不良地质体重要的参数。比如,对孔隙率高地带的超前预报中,充水的断层和岩溶带电阻率会较低,而干燥的或赋存瓦斯的断层带电阻率会较高。BEAM系统采用交流激发极化法进行超前预报,获得百分频率效应PFE和电阻率R两种参数,以这两种参数为成果解译基础,综合对前方地质情况进行预报。

 低电阻率带BEAM探测电流传播形式示意图

— 低电阻率带BEAM探测电流传播形式示意图

高电阻率带BEAM探测电流传播形式示意图

— 高电阻率带BEAM探测电流传播形式示意图

          BEAM具体操作是通过外围的环状电极(A1)发射一个屏障电流,并在内部发射一个测量电流(A0),以便电流聚焦进入要探测的岩体中,通过测量岩体的交流变频激发极化特征,计算出岩体视电阻率和一个与岩体中孔隙有关的电能储存能力的参数(PFE)的变化来预报前方岩体的完整性和含水性。PFE是一种表征岩石储存电能能力的岩体特性参数,而孔隙率与PFE呈反比关系。在隧道超前预报当中岩溶洞穴、断层、破碎带等具有较高孔隙率的不良地质体相应的PFE就较低;充水和充气的高孔隙率段只能储存很少的电能,PFE也因此较低;沙、粘土层、桩、漂石和混凝土等也因其典型的PFE值,能够通过BEAM探测到。

公式
频率效应百分比(PFE) 和有效孔隙率 (Pn) 与地层类型的相关性
频率效应百分比(PFE) 和有效孔隙率 (Pn) 与地层类型的相关性

          德国GET公司通过大量实验给出的岩体类型和含水情况与PFE及视电阻率的对应关系。由图可以看出,根据观测和计算获得的视电阻率值和PFE值判定岩体类别及含水量具有科学依据。需特别注意的是在不同地区用该方法进行预报时,应根据当地地质情况进行现场试验,得出当地如图所示的岩体类型和含水情况与PFE值及视电阻率值的对应关系,用以指导预报进程。

岩体类型和含水情况与PFE及视电阻率R值的关系

— 岩体类型和含水情况与PFE及视电阻率R值的关系

  

BEAM系统介绍

          盾构机通过BEAM系统,能够保持持续的掘进状态,不断进行隧道掌子面前方3-6倍隧道直径距离的地质情况的探测。自动进行数据采集和地质评估,然后实时显示预报结果,利于现场快速作出判断。

          该系统有一个优点是利用盾构机的掘进工具-刀盘和安全装配的组件做为测量电极,通过盾构机本身自动与地层电性连接。

          由于使用低于42V的工作电压,这样就不会对盾构机工作人员和机械设备造成任何损害。

          推出一种先进的评估软件,通过频率效应百分比(PFE)和视电阻率(R)数据的测量,从而对地电地质/水文地质进行分类和解释。

BEAM系统

— 系统总布置图

BEAM单元

          安装在盾构机操作室的地电测量设备,可以独立作为带显示功能的完整单元,或配带外置显示器;

测量电极(A0)

          盾构机所有的刀头或整个刀盘在掘进转动过程直接接触掌子面;

保护电极(A1)

          盾构机护盾或防护衬套/锚杆;

返回电极(B)

          在隧道内或外固定标杆或锚杆,离掌子面的距离要超过300m;

自动化

          BEAM单元通过接口与盾构机制导系统连接起来,能够充分保证全自动化数据采集,从而通过狭小空间测量点增加分辨率;

通信

          在工作现场需要因特网接入、电话线或数据电缆和远程管理接入,达到系统维护目的和从BEAM单元到现场办公室与隧道外其它认可的计算机进行预报数据传输。

  

特点和先进性
  • 能进行长期的隧道高分辨率和无损地质超前预报;
  • 超前进行岩土、地质和水文地质条件变化的预报和预警,如断层、岩溶、洞穴或含水(气)地层;
  • 在盾构机操作室里的BEAM系统显示单元和其它认可的在世界任何地方的计算机上数据可视化显示地电参数和水文地质分级的地层变化。
  • 优化安全计划、提前提供支护措施、及时给工作人员、隧道和盾构机提供保护;
  • 有助于实现快速掘进,而不受隧道开挖过程中的干扰和中断,减少时间和节省费用;
  • 掌子面前方预报距离为隧道直径的3-6倍;
  • 使用BEAM系统不需要敲击和钻孔;
  • 含地质解释功能的评估软件,隧道工程师和施工现场工人容易从中自我判断;
  • 可在地下水位上下里的硬岩和软土层中应用;
  • 可以安装在任何类型的盾构机上工作,不受盾构机厂家的影响;
  • 减低风险和提高安全。

  

BEAM的显示方式

          BEAM的成果显示是以可视化的方式显示,通过将岩体质量以及是否含水的情况以颜色深浅来表示。直观、清晰地展示了前方预报范围内的地质情况,非常便于现场技术人员解译。

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BEAM综合模式系统

          BEAM综合模式是基本系统,是把盾构机的整个刀盘而不是切割轮(刀头)作为一个大的测量电极(A0)。

          该模式能够在盾构机掘进修建中的隧道工程里简易快速安装,而盾构机掘进不受任何干扰和中断。

          前方区域预报结果以一维空间方式显示,及时的显示临界地层变化、空洞、障碍物或富含水区域等地质情况。

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可视化5

BEAM扫描模式系统

          BEAM扫描模式系统使用更多额外的测量电极(A0),从而提高横向分辨率的能力,提供二维和三维探测目标体更多信息的图像。

附加一些装备和需求:电动转子、通过回转式编码器得到的刀盘旋转位置信息和特别适合的刀具(OEM)必需品。

横侧面PFE值分布图只要在BEAM扫描模式系统里才能得到。通过PFE值(岩石空隙率)不均一性详细分布指示对预报前方的地质情况进行横切面成像。

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应用实例
BEAM综合模式应用实例:
实例一:Pajares-Tunnel Lote 1 (South-Portal), Shield TBM Herrenknecht, 西班牙, 2006-2007
          BEAM-综合系统安装在内径为9.9 m的Herrenknecht TBM;
          地层主要以石灰岩组成;富含水溶洞构造。 案例分析1

—Pajares-Tunnel Lote 1 (South-Portal), Shield TBM Herrenknecht, 西班牙, 2006-2007

BEAM探测的不良岩层和遇到的接近垂直的富水断层和破碎带
— BEAM探测的不良岩层和遇到的接近垂直的富水断层和破碎带

          屏幕拷贝涉及50m的隧道掘进里程,从13+175到13+225。地层指示器表明P值在300~500nm之间,而PFE值大部分大于0%,最大13%。因此,Huerga Formation地层的片岩由黄色、阴影的综合水平框图表示,根据BEAM内部地层分类矩阵,其表示为“中等破碎”。BEAM预报结果与实际地质吻合。另外一处PFE值为最小(接近一20%),相应在里程13+185~13+187之间P大幅下降。而P和PFE值小幅度下降的原因是潜在富水的砂岩互层。

西班牙隧道地质情况

          该实例是隧道工程,采用BEAM进行长期地质预报。上图中下部为西隧道的地质情况,其BEAM系统安设在Herrenknecht EPB-TBM上,而上部显示了由NFM EPB-TBM开挖的东隧道情况。

          右上部分的Huergas地层由片岩(绿色)夹部分砂岩组成,左下部分的SantaLucia地层为块状灰岩。下部的红框图为预计的断层带。

          中间的断层带预计里程从13+182至3+185,实际遇到的里程为13+185~13+187,BEAM系统已准确预报。

 

BEAM显示屏幕拷贝,掌子面里程13+195(见垂直黄线)穿过遇到的断层带
— BEAM显示屏幕拷贝,掌子面里程13+195(见垂直黄线)穿过遇到的断层带

          图为BEAM系统应用中的实际显示,有地层变化指示和30m范围,接近TBM直径3倍地段的预报情况。一般而言,在BEAM自动测试状态下仅有左侧中间的一个键足交互式的,而屏幕的所有其他键都不是交互式。与掘进进程一致的PFE和电阻率(p)变化从左到右显示,当预报到地层有变化时,动态显示图例。

实例二:Napoli 1号线地铁, Herrenknecht TBM, 意大利, 2007

          BEAM-综合系统安装在内径为6.7 m的Herrenknecht S-TBM ;

          地层主要以凝灰岩组成;

          测试目标为旧矿空洞

案例分析Napoli 1号线地铁, Herrenknecht TBM, 意大利, 2007

— Napoli 1号线地铁, Herrenknecht TBM, 意大利, 2007

BEAM在国内外的应用情况:

  • 2000年BEAM超前探测系统被引入意大利Ginori隧道的施工建设,成功的预报了一些与隧道掘进相关的岩溶裂隙水和断层,形成可视化的图像,并且预测到一个大的涌水段,后经开挖确认与预测结论相符。这是BEAM系统第一次成功的应用于TBM方式掘进的隧道。
  • 瑞士哥斯塔特基线隧道(GotthardBaseTurmel)是目前世界上最长的隧道。2003年BEAM采用适应于钻爆法的是移动式设备在该段进行工作,成功的预测到一个千枚岩的剪切带发育,其对具体位置的评估后经开挖证实也是正确的。
  • BEAM在瑞士勒其山基线隧道的应用是为超前水平钻孔实施计划提供建议,2000年8月开始在Ferden段进行工作。
  • 德国frlahull,oeisbers和stammham隧道在使用的多种地球物理方法当中BEAM法最为有效的探测到洞径方向15m范围内的溶洞发育,一个11.7m长对隧道安全可能造成威胁的溶洞被BEAM探测发现。
  • BEAM其他国外隧道应用:连接Madrid到segovia的高速铁路的西班牙瓜达马拉隧道(GuadarramaThrmel)、意大利Prisnig隧道、西班牙巴萨罗那地铁等。
  • 国内的锦屏锦屏二级水电站辅助洞和引水隧洞工程于2006年引入BEAM超前探测技术,针对岩溶涌水问题进行超前预报。
  • BEAM其他国内隧道应用:沪蓉国道主干线邻水至垫江高速公路主体控制性工程铜锣山爆挖隧道、辽宁省大伙房水库输水工程连续输水盾构隧洞、天津西站至天津站地下直径线盾构隧道等。

BEAM扫描模式应用实例:

实例一:Túnel de la Cabrera, 西班牙, 2007-2008

          DS-TBM Herrenknecht, 内径9,5 m, BEAM-TBM 扫描式地质超前预报,

          石灰石和白云石岩层;确定含水层、溶洞和空洞。

Túnel de la Cabrera, 西班牙, 2007-2008a Túnel de la Cabrera, 西班牙, 2007-2008b Túnel de la Cabrera, 西班牙, 2007-2008c

实例二:Ginori Tunnel, Shield TBM WIRTH, 意大利, 2000-2003

Ginori Tunnel, Shield TBM WIRTH, 意大利, 2000-2003a Ginori Tunnel, Shield TBM WIRTH, 意大利, 2000-2003b

 

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