适于TBM施工的HSP法实时预报技术设计与实现

卢 松， 汪 旭， 李苍松， 丁建芳

(中铁西南科学研究院有限公司， 四川 成都 611731)

0 引言

隧道掘进机TBM(tunnel boring machine)以其掘进效率高的特点，逐步被引入国内长大隧道施工中。但与钻爆法相比，TBM设备对不良地质适应能力较差，如果不预先了解地层情况的话，其受到的影响远远大于钻爆法，会造成掘进速度减慢； 若处理不当，可能会导致卡机或更严重的风险[1-2]。为确保隧道TBM施工安全，且适应TBM快速施工要求,国内外学者致力于研发适合于TBM施工的超前地质预报技术。2003年，赵永贵等[3-4]开发了TST(tunnel seismic tomography)隧道地质预报技术，其观测系统采用空间布置，接收与激发系统布设于隧道两侧围岩中，进而实现前方不良地质预报工作； 2006年，Kopp[5]将BEAM(bore-tunneling electrical ahead monitoring)技术引入高速铁路隧道地质预报中，以TBM护盾作为屏蔽电极，而滚刀则作为测量电极，实现频率域激发极化法探测； 2007年，李术才等[6]依托863计划将激发极化法引入隧道地质预报中，实现了地下水的定量探测技术，在TBM刀盘、周圈以及后方布设多个电极开展激发极化法探水； 2008年，李苍松等[2]首次提出了利用TBM刀盘剪切岩石产生的震动信号作为激发震源的被动源HSP(horizontal sonic/seismic profiling)法探测技术； 随后何发亮等[7]提出岩体温度法，实现隧道掌子面前方涌水预报； 近些年，陈方明等[8]应用CFC(complex frequency conductance)复频电导隧道探水技术在巴基斯坦NJ水电站进行地下水探测； 海瑞克股份公司等联合开发了ISP(integrated seismic prediction)综合地震波预报系统。以上探测方法均有各自的特点，也取得了一定的成效，但均采用的是主动源物探技术，现场测试时或多或少会影响到施工。为了适应TBM掘进速度快的特点，适于TBM施工的实时地质预报新技术并将其搭载于TBM系统是目前的研究趋势。

利用TBM刀盘滚刀破岩震动作为激发震源的被动源HSP法探测技术[9]，与传统主动源弹性波探测方法相比，可在TBM掘进过程中完成数据采集，在不影响施工的同时实现不良地质(体)预报，这为实现TBM的实时地质预报提供了研究基础。本文结合TBM施工特点，在TBM地质预报搭载设计、探测理论、仪器研制、软件开发等方面取得了新突破，实现了自动化、快速化数据采集和实时预报技术。

1 适于TBM施工的HSP法预报技术

HSP法地质预报原理是建立在弹性波理论的基础上。弹性波场传播的速度、幅度、形态等特征参数与介质成分、密度、弹性模量及结构状态等有关，不良地质体(带)如断层、风化破碎带、岩溶、地下水富集带等与围岩特性差异较大。波场传播的反射与透射特性表现为：

(1)

(2)

式(1)—(2)中：R12为反射系数;T12为透射系数;ρ1为隧道掌子面前围岩密度；ρ2为不良地质(体)密度;v1为隧道掌子面前围岩纵波速度；v2为不良地质(体)纵波速度。

1.1 TBM施工的HSP法探测技术

本文重点分析TBM施工工艺、结构特点及预报要求，提出以TBM掘进过程中刀盘滚刀剪切岩石产生的震源信号作为被动激震震源，开展适于TBM施工的HSP法预报探测。

基于被动震源的HSP法探测，通过空间阵列式测试布置方法，同时接收围岩震动回波和TBM机身震动噪声，如图1所示。其中，检波器会结合实际环境，在隧道的轮廓上进行布置，无需固定的位置； 在软件输入检波器与刀盘的相对位置坐标，确定接收与震源的空间位置，通过连续接收TBM完全掘进状态下某一时段内的破岩震动信号，并对信号数据进行时域波形分析、频谱分析、数字滤波、相关干涉分析、反射成像、时深转换、物探异常提取、地质解译等处理，从而获取前方不良地质(体)空间位置及范围，完成地质预报工作； 随着TBM的掘进，通过修改软件内检波器坐标(或改变检波器布设位置)，获取震源点与接收点的位置信息，进而完成实时预报。HSP探测流程如图2所示。

R1、R2、…、R12为无线检波器。

图1HSP探测检波点布设示意图

Fig. 1 Layout of ware points of HSP detection

图2 HSP探测流程图

1.2 TBM施工被动源波场正演模拟

为了更好地分析TBM掘进过程中刀盘滚刀剪切岩石所产生的信号特点，进行TBM滚刀剪切岩石震动信号的数值模拟。在二维空间中，假定6把滚刀投影至同一平面内，作为TBM剪切岩石模型，地层设置为2层，纵波速度分别为2 000 m/s和4 000 m/s。正演地层模型如图3所示。

图3正演地层模型

Fig. 3 Forward stratigraphic model

因TBM施工时刀盘滚刀破岩为连续破岩，因此选用的子波信号采用真实破岩信号序列段进行有限元数值模拟，模拟的波场图选取信号在20 ms时刻和35 ms时刻波场快照图，如图4所示。从图中可以看出，信号在传播过程中，滚刀激发的各子波信号相互叠加与干涉(见图4(a))； 当信号传播至地层分界面处时，波形出现散射和反射现象(见图4(b))。利用TBM破岩产生震动信号传播的这一特性，提取空间内波阻抗特征参数，完成对应阻抗变化界面的定位，从而实现适于TBM施工的HSP法对前方不良地质(体)的探测。

(a) 20 ms信号

(b) 35 ms信号

图4波场快照图

Fig. 4 Wave field snapshot

1.3 TBM施工的HSP法数据处理

TBM掘进时，刀盘滚刀剪切岩石所激发的震动信号，在地层的“滤波效应”下，其震动信息被测试系统接收； 并通过滤波、信号提取、相关干涉、聚焦成像等处理，从而定位TBM刀盘前方不良地质(体)，实现预报的目的。该技术的实现在TBM隧道施工地质预报领域有着积极的意义。

1)首先，要对接收的信号进行频谱分析[10]，将布设于隧道轮廓上的检波器所接收的信号作为有效信号，并滤除机身自有震动噪声信号(由布设于TBM机身的检波器接收的信号分析获取)。

2)然后，对记录的信号进行相关干涉处理，获取探测的等效虚拟震源点[11-13]，即以某个接收点为震源点，其他接收点为接收点的共炮记录集。具体的单道数据互相关计算可由下式表示：

(3)

式中：R(n)为2组信号的互相关函数；f(n)、g(n)(其中n取值范围为0～N-1)为2组接收信号；N为信号的点数。

3)最后，对多组共炮记录点进行反射成像，该技术采用的是椭球理论，包含2个步骤，分别为对掌子面前方空间进行速度修正和椭球聚焦成像[11，14-15]，最终获取地层特征数据，用以指导施工。

2 HSP法实时预报技术设计

目前，适于TBM施工的被动源HSP法预报技术在多个项目得到了推广应用，实现了TBM不停机、不影响施工预报方法的突破。然而，非搭载式的HSP预报技术仍以单次预报的形式实现前方不良地质(体)的探测，如何有效地利用TBM破岩震动信号进行实时地质预报成为了研究的重点。实现在掘进过程中进行不间断或高频次的探测和预报，应具备以下几个基本条件：

1)掘进过程中破岩震源的有效利用为开展实时地质预报提供了前提条件；

2)预报设备合理地搭载于TBM主控室或其他部位，实现智能控制，为预报的实现提供了载体；

3)对预报设备的程序化控制、参数简单设置、数据快速处理与成像等技术推进方法的实现与推广。

在原有的适于TBM施工的HSP法基础上，实现探测搭载硬件小型化、信号采集自动化、数据处理快速化、异常提取智能化等设计，进而实现HSP法实时地质预报技术。

开展TBM实时地质预报时，预报流程见图5。具体操作如下：

图5 地质实时预报流程图

1)首先，进行检波器布置，并进行检波器接收性能调试和环境噪声调查。

2)其次，进行相关参数设置，如采集参数、采集模式、检波器位置信息、数据处理参数等。结合前期工程项目及TBM实际情况进行设置。

3)启动采集。根据采集模式要求，进行实时数据采集。

4)采集结束后，进行自动数据处理、反演成像、反射层拾取、异常解释等，并进入下一次地质预报工作，实现循环实时预报。如遇重大异常区，则进行人工干预，精细处理，进一步复核异常区位置、规模、性质等，完成不良地质(体)的有效探查。

3 HSP法实时预报技术硬件要求

将预报设备与TBM设备融为一体，对推进实时地质预报技术具有重要的意义，其应具备以下功能：

1)体积小，尽可能少占用TBM设备空间；

2)对TBM机身的改造尽可能少；

3)设备及检波器应具有较好的抗干扰能力和稳定性，能适于TBM高噪声环境应用；

4)尽可能实现数据的无线传输；

5)对设备进行程序化控制，且简单有效；

6)对设备的检修与维护应便捷等。

搭载式HSP系统的设计基于上述原则，搭载于TBM控制室内，依托控制室内工控机及显示屏，通过软件控制，完成数据实时采集与后台处理，实时展现掌子面前方反射结构面情况；当遇到长大或强反射结构面时，也可采用人工处理获取精细探测成果，从而实现小型化、无线传输、程序化控制、搭载便捷、抗干扰能力强等。该模块尺寸为250 mm×250 mm×73.5 mm，如图6所示； 同时配有无线模块以实现信号的实时传输功能，包含有1个接收模块和4个发射模块，如图7所示。

图6 HSP数控模块

图7 HSP无线收发模块

4 HSP法实时预报软件的实现

通过统计先验技术参数，如引红济石、引汉济渭、西藏派墨农村公路等项目预报的数据采集参数要求、处理方法及参数范围、波形时频域特征、异常形态与图谱相关性等资料，来指导适于TBM施工的HSP法实时地质预报软件的开发。HSP法实时地质预报主控软件界面如图8所示。通过主控软件分别调出各子模块，完成实时预报工作，各模块功能如下：

1)对适于TBM施工的HSP法实时地预报系统的参数模块进行设计(见图9)，并不断地优化。包括硬件控制参数、装置参数等在内的多流程参数的设计，如硬件控制参数(采样间隔、预延迟、采集长度等)、装置参数(隧道半径、掌子面坐标、检波点位置、里程方向等)、数据处理参数(滤波参数、干涉方法、虚拟震源道等)、采集模式(实时预报数据量、启动方式等)。

2)对TBM施工HSP法实时接收时域波形的展示、编辑与回放(见图10)。

3)实现数据快速处理、智能反演成像、异常拾取、成果解释等后台控制与成果展示，实现实时地质预报技术，指导TBM掘进。形成的反射成像切片图、反射异常识别图、推测不良地质图如图11和图12所示。

图8 HSP法地质实时预报主控软件界面

Fig. 8 Main control software interface of HSP real-time geological prediction

图9 参数设计界面

图10 数据采集界面

图11 地层反射成像切片图

A—反射异常识别图; B—推测不良地质图。

图12成果展示界面

Fig. 12 Interface of results display

5 结论与讨论

1)采用TBM刀盘滚刀破岩震动作为被动震源的HSP法预报技术，可通过优化设计用以TBM施工的实时预报。

2)通过预报硬件的搭载与软件的智能控制，能够实现连续或高频次地获取TBM前方不良地质(体)位置、规模与性质。

该技术的设计与实现，为TBM的高效掘进起到了推助作用，具有重要的意义。但如何有效地提升实时预报成果智能解释技术，以及如何实现地质、物探、岩机感知、出渣等信息的综合分析和联动预警，是下一步研究的重点。