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集成式地震探测系统ISP

在硬岩中隧道掘进过程中的超前勘探

________________ 在硬岩地层中进行机械化隧道掘进时,总有不可预见的地质情况出现。岩石的硬度和强度、断裂程度、断层位置以及地下溶洞情况相对于预测的数值和判断可能会有出入。海瑞克股份公司与德国国家地球科学研究中心(GFZ)波茨坦亥姆霍兹中心开展合作,开发了用于隧道早期探测的地球物理勘探系统:集成式地震探测系统ISP(Integrated Seismic Prediction)。

 

通过预先探测,掌握地质情况

冲击锤及地质观察孔(盾体上的开孔),沿隧道掘进方向右侧(以黄色标示)。

 

集成式地震探测系统ISP的一个重要特点是在隧道掘进机始发后也可以进行系统安装。由于系统探测距离远,可满足隧道掘进机早期预警的要求。利用常规手段,就可以迅速掌握地质异常情况,并在近距离进行调查和检验。这样,就避免了某些超前钻作业,从而减少停机时间和额外成本。集成式地震探测系统ISP主要包括三个模块:

隧道透视图:按事先计划布置的地震检波器(蓝色)和冲击点(红色)

1. 震源:

用两个气动的冲击锤作为震源,向岩石内传递能量。冲击锤可安装于敞开式硬岩掘进机的撑靴部位,亦可安装在设计时准备的隧道掘进机盾体上的一个可连接的悬臂上,确保冲击锤与岩石的相互作用。当掘进中断、刀盘静止时,在盾构机安装管片或敞开式硬岩掘进机的撑靴进行换步时,可操作冲击锤伸抵岩壁并激发撞击。

带数据记录仪的测量杆

2. 接收器和数据记录:

地震波接收器由三分向地震检波器组成,安装在特别设计的可重复使用的测量杆的尖部。支撑管打入岩石上的钻孔,为安装在岩石中的测量杆提供足够的稳定性。数据记录由自主的电池供电式无线电数据记录仪执行,记录仪直接安装在测量杆上。记录仪采集的数据发送到计算机装置作进一步处理。

3. 计算机装置,装有方向操纵、控制和处理软件:

使用装有专业系统软件的笔记本电脑作为计算机装置,用于从隧道掘进机的可编程逻辑控制器(PLC)查询导向数据和机器状态数据。利用这些数据,形成关于整体测量系统(含所有部件)的空间定义,据此计算冲击锤的冲击力、正确处理后续数据和进行数据分析。

波转换原理

利用震源击打隧道壁使其振动,生成体波和面波(即瑞利波)。面波沿隧道壁朝掌子面的方向传播,在掌子面转化为S波(剪切波)。该波在山体中遇到障碍物时,将会被部分反射。本项应用中的相关物理尺度是地震阻抗(声阻抗或波阻抗),为波所穿过介质的密度与对应S波速度乘积。

测量原理

因此,S波的反射依赖于有足够的阻抗对比量,一般发生于高度破裂和分解的岩层(断层),或充水裂隙或溶洞。因上列原因被反射的S波传回掌子面,在那里部分转化为瑞利波,沿隧道壁传播,被隧道壁上安装的地震检波器捕捉。这个过程被称为RSSR波动。

数据记录仪测量各个波的传播时间,本数据用于通过一个特殊计算程序解释地震信号,而同时也确定各个波从何处生成。

集成式地震探测系统ISP性能

本系统探测范围是沿掘进方向之前50米至100米,最大为掌子面之前150米。所探测结构的分辨率及/或探测尺寸在5到10米之间。岩石中的充水或充气孔洞、地质断层或弱岩区均可被本系统探测到。所有地球物理探测方法,均建议综合采用不同的测量技术,对怀疑及/或探测的事实进行验证。这意味着,超前钻进作业不再需要持续的进行,仅限在很小的范围内有目的性地实施。

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