[实用新型]土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统。

背景技术

土压平衡盾构是由刀盘旋转切削土体，切削后的泥土进入密封土舱，在密封土舱内泥水压力与开挖面泥土压力取得平衡的同时，由螺旋输送机进行连续出土的盾构。土压平衡盾构隧道施工技术在近年来的大量工程实践中业已日臻成熟，被广泛应用的同时更逐渐成为城市隧道施工的主要发展方向。

然而，隧道前方间或出现的地质灾害严重制约了盾构隧道工程的发展。土压平衡盾构施工过程中常见的灾害源主要有以下几种：

1.球状风化体，即所谓的孤石。掘进线路上未知的孤石会导致盾构刀盘磨损，盾构卡机等不良后果；

2.高水压砾层、砂卵石层。掘进线路上未知的富水砂砾层会导致盾构施工涌水，地表沉降等不良后果；

3.粉细砂层、软淤泥黏土层。类似土层极易发生扰动，盾构机在未知情况下掘进至该类土层难以控制保持土压平衡，且会引动前期沉降；

4.全断面硬岩。盾构掘进至未知全断面硬岩地层时将会受限于推进力和刀盘刚度难以继续掘进，极易卡机；

5.上软下硬地层。当掘进地层上下出现明显软硬分层时，盾构难以控制掘进方向和自身平衡；

6.不明潜埋物，未知地下管线，有毒含气层等。城市地下隧道施工中常常会在施工区域发现文物古墓、战后遗留爆炸物、既有城市管线、高层建筑深基础等未知埋藏物，在不明条件贸然掘进，则难免造成经济损失或安全事故。

一旦发生在开挖过程中遇到上述灾害源导致卡机，突涌水，地表沉降等工程事故，轻则造成盾构机械损毁，延迟工期，重则造成地层塌陷，导致重大安全事故。可见，土压平衡盾构上搭载能够有效且全面探测上述诸多危险源的超前预报装置是十分必要的。

一直以来，广大科研人员和工程人员在应用地质灾害超前预报手段于土压平衡盾构施工方面进行了诸多尝试：利用超前钻机水平钻探难以反映掌子面前方的综合地质情况，极易造成漏报、误报、错报从而形成安全隐患且费用较高；地震方法要求的震源发生方式难以在盾构隧道管片衬砌中有效应用；由于盾构隧道施工空间狭小，电磁干扰强烈，瞬变电磁和地质雷达的探测准确性难以保障，盾构机刀盘上安装地质雷达天线的尝试在刀盘改造和天线保护上遇到了较大的困难；钻孔物探的跨空高密度电法在盾构隧道超前预报方面取得了一定的成效但只对掌子面前方孤石的探测有明显的效果，且实际工程中频繁进行多次超前钻孔带来了极大地经济成本和时间成本；国外较常采用的一种一维聚焦激电法超前预报系统BEAM(Bore-TunnelingElectricalAheadMonitoring)系统，由于不能获得掌子面前方地质情况的三维信息且不能解决盾构金属体导电问题，探测距离短，使用耗时繁复，未能在我国盾构隧道工程中有效的推广。

故而，当前尚且没有任何一种超前预报手段能够快捷可靠地实现土压平衡盾构隧道施工中的不良地质灾害预报功能。这是由于土压平衡盾构施工隧道的超前探环境极其恶劣，超前探测过程中面临难以回避的困难：

1.空间上，土压平衡盾构刀盘时刻与掌子面土体紧贴且刀盘不可回退，刀盘后土仓内充满用以平衡土压的土体，相较于探测环境很差的全断面隧道掘进机(TBM)刀盘与掌子面间可实现的20cm左右的狭小探测空间，土压平衡盾构可以说根本不具备探测空间；

2.盾构本身与TBM一样具有强烈电磁干扰。对于在土压平衡盾构施工中应用电磁类探测方法而言，更为棘手的问题是盾构刀盘与护盾作为良导体与掌子面和土仓内土体紧密耦合，致使电法勘探所供电流难以流入掌子面前方，严重影响探测；

3.土压平衡盾构本身结构上，由于刀盘及前盾土仓构成一个封闭金属箱，掌子面前方各种物探信号均难以突破强屏蔽向外无线传输，而对于有线传输，由于盾构刀盘在掘进过程中不停旋转，同时护盾及前盾土仓、承压板固定不动，致使探测电极与测量主机之间的线缆难以布置。

4.时间上，相较于TBM每天四小时维保时间和较慢的掘进速度，土压平衡盾构掘进速度更快，维保时间更少，这也就要求在土压平衡盾构上搭载的超前探测系统具有探测速度快、探测过程自动化程度高的特点。

可见，目前在土压平衡盾构施工隧道施工中亟需一种高效可靠的不良地质灾害超前预报装置。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述问题，提出了一种土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统，本系统搭载于土压平衡盾构上可克服盾构施工隧道超前探测空间小、电磁干扰强、时间短的难点，该方法可快捷且有效的实现上述各种盾构施工隧道地质灾害源的超前探测。