一種TBM掘進過程中圍巖波速構造連續自動測量裝置及方法與流程

2023-04-29 11:24:51 1

本發明涉及在tbm隧道掘進過程中圍巖彈性波速構造連續自動的測量測試，特別適合分析tbm掘進過程中在不同的隧道圍巖區域而引起的波速變化。

背景技術：

巖體可以近似的看作彈性介質，當受到外力場的作用後將發生運動和變形，這種形變將以彈性波的形式在介質內傳播。根據彈性理論，介質中波速與彈性參數之間的關係為：

式中：vp縱波速度；vs橫波速度；e彈性模量；μ泊松比。

由上式可知，在巖體中波的傳播速度與巖體的密度及彈性常數有關，受巖體結構構造、地下水、應力狀態的影響，一般有如下規律：①巖體風化、破碎、結構面發育，則波速低，衰減快，頻譜複雜；②巖體充水或應力增加，則波速增高，衰減減少，頻譜相對簡單；③巖體不均勻和各向異性使波速與頻譜的變化也相應地表現出不均一性和各向異性。

目前在巖石(體)中進行的測試都是通過對巖石的縱波研究，近年來，表面波調查(sws)受到了巖土工程師們越來越多的關注。瑞利波法是一種新的巖土原位測試勘探方法，利用其頻散特性和傳播速度與巖土物理力學性質的相關性，可以解決諸多工程地質問題，如劃分地層，探測溶洞，土洞和飽水薄砂層等的分布，在本專利中主要應用於獲得關於隧道開挖圍巖巖體完整性的地質信息。

當地面受到振動後，振動向遠方傳播形成了波。在波中主要有縱波和橫波，其中縱波介質質點的振動方向與傳播方向一致，傳播速度最快，發生振動後會首先到達觀測點，所以又叫p波(primarywave)，橫波介質質點的振動方向與傳播方向垂直，傳播速度較慢，在縱波之後到達，所以又叫s波(secondarywave)。縱波和橫波都是從震源呈放射狀向外在介質中傳播，又被統稱為體波。除體波外，還存在一類波，他們只沿介質的表面傳播，被稱為面波。最常見的是瑞雷面波，其質點的振動軌跡為一橢圓，傳播速度略低於橫波，在均勻介質中其傳播速度約為橫波速度的0.9倍。瑞利面波沿介質表面傳播，由表面向地下深處的穿透深度與其波長有關。瑞雷面波的振幅從介質表面沿深度方向快速衰減，大約在半個波長以內約集中了全部能量的80％以上，在一個波長以內則集中了全部能量的約95％以上。所以瑞利面波的傳播速度主要由從介質的表面到半個波長的深度範圍內的介質決定，而幾乎與1個波長以深的介質無關。由此可見，高頻面波波長較短，只能穿透地表附近很淺的範圍內的地層，因而其傳播速度只反映淺層地下構造；低頻面波，波長很大，能穿透從地表到深處的地層，因而其傳播速度能反映從地表到深層的地下構造的綜合影響。如果我們能得到從高頻到低頻的瑞利面波的傳播速度，也就得到了反映整個地下構造的信息，用數學的方法按深度把這些信息分離開來，我們就掌握了整個的地下構造。通過對頻散曲線進行反演解釋，可推斷圍巖洞壁某一深度範圍內的地質構造，據此可對巖土的物理性質做出評價。在應用面波勘探來預測隧道圍巖構造信息時，由於不能一次性取得整條隧道測線的數據，波在傳播的過程中會逐漸衰減，因此我們在採集數據時，採用高密度面波勘探法。高密度面波勘探法的實現過程包括數據採集、波形處理、頻散分析和地下構造分析4部分。

數據採集：高密度面波勘探法所採集的數據，各段(排列)之間有一部分區域相互重疊，在處理數據時，通過疊加處理，合成一個能夠覆蓋整條測線的共激發點數據，如圖1。

波形處理：高密度面波勘探法的波形處理是把坐標信息與監測數據結合在一起，然後使用帶通濾波器對數據進行去噪音處理，最後把整條測線的數據疊加在一起，形成一個能夠覆蓋整條測線的「大排列」。使數據就像用一個排列一次採集的一樣，如圖2。

頻散分析：設面波測量數據為u(x,t),其富氏變換為u(x,f),x＝n*δx，δx為檢波器間距。檢波器n與檢波器1之間的相位差δφ＝ψ(c,x)僅由兩檢波器之間的距離差x和相速度c＝c(f)引起，如果用相速度對數據進行校正，校正後的數據完全同相位，疊加在一起會得到最大振幅。因此如果用一系列c(f)進行測試，就能找出對應於最大疊加振幅的速度值，即找到了對應於該頻率的相速度值，這一過程如下公式描述：

δφ＝ψ(c,x)；c＝c(f)，

∑[u(x,w)/|u(x,w)|]·exp(-δφ)＝maximum(3)

從記錄的始端開始，將覆蓋整條測線的數據重新分段，各段之間有一部分相互重合，對每一段分別進行頻散分析，以獲取對應該段的頻散曲線。

地下構造分析：地下構造分析即由頻散曲線反推地下剪切波速度構造，又稱為頻散曲線反演分析。根據波在層狀介質中的傳播理論，瑞雷面波在層狀介質中的相速度可表達為：

c(f)＝r(vs1，vp1，d1，h1，vs2，vp2，d2，h2，…,vsi，vpi，di，hi),i＝1,2,....n(4)

其中，vsi，vpi，di，hi分別代表第i層的剪切波速度、縱波速度、密度和層厚。頻散曲線反演就是要尋找一個地下構造模型，其頻散曲線與從實際測量數據中分析得道的頻散曲線之間的誤差達到最小，是一個多極值最優化問題。

e＝∑(cobs-ccal)2＝minimum(5)

其中，ccal＝r(vs1，vp1，d1，h1，vs2，vp2，d2，h2，…,vsi，vpi，di，hi，f)為理論相速度，cobs為從野外數據分析得到的實測相速度。反演分析就是求取(vs1，vp1，d1，h1，vs2，vp2，d2，h2，…,vsi，vpi，di，hi，i＝1，2，……n)。

在tbm隧道快速掘進的過程中，不同的隧道圍巖區域的波速會不斷變化。以往的測試方法解析度低，隧道施工環境對結果的影響性較大，裝置的安裝拆卸以及測量方式比較繁瑣，需要發明一種tbm掘進過程中圍巖彈性波速構造連續自動的測量方法。

技術實現要素：

為了解決現有技術測量圍巖彈性波速解析度低，隧道施工環境對結果的影響性較大，裝置的安裝拆卸以及測量方式比較繁瑣的問題，本發明提供一種tbm掘進過程中圍巖彈性波速構造連續自動測量裝置及方法。

為了解決上述問題，其技術解決方案為：

一種tbm掘進過程中圍巖彈性波速構造連續自動測量裝置，包括安裝在tbm機水平支撐上的若干液壓伸縮杆；設置在液壓伸縮杆伸縮端的檢波器；小錘；總控制開關；數據採集器；所述總控制開關控制液壓伸縮杆的伸縮，所述液壓伸縮杆以一定的壓力將檢波器固定在圍巖洞壁上達到增強耦合的效果，所述檢波器採集小錘錘擊圍巖洞壁後產生的表面波，小錘每次敲擊後自動觸發數據採集器的記錄系統將檢波器採集的波形數據連續自動的記錄下來進而進行波形處理、頻散分析、構造分析。

進一步，所述液壓伸縮杆與tbm機水平支撐之間設有檢測液壓伸縮杆壓力的壓力傳感器，每個壓力傳感器連接有測量壓力的壓力測量計。

進一步，每個液壓伸縮杆包括控制該液壓伸縮杆伸縮的獨立開關，對與圍巖壁接觸不充分或接觸壓力過大的檢波器通過獨立開關進行微調。

進一步，檢波器與圍巖壁接觸面間塗有薄層黃油、或甘油或凡士林，可以保證檢波器和圍巖洞壁之間的良好耦合。

一種tbm掘進過程中圍巖彈性波速構造連續自動測量方法，包括以下步驟：

步驟1：將若干液壓伸縮杆固定在tbm機水平支撐上，每個液壓伸縮杆伸縮端固定檢波器；

步驟2：在tbm機器施工換步時打開控制液壓伸縮杆的總控制開關，液壓伸縮杆伸出通過一定壓力使檢波器固定在圍巖壁，達到增強耦合的效果，記錄每個接觸測點位置，所述的施工換步即為：刀盤停止迴轉→伸出後支撐，撐緊洞壁→收縮水平支撐使靴板離開洞壁→收縮推進缸，暫停掘進；

步驟3：當檢波器與圍巖壁之間的壓力達到預定值後關閉總控制開關，打開數據採集器，小錘敲擊圍巖壁，檢波器接收經圍巖傳播過來的表面波信號，數據採集器的記錄系統在小錘敲擊圍巖壁的信號的觸發下將檢波器採集的波形數據連續自動的記錄下來；

步驟4：在一次測量結束後，打開總控制開關使液壓伸縮杆收縮至水平支撐上，液壓伸縮杆跟隨水平支撐向前移動一定距離，距離小於或等於一次測量的長度，在tbm機再一次換步時打開總控制開關重複步驟2和步驟3的過程，所述的再一次換步即為推進缸再一次收縮；

步驟5：將採集到的表面波進行波形處理、頻散分析，最後通過地下構造分析推測介質內部的彈性波速度構造。

進一步，檢波器與巖壁之間的壓力通過設置在液壓伸縮杆與tbm機水平支撐之間的壓力傳感器檢測。

進一步，所述步驟3中，對與圍巖壁接觸不充分或接觸壓力過大的檢波器通過每個液壓伸縮杆的獨立開關進行微調。

進一步，檢波器與圍巖壁接觸面間塗有薄層黃油、或甘油或凡士林，可以保證檢波器和圍巖洞壁之間的良好耦合。

本發明通過tbm機水平支撐上的液壓伸縮杆將檢波器固定在圍巖洞壁上，在tbm掘進的間隙中採用數據連續自動記錄系統採集激發的聲波信息(錘擊巖壁)。該方法可以實現整個tbm隧道掘進過程中圍巖的聲波波速連續自動測量，通過分析記錄的聲波信息，從而獲得隧道掘進過程中波速信息——掘進裡程變化曲線，進一步對波速信息進行分析得到頻散曲線，對不同的頻散曲線進行反演分析可以得到該區域圍巖的地質狀況，為進行巖體——tbm掘進機相互作用分析，後續支護決策優化提供技術保障。

附圖說明

圖1為數據採集示意圖。

圖2為波形處理示意圖。

圖3為本發明中涉及的tbm掘進過程中圍巖彈性波速構造連續自動測量裝置縱剖面。

圖4為本發明中涉及的液壓伸縮杆伸出狀態橫剖面。

圖5為本發明中涉及的液壓伸縮杆收縮狀態橫剖面。

圖6為本發明中壓力傳感器的安裝位置示意圖。

圖7為測量過程位移展示。

圖中：1、tbm機水平支撐，2、液壓伸縮杆，3、檢波器，4、小錘，5、控制電纜，6、圍巖洞壁，7、壓力傳感器，8、總控制開關，9、獨立開關，10、數據採集器，11、壓力顯示錶。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

如圖3所示，本實施例提供一種tbm掘進過程中圍巖彈性波速構造連續自動測量裝置，包括安裝在tbm機水平支撐上1的若干液壓伸縮杆2；設置在液壓伸縮杆2伸縮端的檢波器3；小錘4；總控制開關8；數據採集器10；所述總控制開關8控制液壓伸縮杆2的伸縮，所述液壓伸縮杆2以一定的壓力將檢波器3固定在圍巖洞壁6上達到增強耦合的效果，所述檢波器3採集小錘4錘擊圍巖洞壁後產生的表面波，所述數據採集器10為面波儀，小錘4每次敲擊後自動觸發數據採集器10的記錄系統將檢波器3採集的波形數據連續自動的記錄下來進而進行波形處理、頻散分析、構造分析。

為了保證檢波器3和圍巖洞壁6之間的良好耦合，可以在檢波器3與圍巖6間塗抹薄層黃油、甘油或凡士林等耦合劑，通過液壓伸縮杆2以一定的壓力進行固定，作用在檢波器3上，達到增強耦合的效果。將壓力傳感器7安裝在液壓伸縮杆2與水平支撐1之間，通過壓力傳感器7將檢波器3與圍巖洞壁6之間的液壓伸縮杆2壓力大小傳遞至主控室的壓力顯示錶11，壓力大小可以通過壓力顯示錶11讀出，參照國際巖石力學試驗規程，詳見ulusay,r.andhudson,j.a.(2007)thecompleteisrmsuggestedmethodsforrockcharacterization,testingandmonitoring:1974-2006。取檢波器作用在圍巖表面的應力為10n/cm2左右，乘以檢波器與圍巖的接觸面積，計算出所需液壓伸縮杆的壓力值。也可以對圍巖進行取樣，通過對試樣波速的標定來確定合適的液壓伸縮杆壓力值。在一種較佳實施例中，每個液壓伸縮杆2上安裝獨立開關9，該獨立開關9通過電纜裝置於主控室內，分別控制對應伸縮杆的伸長長度，使檢波器3與圍巖洞壁6良好耦合的同時，避免壓力過大使檢波器3或圍巖洞壁6受損。

採用上述實施例的圍巖彈性波速構造連續自動測量裝置對表面波進行測量的方法，包括以下步驟：

步驟1：將若干液壓伸縮杆2固定在tbm機水平支撐1上，每個液壓伸縮杆2伸縮端固定檢波器3。

步驟2：為了減少tbm機進行掘進工作時機器的震動以及產生的噪音對試驗的影響，在tbm機器施工換步時打開總控制開關8，液壓伸縮杆2伸出使檢波器3與巖壁6接觸(如果檢波器與圍巖接觸不密實或者過度接觸，通過液壓伸縮杆上的獨立開關9進行微調)，參見圖4，記錄每個接觸測點位置。

步驟3：當壓力顯示錶11達到預定值後關閉伸縮杆開關，打開數據採集器10，打開錘擊開關，發出錘擊信息，小錘4敲擊圍巖壁，檢波器3接收經圍巖傳播過來的面波信號，數據採集器10採集面波在錘擊點和檢波器之間(即圍巖表面)的振動傳播信號，數據採集器10的數據連續記錄系統進行連續自動記錄並儲存。

步驟4：在一次測量結束後，打開總控制開關8使液壓伸縮杆2收縮至水平支撐1上，參見圖5，以防止檢波器、液壓伸縮杆等影響工人施工。接著tbm機進行換步，例如待掘進長度小於3m處時，停止tbm機掘進，待推進缸收縮，水平支撐穩定後，打開液壓伸縮杆開關8，使伸縮杆2伸至圍巖洞壁處，重複以上步驟，使用數據採集器的數據連續記錄系統將面波傳播信息記錄並儲存。其中，液壓伸縮杆跟隨水平支撐向前移動的距離小於或等於一次測量的長度。

步驟5：將採集到的彈性波進行波形處理、頻散分析，最後通過地下構造分析推測介質內部的彈性波速度構造。

實施例所述的換步指刀盤停止迴轉→伸出後支撐，撐緊洞壁→收縮水平支撐使靴板離開洞壁→收縮推進缸，暫停掘進。

整個tbm機掘進過程中圍巖彈性波速構造連續自動測量過程示意圖如圖7所示。圖中s1，s2所示為一整次測量15個檢波器之間的距離，待一組數據處理完之後，向開挖反向水平移動一定的距離，該距離小於15個檢波器之間的距離，為保證測量區域有交叉重疊，圖7中s所示為重疊部分範圍。檢波器的數量不限於15個，可根據實際測量需求而設定具體數量。

由於本發明實現了對tbm掘進過程中圍巖彈性波速構造的連續自動測量，也可用於混凝土中的波速連續自動測量。

本發明通過固定檢波器和面波儀，採用數據連續自動記錄系統連續記錄面波在隧道圍巖中的傳播波速，從而實現整個在tbm掘進過程中圍巖表面的面波信息的連續自動測量。實現了面波信息的連續測量，通過數學分析計算出面波的頻散曲線，並進行相速度反演分析，模擬出測試地點的地質構造，從而為tbm掘進的整個過程中圍巖洞壁的完整性研究和應用提供了技術保障。