姬同旭，吳維義，李昌龍

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴陽 550081)

1 概 述

隧道工程因隱蔽性和地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性，在前期勘察階段無法完全弄清地質(zhì)情況，實(shí)際開挖揭露的圍巖情況與勘察報(bào)告出入較大的情況屢見不鮮。因此，隧道施工過程準(zhǔn)確、及時(shí)地預(yù)測(cè)掌子面前方的地質(zhì)條件是決定隧道建設(shè)順利與否的關(guān)鍵，施工期隧道開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作尤為重要[1-2]。

鉆孔過程中鉆具與巖土體進(jìn)行直接接觸，鉆具響應(yīng)信息綜合反映了巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)。鉆具響應(yīng)信息中隱藏的大量地質(zhì)資料，可用于分析、測(cè)定巖體的工程地質(zhì)特性和空間分布，是進(jìn)行地層界面識(shí)別和圍巖級(jí)別劃分的重要參考指標(biāo)。本文利用高精度的傳感器將隧道炮孔鉆進(jìn)信息進(jìn)行收集，研發(fā)采集鉆進(jìn)信息的硬件設(shè)備，建立炮孔鉆進(jìn)過程相關(guān)參數(shù)與前方巖體質(zhì)量的關(guān)系。具體方法是對(duì)鉆桿壓力、鉆桿轉(zhuǎn)速、鉆進(jìn)速率等參數(shù)利用傳感器進(jìn)行自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集，建立巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)同上述參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，形成綜合評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量的新方法。

2 巖體可鉆性指數(shù)研究

不同質(zhì)量等級(jí)巖體其破碎單位體積巖石所需的能量不同，可以此作為刻畫巖體質(zhì)量的標(biāo)志性指標(biāo)[6-8]。可鉆性指數(shù)就是基于能量觀點(diǎn)提出來的，用于刻畫圍巖綜合物理特性的指標(biāo)，其具體計(jì)算過程如下：

設(shè)圍巖破碎總體積為V，鉆機(jī)鉆進(jìn)功率為E，根據(jù)能量守恒有：

Vq=k1Et

(1)

式中：q為單位體積巖石破碎功；k1為鉆機(jī)能量轉(zhuǎn)化率；t為鉆進(jìn)時(shí)間。

因鉆機(jī)鉆進(jìn)功率E與鉆桿扭矩M和轉(zhuǎn)速N成正比，即：

E=k2MN

(2)

又因鉆桿扭矩M和鉆進(jìn)壓力p及鉆頭底面積A成正比，即M=k3Ap，進(jìn)而有：

E=k2k3ApN

(3)

式中：k2、k3均為常系數(shù)；A為鉆頭底面積。

巖破碎總體積V取決于鉆頭底面積A、鉆進(jìn)速度v及鉆進(jìn)時(shí)間t，所以：

V=Avt

(4)

將式(3)、式(4)代入式(1)得：

Avtq=k1k2k3ApNt

(5)

即：

(6)

(7)

3 圍巖級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫

3.1 建立典型圍巖標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫

具體的數(shù)據(jù)篩選方法是：

(8)

(9)

則可鉆性指數(shù)均值的置信水平為1-α的置信區(qū)間為：

(10)

(11)

將數(shù)據(jù)納入可鉆性指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中，形成i級(jí)圍巖的可鉆性指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫[Ki]。

3.2 基本圍巖級(jí)別的判定標(biāo)準(zhǔn)

4 數(shù)據(jù)采集方式

采用先進(jìn)的傳感器對(duì)鉆進(jìn)速率、鉆桿扭矩、鉆桿鉆速、鉆進(jìn)壓力、回水量及顏色等數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和采集。然后，結(jié)合巖體力學(xué)、巖體強(qiáng)度、巖體完整性等參數(shù)同以上參數(shù)的比對(duì)、分析，構(gòu)建巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)同上述參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。最后，綜合評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量。

主要參數(shù)是通過傳感器采集得到的，采集過程如下：

1) 鉆進(jìn)速率v是通過安裝在鉆機(jī)上的位移傳感器采集的鉆進(jìn)深度增量Δz除以鉆進(jìn)時(shí)間Δt計(jì)算得到，即：v=Δz/Δt。

2) 鉆進(jìn)壓力p通過安裝在鉆機(jī)上的振動(dòng)加速傳感器采集得到振動(dòng)加速度a，再通過牛頓第二定律p=ma，可以求得實(shí)時(shí)鉆進(jìn)壓力p。

3) 鉆桿轉(zhuǎn)速N通過安裝在鉆桿上的旋轉(zhuǎn)傳感器采集得到。轉(zhuǎn)速N的范圍為0～500 r/min。

4) 巖渣、回水量及回水顏色通過人工現(xiàn)場(chǎng)記錄。

5 設(shè)備研發(fā)

5.1 硬件開發(fā)

基于上述理論研究和YT系列鑿巖機(jī)的基礎(chǔ)上，開展一種基于隧道掌子面鉆進(jìn)監(jiān)測(cè)信息的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法相關(guān)設(shè)備的研發(fā)，設(shè)備布置圖見圖1。

圖1 設(shè)備布置樣圖

傳感器布置方式如下：監(jiān)測(cè)單元采集器安裝在鑿巖機(jī)氣管；激光位移傳感器(圖2)安裝于鉆機(jī)頭下方；振動(dòng)加速度傳感器(圖3)安裝在鑿巖機(jī)扶手上；鉆桿轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)傳感器安裝在鑿巖機(jī)鉆桿尾部；垂吊減震接收單元放置于現(xiàn)場(chǎng)距離鑿巖機(jī)附近(臺(tái)車處)，可與監(jiān)測(cè)單元(圖4)進(jìn)行無線控制和數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)備連接方式見圖5。

此外，為降低激光位移傳感器因鉆機(jī)振動(dòng)導(dǎo)致測(cè)量精度失準(zhǔn)，特別設(shè)置減震裝置。位移傳感器減震裝置呈矩形構(gòu)造，保護(hù)裝置右側(cè)中間處設(shè)一通孔，用于位移傳感器發(fā)射紅外測(cè)距信號(hào)，并對(duì)應(yīng)第一通孔在保護(hù)裝置左側(cè)設(shè)第二通孔，用于位移傳感器與數(shù)據(jù)處理模塊連接。保護(hù)裝置左側(cè)和右側(cè)分別設(shè)置兩個(gè)固定圓環(huán)，圓環(huán)與位移傳感器的左端面和右底面之間存有一定的距離，圓環(huán)與位移傳感器之間均固定安裝一個(gè)彈簧，彈簧與傳感器相連，彈簧呈環(huán)形結(jié)構(gòu)布置。保護(hù)裝置內(nèi)壁面中間底部設(shè)置一個(gè)固定托架，托架的寬度大于位移傳感器的寬度，防止位移傳感器在工作時(shí)上下擺動(dòng)。位移傳感器減震裝置見圖6。

圖2 激光位移傳感器

圖4 監(jiān)測(cè)單元

圖3 振動(dòng)加速度傳感器

圖5 設(shè)備連接方式圖

圖6 減震裝置布置樣圖

5.2 軟件開發(fā)

在設(shè)備研發(fā)的同時(shí)，項(xiàng)目組還進(jìn)行了配套軟件的開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)智能化數(shù)據(jù)采集分析，分別建立了無線信息采集軟件(圖7)和鉆進(jìn)信息分析軟件(圖8)。

圖7 鉆進(jìn)信息采集軟件

圖8 鉆進(jìn)信息分析軟件

6 結(jié) 論

本文通過對(duì)隧道炮孔鉆進(jìn)過程中的相關(guān)信息進(jìn)行分析，提出了一種基于隨鉆信息的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。本方法不同于物探方法的間接探測(cè)，炮孔鉆進(jìn)時(shí)鉆桿與巖體直接接觸，鉆進(jìn)信息直接反映巖體地質(zhì)信息，結(jié)果更加直觀準(zhǔn)確，預(yù)報(bào)結(jié)果可靠性更高。主要研究結(jié)果如下：

1) 研究炮孔鉆進(jìn)過程中的破巖機(jī)理，進(jìn)行了隧道掌子面巖石的可鉆性研究，研究證明了巖石的可鉆性與鉆進(jìn)壓力p、鉆桿轉(zhuǎn)速N、鉆進(jìn)速率v相關(guān)。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算得出巖石的抗鉆系數(shù)，并且提出了巖石抗鉆系數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2) 建立了基于鉆進(jìn)壓力p、鉆桿轉(zhuǎn)速N、鉆進(jìn)速率v的不同圍巖級(jí)別巖體的抗鉆系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，完成了隧道掌子面炮孔鉆進(jìn)短距離地質(zhì)預(yù)報(bào)的理論研究。

3) 研發(fā)了一套隨鉆監(jiān)測(cè)設(shè)備，應(yīng)用于氣動(dòng)鑿巖機(jī)，隨鉆設(shè)備可采集鉆機(jī)鉆進(jìn)速率、振動(dòng)加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，由監(jiān)測(cè)單元儲(chǔ)存并無線傳輸給接收單元，接收單元加載了鉆進(jìn)信息采集軟件，可以顯示振動(dòng)加速度波形與鉆進(jìn)深度的動(dòng)態(tài)變化情況。

4) 本方法可實(shí)現(xiàn)探測(cè)深度5～9 m，不占用隧道掘進(jìn)時(shí)間和空間，將掘進(jìn)炮孔與地質(zhì)預(yù)報(bào)融為一體。提高了地質(zhì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，減少安全隱患，保障了施工人員安全。