隧道掘进机及其高压水射流超前地质探测和破岩方法与流程

1.本发明涉及隧道施工技术，具体涉及采用高压水射流超前地质探测和辅助破岩的隧道掘进机。


背景技术：

2.tbm(tunnel boring machine的缩写，即隧道掘进机)施工区域的地质条件有时非常复杂，所以需要“未雨绸缪”，实现超前地质预报以预先发现断层、含水层等高风险区，以提前对地质灾害采取预防措施，避免发生塌方、水淹等事故。传统tbm设备多通过滚刀破岩过程中产生的震动波和反射波法或者超前钻探法进行地质预报，前者由于掘进产生的震动波信号复杂、设备震动存在干扰、信号解译困难，因而准确性不足，预测时间长；后者存在钻机钻压不稳定和卡钻现象且预测范围较小。另外，现有tbm设备多通过盘形刀在工作面的岩面上连续滚压造成岩体破碎，当遇到超硬岩石时，滚刀无法贯入破岩，破岩困难、刀具磨损严重，影响施工进度，极大的增加了施工成本，同时也限制了tbm的使用范围和发展空间。
3.针对上述问题，现有技术中如申请公开号为cn110988979a的专利文献提出了“tbm高压脉冲水射流破岩震源超前探测装置及方法”，其在tbm上搭载水射流系统和地质预报系统，水射流系统的喷嘴安装于刀盘正面，用以向工作面喷出设定频率的高压脉冲水射流，以高压脉冲水射流束冲击岩石激发的震动作为震源，产生脉冲震动波，地质预报系统的脉冲传感器(分为震源传感器、接收传感器)可采集产生脉冲震动波的震源信号，也可采集脉冲震动波遇到有害地质体的波阻抗界面发生反射的反射波信号，地质预报系统根据震源信号和反射波信号以及其它必要参数，即可实现工作面前方和周围有害地质体及岩石性质的超前预报，而由高压脉冲水射流的频率可用于后续震源信号和反射地震波信号的处理分析，即脉冲震动波的频率与高压脉冲水射流的频率存在相关性，所以能够提高超前地质预报的准确性。
4.另外，现有技术中还提出了使用安装于刀盘正面的喷嘴喷射高压水射流(可以是高压脉冲射流、高压连续射流、高压空化水射流等)，以辅助破岩的技术，此类技术可见于申请公布号cn113818892a、cn110735646a、cn110410093a等专利文献。
5.由上可见，在tbm中分别用两种水射流实现超前地质预报和辅助破岩，即用于激发震动的脉冲水射流、用于辅助破岩的高压水射流，而在实际掘进施工时，两种水射流都需要被使用，但是在市场上尚未出现在一台tbm上高压水射流能够实现超前地质探测和辅助破岩两种应用的技术。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有tbm设备掘进中存在的不足，提供一种能够高压水射流超前地质探测和辅助破岩的隧道掘进机，以解决现有技术中隧道掘进机硬岩破岩效率低、超前地质预报不准确的问题。本发明还提供一种隧道掘进机的高压水射流超前地质探测、破岩的方法。
7.为实现上述目的，本发明的一种隧道掘进机的技术方案是：
8.一种隧道掘进机，包括刀盘、盾体、水射流系统、地质预报系统，水射流系统包括喷嘴，水射流系统用于通过喷嘴喷射设定压力、频率的水射流，地质预报系统包括脉冲传感器，地质预报系统根据脉冲传感器采集到的由水射流激发的震源信号和反射波信号进行超前地质预报，所述喷嘴包括正面喷嘴和侧向喷嘴，所述正面喷嘴设置于刀盘的正面并具有朝向工作面的喷射方向，所述侧向喷嘴设置于刀盘的周面和/或盾体的周面并具有朝向隧道壁的喷射方向；所述水射流系统在符合以下至少一个启动条件时启动相应的水射流：
9.(1)正面持续高压水射流启动条件：若判定隧道掘进机当前所在地层为结构完整的硬岩地层，则启动正面持续高压水射流；所述正面持续高压水射流是所述正面喷嘴朝前持续喷射高压水射流，用于辅助刀盘破岩；
10.(2)脉冲水射流启动条件：若判定隧道掘进机当前所在地层为不良地质条件的地层，且未启动正面持续高压水射流，则启动正面脉冲水射流激发处于工作面处的正前震源和/或启动侧向脉冲水射流激发处于隧道壁处的侧向震源；所述正面脉冲水射流是所述正面喷嘴以设定频率喷射水射流，用于冲击工作面的岩石激发震动，以产生正前震源；所述侧向脉冲水射流是从处于刀盘和/或盾体外周面上的喷嘴朝隧道壁以设定频率喷射水射流，用于冲击围岩，以产生侧向震源；
11.(3)侧向脉冲水射流启动条件：若判定隧道掘进机当前所在地层为不良地质条件的地层，且正面持续高压水射流已启动，则启动侧向脉冲水射流激发处于隧道壁处的侧向震源；
12.(4)侧向持续高压水射流的启动条件：若判定隧道掘进机当前所在地层为存在岩爆风险的地层时，监控岩爆发生的前兆，若观察到岩爆发生的前兆则启动侧向持续高压水射流；所述侧向持续高压水射流是从处于刀盘和/或盾体外周面上的喷嘴朝隧道壁持续喷射高压水射流，用于轰击围岩造缝以释放地应力、软化岩石以降低岩石脆性，避免岩爆发生。
13.本发明提供的隧道掘进机，贴近于掘进施工实际情况而能够在保证施工安全的同时兼顾施工效率，在tbm掘进时，能够根据实际地层情况以不同位置处的喷嘴选择切换各种水射流以实现正面辅助破岩、侧向造缝、激发正前震源、激发侧向震源等功能，以各种射流的相互协同配合在保证施工安全的同时兼顾掘进效率。其中，利用持续高压水射流辅助刀具破碎岩石，岩石在超高水射流冲击和侵蚀等作用下微裂纹、孔隙扩展发育，强度降低，大大减小刀具的切割力，减小刀盘磨损，提高tbm设备破岩能力和掘进效率，同时可降低滚刀温度，提高刀具寿命，减尘、降温和防火花，有效改善施工环境。同时，tbm的正面或侧向均可产生脉冲水射流以获得稳定的反射波信号，在辅助破岩或造缝的同时，能够不间断地质预报，有利于tbm在复杂地层的高效掘进。
14.进一步的，所述判定隧道掘进机当前所在地层为结构完整的硬岩地层、不良地质条件的地层的判定方式是：获取工作面的岩石单轴抗压强度，若工作面的岩石单轴抗压强度大于第一设定值，则为结构完整的硬岩地层，若工作面的岩石单轴抗压强度小于第二设定值，则为不良地质条件的地层，所述第一设定值大于第二设定值。
15.进一步的，所述第一设定值为150mpa，所述第二设定值为40mpa。
16.进一步的，所述脉冲传感器脉布置在刀盘和盾体上的伸缩架上。
17.进一步的，所述正面持续高压水射、侧向持续高压水射流的压力为240～280mpa，所述正面脉冲水射流、侧向脉冲水射流的压力100～150mpa。
18.本发明的一种隧道掘进机的高压水射流超前地质探测、破岩的方法的技术方案：在隧道掘进机掘进时，当符合设定的启动条件时启动相应的水射流，所述启动条件包括以下至少一个：
19.(1)正面持续高压水射流启动条件：若判定隧道掘进机当前所在地层为结构完整的硬岩地层，则启动正面持续高压水射流；所述正面持续高压水射流是从处于刀盘正面的喷嘴朝前持续喷射高压水射流，用于辅助刀盘破岩；
20.(2)脉冲水射流启动条件：若判定隧道掘进机当前所在地层为不良地质条件的地层，且未启动正面持续高压水射流，则启动正面脉冲水射流激发处于工作面处的正前震源和/或启动侧向脉冲水射流激发处于隧道壁处的侧向震源；所述正面脉冲水射流是从处于刀盘正面的喷嘴朝前以设定频率喷射水射流，用于冲击工作面的岩石激发震动，以产生正前震源；所述侧向脉冲水射流是从处于刀盘和/或盾体外周面上的喷嘴朝隧道壁以设定频率喷射水射流，用于冲击围岩，以产生侧向震源；
21.(3)侧向脉冲水射流启动条件：若判定隧道掘进机当前所在地层为不良地质条件的地层，且正面持续高压水射流已启动，则启动侧向脉冲水射流激发处于隧道壁处的侧向震源；
22.(4)侧向持续高压水射流的启动条件：若判定隧道掘进机当前所在地层为存在岩爆风险的地层时，监控岩爆发生的前兆，若观察到岩爆发生的前兆则启动侧向持续高压水射流；所述侧向持续高压水射流是从处于刀盘和/或盾体外周面上的喷嘴朝隧道壁持续喷射高压水射流，用于轰击围岩造缝以释放地应力、软化岩石以降低岩石脆性，避免岩爆发生。
23.进一步的，所述岩爆发生的前兆包括以下至少一种：岩石掉块、弹射现象、隧道异常响声、微震监测异常。
24.进一步的，所述判定隧道掘进机当前所在地层为结构完整的硬岩地层、不良地质条件的地层的判定方式是：获取工作面的岩石单轴抗压强度，若工作面的岩石单轴抗压强度大于第一设定值，则为结构完整的硬岩地层，若工作面的岩石单轴抗压强度小于第二设定值，则为不良地质条件的地层，所述第一设定值大于第二设定值。
25.进一步的，所述第一设定值为150mpa，所述第二设定值为40mpa。
26.进一步的，所述正面持续高压水射、侧向持续高压水射流的压力为240～280mpa，所述正面脉冲水射流、侧向脉冲水射流的压力100～150mpa。
27.本发明在tbm掘进时，能够根据实际地层情况以不同位置处的喷嘴选择切换各种水射流以实现正面辅助破岩、侧向造缝、激发正前震源、激发侧向震源等功能，以各种射流的相互协同配合在保证施工安全的同时兼顾掘进效率。在辅助破岩或造缝的同时，能够不间断地质预报，有利于tbm在复杂地层的高效掘进。
附图说明
28.图1是本发明的隧道掘进机的实施例的结构示意图；
29.图2是图1中刀盘的示意图；
30.图3是本发明的隧道掘进机的实施例在施工时的示意图；
31.图中：
32.1、刀盘；2、盾体；3、盾体侧向喷嘴；4、盾体脉冲传感器；5、盖板；6、水射流系统和地质预报系统；7、滚刀；8、正面喷嘴；9、刀盘脉冲传感器；10、断层破碎带；11、含水地层；12、脉冲震动波信号；13、反射波信号。
具体实施方式
33.本发明的隧道掘进机(tbm)的一种实施例，如图1-图3所示，包括：刀盘1、盾体2，水射流系统、地质预报系统。水射流系统和地质预报系统6的主体部分集成在tbm内部，其结构、功能属于现有技术，可参见背景技术中提及的现有技术。
34.水射流系统包括喷嘴，水射流系统用于通过喷嘴喷射设定压力、设定频率的水射流，喷嘴包括正面喷嘴8和侧向喷嘴，正面喷嘴8设置于刀盘1的正面并具有朝向工作面的喷射方向，侧向喷嘴包括刀盘侧向喷嘴(图中未显示)和盾体侧向喷嘴3，分别设置于刀盘1的周面和盾体2的周面并具有朝向隧道壁的喷射方向。
35.正面喷嘴8能够喷出正面持续高压水射流或正面脉冲水射流，侧向喷嘴能够喷出侧向持续高压水射流或侧向脉冲水射流，即通过水射流系统中相应执行元件的控制(具体控制方式可参见背景技术中提及的现有技术)，每个喷嘴都可以喷出两种水射流，一种用于破岩、造缝，一种用于激发震动以产生震源。其中的各持续高压水射流即不间断喷射的设定压力的水射流，用于凿破、侵蚀岩石以辅助破岩或造缝。其中的各脉冲水射流，即以设定频率喷射的设定压力的水射流，用于冲击岩石激发震动以在相应位置产生震源。由于脉冲射流仅为了以设定脉冲频率冲击岩石激发震动，以作为地震探测的震源，所以相对于持续高压水射流不需要很高压力，各种水射流的特征如下表所示。
36.表1：各种水射流的列表
[0037][0038]
地质预报系统包括脉冲传感器，地质预报系统根据脉冲传感器采集到的由水射流激发的震源信号和反射波信号进行超前地质预报，脉冲传感器包括刀盘脉冲传感器9、盾体脉冲传感器4，分别设置在刀盘1正面、周面和盾体2上安装的伸缩架上，盾体2上设有能够开关的盖板5，用于在脉冲传感器伸出时打开，缩回时关闭。
[0039]
本发明的上述隧道掘进机的实施例在施工时，在符合设定的启动条件时启动相应的水射流，所述启动条件包括以下至少一个：
[0040]
(1)正面持续高压水射流辅助破岩启动条件：当工作面的“岩石单轴抗压强度”超过150mpa，特别是在完整性较好的地层掘进时，刀盘1正前方产生持续的高压水射流连续不
断地轰击岩石，辅助刀具破碎岩石，岩石在超高水射流冲击和侵蚀等作用下微裂纹、孔隙扩展发育，强度降低，大大减小刀具的切割力，减小刀盘1磨损。此外，还可以在高压水射流中加入磨料，水带着磨料高速冲蚀岩石，可以明显加强射流的切割能力，大幅度提高tbm设备在硬岩环境下的破岩能力和掘进效率。
[0041]
(2)脉冲水射流超前地质预报启动条件：在“岩石单轴抗压强度”低于40mpa的不良地质条件下掘进，需要进行超前地质预报时，暂停掘进，盾体2上喷嘴盖板5打开，切换成脉冲模式，进而可通过刀盘1和盾体2上的喷嘴向工作面前方和四周发射脉冲水射流，以产生“正前震源”和“侧向震源”。相应脉冲传感器所对应的盖板5同样打开，使相应脉冲传感器伸出贴紧洞壁，监测工作面前方和四周的反射波信号。通过地质预报系统对脉冲信号进行处理分析，从而掌握工作面前方地质条件。通过脉冲水射流产生的反射波信号更为稳定，同时，较传统tbm利用滚刀7破岩过程中产生的震动波进行超前地质预报，减少了设备本身的震动干扰，准确性更高。当然，“正前震源”和“侧向震源”也可以仅激发其中一个，比如在侧向持续高压水射流启动时，正面喷嘴8则启动脉冲水射流，又如在正面持续高压水射流启动时，侧向喷嘴则启动脉冲水射流，这样在任何时刻，都可以不间断地质预报，保证安全。
[0042]
需要注意的是，震源所激发的地震波是以波的形式向四周辐射的，图3中显示的箭头方向示意的是脉冲震动波12信号主要发射方向，以及遇到不良地质体：断层破碎带10、含水地层11的反射波信号13的反射方向，而地震波的影响区域并不限于箭头的路径，所以侧向脉冲水射流所激发的震源产生的地震波，部分也能够到达刀盘1的包括前方的周围区域进行地质预报。
[0043]
(3)侧向持续高压水射流的启动条件：在地应力高的硬岩地层等岩爆风险较高的条件下掘进时，当观察到岩爆发生的前兆时(如岩石掉块、弹射现象，隧道异常响声，微震监测异常等)，刀盘1外周面和盾体2外周面，沿径向朝外产生持续的高压水射流轰击围岩“造缝”，释放地应力，同时水可在一定程度上软化岩石，使其脆性降低，减小岩爆灾害事故的发生。
[0044]
(4)侧向脉冲水射流的启动条件：当正面持续射流启动后，而正面脉冲射流喷射不能启动时，则侧向脉冲射流启动，使得正面持续射流可以继续破岩，而由侧向脉冲射流产生震源，探测刀盘1、盾体2周围的不良地质体(如上所述的，侧向脉冲水射流所激发的震源产生的地震波也能被刀盘1前方的不良地质体所反射)，而不影响正前方的掘进工作，从而在保证安全的前提下兼顾辅助破岩而不会降低掘进速度。
[0045]
本发明的隧道掘进机的高压水射流超前地质探测、破岩的方法的一种实施例，即采用上述的隧道掘进机的实施例进行掘进时，当符合设定的启动条件时启动相应的水射流，上述的启动条件在方法的实施例中可以归纳如下：
[0046]
(1)正面持续高压水射流启动条件：若判定隧道掘进机当前所在地层为结构完整的硬岩地层，则启动正面持续高压水射流；所述正面持续高压水射流是从处于刀盘1正面的喷嘴朝前持续喷射高压水射流，用于辅助刀盘1破岩；(2)脉冲水射流启动条件：若判定隧道掘进机当前所在地层为不良地质条件的地层，且未启动正面持续高压水射流，则启动正面脉冲水射流激发处于工作面处的正前震源和/或启动侧向脉冲水射流激发处于隧道壁处的侧向震源；所述正面脉冲水射流是从处于刀盘1正面的喷嘴朝前以设定频率喷射水射流，用于冲击工作面的岩石激发震动，以产生正前震源；所述侧向脉冲水射流是从处于刀盘1和/
或盾体2外周面上的喷嘴朝隧道壁以设定频率喷射水射流，用于冲击围岩，以产生侧向震源；(3)侧向脉冲水射流启动条件：若判定隧道掘进机当前所在地层为不良地质条件的地层，且正面持续高压水射流已启动，则启动侧向脉冲水射流激发处于隧道壁处的侧向震源；(4)侧向持续高压水射流的启动条件：若判定隧道掘进机当前所在地层为存在岩爆风险的地层时，监控岩爆发生的前兆，若观察到岩爆发生的前兆则启动侧向持续高压水射流；所述侧向持续高压水射流是从处于刀盘1和/或盾体2外周面上的喷嘴朝隧道壁持续喷射高压水射流，用于轰击围岩造缝以释放地应力、软化岩石以降低岩石脆性，避免岩爆发生。
[0047]
另外，本发明的上述实施例中，为了判定隧道掘进机当前所在地层的情况是结构完整的硬岩地层还是不良地质条件的地层，采用“岩石单轴抗压强度”与阈值比较进行判断，而关于当前“岩石单轴抗压强度”的获取，可以通过取芯测试、现场点荷载试验(在盾构机中获得一定尺寸范围不规则岩心，用球压机进行压碎试验)、根据刀盘1传感器获取的掌子面数据进行反演等现有技术，而在其它实施例中，关于地层的判定可采用其它常规的现有技术，比如可以直接用取芯来观察或测定岩性来判定地层情况。另外，关于侧向喷嘴，在其它实施例中，可以仅设置在盾体上而不在刀盘周面上设置。