一种智能感知预警系统、方法及预处理掘进方法与流程

本发明涉及隧道及地下工程施工领域，尤其涉及一种tbm应对极强岩爆不良地质的智能感知预警系统、方法及预处理掘进方法。

背景技术：

1、近年来，我国隧道建设中采用全断面隧道掘进机tbm(tunnel boring machine)施工的比例越来越高。tbm通常由主轴、刀盘、推进系统、甩土系统、控制系统和支撑系统等组成，通过在地下开挖一个环形隧道来移动自己，同时将岩石、土壤和其他材料从挖掘面上取出并运输到地面。tbm是一种利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩掘进，从而形成整个隧道断面的新型、先进的隧道施工机械。与传统的钻爆法施工相比，tbm具有掘进效率高、成洞质量高、围岩扰动小等优点。

2、随着我国高铁隧道不断修建开通，必然会穿越高海拔、高寒高原山区的岩爆不良地质。在隧道建设施工过程中，围岩级别为i类围岩中常发生岩爆，岩爆是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象。然而实践证明，常规敞开式tbm应对轻微、中等岩爆可以通过加强支护解决。而针对强岩爆和极强岩爆往往会造成tbm机械被卡、被埋甚至机械报废的严重事故，对现场施工人员人身安全构成威胁。同时由于tbm机械系统过于庞大，对地质条件的适应性较差，对复杂地质洞段岩爆问题的预处理不够灵活，现如今，开挖隧道工程地质条件越来越复杂，高应力、强岩爆隧道增多，传统的tbm及掘进方法应对岩爆问题存有很大局限性，因此研究并优化适用于tbm应对极强岩爆预警系统及预处理掘进措施具有重大意义。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种智能感知预警系统、方法及预处理掘进方法。本发明提供了一种智能感知预警系统，包括岩爆监测传感器、智能感知模块、预警控制器、通讯模块，所述智能感知模块分别与所述岩爆监测传感器、所述预警控制器、所述通讯模块相连，其中，

2、所述岩爆监测传感器：用于测量岩爆的微振动和弹性波信号，并将测量数据传输给所述智能感知模块；

3、所述智能感知模块：接收所述岩爆监测传感器传输的数据，使用深度学习算法处理所述岩爆监测传感器收集到的数据，并识别岩爆的类型和强度信息，并将分析结果发送给所述预警控制器；

4、所述预警控制器：根据所述智能感知模块的分析结果，控制tbm的运行状态并发出警报；

5、所述通讯模块：将所述智能感知模块的分析结果和警报信息传输给操作员。本发明公开了一种智能感知预警方法，包括以下步骤：

6、步骤一，将岩爆监测传感器和预警控制器安装在tbm的预留接口，利用微振动探测方法，在设定时间内持续监测掌子面设定范围内用于监测岩爆孕育过程岩体破裂而产生的弹性波；

7、步骤二，在tbm挖掘之前，对智能感知模块进行训练；

8、步骤三，将岩爆监测传感器采集的数据传输给智能感知模块，由智能感知模块对数据进行筛选、滤波和处理，去除噪声干扰，提取出岩石的弹性波信号，并对弹性波信号进行分析和处理；

9、步骤四，建立岩石弹性波信号的特征库，利用机器学习算法进行建模和训练，建立智能感知预警系统；

10、步骤五，将步骤四的智能感知预警系统与tbm的控制系统相连接；

11、步骤六，智能感知模块接收岩爆监测传感器传输的数据，并对数据进行分析，并根据分析结果发出警报，如果警报被触发，预警控制器将控制tbm的运行状态并发出警报信号；

12、步骤七：通讯模块将智能感知模块分析结果和警报信息传输给操作员，由操作员进行远程监控和控制。

13、作为本发明的进一步改进，在所述步骤一中，将岩爆监测传感器和预警控制器安装在tbm的刀盘、护盾、后配套、电气液压系统的预留接口，利用微振动探测方法，24小时内持续监测掌子面前约10m范围内用于监测岩爆孕育过程岩体破裂而产生的弹性波,进行超前感知预测；

14、在所述步骤二中，所述智能感知模块使用深度学习算法，可以自动学习和识别不同类型的岩爆信号，并根据信号强度预测岩爆的规模和可能的危险程度。

15、本发明公开了一种预处理掘进方法，包括以步骤：

16、步骤1，进行地质勘探和安装智能感知预警系统；在掘进前，对隧道掘进段进行地质勘探，获取围岩的相关信息，并安装权利要求1所述的智能感知预警系统以实现对岩石岩爆的快速预警和及时控制；

17、步骤2，采用爆破、切割和注浆的处理方式对掘进段围岩进行预处理；

18、步骤3，进行超前地应力释放；

19、步骤4，在掘进过程中，采用被动防护措施对岩体进行加固和支护；

20、步骤5，在掘进过程中，根据实际掘进情况，及时采取强支措施；

21、步骤6，在掘进过程中，采用该智能感知系统实时监控系统，对掘进机和围岩的状态进行监测和预警。作为本发明的进一步改进，在所述步骤3中，具体包括：

22、步骤30，在tbm安装之前，通过超前应力释放孔，应力解除爆破；利用超前钻机在刀盘掌子面进行钻孔，并进行预裂爆破，通过钻孔加炸药进行应力释放，降低岩爆等级；

23、步骤31，tbm安装完成后，将刀具按照设定的间隔和角度进行布置，以实现超前地应力释放；将刀具沿着两个斜交的方向安装在tbm的刀盘上，使得刀具能够同时沿着不同的方向切削岩石，并通过电动机控制刀盘的转速和进给速度，实现超前地应力释放。

24、作为本发明的进一步改进，所述步骤31中，tbm刀盘的面板厚度为120mm，支撑筋板厚度为80mm，刀座筋板为60mm，大圆环厚度为100mm，刀盘整体厚度为1907.5mm。

25、作为本发明的进一步改进，在所述步骤4中，所述被动防护措施包括：

26、刀具被动防护措施：在tbm的刀具上安装岩爆发生时用于吸收岩石碎片的刀具被动防护装置；

27、岩爆预警措施：在tbm的预留接口安装用于提前发现岩爆风险的岩爆预警系统；

28、围岩支撑措施：安装岩体覆盖物、防护钢板及防护网应对严重的岩爆事件；即在岩体上覆盖玻璃钢，tbm前端和顶部位置安装设定厚度的防护钢板，岩体表面安装防护网。

29、作为本发明的进一步改进，在所述岩爆预警措施中，所述岩爆预警系统包括应力监测系统、震动监测系统、视频监控系统，其中，

30、所述应力监测系统：通过测量岩体应力的变化，判断岩体的稳定性和是否存在岩爆风险；

31、所述震动监测系统：通过测量岩体震动的频率和振幅，判断岩体是否存在破碎和岩爆的情况；

32、所述视频监控系统：通过安装摄像头，对tbm设备周围的岩体进行实时监测和录像。

33、作为本发明的进一步改进，在所述步骤5中，所述强支措施具体包括：

34、安装及时主动支护系统步骤：主动支护系统包括钢拱架、钢管片、液压缸、支架和液压泵，将钢拱架、钢管片和液压缸安装在tbm顶护盾下方，支架和液压泵安装在tbm控制室内；

35、应急喷混步骤：当岩爆发生时，tbm的控制系统自动启动应急喷混恢复围压系统，所述应急喷混恢复围压系统通过应急喷混机械手将喷混材料喷射到围岩上，以形成坚固壳体，抵抗岩爆压力；

36、安装支护系统步骤：采用锚加网加喷支护系统，所述锚加网加喷支护系统包括锚杆、锚板、钢丝网和喷浆机，即首先安装锚杆和锚板，然后固定钢丝网，最后喷浆机将水泥浆注入孔洞中，使其与钢丝网紧密结合。

37、作为本发明的进一步改进，在所述安装及时主动支护系统步骤中，采用可拆卸钢管片拼装装置安装和拆除钢管片，采用钢拱架拼装器安装钢拱架；该预处理掘进方法还包括采用可移动式格栅防护盾和/或可移动防护棚、以及防岩爆格栅护壳进行被动防护。

38、本发明的有益效果是：1.本发明的智能感知预警系统具有智能化、自动化、远程化和可调节灵敏度等独特和创新之处，可以有效提高岩爆监测的准确性和实时性，避免因岩爆造成的人员伤亡和设备损坏；2.本发明预处理掘进方法通过智能感知监测、预处理、超前地应力释放、被动防护和及时强支等措施，有效减少岩爆风险和掘进事故的发生；同时，采用实时监控系统，及时发现和处理掘进过程中的问题，保障掘进的安全和高效进行；3.本发明的预处理掘进方法提高了tbm的工作效率和安全性。