CN103713335B - 隧道掘进机搭载的综合超前地质探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搭载于隧道掘进机上的综合超前地质探测系统，包括多功能联用主机、激发极化探测装置、地震波探测装置、集成接线装置、钻孔地质雷达探测装置、综合解译决策系统；所述多功能联用主机包括时分复用控制模块、激励源控制模块与并行数据采集模块；通过激励源控制模块分别向三种探测装置的输出触发信号，三种探测装置分别通过并行数据采集模块向时分复用控制模块输出测量数据及反馈信号；所述综合解译决策系统通过三种探测方法的反演/偏移成像联合反演，为地质解译与决策提供支撑。该探测系统极大地提高了隧道掘进机上探测设备的自动化程度与探测速度，使多种探测设备在隧道掘进机上的搭载成为了可能。

Description

隧道掘进机搭载的综合超前地质探测系统

技术领域

本发明涉及一种搭载于隧道掘进机上的综合超前地质探测系统，尤其涉及多功能联用主机、综合解译决策系统和三种探测设备的搭载装置。

背景技术

在隧道（洞）施工过程中，国际上公认隧道掘进机施工方法具有“掘进速度快、施工扰动小、成洞质量高、综合经济社会效益高、施工安全文明”等钻爆施工方法无法比拟的显著优势。目前世界上每年开挖隧道30%～40%是隧道掘进机完成的，隧道掘进机开挖的隧道数量超过1000余座，累计超过5000公里，国际上一些部门还明确规定3km以上的隧道（洞）必须采用隧道掘进机施工。隧道掘进机施工方法是世界隧道（洞）工程建设施工的必然趋势和主导选择。

隧道掘进机施工方法对地层变化幅度大、不良地质发育等地质条件适应能力差，由于现有隧道施工期超前预报仪器和技术无法提前探明不良地质情况并预先处理，致使隧道掘进机施工中遭遇突水突泥、塌方大变形等地质灾害的风险更高，极易导致掘进机卡机、损坏、报废甚至人员伤亡的重大事故。因此开展对掘进机施工复杂环境中掌子面前方不良地质定量超前预报的技术研究与设备研制，是掘进机施工隧道建设安全的迫切需求。

对于超前地质预报技术和探测装置而言，隧道掘进机施工与钻爆法施工有着本质的区别：①隧道掘进机是一个庞然大物，占据了隧道掌子面后方的绝大部分空间，无法在隧道边墙布置常用的地震波超前预报的激发炮点和接收系统，导致TSP（Tunnel Seismic Prediction，瑞士Amberg测量技术公司）和TRT（True Reflection Tomography，美国NSA工程公司）等地震类超前预报技术无法应用；②隧道掘进机中存在大量金属构件和供电电缆，会产生巨大的电磁干扰，导致地质雷达法、瞬变电磁法等探测效果极不理想；③隧道掘进机施工时，每天约有两个小时的检修时间，此时隧道掘进机刀盘后退1-2m，这是唯一可用于超前地质预报的环节，但是其空间狭小且时间较短。总体而言，隧道掘进机施工环境中的超前地质预报面临着“观测空间狭小，电磁环境复杂，探测时间较短”的问题。

目前，在全世界范围内，用于隧道掘进机施工超前地质预报的技术和仪器主要有以下几种：①利用隧道掘进机配备的超前钻机进行钻探，缺点是只能揭露钻孔周围的地质情况，不能反映工作面前方整个范围内的地质情况，极易遗漏地质异常体，造成误报、错报及灾害隐患；②利用聚焦激发极化法BEAM（Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring，德国Geohydraulic Data公司）系统，但是BEAM技术只能定性的判断掌子面前方一定范围内是否存在含水体，其定位精度易受到现场环境的干扰，更不能对水量做出估算预测；③利用地震反射法ISIS（Integrated Seismic Imaging System，德国GFZ公司）系统，从ISIS的观测方式来看，采用了传统的VSP（Vertical Seismic Profiling）方式，可探测断层等较大规模的地质异常体，但无法识别含水体，且如何去除隧道掘进机施工的震动干扰是一个难题。④地震软土探测SSP（Sonic Softground Probing，德国Herrenknecht公司）系统，是专用于软土中进行孤石探测的地震波系统，探测距离一般不超过40m，应用范围受到限制。再者，文献《TBM施工的HSP声波反射法地质超前预报》、专利《TBM法施工中利用震动信号超前地质预报的装置及使用方法》和专利《TBM施工隧道前向三维激发极化法超前探测装置系统及方法》中分别提到了在隧道掘进机上搭载地震波和激发极化探测装置进行超前地质探测的技术方案，但是由于其使用的探测方法单一，每种探测方法的适用范围和探测对象彼此不同，无法对掌子面前方的各种不良地质情况进行全面准确的探测预报。

针对隧道掘进机施工复杂环境，为了探明掘进面前方赋存的断层、破碎岩体、岩溶等不良地质体并定量探测地下水赋存位置及水量，不能单独依靠某一种地球物理方法。通过已有技术调研和经验分析，我们认为需要选择以下三种地球物理探测方法实施综合探测和联合反演解译，以降低多解性和改善探测效果。

（1）地震波超前探测技术：该方法探测距离较远（大于100米），对探测断层、溶洞、暗河等潜在含水构造有较好效果；

（2）激发极化法超前探测技术：我们已经研究发现，该方法对定量预报含水体水量和空间位置有较好效果；

（3）钻孔地质雷达法超前探测技术：该方法在隧道中进行打孔并将钻孔雷达天线递送到钻孔中实施探测，钻孔地质雷达的分辨率高，探测半径较小，适用于隧道掘进机施工掌子面前方地质情况的精细化探查。

总体而言，隧道掘进机施工不良地质超前预报技术与仪器研制尚处于起步阶段，其主要问题如下：

（1）由于隧道掘进机施工环境中的观测空间非常狭小，只能利用检修时刀盘与掌子面之间1-2米的空间，地震法、电法和电磁法等探测技术如何利用此空间进行有效的观测是一个难题；

（2）由于隧道掘进机是一个复杂的机械系统，对超前探测设备的一体化和自动化要求比较高，需要解决超前探测仪器的搭载难题和自动化难题；

（3）由于隧道掘进机施工时需要刀盘转动破岩开挖，超前探测仪器与布置在刀盘上的激发/采集装置之间的通信、电液供给管线在刀盘转动状态下如何避免缠绕，如何实现良好接线是一个难题。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种隧道掘进机搭载的综合超前地质探测系统，其基本思路是：选择三维地震波法、激发极化法和钻孔地质雷达法三种方法，以多功能联用主机为控制中枢，控制综合超前地质预报系统的工作和运行；在隧道掘进机刀盘上开孔并安装激发极化/地震波探测装置，在隧道掘进机上方安装钻孔地质雷达探测装置，利用远程数据解译系统，对测量数据实施反演和解释，给出预报结果并反馈到隧道掘进机控制系统中，为隧道掘进机的工作提供支撑。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

隧道掘进机搭载的综合超前地质探测系统，包括多功能联用主机、刀盘上的激发极化探测装置和地震波探测装置、用于给刀盘中的探测装置提供电液控制信号的集成接线装置、隧道掘进机上方斜向钻孔地质雷达探测装置、综合解译决策系统。

多功能联用主机以高性能嵌入式系统为核心，主要包括时分复用控制模块、激励源控制模块与并行数据采集模块。时分复用控制模块通过激励源控制模块分别控制触发模块向三种探测装置的输出触发信号，三种探测装置分别通过并行数据采集模块向时分复用控制模块发送测量数据及反馈信号。

多功能联用主机的高性能嵌入式系统根据具体工况选择其中两种或三种探测方法，通过时分复用控制模块对激励源控制模块和并行数据采集模块进行控制，按照既定的时分复用探测模式进行探测。具体实现方式为：每一种探测单元进行测量时，在两个数据测点的采集间隙都有一定的等待时间，在该等待时间内进行另一探测单元的数据采集工作，从而实现了在整个探测过程中不同时间段内均有探测单元进行探测，达到准同步探测的功能。本发明实现两种或三种探测方法的时分复用准同步探测，大大提高探测效率，满足隧道掘进机超前探测的时间极短的要求，使掘进机施工条件下综合地球物理探测成为可能。多功能联用主机可以将预处理后的数据传输至综合解译决策系统中，可以实现远程监控、解译、决策和控制，使得工程人员可以不必到达现场就能开展相关工作，极大地提高了整套预报系统的工作效率。

所述联合解译与决策系统包括地球物理反演系统、三维虚拟现实系统、解译与决策系统、综合地球物理探测系统和隧道掘进机管理控制系统；所述综合地球物理探测系统从隧道掘进机中采集数据，再将数据传输至地球物理反演系统，三维虚拟现实系统指导隧道掘进机施工，解译与决策系统向隧道掘进机管理控制系统发布决策信息，隧道掘进机管理控制系统为解译与决策系统完善案例数据库。

所述综合解译决策系统的核心是三种方法的反演/偏移成像联合反演，能够输出三种方法的独立反演结果及联合反演结果，为地质解译与决策提供支撑。在此基础上的隧道掘进机施工掌子面前方地质情况的三维虚拟地质现实系统，可以将反演结果以三维实体的形式表达出来，并可实现人机交互和三维漫游，根据建立的不良地质体联合解译识别模型，构建“地球物理数据-地质信息”解译数据库，实现具有交互功能的解译决策系统，让使用者在解译数据库的辅助支持下对地球物理数据做出解释，对地质结果做出决策。该决策系统可以把最终决策信息报送至隧道掘进机管理控制系统，为掘进机可掘性评价和安全性分析提供支持。同时，决策系统还可对比开挖揭露实际情况和预报决策结果，评价探测指标的先进性，并把典型预报案例存入数据库，不断丰富和完善数据库。

所述激发极化探测装置和地震波探测装置在隧道掘进机刀盘上是按一定规律布置的，可以兼顾探测仪器的探测精度和刀盘的破岩效率。刀盘上预留多个激发极化探测装置进出孔和地震波探测装置进出孔，其中激发极化探测装置进出孔成“米”字形分布，地震波探测装置进出孔成“三”字形分布。

激发极化探测装置和地震波探测装置安置在刀盘中，并且在刀盘上的探测装置进出孔外侧设有舱门，可以防止隧道掘进机破岩前进时产生的碎屑堵塞进出孔。开始探测时首先打开进出孔的保护舱门，探测装置通过伸缩杆从进出孔中伸出一定长度并与隧道掌子面紧密贴合，完成探测时探测装置通过伸缩杆完全缩回进出孔中并关闭保护舱门。

所述激发极化探测装置和/或地震波探测装置均包括探头、伸缩杆、液压系统、探测装置本体、力矩传感器、高压水输送通道、岩石耦合材料输送管道、弹性卡套；所述液压系统、探测装置本体、伸缩杆与探头依次固定连接，伸缩杆上装有力矩传感器；所述探测装置本体或者伸缩杆的侧面还设有能够锁住伸缩杆的弹性卡套，从而可以防止探头及伸缩杆产生轴向位移导致探测失败，这对地震波探测而言尤为重要。高压水输送管道和岩石耦合材料输送管道，可以喷射高压水清洗掌子面和探头，确保探头与掌子面之间能够紧密结合；可以向掌子面和探头之间输送岩石耦合材料，确保探头与掌子面之间能够良好耦合。

所述集成接线装置，包括：滑环动子本体、外滑环定子本体、导电滑环、内滑环定子本体、液压油旋转接头和固定支架。集成接线装置位于隧道掘进机刀盘与隧道掘进机本体之间的连接处，供电装置的滑环动子本体与刀盘固连，外滑环定子本体与隧道掘进机本体固连，内滑环定子本体固定安装在外滑环定子本体上，液压油旋转接头连接在滑环动子本体后端的油道孔中。当刀盘相对于隧道掘进机主体相对旋转时，电气控制信号通过该装置外圈处的导电滑环传输到刀盘里的探测装置中，探测装置液压伸缩杆所需的液压油通过该装置中心处的液压油旋转接头传输到刀盘里的液压系统中。该装置有效的解决了刀盘相对于隧道掘进机主体旋转时，刀盘中的探测装置与多功能联用主机之间的电气控制线缆和液压油管发生扭曲缠绕造成系统损坏无法工作，并且该装置所需的安装空间小，电气和液压油通过性能可靠。

钻孔地质雷达探测装置通过球形节与隧道掘进机外壳相连，并使用竖直、水平角度调节系统，可以主动调节雷达天线伸缩杆与隧道掘进机轴线的夹角，可以灵活的使用钻孔地质雷达探测装置。超前快速钻机和钻孔地质雷达天线伸缩杆都安装在同一个设备底座上，可以快速自动切换交替工作。在钻孔地质雷达天线伸缩杆上装有力/力矩传感器，当套管变形或者有异物导致钻孔地质雷达天线伸缩杆无法伸长或收回时，可以及时警告操作人员并终止操作，防止损坏钻孔地质雷达天线。

钻孔地质雷达探测装置，包括设备进出管道、球形节、偏心跟管钻头、钻孔地质雷达天线、搭载装置支架、超前快速钻机、钻孔地质雷达天线伸缩杆、竖直角度调节导轨、水平角度调节导轨、电机及齿轮传动系统、设备底座、底座移动导轨和底座移动导轮。超前快速钻机钻头和钻孔地质雷达天线通过设备进出管道出入，钻孔地质雷达探测装置通过球形节与隧道掘进机外壳相连，所述竖直、水平角度调节导轨及电机、齿轮传动系统，可以主动调节偏心跟管钻头或者雷达天线伸缩杆与隧道掘进机轴线的夹角，可以灵活的使用钻孔地质雷达探测装置。

超前快速钻机和钻孔地质雷达天线伸缩杆安装在同一个设备底座上，使用导轮沿导轨水平移动使相应设备对准设备进出管道，可以实现超前快速钻机和钻孔地质雷达天线的自动切换交替工作。其中超前快速钻机使用偏心跟管钻头，可以实现在钻孔的同时一次性打入套管，以对钻孔地质雷达天线进行保护，将钻头进行适当的反转即可将其从套管中抽出；钻孔地质雷达天线通过多级液压伸缩杆进行自动递送。

钻孔地质雷达天线伸缩杆，液压传动系统为多级液压伸缩杆提供动力，在多级液压伸缩杆的首尾两端各安装一个力/力矩传感器，可以检测钻孔地质雷达天线和钻孔地质雷达天线伸缩杆所受的力/力矩情况，使用流线型透明保护罩保护安装在雷达天线头部的摄像头及照明装置，联合使用摄像头和力/力矩传感器可以实时了解钻孔内的情况，当套管变形或者有异物导致雷达天线伸缩杆无法伸长或收回时及时警告操作人员并终止操作，防止损坏雷达天线。

本发明具有以下有益效果：

（1）本发明针对隧道掘进机提出了三种超前地质探测仪器在隧道掘进机上搭载的一种装置，主要包括激发极化探测装置、地震波探测装置和钻孔地质雷达探测装置，可在隧道掘进机工作间歇快速进行超前地质探测，大大提高了隧道掘进机超前地质探测的效率和准确性。

（2）本发明的多功能联用主机装有时分复用控制模块，可以在主机控制下根据具体工况选择其中两种或三种探测方法，按照既定的时分复用探测模式进行探测，可以有效的减少探测时间，提高探测效率。同时可以将预处理后的数据传输至综合解译决策系统中，可以实现远程监控、解译、决策和控制，使得工程人员可以不必到达现场就能开展相关工作，极大地提高了整套预报系统的工作效率。

（3）本发明提出了一种激发极化和地震波探测单元在刀盘上的排布方式，使得改造后的刀盘既不影响掘进作业，也能保证多种探测装置正常工作。三种探测单元的伸缩杆上都安装有力/力矩传感器，构成状态反馈系统，既可以保证探头与掌子面紧密接触而又不会损坏探测和伸缩杆；本发明在伸缩杆中装有高压水输送管道和岩石耦合材料输送管道，可以确保探头与掌子面之间能够紧密结合并且能够良好耦合。

（4）本发明在刀盘和隧道掘进机主体之间装有集成接线装置，当刀盘相对于隧道掘进机主体旋转时，电液控制信号可以通过集成接线装置传输到刀盘中的探测及伸缩系统中，有效的解决了刀盘中的探测装置与多功能联用主机的电气控制线缆和液压油管发生扭曲缠绕造成系统损坏无法工作，并且该装置所需的安装空间小，电气和液压油通过性能可靠。

（5）本发明使用的钻孔地质雷达探测装置通过球形节与隧道掘进机外壳相连，并使用竖直、水平角度调节系统，可以主动调节偏心跟管钻头或者钻孔雷达天线伸缩杆与隧道掘进机轴线的夹角，可以灵活的使用钻孔地质雷达探测设备，并且超前快速钻机和雷达天线伸缩杆安装在同一个设备底座上，可以实现超前快速钻机和钻孔地质雷达的快速自动切换交替工作。

附图说明

图1为隧道掘进机搭载的综合超前地质探测系统整体剖面图；

图2为综合超前地质探测系统结构图；

图3为多功能联用主机结构图；

图4为综合解译决策系统示意图；

图5为隧道掘进机刀盘上超前地质探测装置综合排布示意图；

图6为隧道掘进机刀盘中探测装置剖面图；

图7为集成接线装置剖面图；

图8为钻孔地质雷达探测装置示意图；

图9为钻孔地质雷达天线伸缩杆示意图。

图中：1.钻孔地质雷达天线，2.钻孔地质雷达天线伸缩杆，3.钻孔地质雷达探测装置，4.多功能联用主机，5.激发极化探测装置，6.隧道掌子面，7.刀盘，8.集成接线装置，9.激发极化探测装置进出孔，10.地震波探测装置进出孔，11.激发极化/地震波探头，12.高压水输送管道，13.液压缸，14.探测装置伸缩杆，15.岩石耦合材料输送管道，16.液压弹性卡套，17.探测装置本体，18.力/力矩传感器，19.滑环动子本体，20.外滑环定子本体，21.导电滑环，22.内滑环定子本体，23.液压油旋转接头，24.隧道掘进机本体，25.设备进出管道，26.球形节，27.偏心跟管钻头，28.搭载装置支架，29.超前快速钻机，30.液压传动系统，31.竖直角度调节导轨，32.水平角度调节导轨，33.电机及齿轮传动系统，34.设备底座，35.导轨，36.导轮，37.透明保护照，38.摄像头及照明装置，39.力/力矩传感器，40.激发极化探测电极，41.地震波探测检波器，42.地震波探测激震器，43.钻孔地质雷达，44.多路可调大电流恒流供电装置，45.激发极化多通道测量装置，46.地震波探测激震器激发装置，47.地震波探测检波器多通道测量装置，48.雷达电磁波发射装置，49.雷达电磁波接收采集装置，50.供电控制模块，51.激电测量控制模块，52.激震控制模块，53.地震波测量控制模块，54.雷达电磁波发生控制模块，55.雷达电磁波接收控制模块，56.激励源控制模块，57.时分复用控制模块，58.并行数据采集模块，59.地震波探测装置，60.综合解译决策系统，61.液压控制信号，62.电气控制信号，63.测量数据及反馈信号，64.地球物理反演系统，65.三维虚拟现实系统，66.解译与决策系统，67.综合地球物理探测系统，68.隧道掘进机，69.隧道掘进机管理控制系统，70.数据传输，71.指导施工，72.完善案例数据库，73.决策信息发布，74.数据采集，75.开挖反馈，76.开挖揭露，77.隧道掘进机外壳。

具体实施方式

下面通过具体实例和附图对本发明进行进一步的阐述，应当指出的是，以下所揭露的仅为本发明的一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，在不脱离本发明原理的前提下，本领域技术人员还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

图1为隧道掘进机68搭载的综合超前地质探测系统整体剖面图，隧道掘进机68搭载的综合超前地质探测系统主要包括四个部分，分别是多功能联用主机4，刀盘7上的激发极化探测装置5和地震波探测装置59，用于给激发极化探测装置5和地震波探测装置59提供控制信号和液压油的集成接线装置8和隧道掘进机68上方斜向钻孔地质雷达探测装置3，钻孔地质雷达探测装置3主要包括钻孔地质雷达天线1、钻孔地质雷达天线伸缩杆2和超前快速钻机29等装置。地震波探测检波器41安装于隧道掘进机外壳77上，用于接收隧道洞壁上返回的地震波。

图2为综合超前地质探测系统结构图，多功能联用主机4向激发极化探测装置5、地震波探测装置59和钻孔地质雷达探测装置3输出液压控制信号61和电气控制信号62，激发极化探测装置5、地震波探测装置59和钻孔地质雷达探测装置3向多功能联用主机4输出测量数据及反馈信号63，多功能联用主机4与综合解译决策系统60之间可通过有线或无线方式进行通讯。其中激发极化探测装置5、地震波探测装置59都位于隧道掘进机68的刀盘7中，超前快速钻机29、钻孔地质雷达天线伸缩杆2都位于隧道掘进机外壳77下方，多功能联用主机4与位于刀盘7中的激发极化探测装置5和地震波探测装置59通讯时都需要通过集成接线装置8进行电液信号转接，多功能联用主机4、集成接线装置8和激发极化探测装置5、地震波探测装置42和钻孔地质雷达探测装置3都安装在隧道掘进机68上。

图3为多功能联用主机结构图，多功能联用主机4以高性能嵌入式系统为核心，主要包括：多路可调大电流恒流供电装置44、激发极化多通道测量装置45、地震波探测激震器激发装置46、地震波探测检波器多通道测量装置47、雷达电磁波发射装置48、雷达电磁波接收采集装置49、供电控制模块50、激电测量控制模块51、激震控制模块52、地震波测量控制模块53、雷达电磁波发生控制模块54、雷达电磁波接收控制模块55、激励源控制模块56、时分复用控制模块57和并行数据采集模块58。

激励源控制模块56主要实现时分复用控制模块57与供电控制模块50、激震控制模块52、雷达电磁波发射控制模块54之间的通信与控制。时分复用控制模块57发送并行控制命令给激励源控制模块56，激励源控制模块56再将相关命令发送给对应的控制模块，从而实现对供电控制模块50、激震控制模块52、雷达电磁波发射控制模块54的控制。供电控制模块50控制多路可调大电流恒流供电装置44为激发极化探测电极40提供横流大电流输出；激震控制模块52控制地震波探测激震器激发装置46为地震波探测激震器42提供激发信号；雷达电磁波发射控制模块54控制雷达电磁波发射装置48为钻孔地质雷达43提供电磁波发射信号。

通过采用时分复用的方式，实现激发极化法、地震波法和钻孔雷达法的探测准同步进行。高性能嵌入式系统根据具体工况选择其中两种或三种探测方法，时分复用控制模块57对激励源控制模块56和并行数据采集模块58进行控制，按照既定的时分复用探测模式进行探测。具体实现方式为：每一种探测单元进行测量时，在两个数据测点的采集间隙都有一定的等待时间，该等待时间取决于测点切换机械动作时间，在该等待时间，系统进行对另一探测单元的数据采集工作，即在其中一个探测单元数据采集的间隙进行另一种探测单元的数据采集，从而实现了在整个探测过程中不同时间段内均有探测单元进行探测，达到准同步探测的功能。可以实现两种或三种探测方法的时分复用准同步探测，理论上三种方法采用时分复用探测方式可节约2/3的时间大大提高探测效率，满足隧道掘进机68超前探测的时间极短的要求，使掘进机施工条件下综合地球物理探测成为可能。多功能联用主机4可以通过有线或者无线方式接入互联网，将预处理后的多种探测方法采集到的数据、多传感器数据和控制信息传输至综合解译决策系统60中，可以实现远程监控、解译、决策和控制，使得工程人员可以不必到达现场就能开展相关工作，极大地提高了整套探测系统的工作效率。

在所有探测单元完成后，时分复用控制模块57发送并行采集命令传至并行数据采集模块58，完成对激电测量控制模块51、地震波测量控制模块53和雷达电磁波接收控制模块55的高速采集功能。在激电测量控制模块51的控制下，激发极化多通道测量装置45采集激发极化探测电极40的数据；在地震波测量控制模块53的控制下，地震波探测检波器多通道测量装置47采集地震波探测检波器41的数据；在雷达电磁波接收控制模块55的控制下，雷达电磁波接收采集装置49采集钻孔地质雷达43的数据。

图4为综合解译决策系统60的示意图，以反演系统为核心，集成虚拟现实系统和解译决策系统，形成隧道掘进机68施工不良地质定量超前预报的解译与决策系统。综合地球物理探测系统67从隧道掘进机68中采集数据，再将数据传输至地球物理反演系统64，三维虚拟现实系统65指导隧道掘进机68施工，解译与决策系统66向隧道掘进机管理控制系统69发布决策信息，隧道掘进机管理控制系统69为解译与决策系统66完善案例数据库。三种方法的反演/偏移成像联合反演程序是综合解译决策系统60的核心，能够输出三种方法的独立反演结果及联合反演结果，为地质解译与决策提供支撑。在此基础上的隧道掘进机68施工掌子面前方地质情况的三维虚拟现实系统65，可以将反演结果以三维实体的形式表达出来，并可实现人机交互和三维漫游，根据建立的不良地质体联合解译识别模型，构建“地球物理数据-地质信息”解译数据库，实现具有交互功能的解译与决策系统66，让使用者在解译数据库的辅助支持下对地球物理数据做出解释，对地质结果做出决策。该决策系统设计有与隧道掘进机管理控制系统69的接口，把最终决策信息报送至隧道掘进机管理控制系统69，为掘进机可掘性评价和安全性分析提供支持。同时，决策系统还可对比开挖揭露实际情况和预报决策结果，评价探测指标的先进性，并把典型预报案例存入数据库，不断丰富和完善数据库。

图5为刀盘7上超前地质探测装置综合排布示意图，激发极化探测装置5、地震波探测装置59在刀盘7上是按一定规律布置的，可以兼顾探测仪器的探测精度和刀盘的破岩效率，其中激发极化探测装置5成“米”字形分布，地震波探测装置59成“三”字形分布，当然这只是其中一种分布方式，激发极化探测装置5和地震波探测装置59还可以成多种其他方式分布。具体实施方案是在刀盘7上预留多个激发极化探测装置进出孔9和地震波探测装置进出孔10，激发极化探测装置5、地震波探测装置59完全安置在刀盘7中，并且进出孔外侧设有舱门，可以防止隧道掘进机68破岩前进时产生的碎屑堵塞进出孔，开始探测时首先打开进出孔的保护舱门，激发极化探测装置5、地震波探测装置59通过探测装置伸缩杆14从进出孔中伸出一定长度并与隧道掌子面紧密贴合，完成探测时探测装置通过伸缩杆完全缩回进出孔中并关闭保护舱门。

图6为刀盘7中探测装置剖面图，主要包括：激发极化/地震波探头11、高压水输送管道12、液压缸13、探测装置伸缩杆14、岩石耦合材料输送管道15、液压弹性卡套16、探测装置本体17和力/力矩传感器18。当隧道掘进机68暂停掘进作业开始进行探测时，进出孔保护舱门打开，液压缸13中注入液压油将激发极化/地震波探头11、探测装置伸缩杆14和探测装置本体17伸出进出孔，两种探测方式的伸缩杆中都设有力/力矩传感器18，当探头接触到掌子面后，力/力矩传感器18的数值随着探测装置伸缩杆14的伸长而增大，当该数值大于一个根据当地地质条件设定的一个数值时，多功能联用主机4将会立即停止液压系统动作，从而既可以保证探头与掌子面紧密接触而又不会损坏探头和伸缩杆，同时通过液压弹性卡套16锁住探测装置伸缩杆14，从而可以防止探头及伸缩杆产生轴向位移导致探测失败，这对地震波探测而言尤为重要；完成探测任务后，解锁液压弹性卡套16，液压缸13中抽出液压油将相关装置收回进出孔并关闭保护舱门。探测装置伸缩杆14内部是中空的，内部设有高压水输送管道12和岩石耦合材料输送管道15，通过力/力矩传感器18得知探头刚与掌子面接触时，通过高压水输送管道12及配套的加压装置向掌子面喷射高压水清洗掌子面表面和探头上的松散杂质，确保探头与掌子面之间能够紧密结合；当探头继续伸长直到与掌子面接触紧密时，通过岩石耦合材料输送管道15及配套的输送装置向掌子面和探头之间输送耦合材料，确保探头与掌子面之间能够良好耦合。

图7为集成接线装置剖面图，主要包括：滑环动子本体19、外滑环定子本体20、导电滑环21、内滑环定子本体22、液压油旋转接头23和固定支架24。集成接线装置8位于刀盘7与隧道掘进机本体24之间的连接处，供电装置的滑环动子本体19通过螺钉与刀盘7固连，外滑环定子本体20通过螺钉与隧道掘进机本体24固连，内滑环定子本体22通过螺钉固定安装在外滑环定子本体20上，液压油旋转接头23通过芯轴法兰盘上连接在滑环动子本体19后端的油道孔中。当刀盘7相对于隧道掘进机主体相对旋转时，控制信号通过该装置外圈处的导电滑环21传输到刀盘7里的探测装置中，探测装置伸缩杆14所需的液压油通过该装置中心处的液压油旋转接头23传输到刀盘7里的液压系统中。该装置有效的解决了刀盘7相对于隧道掘进机主体旋转时，刀盘7中的探测装置与多功能联用主机4之间的电气控制线缆和液压油管发生扭曲缠绕造成系统损坏无法工作，并且该装置所需的安装空间小，电气和液压油通过性能可靠。

图8为钻孔地质雷达探测装置3的示意图，包括设备进出管道25、球形节26、偏心跟管钻头27、钻孔地质雷达天线1、搭载装置支架28、超前快速钻机29、钻孔地质雷达天线伸缩杆2、竖直角度调节导轨31、水平角度调节导轨32、电机及齿轮传动系统33、设备底座34、底座移动导轨35和底座移动导轮36。超前快速钻机钻头27和钻孔地质雷达天线1通过设备进出管道25出入，钻孔地质雷达探测装置3通过球形节26与隧道掘进机外壳77相连，使用竖直、水平角度调节导轨及电机、齿轮传动系统，可以主动调节偏心跟管钻头27或者钻孔地质雷达天线伸缩杆2与隧道掘进机68轴线的夹角，可以灵活的使用钻孔地质雷达探测装置3。超前快速钻机29和钻孔地质雷达天线伸缩杆2安装在同一个设备底座34上，使用导轮36沿导轨35水平移动使相应设备对准设备进出管道，可以实现超前快速钻机29和钻孔地质雷达天线1的自动切换交替工作。其中超前快速钻机29使用偏心跟管钻头27，可以实现在钻孔的同时一次性打入套管，以对钻孔地质雷达天线1进行保护，将钻头进行适当的反转即可将其从套管中抽出；钻孔地质雷达天线1通过钻孔地质雷达天线伸缩杆2进行自动递送。在刀盘7上预留出钻孔地质雷达探测装置进出孔后，钻孔地质雷达探测装置3也可以安装在刀盘7上用于前向探测。

图9为钻孔地质雷达天线伸缩杆示意图，其中液压传动系统30为钻孔地质雷达天线伸缩杆2提供动力，在钻孔地质雷达天线伸缩杆2的首尾两端各安装一个力/力矩传感器39，可以钻孔地质雷达天线1和钻孔地质雷达天线伸缩杆2所受的力/力矩情况，使用流线型透明保护罩37保护安装在雷达天线头部的摄像头及照明装置38，联合使用摄像头38和力/力矩传感器39可以实时了解钻孔内的情况，当套管变形或者有异物导致钻孔地质雷达天线伸缩杆2无法伸长或收回时及时警告操作人员并终止操作，防止损坏钻孔地质雷达天线1。

Claims (9)

1.隧道掘进机搭载的综合超前地质探测系统，其特征是，包括多功能联用主机、刀盘上的激发极化探测装置和地震波探测装置、用于给刀盘中的探测装置提供电液控制信号的集成接线装置、隧道掘进机上方斜向钻孔地质雷达探测装置、综合解译决策系统；

所述多功能联用主机包括时分复用控制模块、激励源控制模块与并行数据采集模块；通过激励源控制模块分别向三种探测装置的输出触发信号，三种探测装置分别通过并行数据采集模块向时分复用控制模块发送测量数据及反馈信号；

所述综合解译决策系统通过激发极化探测、地震波探测和钻孔地质雷达三种探测方法的反演/偏移成像联合反演，能够输出三种探测方法的独立反演结果及联合反演结果，为地质解译与决策提供支撑；

所述集成接线装置，包括：滑环动子本体、外滑环定子本体、导电滑环、内滑环定子本体、液压油旋转接头和固定支架；集成接线装置位于隧道掘进机刀盘与隧道掘进机本体之间的连接处，供电装置的滑环动子本体与刀盘固连，外滑环定子本体与隧道掘进机本体固连，内滑环定子本体固定安装在外滑环定子本体上，液压油旋转接头连接在滑环动子本体后端的油道孔中。

2.如权利要求1所述的隧道掘进机搭载的综合超前地质探测系统，其特征是，所述时分复用控制模块选择其中两种或三种探测方法，通过时分复用控制模块对激励源控制模块和并行数据采集模块进行控制，按照时分复用探测模式进行探测；所述时分复用探测模式的具体实现方式为：每一种探测单元进行测量时，在两个数据测点的采集间隙都有一定的等待时间，在该等待时间内进行另一探测单元的数据采集工作，从而实现了在整个探测过程中不同时间段内均有探测单元进行探测，达到准同步探测的功能。

3.如权利要求1所述的隧道掘进机搭载的综合超前地质探测系统，其特征是，所述综合解译决策系统包括地球物理反演系统、三维虚拟现实系统、解译与决策系统、综合地球物理探测系统和隧道掘进机管理控制系统；所述综合地球物理探测系统从隧道掘进机中采集数据，再将数据传输至地球物理反演系统，三维虚拟现实系统指导隧道掘进机施工，解译与决策系统向隧道掘进机管理控制系统发布决策信息，隧道掘进机管理控制系统为解译与决策系统完善案例数据库。

4.如权利要求1所述的隧道掘进机搭载的综合超前地质探测系统，其特征是，所述刀盘上预留多个激发极化探测装置进出孔和地震波探测装置进出孔，其中激发极化探测装置进出孔成“米”字形分布，地震波探测装置进出孔成“三”字形分布。

5.如权利要求1所述的隧道掘进机搭载的综合超前地质探测系统，其特征是，所述激发极化探测装置和地震波探测装置安置在刀盘中，刀盘上设有装置进出孔，并且在装置进出孔外侧设有舱门。

6.如权利要求1所述的隧道掘进机搭载的综合超前地质探测系统，其特征是，所述激发极化探测装置和/或地震波探测装置均包括探头、伸缩杆、液压系统、探测装置本体、力矩传感器、高压水输送通道、岩石耦合材料输送管道、弹性卡套；所述液压系统、探测装置本体、伸缩杆与探头依次固定连接，伸缩杆上装有力矩传感器；所述探测装置本体或者伸缩杆的侧面还设有能够锁住伸缩杆的弹性卡套；高压水输送管道和岩石耦合材料输送管道，喷射高压水清洗掌子面和探头，向掌子面和探头之间输送岩石耦合材料。

7.如权利要求1所述的隧道掘进机搭载的综合超前地质探测系统，其特征是，所述钻孔地质雷达探测装置，包括设备进出管道、球形节、偏心跟管钻头、钻孔地质雷达天线、搭载装置支架、超前快速钻机、钻孔地质雷达天线伸缩杆、竖直角度调节导轨、水平角度调节导轨、电机及齿轮传动系统、设备底座、底座移动导轨和底座移动导轮；超前快速钻机钻头和钻孔地质雷达天线通过设备进出管道出入，钻孔地质雷达探测装置通过球形节与隧道掘进机外壳相连，所述竖直、水平角度调节导轨及电机、齿轮传动系统，调节偏心跟管钻头或者钻孔雷达天线伸缩杆与隧道掘进机轴线的夹角。

8.如权利要求7所述的隧道掘进机搭载的综合超前地质探测系统，其特征是，所述钻孔地质雷达天线伸缩杆，通过液压传动系统为多级液压伸缩杆提供动力，在多级液压伸缩杆的首尾两端各安装一个力/力矩传感器，检测钻孔地质雷达天线和钻孔地质雷达液压伸缩杆所受的力/力矩情况。

9.如权利要求7所述的隧道掘进机搭载的综合超前地质探测系统，其特征是，所述钻孔地质雷达探测装置还包括流线型透明保护罩，保护安装在雷达天线头部的摄像头及照明装置。