CN104391328B - 可用于tbm动态自适应固体不极化电极及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可用于TBM动态自适应固体不极化电极及使用方法，伸缩联动装置带动不极化电极运动，将不极化电极送到掌子面；然后由A进料管、B进料管向电解质槽中添加速凝剂和电解质，由推压装置将电解质和速凝剂压紧，推压完成后，等待3‑5分钟，使电解质凝固完全，开始探测；测量完毕后，控制伸缩联动装置的气缸，带动伸缩杆向后方移动，同时带动不极化电极离开掌子面，实现不极化电极的移除，完成探测任务。本发明实现了接触式的测量，并具有机械自动化控制安装与移除的特点，同时满足测量电极极差小及测量精度高，适应掌子面的凹凸不平的复杂条件，满足TBM施工自动化、机械化的要求。

Description

可用于TBM动态自适应固体不极化电极及使用方法

技术领域

本发明涉及电场信息测量领域，尤其涉及可用于TBM动态自适应固体不极化电极及使用方法。

背景技术

电极是一种用于电场信息测量接收的重要组成部分，广泛应用于地震前兆观测、地球物理电法勘探、工程勘探、石油勘探以及大地地磁测探等领域。其中对于隧道激发极化超前探测而言电极采集激电信号是隧道激发极化探测系统的重要组成，对于隧道防灾减灾具有重要意义。

在激发极化信号采集的过程中，采用铜电极、铅电极等普通金属电极作为测量电极，由于其自身易极化，造成测量数据不准确。不极化电极具有测量电位差小，测量精度高的特点，因此，隧道激发极化探测采用不极化电极。例如：Ag/Agcl参比电极，饱和硫酸铜溶液电极等。以上不极化电极采用人工打孔安装，并采用耦合剂保证良好接触，在地面探测以及钻爆法探测环境中取得了较好的效果，然而对于TBM隧道而言，施工过程要求自动化，快速化，机械化。普通的不极化电极需要人工安装打孔，而不适用于TBM隧道施工，因此研制一种运用于TBM激发极化探测用不极化电极显得尤为重要。在TBM施工隧道中不极化电极采用接触式测量的测试方式，具有快捷可实现自动化的特点，使不极化电极用于TBM施工隧道成为一种可能，而对于TBM的施工环境及工程探测要求，目前运用于TBM激发极化用的不极化电极存在以下问题：

(1)TBM刀盘切削的掌子面凹凸不平，接触式电极不能够适应掌子面的凹凸不平，不能实现良好的接触，接地电阻大。

(2)传统的电极需人工安装与移除，TBM施工电极的自动化程度低，效率低，劳动强度大。

(3)TBM上电极的使用寿命短，后期维护成本高。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供了一种可用于TBM动态自适应固体不极化电极及使用方法，实现了接触式的测量，并具有机械自动化控制安装与移除的特点，同时满足测量电极极差小及测量精度高，适应掌子面的凹凸不平的复杂条件，满足TBM施工自动化、机械化的要求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

可用于TBM动态自适应固体不极化电极，包括不极化电极；所述不极化电极外壁与伸缩联动装置的一端固定连接，伸缩联动装置伸缩运动带动不极化电极运动，实现不极化电极的安装与移除，不极化电极内部密封套装有推压装置，能够沿不极化电极内部移动，通过推压装置的推压使得粘稠状电解质适应掌子面的凹凸不平的复杂条件，实现电解质与掌子面的良好接触。

所述不极化电极包括PVC管；所述PVC管外壁与伸缩联动装置固定连接，内部密封套装有推压装置，所述PVC管一端安装有锥形橡胶管套，PVC管及锥形橡胶管套形成的空腔为电解质槽，所述电解质槽内填充有电解质和速凝剂；PVC管内壁上固定设有环形铅板，环形铅板固定在距离安装锥形管套的PVC管一端的3cm处内壁上，环形铅板通过引线经卷线器连接到探测装置上。

所述电解质由氯化钠、氯化铅、石膏、水泥、木屑和水配制而成，另外向电解质槽中加入速凝剂，其质量配比为氯化钠：氯化铅：速凝剂：石膏：水泥：木屑：水＝8:1:1:48:6:3:24。

推压装置包括推压盘和推杆，所述推杆一端固定连接在推压盘上，另一端推杆与控制装置连接；控制装置用于控制推杆活动以带动推压盘沿PVC管内壁移动。推压盘用于挤压电解质和速凝剂。推杆固定穿过卡环，A进料管和B进料管活动穿过卡环。卡环用于固定A进料管、B进料管的位置同时保证A进料管、B进料管在填充电解质与速凝剂时按照固定轨迹移动。卡环有两个,能够保证A进料管、B进料管的稳定性。推压盘上设有两个分别与A进料管和B进料管相对应的进料孔；所述推压盘靠近锥形橡胶管套的一面的进料孔旁均设有单向阀，防止推压盘挤压电解质和速凝剂时外渗。

所述伸缩联动装置包括伸缩杆和气缸；伸缩杆前端固定安装在PVC管外壁上，后端与气缸连接。不极化电极安装时，气缸推动伸缩杆向前方移动，伸缩杆带动不极化电极向前移动，当不极化电极到达掌子面时，在伸缩杆的作用下，使得锥形橡胶管挤压变形，从而适应掌子面的复杂条件。不极化电极测量完成后，气缸带动伸缩杆向后方移动，伸缩杆带动不极化电极向后方移动，脱离掌子面，完成整个探测过程。伸缩联动装置实现了不极化电极的自动安装与移除，解决了传统人工打孔安装不极化电极的方法，提高了工作效率，保证了施工安全，达到了探测目的。

电解质填充时，首先，推动A进料管、B进料管穿过推压盘进料孔进入到电解质槽前端，其中A进料管填充速凝剂，B进料管填充由氯化钠、氯化铅、石膏、水泥、木屑、水配制而成的电解质。其次，电解质填充满电解质槽后，将A进料管、B进料管移除，推动推杆带动推压盘向前移动，同时挤压电解质槽中的电解质与速凝剂，使电解质与速凝剂挤压密实并且与掌子面实现良好的接触。通过工作人员远程操作推压装置，实现了电解质的自动混合与填充，提高工作效率，保证人员安全。

锥形橡胶管套是实现电极与掌子面良好接触的基础，电极安装时，在伸缩联动装置的推动下，锥形橡胶管套与掌子面及围岩接触，由于锥形橡胶管套自身的可变形性，在伸缩杆的推动下，使得橡胶管套挤压变形适应掌子面的不同地质条件。电解质的填充是通过进料管进行填充，并由推压装置将填充的电解质挤压密实，由于电解质是粘稠状，在挤压过程中，与掌子面接触的电解质会自动适应掌子面凹凸不平的地质条件。

可用于TBM动态自适应固体不极化电极的使用方法，包括以下步骤，

第一步，将环形铅板与引线的一端连接，并将环形铅板固定在距离安装锥形管套的PVC管一端的3cm处内壁上，并将引线经自动卷线器引致探测装置的接线端；

第二步，将未加入电解质的不极化电极通过伸缩联动装置推送到掌子面位置，并使锥形管套挤压变形以适应掌子面的地质条件，使得锥形管套与掌子面紧密接触；

第三步，伸缩联动装置推送结束后，配制电解质；电解质为氯化钠、氯化铅、石膏、水泥、木屑和水的混合物；电解质与另加入的速凝剂的质量配比为，氯化钠：氯化铅：速凝剂：石膏：水泥：木屑：水＝8:1:1:48:6:3:24；

第四步，将A进料管、B进料管推送至PVC管前端，将配好的粘稠状电解质从B进料管中填充到电解质槽中，同时在A进料管填充速凝剂，当电解质充填满电解质槽时，停止添加电解质，将A进料管、B进料管移出电解质槽；

第五步，驱动推压装置的推杆，带动推压盘向前方移动，使得电解质挤压密实，与掌子面实现良好的接触，推压完成后，等待3-5分钟，使电解质凝固完全，开始探测；

第六步，探测结束，控制伸缩联动装置的气缸，带动伸缩杆向后方移动，同时带动不极化电极离开掌子面，实现不极化电极的移除，完成探测任务。

本发明动态自适应固体不极化电极经测试，其电极极差电位<1mv，24小时极差漂移<0.1mv。

本发明的有益效果：

(1)本发明的电极满足了制作成本低且携带安装方便，并且能够满足测量电极极差小测量精度高的要求，锥形橡胶管套与粘稠状电解质能够很好的适应掌子面凹凸不平的复杂条件，实现电极与掌子面的接触式耦合，极大的降低了电极与掌子面围岩的接地电阻，为激发极化方法用于TBM超前探测提供了一种可行的方法与装置。

(2)本发明不极化电极在电解质填充装置上，采用了A进料管、B进料管与推压装置结合，实现电解质的填充，流动性的电解质保证了电极与围岩的良好接触，解决了常规电极难以维保的难题。

(3)本发明伸缩杆与气缸相配合的伸缩联动装置使电极与隧道掘进机(TBM)固定连接，实现电极自动化的安置与移除，避免了施工人员进入掌子面人工安装的工况，保证了施工人员的人身安全。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是推压装置结构示意图。

图中：1.锥形橡胶管套，2.电解质槽，3.PVC管，4.环形铅板，5.引线，6.单向阀，7.推压盘，8.卷线器，9.伸缩杆，10.卡环，11.推杆，12.气缸，13.A进料管，14.B进料管。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1-2所示，可用于TBM动态自适应固体不极化电极，包括不极化电极；不极化电极外壁与伸缩联动装置固定连接，伸缩联动装置伸缩带动不极化电极运动；不极化电极内部密封套装有推压装置，推压装置能相对不极化电极运动。

不极化电极包括PVC管3，PVC管3外壁与伸缩联动装置固定连接，内部密封套装有推压装置，PVC管3一端安装有锥形管套1，PVC管3及锥形管套1形成的空腔为电解质槽2，电解质槽2内填充有电解质和速凝剂；PVC管3内壁上固定设有环形铅板4，环形铅板4通过引线5经卷线器8连接到探测装置上。

推压装置包括推压盘7和推杆11，推杆11一端固定连接在推压盘7上，另一端推杆11与控制装置连接。推杆11固定穿过卡环10，A进料管13和B进料管14活动穿过卡环10,卡环10有两个,能够保证A进料管13、B进料管14的稳定性。

推压盘7上设有两个分别与A进料管13和B进料管14相对应的进料孔；推压盘7靠近锥形管套1一面的进料孔旁均设有单向阀6，防止推压盘7挤压电解质和速凝剂时外渗。

伸缩联动装置包括伸缩杆9和气缸12；伸缩杆9前端固定安装在PVC管3外壁，后端与气缸12连接。

电解质由氯化钠、氯化铅、石膏、水泥、木屑和水配制而成，另外向电解质槽2中加入速凝剂，其质量配比为氯化钠：氯化铅：速凝剂：石膏：水泥：木屑：水＝8:1:1:48:6:3:24。

可用于TBM动态自适应固体不极化电极的使用方法，包括以下步骤，

第一步，将环形铅板4与引线5的一端连接，并将环形铅板4固定在距离安装锥形管套1的PVC管3一端的3cm处内壁上，并将引线5经自动卷线器8引致探测装置的接线端；

第二步，将未加入电解质的不极化电极通过伸缩联动装置推送到掌子面位置，并使锥形橡胶管套1挤压变形以适应掌子面的地质条件，使得锥形橡胶管套1与掌子面紧密接触；

第三步，伸缩联动装置推送结束后，配制电解质；电解质为氯化钠、氯化铅、石膏、水泥、木屑和水的混合物；电解质与另加入的速凝剂的质量配比为，氯化钠：氯化铅：速凝剂：石膏：水泥：木屑：水＝8:1:1:48:6:3:24；

第四步，将A进料管13、B进料管14推送至PVC管3前端，将配好的粘稠状电解质从B进料管中填充到电解质槽2中，同时在A进料管13填充速凝剂，当电解质充填满电解质槽2时，停止添加电解质，将A进料管13、B进料管14移出电解质槽2；

第五步，驱动推压装置的推杆11，带动推压盘7向前方移动，使得电解质挤压密实，与掌子面实现良好的接触，推压完成后，等待4分钟，使电解质凝固完全，开始探测；

第六步，探测结束，控制伸缩联动装置的气缸12，带动伸缩杆9向后方移动，同时带动不极化电极离开掌子面，实现不极化电极的移除，完成探测任务。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.可用于TBM动态自适应固体不极化电极，其特征是，包括不极化电极；所述不极化电极外壁与伸缩联动装置固定连接，伸缩联动装置伸缩带动不极化电极运动；所述不极化电极内部密封套装有推压装置，所述推压装置能相对不极化电极运动；

所述不极化电极包括PVC管；所述PVC管外壁与伸缩联动装置固定连接，内部密封套装有推压装置，所述PVC管一端安装有锥形管套，PVC管及锥形管套形成的空腔为电解质槽，所述电解质槽内填充有电解质和速凝剂；PVC管内壁上固定设有环形铅板，环形铅板通过引线经卷线器连接到探测装置上。

2.如权利要求1所述的可用于TBM动态自适应固体不极化电极，其特征是，所述锥形管套为锥形橡胶管套，通过螺纹固定在PVC管的一端。

3.如权利要求1所述的可用于TBM动态自适应固体不极化电极，其特征是，所述推压装置包括推压盘和推杆，所述推杆一端固定连接在推压盘上，另一端与控制装置连接；所述推杆固定穿过卡环；A进料管和B进料管通过通孔穿过卡环。

4.如权利要求3所述的可用于TBM动态自适应固体不极化电极，其特征是，所述卡环的个数至少为一个。

5.如权利要求3所述的可用于TBM动态自适应固体不极化电极，其特征是，所述推压盘上设有两个分别与A进料管和B进料管相对应的进料孔；所述推压盘靠近锥形管套的一面的进料孔旁均设有单向阀。

6.如权利要求1所述的可用于TBM动态自适应固体不极化电极，其特征是，所述电解质槽中填充有电解质和速凝剂，电解质由氯化钠、氯化铅、石膏、水泥、木屑和水混合而成，氯化钠、氯化铅、速凝剂、石膏、水泥、木屑和水的质量配比8:1:1:48:6:3:24。

7.如权利要求1所述的可用于TBM动态自适应固体不极化电极，其特征是，所述伸缩联动装置包括伸缩杆和气缸，伸缩杆前端固定安装在PVC管的外壁上，后端与气缸的活塞杆连接。

8.采用权利要求5所述的可用于TBM动态自适应固体不极化电极的使用方法，其特征是，包括以下步骤：

第一步，将环形铅板与引线一端连接，并将环形铅板固定在距离安装锥形管套的PVC管一端的3cm处内壁上，并将引线经自动卷线器引致探测装置的接线端；

第二步，将未加入电解质的不极化电极通过伸缩联动装置推送到掌子面位置，并使锥形管套挤压变形以适应掌子面的地质条件，使得锥形管套与掌子面紧密接触；

第三步，伸缩联动装置推送结束后，配制电解质；电解质为氯化钠、氯化铅、石膏、水泥、木屑和水的混合物；电解质与另加入的速凝剂的质量配比为，氯化钠：氯化铅：速凝剂：石膏：水泥：木屑：水＝8:1:1:48:6:3:24；

第四步，将A进料管、B进料管推送至PVC管前端，将配好的粘稠状电解质从B进料管中填充到电解质槽中，同时在A进料管填充速凝剂，当电解质充填满电解质槽时，停止添加电解质，将A进料管、B进料管移出电解质槽；

第五步，控制装置驱动推压装置的推杆，带动推压盘向前方移动，使得电解质与速凝剂挤压密实，与掌子面实现良好的接触，推压完成后，等待3-5分钟，使电解质凝固完全，开始探测；

第六步，探测结束，控制伸缩联动装置的气缸，带动伸缩杆向后方移动，同时带动不极化电极离开掌子面，实现不极化电极的移除，完成探测任务。