CN105068128B - 土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统及探测方法，该系统利用刀盘上搭载的推进电极系统将针状电极贯入土体进行供电和采集，克服了土压平衡盾构没有探测空间的困难；利用屏蔽电极使探测电流前向分布以及刀盘上的喷浆设备向刀盘和盾构周边土体喷射高阻注浆材料克服了电磁干扰和盾构作为良导体导出电流的困难；利用全过程自动化控制，多路并行采集和快速反演手段克服了探测时间少的困难。该方法利用地质体电阻率差异实现了球状风化体、软硬分层地层、前方全断面硬岩、卵石层、淤泥质层的探测；利用激发极化半衰时实现了富水层含水情况的探测。

Description

土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统及探测方法

技术领域

本发明涉及一种土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统及探测方法。

背景技术

土压平衡盾构是由刀盘旋转切削土体，切削后的泥土进入密封土舱，在密封土舱内泥水压力与开挖面泥土压力取得平衡的同时，由螺旋输送机进行连续出土的盾构。土压平衡盾构隧道施工技术在近年来的大量工程实践中业已日臻成熟，被广泛应用的同时更逐渐成为城市隧道施工的主要发展方向。

然而，隧道前方间或出现的地质灾害严重制约了盾构隧道工程的发展。土压平衡盾构施工过程中常见的灾害源主要有以下几种：

1.球状风化体，即所谓的孤石。掘进线路上未知的孤石会导致盾构刀盘磨损，盾构卡机等不良后果；

2.高水压砾层、砂卵石层。掘进线路上未知的富水砂砾层会导致盾构施工涌水，地表沉降等不良后果；

3.粉细砂层、软淤泥黏土层。类似土层极易发生扰动，盾构机在未知情况下掘进至该类土层难以控制保持土压平衡，且会引动前期沉降；

4.全断面硬岩。盾构掘进至未知全断面硬岩地层时将会受限于推进力和刀盘刚度难以继续掘进，极易卡机；

5.上软下硬地层。当掘进地层上下出现明显软硬分层时，盾构难以控制掘进方向和自身平衡；

6.不明潜埋物，未知地下管线，有毒含气层等。城市地下隧道施工中常常会在施工区域发现文物古墓、战后遗留爆炸物、既有城市管线、高层建筑深基础等未知埋藏物，在不明条件贸然掘进，则难免造成经济损失或安全事故。

一旦发生在开挖过程中遇到上述灾害源导致卡机，突涌水，地表沉降等工程事故，轻则造成盾构机械损毁，延迟工期，重则造成地层塌陷，导致重大安全事故。可见，土压平衡盾构上搭载能够有效且全面探测上述诸多危险源的超前预报装置是十分必要的。

一直以来，广大科研人员和工程人员在应用地质灾害超前预报手段于土压平衡盾构施工 方面进行了诸多尝试：利用超前钻机水平钻探难以反映掌子面前方的综合地质情况，极易造成漏报、误报、错报从而形成安全隐患且费用较高；地震方法要求的震源发生方式难以在盾构隧道管片衬砌中有效应用；由于盾构隧道施工空间狭小，电磁干扰强烈，瞬变电磁和地质雷达的探测准确性难以保障，盾构机刀盘上安装地质雷达天线的尝试在刀盘改造和天线保护上遇到了较大的困难；钻孔物探的跨空高密度电法在盾构隧道超前预报方面取得了一定的成效但只对掌子面前方孤石的探测有明显的效果，且实际工程中频繁进行多次超前钻孔带来了极大地经济成本和时间成本；国外较常采用的一种一维聚焦激电法超前预报系统BEAM(Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring)系统，由于不能获得掌子面前方地质情况的三维信息且不能解决盾构金属体导电问题，探测距离短，使用耗时繁复，未能在我国盾构隧道工程中有效的推广。

故而，当前尚且没有任何一种超前预报手段能够快捷可靠地实现土压平衡盾构隧道施工中的不良地质灾害预报功能。这是由于土压平衡盾构施工隧道的超前探环境极其恶劣，超前探测过程中面临难以回避的困难：

1.空间上，土压平衡盾构刀盘时刻与掌子面土体紧贴且刀盘不可回退，刀盘后土仓内充满用以平衡土压的土体，相较于探测环境很差的全断面隧道掘进机(TBM)刀盘与掌子面间可实现的20cm左右的狭小探测空间，土压平衡盾构可以说根本不具备探测空间；

2.盾构本身与TBM一样具有强烈电磁干扰。对于在土压平衡盾构施工中应用电磁类探测方法而言，更为棘手的问题是盾构刀盘与护盾作为良导体与掌子面和土仓内土体紧密耦合，致使电法勘探所供电流难以流入掌子面前方，严重影响探测；

3.土压平衡盾构本身结构上，由于刀盘及前盾土仓构成一个封闭金属箱，掌子面前方各种物探信号均难以突破强屏蔽向外无线传输，而对于有线传输，由于盾构刀盘在掘进过程中不停旋转，同时护盾及前盾土仓、承压板固定不动，致使探测电极与测量主机之间的线缆难以布置。

4.时间上，相较于TBM每天四小时维保时间和较慢的掘进速度，土压平衡盾构掘进速度更快，维保时间更少，这也就要求在土压平衡盾构上搭载的超前探测系统具有探测速度快、探测过程自动化程度高的特点。

可见，目前在土压平衡盾构施工隧道施工中亟需一种高效可靠的不良地质灾害超前预报装置和方法。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统及探测方法，本系统搭载于土压平衡盾构上可克服盾构施工隧道超前探测空间小、电磁干扰强、时间短的难点，该方法可快捷且有效的实现上述各种盾构施工隧道地质灾害源的超前探测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统，包括探测电极系统、分布式测量及供电系统、高阻材料注浆系统、探测信号传输系统以及三维激电探测控制系统，且五个系统均搭载于土压平衡盾构机上，利用刀盘上设置的推进设备的分布式测量及供电系统中克服土压平衡盾构没有探测空间的困难，刀盘上的高阻材料注浆系统向刀盘和盾构周边土体喷射高阻注浆材料，形成高阻屏障，利用屏蔽推进电极使探测电流前向分布，所述探测电极系统测量电极之间的电势差U和半衰时t，将其传输给三维激电探测控制系统，分布式测量及供电系统包括磁耦合谐振传输模块与电磁波无线传输模块，实现刀盘到主机的信号无线传输，三维激电探测控制系统接收其他系统传输的数据，控制其工作，实现掌子面前方地质情况的三维电阻率成像。

所述探测电极系统包括测量/供电推进电极设备A/M、屏蔽推进电极设备P和远端固定电极设备，其中，远端固定电极设备包括远端固定供电电极B和远端固定测量电极N，其中测量/供电推进电极设备在刀盘上形成的“米”字型布置作为测量/供电推进电极设备A/M，刀盘边缘开孔处布置推进电极作为屏蔽电极P，盾尾边墙处布设的固定电极作为认为是无穷远处的测量电极N和供电电极B。

所述测量/供电推进电极设备包括多个推进电极设备，所述推进电极设备呈杆件状，用于超前探测中的供电和测量，所述推进电极设备前端为土体耦合电极，在油缸推动下破土进入土体，其后端为喇叭状弹性导电体，弹性导电体使电极与土体耦合，降低接地电阻，保证电信号的输出和采集，推进电极设备中部为伸缩液压油缸，油缸前端设防尘圈以防止异物进入油缸，油缸采用前端供油，油缸由节流阀进行调速，推进电极设备设有压力传感器控制减压，设有溢流阀判断电极贯入土体情况，油缸底部活塞设置磁环，用以检验活塞位置以判断电极是否贯入土体；油缸的推进杆空腔内有线缆连接土体耦合电极，油缸后部连接输油管，输油管和线缆自刀盘刀舱内走线，在中轴处汇集为一束，沿刀盘中轴空腔引出至盾构压力墙。

所述压力墙后端设有快速插头，掘进时线缆和油管快速插头打开，从而解决了刀盘旋转带来的拧线问题；推进电极设备末端设置底座，内含卷簧拉线装置，以防线缆在伸缩中缠绕。设备固定于盾构刀盘开口边沿处包裹于刀盘内且前后不超出刀盘面。

所述土体耦合电极前端的电极材料依需求采用铜电极或不极化电极。

所述屏蔽推进电极设备布置于刀盘最边沿开孔处，电极材料选用铜电极。

所述远端固定电极设备采用普通铜电极，于盾尾边墙处钻孔固定，在激电三极法测量中可认为位于无穷远处。

所述分布式测量及供电系统包括分布式采集装置、磁耦合谐振传输装置、电磁波无线传输装置及供电转换装置，其中，分布式采集装置集成于每套推进电极设备上，用以控制推进电极的电信号输出与采集，磁耦合谐振传输装置位于土仓后面板，电磁波无线传输装置分别位于三维激电探测控制系统与磁耦合谐振传输装置上，进行信号的无线传输，供电转换装置位于刀盘背板，用以控制刀盘各电极的供电切换。

所述分布式采集模块包括采集模块与集线模块，其中采集模块是与测量/供电电极系统的测量电极连接的采集端子与传输线，在每个采集端子上安装有隔离与滤波模块，对采集到的信号进行处理，传输线将处理后的信号传输给磁耦合谐振传输装置。

所述磁耦合谐振传输模块包括两个相同谐振频率的线圈，其中与刀盘相连接的线圈随着刀盘的转动而转动，不因刀盘的转动而使得分布式采集模块的传输线扭断，另一个线圈连接电磁波无线传输模块。

所述磁耦合谐振传输模块的线圈分别缠绕在不同的线圈板上，每个线圈板的两端分别通过一个固定装置固定在与刀盘的轴心水平的位置，线圈板端部卡套在固定装置内，与其活动连接。

所述电磁波无线传输模块包括发射端和接收端，接收端设置于三维激电探测控制系统，发射端设置在磁耦合谐振传输装置上，发射端和接收端均包括滤波电路、信号处理传输电路和天线，其中，滤波电路连接有信号处理传输模块，信号处理传输模块连接天线。

所述滤波电路为8阶巴特沃斯滤波电路，对采集的信号进行进一步的去噪处理。

所述供电转换装置为设置在刀盘背板处的电极转换箱，电极转换箱前端接出多根单芯电缆沿刀盘背板分别与测量电极连接，后端接出供电电缆，通过固液回转接头与控制系统内恒流源装置相连接。

所述高阻材料注浆系统包括喷水设备、喷末设备及高阻注浆材料；

所述喷末设备与喷水设备连接，喷末设备包括贮末腔、抽末泵和输末管，其中，贮末腔中设有抽末泵，抽末泵通过输末管连接喷末口，喷水设备包括贮水腔、抽水泵和输水管，其中，贮水腔中设有抽水泵，抽水泵通过输水管连接喷水口，贮末腔里填充有高阻注浆材料。

所述高阻注浆材料为缓凝马丽散，由玛丽散与缓凝剂配比而成，玛丽散与缓凝剂按6:1组份配比而成，该材料电阻率高，具有有机材料高阻特性；膨胀性好，能迅速在盾构与土体间形成高阻屏障；缓凝性好，在探测结束后不会由于凝固而影响掘进。

所述三维激电法探测控制系统包括三维激电探测中控机和三维激电探测发射设备，三维激电探测中控机在探测过程中用于控制发射设备供电，接收采集数据，并与盾构控制台通讯，控制高阻材料注浆系统的开关，并在数据采集完成后用于所采集数据的存储计算和反演成像，处理和展示探测结果；

所述三维激电发射设备采用设定值高精度恒流源，直接连接普通民用电源经由频率与占空比共同调制输出，保证电信号发射稳恒。

所述三维激电探测中控机与发射设备位于盾构机控制室，设有专有机柜安置。

所述三维激电法探测中控系统置于盾构操作室内专有机柜中，体积小，不会对盾构既有操作环境产生影响。

所述探测信号传输系统包括多芯电缆及多路固液回转接头设备，所述多芯电缆用于连接探测电极系统的供电电极与三维激电发射机，所述多路固液回转接头设备分为液气回转腔与线缆回转腔，其中液气回转腔分为三层，分别用以存储、运输回转输运刀盘喷射用水、电极油缸推进用油和高阻材料；每层旋转接头内设轴承于刚性转轴上，液气回转腔层间设有密封圈与封闭环。

一种盾构搭载的三维激电法超前预报系统的超前探测方法，该方法利用地质体电阻率和极化率差异实现了球状风化体、软硬分层地层、前方全断面硬岩、卵石层和淤泥质层的探测；利用激发极化半衰时实现了富水层含水情况的探测，应用激电法中的三极法，利用刀盘测量/供电推进电极设备在刀盘上形成的“米”字型布置作为供电和测量电极A/M，刀盘边缘开孔处布置推进电极作为屏蔽电极P，盾尾边墙处布设的固定电极作为认为是无穷远处的测量电极N和供电电极B，由三维激电法探测控制系统控制，进行前向三维激电法超前探测，包括以下步骤：

进行超前探测时，土压平衡盾构暂停掘进，刀盘上“米”字型排布的推进电极自刀盘推出贯入土体，而后打开贮存注浆材料腔体阀门，由喷沫孔向土体喷射高阻注浆材料高阻材料注浆系统进行探测；

所述三维激电探测控制系统控制刀盘周边屏蔽推进电极设备P同时供入正电流I0，盾尾边墙处供电电极B供入负电流-I0，刀盘的测量/供电推进电极设备中依次将每个电极作为供 电电极，输入正电流I0，其他电极作为测量电极M，依次记录测量电极M和接收电极N之间的电势差U和半衰时t，完成整个超前探测的数据采集过程。

如掘进至地质复杂地段，可调整供电电流大小为2I0，3I0，进行二次、三次测量，增加反演可用数据量，将测得的电势差U进行反演，实现掌子面前方地质情况的三维电阻率图像。

反演的具体步骤如下：

进行反演成像时，首先设定网格电阻率的初值，确定网格电阻率的变化范围，建立三维有限元反演模型，；然后，利用有限单元法进行数值正演，利用Cholesky分解法求解正演计算中的大型方程组，并得到理论观测数据；之后进行反演收敛判断，若理论观测数据与实际观测数据之间的误差满足收敛判据rus＜ε_inv，其中rus为观测数据与正演理论值d_m之间的均方误差，ε_inv为反演收敛的容许值，将此时得到的模型参数作为反演结果输出，反之进行下一步计算；计算偏导数矩阵、光滑度矩阵，求解反演方程，得到模型增量；计算得到新一代模型参数，按照递减数列更新参数，进入下一循环，直至正演的理论观测数据与测量数据的方差小于根据精度确定的设定值进而输出模型参数，从而反演得到工作面前方地质体的三维电阻率图像，实现不良地质体的超前预报。

本发明的有益效果为：

1)本发明提出的土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统及其探测方法，适应了土压平衡盾构超前预报的复杂环境，可以实现掘进工作面前方孤石、软弱不均、突涌水灾害源等不良地质体的超前探测。

2)本发明提出的测量/供电/屏蔽电极系统及其推进系统可将电极推入掌子面前方软土地层中，使得电极与刀盘的距离增大，极大的压制了刀盘金属体的电磁干扰，从而解决了土压平衡盾构占据整个探测空间且刀仓内充满土体而未有探测空间的难题。

3)本发明提出的高阻材料注浆系统向掌子面与盾构刀盘之间喷射高电阻率材料，从而将刀盘与掌子面隔离，避免了刀盘金属体的电磁干扰的影响，解决电极探测电流被刀盘短路而造成电流无法流向掌子面前方的难题。

4)本发明提出的多路固液回转接头系统，通过多层回转的方式将刀盘上电极的测量信号传输到刀盘后方控制室的主机，同时也可将高电阻率材料输送到刀盘进行喷射，从而解决了由于刀盘旋转而后方不钻探测信号以及高电阻率材料的传输难题。

5)进行超前探测操作可在主控室实现，设备自动探测，实现了盾构施工隧道地质灾害超前预报自动化，并且本发明提出的三维激电接收装置采用了多路并行采集方式，省去了传统的人工跑极和逐点测量，数倍降低了探测时间，解决了盾构施工超前探测时间短的难题。

6)本发明通过三维激电法探测，不但能通过电阻率和极化率异常对前方各种不利盾构掘进的不良地质情况进行超前预报，获得三维反演图像，更能通过半衰时信息定量判断富水体水量，实现了对不良地质体的定性和定量预报。

附图说明

图1是本发明超前探测装置整体搭载示意图；

图2是本发明刀盘电极系统布置示意图；

图3是本发明推进电极油缸设备示意图；

图4(a)是本发明推进电极电极设备结构示意图；

图4(b)是本发明推进电极电极设备结构示意图；

图5是本发明高阻材料注浆系统示意图；

图6是本发明多路固液回转系统示意图；

图7(a)是本发明分布式采集供电系统示意图；

图7(b)是本发明布式采集模块示意图；

图8是本发明磁耦合谐振传输模块示意图。

其中，1.土压平衡盾构掘进前方土体，2.土压平衡盾构主体，3.土压平衡盾构土仓及土仓内土体，4.刀盘电极，5.远端固定电极设备，6.高阻材料注浆系统7.分布式测量及供电系统，8.多路固液回转接头，9.盾构护盾，10.盾构刀盘，11.刀盘屏蔽电极，12.刀盘供电/测量电极，13.推进电极油缸外壳，14.电极连接处，15.油缸回油管，16.油缸回油孔，17.油缸供油孔，18.拉线盒，19.油缸推进杆，20.推进杆空腔，21.端部电极，22.亚克力绝缘套管，23.穿线空腔，24.线缆，25.喷水口，26.喷末口，27.输末管，28.输水管，29.抽末泵，30.抽水泵，31.贮末腔，32.贮水腔,33.水回转腔，34.油回转腔，35.高阻材料回转腔，36.线缆回转滑环，37.隔离模块，38.采集卡，39.固定装置，40.线圈板，41.线圈。

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。

本发明所述的三维激电法超前预报系统如图1所示搭载在土压平衡盾构2上，推进电极设备4布置于土压平衡盾构刀盘上，三维激电法探测中控系统布置于土压平衡盾构主控室， 高阻材料注浆系统6，多芯电缆7布置于盾构主体内，探测全过程主要操作都在盾构主控室内完成。

首先介绍测量/供电/屏蔽电极系统4在土压平衡盾构中的布置。测量/供电推进电极设备12如图2所示呈“米”字型布置在刀盘开孔边沿，屏蔽电极推进设备11布置于刀盘内周。

推进电极设备油缸部分结构如图3所示，探测时油缸进油口打开，油管供油，油缸控制如图3由节流阀进行调速，压力传感器和溢流阀控制推进压力的增减，底部活塞处磁环检验活塞位置，确认油缸推进情况。

推进电极设备电极部分如图4所示由端部电极21，亚克力绝缘套管22组成，屏蔽电极电极材料选为铜质，供电/测量电极为固体不极化电极。盾构掘进时，电极如图4(a)所示缩入油缸中腔前部橡胶保护内；超前探测时，如图4(b)所示端部电极自中腔前端橡胶保护中推出贯入土体，亚克力绝缘套管则很好地保证了电极与油缸设备的绝缘，同时起到了防止土体进入阻塞油缸的作用。

如图1所示推进电极设备油缸中空腔内有线缆连接电极，油缸后部有供油油管连接，在刀盘中走线至刀盘中轴处汇成一束，在盾构压力墙后设快速插头37。

固定供电电极B和固定测量电极N在盾尾处固定布设，在激电三级法中可认为在无穷远处。

之后介绍高阻材料注浆系统，如图5所示，在盾构刀盘上的原有喷水设备上进行改造，水箱处加设高阻材料缓凝马丽散贮存腔31，为防止原有喷水孔阻塞，原有喷水口25和抽水喷射泵30基础上另布抽末喷射泵29和喷末口26，工作时喷水设备和喷末设备分别喷射水和高阻材料缓凝马丽散，两者在刀盘前方土体内混合充填，形成高阻屏障。玛丽散与缓凝剂配比为4:1.

而后介绍多路固液回转接头，探测开始时，工控机下达指令，抽末喷射泵29，抽水喷射泵30，液压泵站抽末喷射泵29工作，分别经由水回转腔33，油回转腔34，高阻材料回转腔35相刀盘内相应部分供给材料。

最后，介绍三维激电法探测中控系统在主控室中的布置，三维激电发射设备、三维激电接受设备、电极转换箱、工控机分层设置于专有机柜中，各部分间由线缆进行连接，机柜安置于主控室，可独立进行操作。多芯线缆采用漆包多芯线缆，线缆间和线缆与设备间采用多针插头连接。

供电/测量电极12、屏蔽电极11、固定电极5通过电缆7与三维激电发射设备和三维激电接收设备连接。探测时，三维激电发射设备可按前述探测方式多路同时供电，三维激电接收设备可并行采集电势差U半衰时t数据，数据储存于工控机并有工控机进行反演，掌子面前方地质情况的三维反演图像随之呈现于工控机显示屏。

供电/测量电极数量很多，每个电极都有一个单独与之相配套的推进装置，组成推进电极设备。

如图7(a)、图7(b)，测量电极按一定顺序布置在刀盘上，采用了分布式采集模块对各个电极进行信号采集与传输，其中与测量电极相接的采集端子上集成了隔离与滤波模块，对采集的信号进行简单滤波的处理。并经集线装置将各采集端子的传输线缆集成在一起，再与磁耦合谐振传输模块连接。

采用磁耦合谐振传输模块，通过两个具有相同谐振频率的线圈41进行信号的传输，其中线圈41在固定装置的夹持下，固定于指定位置，并且可以随着刀盘的转动而转动，从而实现了刀盘内的信号向刀盘外部的传输。

基于盾构机的复杂机械结构，信号经分布式采集模块与磁耦合谐振传输模块传输到电磁波无线传输模块，经电磁波无线发射端将信号传输到主控室的电磁波无线接收端，实现信号在掘进机内的传输，避免了在掘进机上铺设、安装电缆的麻烦，且不影响施工。

由于采集到的信号混有不同的噪声，首先在测量电极处的分布式采集模块中进行简单的滤波，其次在电磁波无线传输模块中嵌入8阶巴特沃斯滤波，最后在主机采集到信号后，软件中进行小波阈值滤波与滚动平滑滤波处理，实现对有用信号的采集。

分布式采集模块包括采集模块与集线模块。其中采集模块是与测量电极连接的采集端子与传输线。其中在每个采集端子上安装有隔离与滤波模块，对采集到的信号进行初步的处理，通过传输线将信号向后传输。

如图8所示，磁耦合谐振传输模块包括两个相同谐振频率的线圈41，其中与刀盘相连接的线圈41可以随着刀盘的转动而转动，不因刀盘的转动而使得分布式采集模块的传输线扭断。

电磁波无线传输模块实现了信号与主机间的传输，在模块硬件中嵌入了8阶巴特沃斯滤波电路，对采集的信号进行进一步的去噪处理，并且电磁波的传播减少的因铺设繁杂电缆而带来的诸多麻烦，使得信号在盾构机内传输而不影响正常的施工作业。

首先分布式采集模块的采集端子与测量电极连接，各采集端子的传输线经过集线装置汇 成一条电缆与后续装置连接；采集端子与测量电极的连接，其中采集端子内部有隔离与滤波模块，实现了对信号的初步处理；集线模块通过带有多接线端子的插头与采集端子的传输线相连，并通过后端的橡胶管套将传输线束缚成紧密的传输电缆。

首先分布式采集装置的传输电缆经航空插头连接到磁耦合谐振传输模块的线圈41板上，实现各传输线与对应的线圈41一一对应；其次通过四个固定装置39分别将两个连接在一起的线圈板40固定在与刀盘的轴心水平的位置，但固定装置39仅起到固定作用，线圈板40与固定装置39可以相对滚动，因此在刀盘转动时，线圈板40会随着刀盘的转动而转动，但是其位置保持不变；最后通过右线圈板40经传输线连接到电磁波无线传输模块上，实现信号传输其中在线圈板40上布设了一定数量的线圈41，通过固定装置39将线圈板40固定；磁耦合谐振传输模块的传输正是由于左右两个线圈41依赖于内部的电感和电容达到谐振，因此左右两个线圈41具有相同的谐振频率，在磁场的作用下，两个线圈41通过耦合实现信号传输。其中谐振频率ω＝1/√LC。

电磁波无线传输模块分为发射端与接收端两个部分，在传输模块内嵌入了8阶巴特沃斯滤波模块，对信号进一步处理，实现测量装置与主机间的信号传输。

高阻材料注浆系统包括喷水设备、喷末设备及高阻注浆材料；

喷末设备在原有盾构刀盘喷水设备基础上改造，贮水箱处假设高阻注浆材料贮存腔，为防止原有喷水孔阻塞，采用独立泵站、输末管和喷射孔，使材料粉末与水在刀盘前方土体内混合充填，形成高阻屏障；所述喷水设备利用原有盾构刀盘喷水系统实现；所述高阻注浆材料为缓凝马丽散，由玛丽散与缓凝剂按6:1组份配比而成，该材料电阻率高，具有有机材料高阻特性；膨胀性好，能迅速在盾构与土体间形成高阻屏障；缓凝性好，在探测结束后不会由于凝固而影响掘进。

三维激电法探测控制系统包括三维激电探测中控机，三维激电探测发射设备组成。

在三维激电探测中控机在探测过程中用于控制发射设备供电，接收设备采集，并与盾构控制台通讯控制液压传动系统的伸缩，注浆喷水、喷末设备的开关，并在数据采集完成后用于所采集数据的存储计算和反演成像，处理和展示探测结果。

三维激电发射设备采用设定值高精度恒流源，可直接连接普通民用电源经由频率与占空比共同调制输出，保证电信号发射稳恒。

三维激电探测中控机与发射设备位于盾构机控制室，设专有机柜安置。

三维激电法探测中控系统置于盾构操作室内专有机柜中，体积小，不会对盾构既有操作环境产生影响。探测信号传输系统主要由多芯电缆及多路固液回转接头设备组成。所述多芯电缆用于连接上述各供电电极与三维激电发射机，各测量电极与三维激电接收机以及中控系统内部各装置，各接口处选用多针快速插头。

多路固液回转接头设备分为液气回转腔与线缆回转腔。其中液气回转腔分为三层，分别用以回转输运刀盘喷射用水、电极油缸推进用油、喷浆设备用高阻材料；每层旋转接头内设轴承于刚性转轴上，层间设有密封圈与封闭环，根据盾构结构介质入口设于承压板上，采用后端接入式插头，接头与管路间采用柔性连接；线缆回转腔位于多路液气回转腔刚性转轴内，通过电刷实现承压板两侧同根供电线缆回转。

下面，介绍数据采集完成后三维激电超前探测反演的实现过程。

数据采集完成后，进行盾构掌子面前方不良地质体的三维反演成像定位，基于松弛变量的不等式约束反演迭代，上述步骤测得的电势差数据U进行反演，得到工作面前方地质体的三维电阻率图像，实现含水体的三维定位。具体步骤如下：

进行反演成像时，首先设定网格电阻率的初值，确定网格电阻率的变化范围，建立三维有限元反演模型，；然后，利用有限单元法进行数值正演，利用Cholesky分解法求解正演计算中的大型方程组，并得到理论观测数据；之后进行反演收敛判断，若理论观测数据与实际观测数据之间的误差满足收敛判据rus＜ε_inv，其中rus为观测数据与正演理论值d_m之间的均方误差，εⁱ _nv为反演收敛的容许值)，将此时得到的模型参数作为反演结果输出。反之进行下一步计算；计算偏导数矩阵、光滑度矩阵，求解反演方程，得到模型增量；计算得到新一代模型参数，按照递减数列更新参数，进入下一循环。直至正演的理论观测数据与测量数据的方差小于根据精度确定的设定值进而输出模型参数。从而反演得到工作面前方地质体的三维电阻率图像，实现不良地质体的超前预报。

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 (12)

1.一种土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统，其特征是：包括探测电极系统、分布式测量及供电系统、高阻材料注浆系统、探测信号传输系统以及三维激电探测控制系统，且五个系统均搭载于土压平衡盾构机上，利用刀盘上设置的推进设备的分布式测量及供电系统中克服土压平衡盾构没有探测空间的困难，刀盘上的高阻材料注浆系统向刀盘和盾构周边土体喷射高阻注浆材料，形成高阻屏障，利用屏蔽推进电极设备P使探测电流前向分布，所述探测电极系统测量电极之间的电势差U和半衰时t，将其传输给三维激电探测控制系统，分布式测量及供电系统包括磁耦合谐振传输装置与电磁波无线传输装置，实现刀盘到主机的信号无线传输，三维激电探测控制系统接收其他系统传输的数据，控制其工作，实现掌子面前方地质情况的三维电阻率图像；

所述分布式测量及供电系统包括分布式采集装置、磁耦合谐振传输装置、电磁波无线传输装置及供电转换装置，其中，分布式采集装置集成于每套推进电极设备上，用以控制推进电极的电信号输出与采集，磁耦合谐振传输装置位于土仓后面板，电磁波无线传输装置分别位于三维激电探测控制系统与磁耦合谐振传输装置上，进行信号的无线传输，供电转换装置位于刀盘背板，用以控制刀盘各电极的供电切换；

所述磁耦合谐振传输装置包括两个相同谐振频率的线圈，其中与刀盘相连接的线圈随着刀盘的转动而转动，不因刀盘的转动而使得分布式采集装置的传输线扭断，另一个线圈连接电磁波无线传输装置；

所述三维激电法探测控制系统包括三维激电探测中控机和三维激电探测发射设备，三维激电探测中控机在探测过程中用于控制发射设备供电，接收采集数据，并与盾构控制台通讯，控制高阻材料注浆系统的开关，并在数据采集完成后用于所采集数据的存储计算和反演成像，处理和展示探测结果。

2.如权利要求1所述的一种土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统，其特征是：所述探测电极系统包括测量/供电推进电极设备A/M、屏蔽推进电极设备P和远端固定电极设备，其中，远端固定电极设备包括远端固定供电电极B和远端固定测量电极N，其中测量/供电推进电极设备在刀盘上形成的“米”字型布置作为测量/供电推进电极设备A/M，刀盘边缘开孔处布置推进电极作为屏蔽推进电极设备P，盾尾边墙处布设的固定电极作为认为是无穷远处的远端固定测量电极N和远端固定供电电极B。

3.如权利要求2所述的一种土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统，其特征是：所述测量/供电推进电极设备A/M包括多个推进电极设备，所述推进电极设备呈杆件状，用于超前探测中的供电和测量，所述推进电极设备前端为土体耦合电极，在油缸推动下破土进入土体，其后端为喇叭状弹性导电体，弹性导电体使电极与土体耦合，降低接地电阻，保证电信号的输出和采集，推进电极设备中部为伸缩液压油缸，油缸前端设防尘圈以防止异物进入油缸，油缸采用前端供油，油缸由节流阀进行调速，推进电极设备设有压力传感器控制减压，设有溢流阀判断电极贯入土体情况，油缸底部活塞设置磁环，用以检验活塞位置以判断电极是否贯入土体；油缸的推进杆空腔内有线缆连接土体耦合电极，油缸后部连接输油管，输油管和线缆自刀盘刀舱内走线，在中轴处汇集为一束，沿刀盘中轴空腔引出至盾构压力墙。

4.如权利要求1所述的一种土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统，其特征是：所述分布式采集装置包括采集模块与集线模块，其中采集模块是与测量/供电电极系统的测量电极连接的采集端子与传输线，在每个采集端子上安装有隔离与滤波模块，对采集到的信号进行处理，传输线将处理后的信号传输给磁耦合谐振传输装置。

5.如权利要求1所述的一种土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统，其特征是：所述磁耦合谐振传输装置的线圈分别缠绕在不同的线圈板上，每个线圈板的两端分别通过一个固定装置固定在与刀盘的轴心水平的位置，线圈板端部卡套在固定装置内，与其活动连接。

6.如权利要求1所述的一种土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统，其特征是：所述电磁波无线传输装置包括发射端和接收端，接收端设置于三维激电探测控制系统，发射端设置在磁耦合谐振传输装置上，发射端和接收端均包括滤波电路、信号处理传输电路和天线，其中，滤波电路连接有信号处理传输模块，信号处理传输模块连接天线。

7.如权利要求1所述的一种土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统，其特征是：所述供电转换装置为设置在刀盘背板处的电极转换箱，电极转换箱前端接出多根单芯电缆沿刀盘背板分别与测量电极连接，后端接出供电电缆，通过固液回转接头与控制系统内恒流源装置相连接。

8.如权利要求1所述的一种土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统，其特征是：所述高阻材料注浆系统包括喷水设备、喷末设备及高阻注浆材料；

所述喷末设备与喷水设备连接，喷末设备包括贮末腔、抽末泵和输末管，其中，贮末腔中设有抽末泵，抽末泵通过输末管连接喷末口，喷水设备包括贮水腔、抽水泵和输水管，其中，贮水腔中设有抽水泵，抽水泵通过输水管连接喷水口，贮末腔里填充有高阻注浆材料。

9.如权利要求1所述的一种土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统，其特征是：

所述探测信号传输系统包括多芯电缆及多路固液回转接头设备，所述多芯电缆用于连接探测电极系统的供电电极与三维激电发射机，所述多路固液回转接头设备分为液气回转腔与线缆回转腔，其中液气回转腔分为三层，分别用以存储、运输回转输运刀盘喷射用水、电极油缸推进用油和高阻材料；每层旋转接头内设轴承于刚性转轴上，液气回转腔层间设有密封圈与封闭环。

10.一种应用权利要求1-9中任一项所述的盾构搭载的三维激电法超前预报系统的超前探测方法，其特征是：包括以下步骤：

进行超前探测时，土压平衡盾构暂停掘进，刀盘上“米”字型排布的推进电极自刀盘推出贯入土体，而后打开贮存注浆材料腔体阀门，由喷沫孔向土体喷射高阻注浆材料高阻材料注浆系统进行探测；

所述三维激电探测控制系统控制刀盘周边屏蔽推进电极设备P同时供入正电流I0，盾尾边墙处供电电极B供入负电流-I0，刀盘的测量/供电推进电极设备A/M中依次将每个电极作为供电电极，输入正电流I0，其他电极作为测量电极M，依次记录测量电极M和接收电极N之间的电势差U和半衰时t，完成整个超前探测的数据采集过程。

11.如权利要求10所述的超前探测方法，其特征是：当掘进至地质复杂地段，可调整供电电流大小为2I0，3I0，进行二次、三次测量，增加反演可用数据量，将测得的电势差U进行反演，实现掌子面前方地质情况的三维电阻率图像。

12.如权利要求11所述的超前探测方法，其特征是：反演的具体步骤如下：

进行反演成像时，首先设定网格电阻率的初值，确定网格电阻率的变化范围，建立三维有限元反演模型；然后，利用有限单元法进行数值正演，利用Cholesky分解法求解正演计算中的大型方程组，并得到理论观测数据；之后进行反演收敛判断，若理论观测数据与实际观测数据之间的误差满足收敛判据rus＜ε_inv，其中rus为观测数据与正演理论值d_m之间的均方误差，ε_inv为反演收敛的容许值，将此时得到的模型参数作为反演结果输出，反之进行下一步计算；计算偏导数矩阵、光滑度矩阵，求解反演方程，得到模型增量；计算得到新一代模型参数，按照递减数列更新参数，进入下一循环，直至正演的理论观测数据与测量数据的方差小于根据精度确定的设定值进而输出模型参数，从而反演得到工作面前方地质体的三维电阻率图像，实现不良地质体的超前预报。