CN105334541B - 适用于tbm的便携式电阻率法超前预报系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及适用于TBM的便携式电阻率法超前预报系统，包括若干不极化电极、终端控制箱和电极线缆系；若干不极化电极与终端控制箱电连接，终端控制箱与电极线缆系电连接；不极化电极被设置成可以从TBM刀盘滚刀孔处伸出并与掌子面接触以探测前方地质信号；终端控制箱接收不极化电极采集的信号，并对前方地质体进行预测；通过电极线缆减小和/或消除围岩体、护盾与终端控制箱之间的电位差。本发明利用地质体电阻率差异实现了断层破碎带、软硬分层地层、含水溶洞、地下暗河等不良地质体的探测。

Description

适用于TBM的便携式电阻率法超前预报系统及其方法

技术领域

本发明涉及TBM复杂施工环境下前向三维电阻率法超前预报领域，特别涉及一种适用于TBM的便携式电阻率法超前预报系统及其方法。

背景技术

全断面隧道掘进机(TBM)是一种集成式隧道施工装备。我国作为世界公认的隧道建筑规模和修建难度最大的国家于未来20年内规划建设引水隧道数百条，公路铁路隧道2000公里，其中绝大部分工程将采用TBM施工。而在TBM掘进过程中，穿越线路间中或出现的岩溶和富水地层，断层破碎带，软硬岩交替，溶洞暗河等情况往往诱发突水突泥、隧道塌方、卡机埋机等TBM施工安全事故，轻者延误工期，重者机毁人亡。故而，在施工过程中对于掌子面前方不良地质体位置、形态、赋水情况的超前探测，对于此类事故的防控预警尤为重要。

然而，与钻爆法隧道不同，TBM施工隧道的超前地质预报环境极为恶劣，主要存在以下问题：

1、空间上，近掌子面处可用探测空间全部被TBM刀盘占据，难以在不对TBM主体进行实质改造，不影响刀盘掘进功能的基础上搭载超前预报设备；

2、时间上，TBM施工隧道往往施工难度大，任务重，工期紧，一方面要保证探测时间短，可在立拱、喷浆、换步维保间隙完成，另一方面要实现探测时间灵活，准备工作简易，工程需要时实现即停即探，灵活实用；

3、原理上，TBM作为一个巨大金属体占据隧道空间，电磁场干扰巨大，导致地质雷达法、瞬变电磁法等基于电磁原理的超前地质预报技术探测效果极不理想。

故而，目前世界范围内仅有德国的BEAM(Bore-Tunnelling Electrical AheadMonitoring)系统与ISIS(Integrated Seismic Imaging System)系统两种TBM适用的超前地质预报技术。其中，BEAM系统仅是一和二维探测，定位依靠正演经验，探测距离短，测点布置有限，观测方式单一，定位精度差，无法进行不良地质体的三维形态刻画，对刀盘、滚刀需进行一定程度改造；ISIS系统全世界仅装备了5台TBM且探测效果无公开报道，尚未成功推广。总体上目前国内外可用的超前探测系统需对TBM进行极大改造，占据刀盘盘面过大，影响滚刀排布与刀盘刚度进而影响TBM基本功能，且部分方案整个液压系统与自控装置要求远非目前TBM装备制造业能力之所及。

可见，目前在TBM隧道施工中亟需一种灵活、便捷、实用的不良地质灾害超前预报装置和方法。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种适用于TBM的便携式电阻率法超前预报系统及其方法，本发明的系统体积小巧，采用多路并行采集，单人可实现操作，探测全过程完成时间短，实现了在施工间隙进行，不影响正常施工；连接护盾供电作为屏蔽，实现电场的前向聚焦与后向屏蔽，摒除TBM电磁干扰，提高探距；利用地质体电阻率差异实现了断层破碎带、软硬分层地层、含水溶洞、地下暗河等不良地质体的探测。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

适用于TBM的便携式电阻率法超前预报系统，包括若干不极化电极、终端控制箱和电极线缆系；所述若干不极化电极与所述终端控制箱电连接，所述终端控制箱与所述电极线缆系电连接；所述不极化电极被设置成可以从TBM刀盘滚刀孔处伸出并与掌子面接触以探测前方地质信号；所述终端控制箱接收所述不极化电极采集的信号，并根据其对前方地质体进行预测；通过所述电极线缆减小和/或消除围岩体、护盾与所述终端控制箱之间的电位差。

通过将带有耦合电极的杆件装置从刀盘滚刀边沿既有空隙伸出继而与掌子面接触最为供电与测量电极的方式实现了在TBM零改造的基础上进行电阻率法前向地质预报，探测用刀口可根据地质条件所适应的排布方式灵活掌握；整个系统体积小巧，采用多路并行采集，单人可实现操作，探测全过程完成时间短，实现了在施工间隙进行，不影响正常施工。该方法利用地质体电阻率差异实现了断层破碎带、软硬分层地层、含水溶洞、地下暗河等不良地质体的探测。

所述不极化耦合电极由机玻璃制中空圆柱状电极筒与前端橡胶套管组成。前端橡胶套管由导电布封装泥状导电介质，泥状导电介质由膨润土、氯化钠、石墨粉、水按3:2:1:1调和而成，套管及其内部封装的导电介质整体为柔性，当挤压于掌子面时该柔性结构可随凹凸不平的掌子面形态变形，从而与掌子面良好耦合。电极筒前端为打有多个小圆孔的有机玻璃盖板，中部空腔内装盛硫酸铜溶液，所存硫酸铜溶液可经由盖板圆孔不断渗入套管内导电介质，保持柔性橡胶套管前段湿润，降低接地电阻。电极筒内自底部向上固定有螺旋状铜丝，铜丝浸润于硫酸铜溶液内，通过硫酸铜溶液与铜丝间的离子交换导电从而减小了极化电位差，满足了激发极化效应探测要求，铜丝于筒底出露连接外接线缆。电极筒底部设有卡槽用以与磁性支撑杆件设备联接。

所述不极化电极的后端连接支撑杆件，所述不极化电极的外接线缆穿过所述支撑杆件与所述终端控制箱连接。

所述支撑杆件的杆体上设有用以固定于TBM刀盘滚刀孔壁上的强磁吸附面，以及控制吸附面工作的磁路通断旋钮，强磁吸附面为一梯台状磁铁装置，上表面与杆体末端嵌套，下表面用以吸附刀盘滚刀孔壁，磁路通短旋钮用以控制吸附面磁力开关，为常规磁路控制技术。

所述支撑杆件使用完毕后收放至电极设备箱中，所述电极设备箱内设有与所述支撑杆件一一对应的用于存放所述支撑杆件的若干杆槽，所述电极设备箱的表面设有多针接头，所述多针接头的各针与若干所述不极化电极一一对应连接。

连接护盾供电极作为屏蔽，实现电场的前向聚焦与后向屏蔽，摒除TBM电磁干扰，提高探距。

所述电极线缆系包括屏蔽电极线缆和远端电极线缆，所述屏蔽电极线缆的一端与所述终端控制箱连接，另一端与所述护盾连接；所述远端电极线缆的一端与所述终端控制箱连接，另一端与TBM附近处的所述围岩体连接；所述远端电极线缆的远端电极分为供电电极B和接收电极N。

所述终端控制箱包括设备主机、采集卡、电极转换箱和蓄电池组；所述设备主机用于控制供电与采集数据，储存并显示采集信号，对所采集的信号进行数据处理，实现对前方地质体的探测。

所述采集卡为多路独立采集通道，进行多路并行采集。

采集卡可进行多路并行采集，提高探测时间。

所述采集卡的通道数与所述不极化电极的数目相同。

适用于TBM的便携式电阻率法超前预报方法，包括以下步骤：

步骤1：进行探测前置工作，通过供电控制实现电场的前向聚焦与后向屏蔽，摒除TBM电磁干扰；

步骤2：利用穿过TBM刀盘滚刀孔与掌子面接触的若干不极化电极采集前方地质体相关信号，终端控制箱中的主机接收所述信号并进行超前探测。

所述不极化电极根据需要选择合适的所述刀盘滚刀孔进行布置。

将所述不极化电极与所述掌子面的接触面调整至接触良好后，将所述支撑杆件上的强磁吸附面对向滚刀孔壁，旋开磁路旋钮将所述支撑杆件进行固定。

所述主机对前方地质体进行三维激发极化超前预报。

本发明的有益效果是：

1)本发明提出的TBM适用的便携式三维电阻率法超前预报系统及其方法，适应了TBM超前预报的复杂环境。探测即时求取正演曲线及时指导掘进工作；反演对掘进工作面前方30m内可能出现的不良地质体进行三维定位和形态刻画，全方位保证TBM健康高效掘进，对TBM隧道施工起到防控预警的关键作用。

2)本发明提出的TBM适用的三维电阻率法超前预报系统操作简单方便，其中电极设备箱与终端控制箱体积小巧，使用灵活，只需一名工作人员即可完成整个探测过程，无需专业培训，便于施工单位推广使用。

3)本发明提出的TBM适用的三维电阻率法超前预报方法探测全过程快捷，可利用TBM掘进过程中换步、维保、清渣、换刀、检查皮带等工作的停机间隙进行，只需单人操作，即停即测，可迅速完成整个探测过程，不影响项目正常施工。

4)本发明提出的便携式三维电阻率法超前预报系统无须对TBM本体进行任何改造，杆状电极系不影响TBM刀盘刚度、刀孔布置、日常维保、滚刀换刀且主机设备不占据主控室空间，既具备TBM复杂环境下的超前探测能力又独立于TBM之外自称体系，不会影响TBM本身功能性。

5)本发明提出的超前预报系统各部件不但独立于TBM主体而且相对独立，便于维修维保，可靠性高，不会由于探测系统故障影响整个项目工期。

6)本发明提出的杆状电极系由刀盘滚刀孔边沿伸出的探测方式实现了观测模式的自由可调，可根据TBM刀盘的大量滚刀刀孔位置自由选择，灵活选择供电点与测量点位置，便于根据掘进段地质条件及潜在不良地质体类型选择适当的观测模式。

附图说明

图1是本发明超前探测系统工作示意图；

图2是本发明超前探测系统刀盘布置示意图；

图3是本发明不极化耦合电极设备示意图；

图4是本发明磁性支撑杆件设备示意图；

图5是本发明电极箱设备示意图；

图6是本发明终端控制箱示意图。

其中，1.掌子面，2.围岩，3.TBM刀盘，4.TBM护盾，5.TBM刀盘滚刀，6.TBM刀盘主梁，7.杆状电极系8.电极设备箱，9.终端控制箱，10.远端固定电极，11.远端电极线缆，12.屏蔽电极线缆，13.滚刀刀孔，14.杆状电极，15.不极化耦合电极，16.橡胶套筒，17.电极筒，18.导电布，19.导电介质，20.多孔盖板，21.硫酸铜溶液，22.螺旋状铜丝，23.电极卡槽，24.电极接线柱，25.磁性支撑杆件，26.强磁吸附面，27.磁路通断旋钮，28.杆件卡件，29.电极连接线缆，30.电极设备箱接线板，31.多针插头母头，32.电极线缆接线柱，33.拉线装置盒，34.杆状电极槽，35.中控设备主机，36.多路并行供电与采集设备，37.远端电极线缆接口，38.屏蔽电极线缆接口，39.多芯线缆，40.多针接头公头。

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。

一种适用于TBM复杂施工环境的便携式三维电阻率法超前预报系统，该系统分为不极化耦合电极设备，磁性支撑杆件设备，拉线杆槽装置，电极设备箱接线板30，电极设备箱8，多路并行供电与采集设备36，终端控制箱9，电极线缆系，及远端电极组成。

不极化耦合电极15由有机玻璃制中空圆柱状电极筒17与前端橡胶套筒16组成。前端橡胶套筒16由导电布18封装泥状导电介质19，泥状导电介质19由膨润土、氯化钠、石墨粉、水按3:2:1:1调和而成，套管及其内部封装的导电介质19整体为柔性，当挤压于掌子面1时该柔性结构可随凹凸不平的掌子面1形态变形，从而与掌子面1良好耦合。电极筒17前端为打有多个小圆孔的有机玻璃盖板20，中部空腔内装盛硫酸铜溶液21，所存硫酸铜溶液21可经由盖板20圆孔不断渗入套管内导电介质19，保持柔性橡胶套筒16前段湿润，降低接地电阻。电极筒17内自底部向上固定有螺旋状铜丝22，铜丝浸润于硫酸铜溶液21内，通过硫酸铜溶液21与铜丝间的离子交换导电从而减小了极化电位差，满足了激发极化效应探测要求，铜丝于筒底出露，并设置电机接线柱24连接外接线缆。电极筒17底部设有电极卡槽23用以与磁性支撑杆件25的杆件卡件28联接。

磁性支撑杆件25为PC塑料制中空杆件，杆件前端设有与不极化耦合电极15连接的对应杆件卡件28，中后部杆壁设有用以固定于TBM刀盘滚刀5孔壁的强磁吸附面26及控制吸附面工作的磁路通断旋钮27，杆件中空处穿过电极连接线缆29。

不极化耦合电极15与磁性支撑杆件25各12个，通过卡槽连接成为从TBM刀盘滚刀5孔伸出与掌子面1接触进而完成对掌子面1供电与电信号采集工作的杆状电极系7。

电极系杆槽装置为带有12个圆柱形杆状电极槽34的箱体，对应存放12个杆状电极14，每个凹槽边沿刻有对应电极编号，便于区分。每个凹槽下方配有一个置于非金属盒内的卷簧拉线装置盒33，杆件中空内所穿电缆进入非金属外壳后盘入卷簧，末端固定，金属中轴处固接线缆自非金属盒中心导出，电信号通过卷簧与金属中轴得以传递。杆状电极14使用完毕后借由拉线盒助力收入杆槽装置内。

多针插座接线面板是一个中空接线板，下表面设12个电极线缆接线柱32，依次连接电极系杆槽装置拉线盒导出线缆，上表面为一形多针接头母头31，每个电极线缆接线柱32由板内中空部分经由导线按顺序与多针接头每针底端焊接。

不极化耦合电极15设备，磁性支撑杆件25，拉线杆槽装置，多针插座接线面板集成与电极设备箱8中。

由设备主机、采集卡、电极转换箱、蓄电池组组成，由设备主机控制供电与采集，蓄电池组外接一根12芯线缆，一根双芯线缆，一根单芯线缆，其中，12芯线缆一端接多针线缆公头40，用以连接接线面板多针插头母头31，双芯线缆接于远端电极接线口，单芯线缆接于屏蔽线缆接线口。

设备主机可发出供电与采集指令，显示储存采集信号，并于采集结束后迅速完成正演计算，显示正演曲线。

采集卡为12路独立采集通道，可进行多路并行采集，提高探测时间。

中控设备主机35集成了前述设备主机，多路并行供电与采集设备36，外接带有多针线缆公头40的12芯多芯线缆39，屏蔽电极线缆接口38以及远端电极线缆接口37。

电极电缆系包括屏蔽电极线缆12和远端电极线缆11，屏蔽电极线缆12一端与护盾相连，一段预留于TBM刀盘主梁6内，使用时只需将预留端接入终端控制箱9上的屏蔽电极线缆接口38。远端电极线缆11为双芯线缆，一端与远端两电极相连，一端预留于TBM刀盘3内，使用时只需将预留端接入终端控制箱9上的远端线缆接口。

远端电极分为供电电极B和接收电极N,接于TBM末端道岔附近隧道围岩2，在激电三极法中可认为处于无穷远处。线缆预留接头于刀盘主梁内。

一种TBM搭载的三维电阻率法超前预报系统的超前探测方法，通过不极化耦合电极15与磁性支撑杆件25连接而成的杆状电极系7从刀盘滚刀孔间隙伸出作为供电与测量电极A/M，屏蔽电极线缆12接于TBM护盾4利用整个护盾作为环形屏蔽电极P，TBM末端围岩2接入无穷远端供电电极B和接收电极N，由终端控制箱9中设备主机控制进行前向三维激发极化超前探测。

进行超前探测时，工作人员携带电极设备箱8与终端控制箱9进入TBM刀盘主梁6，将终端控制箱9外接多针线缆公头40接入多针插座接线面板上多针插头母头31，预留远端供电电极B和接收电极N线缆接头接于终端控制箱9上远端电极线缆接孔，一端接于TBM护盾4的屏蔽电极线缆12预留端接于终端控制箱9上屏蔽线缆接孔；将杆状电极14分别伸出所选定刀盘滚刀孔间隙，调整不极化耦合电极15与掌子面1接触良好，使磁性支撑杆件上强磁吸附面26对向滚刀孔壁，旋开磁路旋钮固定；打开终端控制箱9主机，输入指令开展探测。

设备主机控制刀盘电极A/M1供入正电流I0，远端供电电极B供入电流-I0，护盾环状屏蔽电极P供入与A/M1同向电流，其他A/M2-A/M12电极作为测量电极M采集M盾尾边墙上的接收电极N之间的电势差U，极化率η和半衰时t。上述测量完毕后，中控系统自动控制A/M2作为供电电极供入电流I0，A/M1、A/M3-A/M12作为测量电极M，重复上述测量，以此类推至A/M12供电。随后进行激发极化探测，分别供入大小不同的电流I1、I2，记录充放电曲线，采集半衰时t的信息，从而完成整个超前探测的数据采集过程。

本发明的TBM复杂施工环境适用的便携式三维电阻率法超前预报系统主要部件都集成于电极设备箱8与终端控制箱9内，使用时由工作人员带入TBM刀盘主梁6，点动TBM刀盘3至合适位置，确定预先选定的滚刀刀孔13。打开设备箱8、9后首先连接系统线缆，将外接多芯线缆39上的多针线缆公头40接于多针插头母头31，预留远端电极线缆11接于远端固定电极10中的B极与N极，屏蔽电极线缆12接于TBM护盾4。而后布置杆状电极系7，不极化耦合电极15与磁性支撑杆件25预先经卡槽13、28连接成为杆状电极14放置在电极系杆槽装置28内，从中依次取出杆状电极14对应从选定滚刀刀孔13的边沿伸出，调整不极化耦合电极15与掌子面1接触良好后，使磁性支撑杆件上强磁吸附面26对向滚刀孔壁，旋开磁路旋钮27固定。最后，输入探测指令开始探测。

进行超前探测时，工作人员携带电极设备箱8与终端控制箱9进入TBM刀盘主梁6，将杆状电极14分别伸出所选定刀盘滚刀孔间隙13，调整不极化耦合电极15与掌子面1接触良好，使磁性支撑杆件25上强磁吸附面26对向滚刀孔壁，旋开磁路旋钮26固定；将终端控制箱外接多针线缆公头40接入多针插座接线面板上多针插头母头31，预留远端供电电极B和接收电极N线缆11接头接于接线板B、N接孔，预留屏蔽电极线缆12接头接于屏蔽电极接口38；布置完毕后打开设备主机35探测软件，输入指令开展探测。探测时，主机控制转换箱与蓄电池按前述探测方式多路同时供电，杆状电极系7可并行采集电势差U，极化率η半衰时t数据，数据储存于设备主机。

下面，介绍数据采集完成后三维激电超前探测数值计算的实现过程。

数据采集完成后，即时进行正演计算，利用有限单元法进行数值正演，采用Cholesky分解法求解正演计算中的大型方程组，并得正演曲线，对TBM掘进进行及时指导。

随后进行TBM掌子面1前方不良地质体的三维反演成像定位，根据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；在数值正演的基础上进行反演收敛判断，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，实现不良地质体的三维定位与形态刻画。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.适用于TBM的便携式电阻率法超前预报系统，其特征在于：包括若干不极化电极、终端控制箱和电极线缆系；所述若干不极化电极与所述终端控制箱电连接，所述终端控制箱与所述电极线缆系电连接；所述不极化电极被设置成可以从TBM刀盘滚刀孔处伸出并与掌子面接触以探测前方地质信号；所述终端控制箱接收所述不极化电极采集的信号，并根据其对前方地质体进行预测；通过所述电极线缆减小和/或消除围岩体、护盾与终端控制箱之间的电位差，连接护盾供电作为屏蔽，实现电场的前向聚焦与后向屏蔽；

所述不极化电极包括具有容腔的主体结构，和置于所述主体结构前端的前置结构，所述主体结构和所述前置结构之间设有隔离件，所述隔离件上设有若干孔洞；所述前置结构的前方开口，所述开口由柔性导电材料封装；所述主体结构的容腔内充填电解质溶液，所述前置结构内充填固体导电介质，所述主体结构的容腔内设有金属丝，所述金属丝的一端插入所述前置结构的固体导电介质中，另一端露出所述主体结构的底端用以连接外接线缆。

2.根据权利要求1所述的适用于TBM的便携式电阻率法超前预报系统，其特征在于：所述不极化电极的后端连接支撑杆件，所述不极化电极的外接线缆穿过所述支撑杆件与所述终端控制箱连接。

3.根据权利要求2所述的适用于TBM的便携式电阻率法超前预报系统，其特征在于：所述支撑杆件的杆体上设有用以固定于TBM刀盘滚刀孔壁上的强磁吸附面，以及控制吸附面工作的磁路通断旋钮。

4.根据权利要求2所述的适用于TBM的便携式电阻率法超前预报系统，其特征在于：所述支撑杆件使用完毕后收放至电极设备箱中，所述电极设备箱内设有与所述支撑杆件一一对应的用于存放所述支撑杆件的若干杆槽，所述电极设备箱的表面设有多针接头，所述多针接头的各针与若干所述不极化电极一一对应连接。

5.根据权利要求1所述的适用于TBM的便携式电阻率法超前预报系统，其特征在于：所述电极线缆系包括屏蔽电极线缆和远端电极线缆，所述屏蔽电极线缆的一端与所述终端控制箱连接，另一端与所述护盾连接；所述远端电极线缆的一端与所述终端控制箱连接，另一端与TBM附近处的所述围岩体连接；所述远端电极线缆的远端电极分为供电电极B和接收电极N。

6.根据权利要求1所述的适用于TBM的便携式电阻率法超前预报系统，其特征在于：所述终端控制箱包括设备主机、采集卡、电极转换箱和蓄电池组；所述设备主机用于控制所述电极转换箱和所述蓄电池组进行供电、控制所述采集卡进行采集数据，储存并显示采集信号，对所采集的信号进行数据处理，实现对前方地质体的探测。

7.根据权利要求6所述的适用于TBM的便携式电阻率法超前预报系统，其特征在于：所述采集卡为多路独立采集通道，进行多路并行采集；所述采集卡的通道数与所述不极化电极的数目相同。

8.基于如权利要求2所述的适用于TBM的便携式电阻率法超前预报系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：进行探测前置工作，通过供电控制实现电场的前向聚焦与后向屏蔽，摒除TBM电磁干扰；

步骤2：利用穿过TBM刀盘滚刀孔与掌子面接触的若干不极化电极采集前方地质体相关信号，终端控制箱中的主机接收所述信号并进行超前探测。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤2中，所述不极化电极根据需要选择合适的所述刀盘滚刀孔进行布置；

调整所述不极化电极与所述掌子面的接触面，将所述支撑杆件上的强磁吸附面对向滚刀孔壁，旋开磁路旋钮将所述支撑杆件进行固定；

所述主机对前方地质体进行三维激发极化超前预报。