CN105510982B - 基于激发极化法的tbm施工隧道聚焦型前向三维多电极在线探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激发极化法的TBM施工隧道聚焦型前向三维多电极在线探测系统，多个电极呈规则排列设置在TBM掌子面，且与电极箱连接，电极箱通过导电滑环与控制器连接；驱动控制器用于对信号发射机进行驱动，信号发射机通过导电滑环与电极箱连接，信号发射机与导电滑环之间还设有电流模式选择开关，电流模式选择开关在驱动控制器的控制下，选择不同的电流模式，并通过导电滑环控制电极箱选择不同的电极模式，不同的电极模式控制电极组中不同的导电电极分布；信号接收机与导电滑环相连接，并通过通讯接口将电极组反馈的数据传入地质信息显示终端中进行数据处理，并根据处理结果生成控制信息，以控制驱动控制器。

Description

基于激发极化法的TBM施工隧道聚焦型前向三维多电极在线 探测系统

技术领域

本发明涉及TBM全断面隧道掘进机的在线探测领域，尤其涉及一种基于激发极化法的TBM施工隧道聚焦型前向三维多电极在线探测系统。

背景技术

目前，我国已经成为世界上隧道数量最多，建设规模最大，发展速度最快的的国家。随着我国基础设施建设进程的加快，在交通、水利水电及矿产资源开发等领域还将会修建更多的大长隧道、隧洞等地下工程。我国是隧道、隧洞等地下工程突水灾害最严重的国家之一，突水突泥灾害所造成的人员伤亡和经济损失在各类隧道等地下工程地质灾害中居于前列，往往造成重大的人员伤亡，严重的经济损失和环境破坏。隧道建设中不良地质体超前预报是保证安全施工的重要环节，是国内外工程地质和隧道工程界十分关注而没有得到很好解决的难题。

激发极化法作为一种重要的电法勘探方法，以其独特的优点(经济、无损、快速及信息丰富等)广泛应用于资源勘探和工程勘探中。激发极化法是通过接收和分析各种异常体的激发极化效应来达到探测预报的目的。它有对隧道不良水体反应灵敏的特点，可用来预报工作面前方突水异常体情况，尤其可以预报隧道前方涌水量的情况。在隧道及地下坑道的超前地质预报中，激发极化法对隧道水体不良地质体的预报具有明显的效果。

近年来，施工隧道中采用全断面隧道硬岩掘进机(简称TBM)机械施工的比例越来越高，全断面隧道硬岩掘进机是利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械。在使用TBM掘进时，一个较为突出的问题就是TBM机械对地质条件变化的适应性较差，当遭遇断层、破碎带、岩性交界面、含水构造等不良地质情况时，往往造成TBM机械被卡、被埋甚至机械报废的严重事故。为了降低TBM施工中遭遇上述事故的风险，最为有效的解决方法就是采用地质超前预报技术提前探明掌子面前方不良地质情况，并根据前方的地质情况预先制定合理的处置措施和施工预案。

就目前TBM施工隧道中的地质超前预报技术而言，主要有以下两种方法：1、利用TBM机械配备的超前钻机进行水平钻探，这种钻机只能揭露钻孔周围的地质情况，对于不与钻孔相交的地质体无法探明，不能反映TBM工作面前方整个范围的地质情况，极易遗漏不良地质，造成误报、错报及灾害隐患，且钻孔经济成本和时间成本较高。2、利用德国研发的BEAM(Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring)系统，BEAM是一种一维聚焦类激发极化法，BEAM法的缺点：(1)测试设备安装复杂，测试时间长，严重影响施工进度；(2)BEAM法利用每次测量结果与隧道里程的曲线来推断掘进面前方的含水情况，探测距离小，无法获得TBM工作面前方地质体的三维信息，也无法预报水量。此外，从BEAM法在我国几个隧道的应用情况来看，预报结果不理想，未得到推广，有待进行提高和完善。

现阶段已有的隧道等地下工程超前探测激发极化设备均是基于电测深理论的定点源非聚焦型的激发极化设备。非聚焦型的激发极化超前预报设备是将探测侧线布置在隧道边墙或底板上，测线附近的旁侧干扰往往掩盖了隧道开挖面前方的有用信息，对突水灾害源的定位和水量预测的精度低，可信性差，往往导致地质探测结果错误，影响了隧道施工安全。

在三维聚焦型激发极化设备的发明中存在以下关键难题：(1)屏蔽电极和供电电极需要同时输出同行电流，内部具有调制功能的多路大电流恒流发射机的发明是关键难题；(2)三维聚焦型激发极化探测方法在掘进面上需要布置由5个电极以上的供电电极系统，需要研制多通道观测数据自动化采集装置及多通道智能机接收机；(3)该设备需要测量观测电极阵列的大量数据，采集过程中需要不断地切换电源，同时大电流的切换是一个亟待解决的难题，需要研制自动转换器。(4)该设备需要具备多元激发极化信息综合采集的功能，包括屏蔽电极、供电电极、视电阻率、接地电阻、视极化率，频率效应百分比(简称PFE)等。可见，现在迫切需要设计一种装置解决上述问题。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明提供一种基于激发极化法的TBM施工隧道前向三维多电极在线探测系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于激发极化法的TBM施工隧道聚焦型前向三维多电极在线探测系统，该系统包括电极组、电极箱、信号发射机、驱动控制器、信号接收机以及地质信息显示终端；

电极组包括多个电极，该多个电极呈规则排列设置在TBM掌子面，且与电极箱连接，电极箱通过导电滑环与控制器连接；

驱动控制器用于对信号发射机进行驱动，信号发射机通过导电滑环与电极箱连接，信号发射机与导电滑环之间还设有电流模式选择开关，电流模式选择开关在驱动控制器的控制下，选择不同的电流模式，并通过导电滑环控制电极箱选择不同的电极模式，不同的电极模式控制电极组中不同的导电电极分布；

信号接收机与导电滑环相连接，并通过通讯接口将电极组反馈的数据传入地质信息显示终端中进行数据处理，并根据处理结果生成控制信息，以控制驱动控制器。

本发明所述的系统中，所述导电滑环设置在TBM掌子面与护盾之间。

本发明所述的系统中，所述掌子面的刀头刀座部分的固定结构经过绝缘处理。

本发明所述的系统中，所述地质信息显示终端进行数据处理后，形成一维、二维以及三维界面并显示。

本发明所述的系统中，所述通讯接口为RS485通讯接口。

本发明所述的系统中，所述导电滑环包括多个滑环，每个滑环对应一种电流模式。

本发明所述的系统中，不同的导电电极分布包括直线电极分布、等距圆形电极分布以及非等距圆形电极分布。

本发明所述的系统中，该系统还包括屏蔽电极，设置在护盾上，与信号发射机或者导电滑环连接，且屏蔽电极与电极组中的电极等电压。

本发明产生的有益效果是：本发明的电极箱采用了多电极、多分布式的格局，打破了以往探测过程中单电极、单分布的格局。依托TBM本身刀头位置的分布，设置不同的电极模式，每种电极模式对应一种掌子面上导电电极的分布，从而通过不同的电极分布进行数据探测，再将不同电极分布测量的数据与当前实际地质情况进行对比，采用最优的电极分布进行在线监测，以满足实际需求。

进一步地，采用导电滑环解决了TBM内掌子面上所连接的电缆线交缠在一起的问题，极大地提高了地质超前预报的工作效率，节约了时间成本和经济成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例基于激发极化法的TBM施工隧道前向三维多电极在线探测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例基于激发极化法的TBM施工隧道前向三维多电极在线探测系统的组装结构示意图；

图3为本发明实施例TBM掌子面前方的电极模式分布图；

图4为本发明实施例TBM内部固定在护盾与掌子面之间的导电滑环结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

基于激发极化法的TBM施工隧道前向三维多电极在线探测系统，其基本原理是在TBM掌子面上按照不同位置布置供电电极系统，在护盾上面布置屏蔽电极系统，在供电电极和屏蔽电极的共同作用下，使得供电电极的电流流向掌子面前方，此时TBM上面的漏电、水接触导致的非绝缘等问题产生的影响很小，可忽略不计；利用这种基于激发极化法的前向三维探测方法，加之电极分布系统(即电极组)，并利用视电阻率和频率效应百分比得出前方的数据信息，并依据正演算法计算位置、反演算法得出掌子面前方的三维地质信息，预报前方水体的位置和含水量大小。

本发明的一个实施例中，基于激发极化法的TBM施工隧道聚焦型前向三维多电极在线探测系统，如图1所示，包括电极组、电极箱35、信号发射机30、驱动控制器28、信号接收机31以及地质信息显示终端29；

电极组包括多个电极，该多个电极呈规则排列设置在TBM掌子面36，且与电极箱35连接，电极箱35通过导电滑环33与驱动控制器28连接；

驱动控制器28用于对信号发射机30进行驱动，信号发射机30通过导电滑环33与电极箱35连接，信号发射机30与导电滑环33之间还设有电流模式选择开关32，电流模式选择开关32在驱动控制器28的控制下，选择不同的电流模式，并通过导电滑环33控制电极箱35选择不同的电极模式，不同的电极模式控制电极组中不同的导电电极分布。不同的导电电极分布可包括直线电极分布、等距圆形电极分布以及非等距圆形电极分布。基于TBM大部分时段工作在硬岩环境下，但是也避免不了遇到冻土层、软土层、沙石层、溶洞和突水状况，由于地质情况分布不均的情况，在混杂地质层中，非等距圆形电极分布能够比另外两种电极分布检测灵敏；在均匀地质层中，直线电极分布和等距圆形电极分布能够比较灵敏的进行检测。不同的电流模式也可以选择各种不同的电极分布，电流模式分为1.8A、1.6A、1.4A、1.2A、1.1A、1.0A、0.9A、0.8A、0.7A、0.6A、0.4A、0.2A、0.08A等，具体的电流档位以实际地质情况来进行选择，除以上几种电流档位外，如遇特殊情况，还可以根据实际地质情况对电流档位进行调整，。

信号接收机31与导电滑环33相连接，并通过通讯接口将电极组反馈的数据传入地质信息显示终端29中进行数据处理，并根据处理结果生成控制信息，以控制驱动控制器28。

本发明的一个实施例中，导电滑环33设置在TBM掌子面36与护盾34之间。导电滑环33包括多个滑环，每个滑环对应一种电流模式。

该系统还包括屏蔽电极，设置在护盾34上，与信号发射机30或者导电滑环33连接，且屏蔽电极与电极组中的电极等电压。

本发明实施例的基于激发极化法的TBM施工隧道聚焦型三维多电极在线探测系统，如图2所示，在TBM主体内设有主控室，主控室内设有控制器、地质信息显示终端29、前向三维激发极化信号发射机30、前向三维激发极化信号接收机31、导电滑环33、电极箱35、电极分布系统、导向监控室的信号电缆及通讯接口。在TBM主体的掌子面36上布置供电电极系统(即电极组)，首先将掌子面36上的刀头全部做成供电电极，然后根据实际需要，选择多个且不同位置的供电电极做成供电电极系统；在主体的护盾34上布置屏蔽电极系统，供电电极的电压与屏蔽电极的电压保持同行。供电电极系统通过导电滑环33与主控室的前向三维激发极化信号发射机30相连接，屏蔽电极系统与前向三维激发极化信号接收机31相连接。在TBM主体护盾34和掌子面36之间放置有导电滑环33，掌子面36的刀头作为供电电极需经过绝缘处理。

前向三维激发极化信号发射机30包括以下三部分：①由AD9854芯片为主要核心，以基准电路、比较电路、调整电路、采样电路、稳压电路、模数转换电路等组成的信号发生电路；②由运算放大电路、电压电流转换电路、电压跟随电路、驱动控制电路、低通滤波电路等组成的恒流源电路；③由稳压电路、过压保护电路、过流检测电路、过流保护电路、过热保护电路、整流电路、升降压电路等组成的辅助电路。

前向三维激发极化信号接收机31包括两部分：①以DSP TMS320F28335芯片作为主处理器，由信号放大电路、AD采样电路、AD-DA转换电路、计数电路、PWM方波脉冲发生电路、DA输出电路、低通滤波电路、时钟电路等组成的信号采集电路；②由稳压电路、整流电路、升降压电路、过热保护电路、过压保护电路、过流检测电路、过流保护电路、接口输出电路等组成的辅助电路。

通讯接口采用RS485接口电路进行通讯，数据采用标准ASCII码进行转换传输。数据采用标准ASCII码转换后从信号接收机31发出，通过信号传输线传输到主控室的地址信息显示器上，最后通过C++语言进行编程，通过VC++进行地质信息一维、二维、三维界面等的编写。

导电滑环33是采用铝合金材料制作的，额定电压为0～380VAC/240VDC，额定电流为2A/环，共设置6环，主体结构包括转子和定子两大部分，电接触位置采用贵金属材料，其它非接触部位采用高电阻接触材料。

电极模式根据TBM掌子面36的直径大小、不同掌子面36的刀头位置分布和TBM实验模型三项综合考虑，设计出了直线电极、等距圆形电极、非等距圆形电极等11种电极分布(即导电下的多种电极模式)。在电极箱35共设置12个开关选项，其中11个为电极开关，一个为供电开关。每个电极开关对应一种电极模式。

掌子面36刀头的绝缘问题，可根据原有刀头刀座的形状和各种材料的受力性，进行ANSYS有限元受力分析，得出原有刀头刀座的最大承受力。通过对原始的刀头刀座进行微小加工，代之以高绝缘、高强度的材料填充，以尽量不改变原有刀头刀座结构承重量的基础上，进行ANSYS有限元受力分析，得出加工后刀头刀座的最大承受力，相比之下得出两者并无太大差异。

现有技术中电极的位置分布大不相同，但是又没依据现场采集的数据对电极分布进行改正，可能导致一些数据的不准确。本发明根据掌子面36上已经确定的刀头的位置，设计出了直线电极、等距圆形电极、非等距圆形电极等多种电极分布，根据外界地质条件的不同选择TBM掘进时需要的最合适的刀头作为电极使用。

控制器和地质信息显示终端29可选用工业电脑，以小型界面、触摸屏、高分辨率、高处理速度、大内存量作为支撑，其中上位机界面可依据采集到的数据、处理后的数据等一系列信息汇总之后，进行软件编程，可以给用户展示出良好的一维、二维和三维界面，更能满足用户需求。

本发明的实际应用过程操作简单：

1、连接仪器。掌子面36上刀头刀座的绝缘问题先行处理好，连接掌子面36上的电极系统到电极箱35，通过控制电极箱35上的电极选择开关，选择合适的电极进行探测。电极箱35连接TBM主体内部护盾34和掌子面36之间的导电滑环33，导电滑环33分别与控制室内的信号发射机30和信号接收机31相连，信号发射机30与控制器相连接，信号接收机31通过RS485接口进行通讯，最后将数据导入到地质信息显示终端29中。

2、启动仪器。连接电源，打开信号发射机30、电极箱35、信号接收机31，最后打开控制器、地质信息显示终端29。

3、设置参数。设置信号发射机30的供电电压大小、频率大小和供电时间，信号接收机31的采样时间和采样频率。

4、仪器检测。测量接地电阻，检测电极系统与待测区的接触情况，检测信号发射机30、信号接收机31、通讯接口、控制器、地质信息显示终端29的接通情况。调节旋钮到零档，接通电源，看控制器的信号发生情况和地质信息显示终端29的接收情况。点击开始“输出电压”开关、“开始测量”开关、“停止采样”开关、“停止电压输出”开关。

5、保存退出。点击“保存数据”开关，保存采样值和一维、二维、三维界面，同时退出采集程序。

本发明的优点是：

1、该发明通过驱动控制器28控制多路大功率高精度驱动，可以实现依据外界条件的变化调节信号发生机，实现大电流恒流输出，并根据屏蔽效果，可以实现供电电路和屏蔽电路大小可调的同行电压，根据外界测量环境的变化，使得电流能够在0～2.0A的范围内进行变化。

2、该发明设计了信号接收机，其中设置有多路信号接收模块，并选取其中的6路接收模块进行并行使用。其中1路接的是TBM护盾34，另外5路接的是由电极箱35通过导电滑环33的5路供电电路，大大提高了采集效率，极大满足了基于激发极化法的多电极测量相对于以前测量数据单一、较少等急需巨大的探测数据量的要求。导电滑环33设置有6个通道，剩余的1个通道可以根据实际情况作为预留通道或者接护盾通道。

3、该发明采用RS485通讯接口模式，数据采用标准ASCII码进行传输。由于数据采用高速传输(同时可将数据传输到地上监控室内)，况且TBM大部分时间工作在地质条件恶劣、各种干扰严重的环境下掘进的，因而通讯电缆采用铠装型双绞屏蔽电缆。

4、该发明采用导电滑环33，其中导电滑环设置有6个通道，如图4所示，定子和转子之间的出线口27由6个不等半径的圆组成，信号通过导线26在定子和转子之间通过不同半径的圆采用接触式连接的方式进行信号传输，定子和转子之间采用轴承式的连接方式。由于TBM的护盾34和掌子面36是分离的，在电流信号传输过程中，当TBM一直处于工作状态时，掌子面36也一直处于旋转状态中，解决了TBM内掌子面36上所连接的电缆线交缠在一起的问题。故而给在TBM掘进过程的在线监测领域又添一笔，极大地提高了地质超前预报的工作效率，节约了时间成本和经济成本。

5、该发明设计的电极箱35采用了多电极、多分布式的格局，打破了以往探测过程中单电极、单分布的格局。该发明依托TBM本身刀头位置的分布，以ANSYS有限元仿真为理论依据，在以直线电极、圆形等间距和圆形不等间距三种情况下进行数据探测，根据不同电极分布测量的数据与当前实际地质情况进行对比，采用最优的电极分布进行在线监测，以满足实际需求。

6、该发明对TBM掌子面36上刀头刀座的组装结构进行了微小修改，在不影响原有受力的情况下对刀头刀座的固定结构进行微小加工，代之以高抗压、高绝缘材料进行填充固定，并且在实际使用中无不良干扰。同时由于在实际使用过程中，TBM大多在硬岩环境中掘进，刀头与刀座的固定结构容易发生扭曲变形导致松动，对TBM掌子面36造成很大伤害，因此在对刀头和修改加工后的刀座固定结构进行探测时，一旦发现探测数据异常(数据为非水接触类)，我们可以及时发现问题并停机检查及更换刀头、刀座。

7、该发明可以完成多路电流同极性输出，完成视电阻率、接地电阻、视极化率、频率效应百分比等多原信息综合采集，具有很好的电流指向性，解决了探测过程中电流流向问题，有效的提高了预报距离。实时显示出TBM掌子面36前方一维、二维、三维的地质情况，更加满足目前国家重点工程建设中地质灾害的控制的迫切需求。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于激发极化法的TBM施工隧道聚焦型前向三维多电极在线探测系统，其特征在于，该系统包括电极组、电极箱、信号发射机、驱动控制器、信号接收机以及地质信息显示终端；

电极组包括多个导电电极，该多个导电电极呈规则排列设置在TBM掌子面，且与电极箱连接，电极箱通过导电滑环与驱动控制器连接；

驱动控制器用于对信号发射机进行驱动，信号发射机通过导电滑环与电极箱连接，信号发射机与导电滑环之间还设有电流模式选择开关，电流模式选择开关在驱动控制器的控制下，选择不同的电流模式，并通过导电滑环控制电极箱选择不同的电极模式，不同的电极模式控制电极组中不同的导电电极分布；

该系统还包括屏蔽电极，设置在护盾上，与信号发射机或者导电滑环连接，且屏蔽电极与电极组中的电极等电压；

信号接收机与导电滑环相连接，并通过通讯接口将电极组反馈的数据传入地质信息显示终端中进行数据处理，并根据处理结果生成控制信息，以控制驱动控制器。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述导电滑环设置在TBM掌子面与护盾之间。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述掌子面的刀头刀座部分的固定结构经过绝缘处理。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述地质信息显示终端进行数据处理后，形成一维、二维以及三维界面并显示。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述通讯接口为RS485通讯接口。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述导电滑环包括多个滑环，每个滑环对应一种电流模式。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，不同的导电电极分布包括直线电极分布、等距圆形电极分布以及非等距圆形电极分布。