CN106526681B - 基于交替供电及全断面隧道掘进机的地质超前探测方法 - Google Patents
基于交替供电及全断面隧道掘进机的地质超前探测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于交替电流及全断面隧道掘进机的地质超前探测方法，其包括以下步骤：(1)提供一个地质超前探测系统，所述地质超前探测系统包括位于隧道内的隧道掘进机、恒流源、程控继电器及光纤电流传感器，所述隧道掘进机包括护盾、刀盘及连接所述护盾及所述刀盘的主驱动轴承；(2)以预定周期切换所述恒流源的电流施加位置，以使所述恒流源交替供电给所述护盾及所述刀盘，同时测量对应的电压(3)根据基尔霍夫电流定律及电压与电流的关系计算出所述隧道掘进机的侧向地质体及前方地质体的视电阻率，进而分别分析所述侧向地质体及所述前方地质体的地质状况。
Description
技术领域
本发明属于地质超前探测技术相关领域，更具体地，涉及一种基于交替供电及全断面隧道掘进机的地质超前探测方法。
背景技术
电法探测是一种应用广泛的地质勘测方法，在地质体内通以强度一定、频率可调的电流，根据不同的地质体在电场下呈现的不同特征(电阻率和激发极化率)，以此来判断地质体的含水量或其他信息。德国GEO公司于2002年将该电法探测应用在隧道掘进机上，以所述隧道掘进机的刀盘和护盾作为探测电极向地质体内输送电流，用于预报掘进方向上的地质状况，为提高工程安全系数的研究提供了有利的数据支撑。
在实际工程中，往往更关心掘进方向上的地质状况，因此需要对刀盘电流的强度进行测量，但隧道掘进机的刀盘和护盾是通过主驱动轴承连接在一起，常规手段无法进行绝缘和测量电流，为此采用了光纤电流传感器作为测量设备，将光纤电流传感器缠绕在主驱动轴承上，穿过主驱动轴承自护盾流向刀盘的电流即可被测量出来，测量结果以测量电压U的形式表示，其正比于穿过主驱动轴承的电流If，比例系数为k。
U＝kIf (1)
然而实际应用中，光纤电流传感器的测量比例系数k并不是一成不变的，其受温度、光纤状态、环境振动等多种因素共同影响，随时间发生漂变，使得通过测量电压U和比例系数k计算出的电流If误差增大，影响对地质状况的准确判断。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于交替供电及全断面隧道掘进机的地质超前探测方法，其基于基尔霍夫电流定律，针对地质超前探测方法进行了设计。所述地质超前探测方法采用恒流源交替供电给护盾及刀盘，光纤电流传感器分别测量出所述护盾对地的电压及所述刀盘对地的电压，依据基尔霍夫电流定律及测量得到的电压值分别计算出流经所述护盾的电压及流经所述刀盘的电压；继而，依据电压与电流的关系计算出隧道掘进机的侧向地质体及前方地质体的视电阻率，进而分析所述侧向地质体及所述前方地质体的地质状况，消除了光纤电流传感器的测量比例系数随时间的改变对测量结果造成的影响，提高了测量结果的可靠性及准确性。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于交替供电及全断面隧道掘进机的地质超前探测方法，其包括以下步骤：
(1)提供一个地质超前探测系统，所述地质超前探测系统包括位于隧道内的隧道掘进机、恒流源、程控继电器及光纤电流传感器，所述隧道掘进机包括护盾、刀盘及连接所述护盾及所述刀盘的主驱动轴承；所述光纤电流传感器缠绕在所述主驱动轴承上，其测量结果以电压形式显示；所述恒流源连接于所述程控继电器，其通过所述程控继电器分为两路电流以分别为所述护盾及所述刀盘供电；
(2)所述程控继电器以预定周期切换所述恒流源的电流施加位置，以使所述两路电流交替供电，即所述护盾及所述刀盘被交替供电；所述光纤电流传感器分别测量所述护盾对地的电压U及所述刀盘对地的电压U’；
(3)根据基尔霍夫电流定律推导得出公式(a)，并根据公式(a)计算出流经所述护盾的电流I1及流经所述刀盘的电流I2；同时，根据电压与电流的关系计算出所述隧道掘进机的侧向地质体及前方地质体的视电阻率，进而分别分析所述侧向地质体及所述前方地质体的地质状况；
式中，I为已知的所述恒流源的总输入电流。
进一步的，所述恒流源的地端连接于锚杆上，所述锚杆位于所述隧道后方200米处。
进一步的，所述预定周期为流经所述刀盘的电流周期的整数倍，且两者相位相同。
进一步的，所述恒流源单独给所述护盾供电时，流经所述主驱动轴承的电流等于流经所述刀盘的电流；所述恒流源单独给所述刀盘供电时，流经所述护盾的电流等于流经所述主驱动轴承的电流。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于交替供电及全断面隧道掘进机的地质超前探测方法，其采用恒流源交替供电给护盾及刀盘，光纤电流传感器分别测量出所述护盾对地的电压及所述刀盘对地的电压，依据基尔霍夫电流定律及测量得到的电压值分别计算出流经所述护盾的电压及流经所述刀盘的电压；继而，依据电压与电流的关系计算出隧道掘进机的侧向地质体及前方地质体的视电阻率，进而分析所述侧向地质体及所述前方地质体的地质状况，消除了光纤电流传感器的测量比例系数随时间的改变对测量结果造成的影响，提高了测量结果的可靠性及准确性。
附图说明
图1是本发明较佳实施方式提供的基于交替供电及全断面隧道掘进机的地质超前探测方法的流程图。
图2是图1中的基于交替供电及全断面隧道掘进机的地质超前探测方法涉及的地质超前探测系统的工作状态图。
图3是图2中的地质超前探测系统的另一个工作状态图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-护盾，2-主驱动轴承，3-光纤电流传感器，4-刀盘。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1至图3，本发明较佳实施方式提供的基于交替供电及全断面掘进机的地质超前探测方法，其基于基尔霍夫电流定律，采用交替电流的供电方式来消除光纤电流传感器的测量比例系数随时间的漂移对测量结果的影响。
本实施方式提供的基于交替供电及全断面掘进机的地质超前探测方法，其包括以下步骤：
步骤一，提供一个地质超前探测系统，并将所述地质超前探测系统设置于待探测地质体内。具体地，所述地质超前探测系统包括位于隧道内的隧道掘进机、恒流源、程控继电器及光纤电流传感器3，所述隧道掘进机包括护盾1、刀盘4及连接所述护盾1及所述刀盘4的主驱动轴承2。所述光纤电流传感器3缠绕在所述主驱动轴承2上，其用于测量流经所述主驱动轴承2的电流值，并以电压形式显示。所述恒流源通过所述程控继电器分为两路电流，此两路电流分别为第一路电流及第二路电流，所述第一路电流及所述第二路电流分别施加在所述护盾1及所述刀盘4上。所述恒流源的地端连接于所述隧道后方200米处的锚杆上。
步骤二，改变所述地质体超前探测系统施加电流的位置以使两路电流交替供电，并测量对应的电压。具体地，所述程控继电器用于以预定周期切换所述恒流源的电流施加位置，以使所述第一路电流及所述第二路电流交替供电，即所述护盾1及所述刀盘4被交替供电。所述恒流源的总输入电流为I，所述第一路电流及所述第二路电流分别供电时，所述护盾1对地的电压U及所述刀盘4对地的电压U’均可由所述光纤电流传感器3测量获得。
步骤三，根据相关公式计算出电流，并根据所述电流与所述电压的关系计算出视电阻率，进而根据所述电阻率分析地质状况。具体地，依据所述电压U及所述电压U’即可计算出所述护盾1流向侧向地质体的电流I1和由所述刀盘4流向前方地质体的电流I2，进而可以计算出所述侧向地质体及所述前方地质体的视电阻率，所述侧向地质体的电阻率反映了所述侧向地质体的地质状况，所述前方地质体反映了所述前方地质体的地质状况。本实施方式中，流经所述护盾1的电流即为由所述护盾1流向所述侧向地质体的电流I1；流经所述刀盘4的电流即为所述刀盘4流向所述前方地质体的电流I2。
所述视电阻率的具体推导过程如下：
当所述恒流源的总输入电流I以所述第一路电流施加在所述护盾1上时，电流会分为两部分：流经所述护盾的电流为I1和流经所述刀盘4的电流为I2。流经所述主驱动轴承2的电流If等于流经所述刀盘4的电流I2。根据基尔霍夫电流定律，得公式(2)。
当所述恒流源的总输入电流I以所述第二路电流施加在所述刀盘4时，因所述护盾1与所述刀盘4经所述主驱动轴承2连接而等电位，流经所述护盾1的电流I1和流经所述刀盘4的电流I2的大小和方向均不发生改变，而此时流经所述主驱动轴承2的电流If’大小和方向改变，同时，因所述程控继电器的切换频率较高，可以认为切换一次的时间内所述光纤电流传感器3的测量比例系数k是不变的，因此得公式(3)。
联立(2)与(3)得出公式(4)。
因此，采用所述程控继电器使所述第一路电流及所述第二路电流交替供电，流经所述刀盘4的电流I2和流经所述护盾1的电流I1均可解出，且两者均与所述测量比例系数k无关。
根据电压与电流之间的关系，所述护盾1对地的电压U除以流经所述护盾1的电流I1得到所述侧向地质体的视电阻率；所述刀盘4对地的电压U’除以流经所述刀盘4的电流I2得到所述前方地质体的视电阻率，依据计算获得的两个视电阻率分别分析所述侧向地质体及所述前方地质体的地质状况。
本实施方式中，所述预定周期为流经所述刀盘4的电流周期的整数倍，且两者相位相同，以便每一次切换都能够收集到相等的整数倍周期信号数据，方便后期信号数据的提取和处理。
本发明提供的基于交替供电及全断面隧道掘进机的地质超前探测方法，其采用恒流源交替供电给护盾及刀盘，光纤电流传感器分别测量出所述护盾对地的电压及所述刀盘对地的电压，依据基尔霍夫电流定律及测量得到的电压值分别计算出流经所述护盾的电压及流经所述刀盘的电压；继而，依据电压与电流的关系计算出隧道掘进机的侧向地质体及前方地质体的视电阻率，进而分析所述侧向地质体及所述前方地质体的地质状况，消除了光纤电流传感器的测量比例系数随时间的改变对测量结果造成的影响，提高了测量结果的可靠性及准确性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于交替供电及全断面隧道掘进机的地质超前探测方法，其包括以下步骤：
(1)提供一个地质超前探测系统，所述地质超前探测系统包括位于隧道内的隧道掘进机、恒流源、程控继电器及光纤电流传感器，所述隧道掘进机包括护盾、刀盘及连接所述护盾及所述刀盘的主驱动轴承；所述光纤电流传感器缠绕在所述主驱动轴承上，其测量结果以电压形式显示；所述恒流源连接于所述程控继电器，其通过所述程控继电器分为两路电流以分别为所述护盾及所述刀盘供电；
(2)所述程控继电器以预定周期切换所述恒流源的电流施加位置，以使所述两路电流交替供电，即所述护盾及所述刀盘被交替供电；所述光纤电流传感器分别测量所述护盾对地的电压U及所述刀盘对地的电压U’；
(3)根据基尔霍夫电流定律推导得出公式(a)，并根据公式(a)计算出流经所述护盾的电流I1及流经所述刀盘的电流I2；同时，根据电压与电流的关系计算出所述隧道掘进机的侧向地质体及前方地质体的视电阻率，进而分别分析所述侧向地质体及所述前方地质体的地质状况，其中在此过程中，所述护盾对地的电压U除以流经所述护盾的电流I1即得到所述侧向地质体的视电阻率，所述刀盘对地的电压U’除以流经所述刀盘的电流I2即得到所述前方地质体的视电阻率；
式中，I为已知的所述恒流源的总输入电流。
2.如权利要求1所述的基于交替供电及全断面隧道掘进机的地质超前探测方法，其特征在于：所述恒流源的地端连接于锚杆上，所述锚杆位于所述隧道后方200米处。
3.如权利要求1所述的基于交替供电及全断面隧道掘进机的地质超前探测方法，其特征在于：所述预定周期为流经所述刀盘的电流周期的整数倍，且两者相位相同。
4.如权利要求1所述的基于交替供电及全断面隧道掘进机的地质超前探测方法，其特征在于：所述恒流源单独给所述护盾供电时，流经所述主驱动轴承的电流等于流经所述刀盘的电流；所述恒流源单独给所述刀盘供电时，流经所述护盾的电流等于流经所述主驱动轴承的电流。
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