CN106707351B - 一种tbm施工隧道超前探测磁共振装置系统 - Google Patents

Abstract

本发明为涉及掘进机探测系统技术领域，具体涉及一种TBM施工隧道超前探测磁共振装置系统，包括，发射线圈、接收线圈、磁共振主机、人工场源、核磁共振反演模块等，所述发射线圈与接收线圈布设于隧道掘进机刀盘后方，所述发射线圈与接收线圈通过高速导电滑环与磁共振主机连接，在发射线圈中通入交变电流，通过接收线圈接收到核磁共振信号，核磁共振反演模块得出隧道掌子面前方含水地质体的含水量，实现含水地质体的实时、定量化超前探测，确保隧道的施工安全。

Description

一种TBM施工隧道超前探测磁共振装置系统

技术领域

本发明为涉及掘进机探测系统技术领域，具体涉及一种TBM施工隧道超前探测磁共振装置系统。

背景技术

随着西部大开发战略的深入开展与实施，我国的工程建设重心逐步向地质条件复杂的西部山区与岩溶地区转移，隧道等地下工程建设面临着大埋深、长轴线、强岩溶等方面的挑战，加之施工前期的地质勘查工作难以查清隧洞沿线的工程地质和水文地质条件，导致在隧道施工中将面临诸多地质灾害，如：突水突泥、塌方、岩爆等。其中，突水突泥是隧道主要的地质灾害之一。隧道在建设的过程中，高速、高压的突水、突泥等事故频发，轻则造成设备损失、工期延误，重则造成人员伤亡、工程失效等，给隧道建设和人民生命财产带来了难以估量的损失。

隧道全断面掘进机施工是施工、掘进、出渣、衬砌、灌浆等一次完工的隧道施工方法，具有高效、快速、优质、安全等特点，越来越多地应用到隧道等地下工程领域中，但是，隧道全断面掘进施工对不良工程地质的适应性较差，特别是在岩溶地区，一旦发生突水突泥事故，将会对整个工程造成毁灭性的打击，为了能够克服解决这些问题，避免隧道掘进机在施工的过程中遭受到突水突泥灾害的威胁，最有效的方法就是在隧道掘进机施工的同时进行隧道超前探测。

由于隧道掘进机本身就是一个庞大的金属构件，电磁环境极为复杂，导致TEM、探地雷达等均不能应用隧道掘进机施工环境，同时，隧道掘进机占据了隧道掌子面后方的大部分空间，不具备布置测线的空间，且在隧道掘进机工作的时候，对边墙掌子面震动较大，导致地震波法(TSP、TRT等)均不能应用于隧道超前预报中，隧道核磁共振超前探测是一种直接、定量化的超前探测手段，具有信息丰富、解译唯一、高分辨率、抗干扰能力强等优点，能够适应于隧道掘进机施工条件，可以对掌子面前方的含水地质体进行实时、定量化的超前探测。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种TBM施工隧道超前探测磁共振装置系统，能够有效克服现有技术所存在的抗干扰能力差、工作空间受限制等缺点，实现隧道掘进机施工的实时、定量化隧道超前探测。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种TBM施工隧道超前探测磁共振装置系统，包括发射线圈、接收线圈、高速导电滑环、电流输入输出线、信号输入输出线、核磁共振主机、反演模块、人工场源等。所述发射线圈与接收线圈固定于刀盘后方，所述发射线圈与接收线圈通过高速导电滑环与核磁共振主机相连。

所述发射线圈采用粗芯铜导线，导电能力强，能够保证发射脉冲的强度，采用圆形线圈，且直径比隧道掘进机刀盘直径略小，固定于刀盘的后端。

在所述发射线圈后方设置电磁屏蔽舱门，防止后方高压输电线对于探测结果的影响。

所述的电流输出线与信号输入线分别于发射、接收线圈相连，且采用刚性材料。

优选地，电流输出线与信号输入线与发射、接收线圈之间通过防爆航空插头相连，保证该装置系统在隧道中的工作安全。

所述的高速导电滑环为多通道高速导电滑环，有转子与定子两部分组成，转子端与发射线圈和接收线圈相连，定子端与核磁共振主机相连，多通道导电滑环同时传输电流与多组核磁共振信号，保证隧道掘进机在工作的过程中对隧道进行超前探测。

所述人工场源布设于隧道掘进机刀盘后端，接近于核磁共振发射线圈，增强环境磁场的强度，克服由于天然磁场强度较低而导致的核磁共振信号较微弱的缺陷。

所述反演模块固定于核磁共振主机上，包括步骤：

(1)信号处理

(2)信号拟合

(3)核函数生成

(4)数据反演

最终得到核磁共振超前探测的结果。

(三)有益效果

本发明提供的一种TBM施工隧道超前探测磁共振装置系统，与现有技术相比，该方法能够有效地克服环境噪声的干扰，反演结果具有唯一性，在非接触的情况下实现隧道的超前探测，且在不影响隧道掘进机施工的前提下实现了隧道的实时、三维、定量化超前探测，为隧道开挖和后续处理措施提供数据支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本装置整体示意图；

图2是高速多通道导电滑环示意图；

图中的标号分别代表：

1、隧道掘进机，2、隧道掘进机刀盘，3、发射线圈，4接收线圈，5、多通道高速导电滑环，6、电流输出线，7、信号输入线，8、电流输入线，9、信号输出线，10、电磁场屏蔽门，11、磁共振主机，12、防爆航空插头，13、反演模块，14、反演结果显示屏，15、人工场源，16、人工激发磁场，17、电磁屏蔽门小孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种TBM施工隧道超前探测磁共振装置系统，包括发射线圈3、接收线圈4、多通道高速导电滑环5、输入电流线8、输出电流线6、输入信号线7,、输出信号线9、磁共振主机11、防爆航空插头12、反演模块13、反演结果显示屏14、人工场源15、电磁屏蔽门10。

发射线圈3固定于隧道掘进机刀盘2上，通过输出电流线6与多通道高速导电滑环5相连，与此同时，多通道高速导电滑环5与输入电流线8相连，多通道高速导电滑环8通过防爆航空插头与磁共振主机11相连。

接收线圈4布设于隧道掘进机1刀盘2后方，通过输入信号线7与多通道高速导电滑环5相连，多通道高速导电滑环5通过输出信号线9连接于防爆航空插头12，航空插头12与磁共振主机11相连。

所述发射线圈3接收线圈4均固定于隧道掘进机1刀盘2上，随着刀盘的旋转而旋转，输出电源线6、输入信号线7采用刚性材料，与多通道高速导电滑环转子端相连。

所述电磁屏蔽门10中间设置有小孔17，保证连接线8、9能够在电磁屏蔽门10处于关闭状态的时候顺利穿过，与磁共振11主机相连。

人工场源15布设于靠近隧道掘进机刀盘的工作台上，位于电磁屏蔽门之前，提高环境磁场的强度，提高磁共振信号的强度。

在进行实际探测的过程中，

按图1所示布设好发射线圈3、接收线圈4，连接好连接线6、7、8、9，关闭电磁屏蔽门。磁共振主机向输入电流线8中通入交变电流，通过输出电流线6通入到发射线圈3中，发射线圈在交变电流的作用下会产生交变磁场，掌子面前方含水地质体中的氢质子在交变磁场的作用下，会发生能级跃迁，由低能级N1跃迁到高能级N2，当交变电流关断时，交变磁场消失，含水地质体中的氢质子又会从高能级N2回到低能级N1，同时释放出核磁共振信号，释放出的核磁共振信号被布设于隧道掘进机1刀盘2后方的接收线圈4获得，通过输入信号线7，经多通道高速导电滑环5和输出信号线9传输到核磁共振主机11中，并记录下来，记录下的核磁共振信号通过核磁共振反演模块反演得到掌子面前方含水地质体的三维构造形态以及准确的含水量。实现隧道掘进机施工的实时、三维、定量化超前预报。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种TBM施工隧道超前探测磁共振装置系统，其特征是：包括发射线圈、接收线圈、多通道高速导电滑环、输入电流线、输出电流线、输入信号线、输出信号线、磁共振主机、防爆航空插头、反演模块、反演结果显示屏、人工场源和电磁屏蔽门；所述发射线圈与接收线圈布设于隧道掘进机刀盘后方，所述发射线圈与接收线圈通过多通道高速导电滑环与核磁共振超前探测主机连接，在发射线圈中通入交变电流，所述接收线圈通过输入信号线与多通道高速导电滑环相连，通过接收线圈接收到核磁共振信号，所述核磁共振反演模块得出隧道掌子面前方含水地质体的赋水信息。

2.如权利要求书1中所述的TBM施工隧道超前探测磁共振装置系统，其特征在于：所述发射线圈与接收线圈固定于隧道掘进机刀盘后方，通过屏蔽磁场舱舱门与后方区域相隔。

3.如权利要求书1中所述的TBM施工隧道超前探测磁共振装置系统，其特征在于：所述发射线圈与接收线圈通过多通道高速导电滑环与核磁共振主机相连，保证发射线圈、接收线圈在随着隧道掘进机刀盘旋转的过程中，能够与在静止平台上的核磁共振主机传输电流与信号。

4.如权利要求书1中所述的TBM施工隧道超前探测磁共振装置系统，其特征在于：在隧道掘进机刀盘附近布设人工场源，增强环境磁场的强度，克服由于天然磁场强度较低而导致的核磁共振信号较微弱的缺陷。

5.如权利要求书1中所述的TBM施工隧道超前探测磁共振装置系统，其特征在于：所述多通道高速导电滑环与输入电流线相连，多通道高速导电滑环通过防爆航空插头与磁共振主机相连。

6.如权利要求书1中所述的TBM施工隧道超前探测磁共振装置系统，其特征在于：所述电磁屏蔽门中间设置有小孔，保证连接线能够在电磁屏蔽门处于关闭状态的时候顺利穿过，与磁共振主机相连。

7.如权利要求书1中所述的TBM施工隧道超前探测磁共振装置系统，其特征在于：所述核磁共振超前探测主机内置反演模块，包括步骤：(1)信号处理，(2)信号拟合，(3)核函数生成，(4)数据反演，最终得到探测结果。