CN110161567B - 适用于tbm隧道的激发极化便携式快速布设电极装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了适用于TBM隧道的激发极化便携式快速布设电极装置及方法，包括:自动锁合机构、磁吸固定支撑机构、弹簧伸缩机构及接地电极；所述弹簧伸缩机构的一端安装有接地电极，所述弹簧伸缩机构的外表面分别设置有自动锁合机构、磁吸固定支撑机构；所述自动锁合机构在弹簧伸缩机构压缩时卡住接地电极，外力作用于自动锁合机构时，所述自动锁合机构带动弹簧伸缩机构伸长，弹射出接地电极。该装置采用伸缩结构，便于随身携带，并且伸长距离足够，满足与掌子面接触的要求。

Description

适用于TBM隧道的激发极化便携式快速布设电极装置及方法

技术领域

本公开涉及隧道技术领域，特别是涉及适用于TBM隧道的激发极化便携式快速布设电极装置及方法。

背景技术

TBM(全断面隧道掘进机)施工具有掘进污染小、掘进效率高、掘进效果好、掘进较为安全等诸多优势，越来越多的隧道建设中采用TBM施工。

TBM施工过程中，需要对掌子面前方的地质条件、水文情况进行相关的地球物理探测。受限于TBM占据了隧道的绝大部分空间，超前地质预报进行探测的活动空间十分有限；二则TBM具有复杂的机械机构和电气系统，电磁干扰、声波干扰较为严重，可选用的地球物理探测方法十分有限。相较于其他地球物理探测方法，激发极化法和地震法(锤击震源)较为适合TBM隧道施工过程中的超前地质预报任务。

电子导体和离子导电的岩石在人工电场中被极化的现象称为激发极化现象。激发极化就是经过研究激发极化电场的分布以达到找矿、探水或解决其他地质问题的一种方法。激发极化法是一种常用的地球物理探测手段，具有操作简便、经济高效、对含水体响应敏感等特点，被引入到隧道超前地质预报中。

发明人在研究中发现，目前为止，大部分TBM隧道中由于施作条件等限制，进行激发极化电极布设时往往需要工人进入刀盘，将电极抵靠在掌子面上，采集电流信号。虽然国内也有相关搭载式TBM激发极化装置，但由于掘进条件复杂多变，往往会对其电极造成损坏，影响后续探测过程。现有人共布设的激发极化电极多为简陋的绝缘体杆包裹电极和导电线，常常遇到以下现场问题：

1、电极无法伸缩，不便于随身携带，而且长度有限，如果刀盘与掌子面距离过远，则无法完成布设任务，需要启动TBM向前推进一段距离才能继续作业。

2、电极布设过程缓慢，影响TBM隧洞的后续开挖进度。

3、无法保证电极与掌子面的接触效果，容易发生与掌子面接触脱空，采集不到信号。

4、无法有效降低电极的接地电阻，必然会造成采集的电压或者电流值降低，影响采集信号的准确度，导致采集到的信号质量较差，增加后续解译工作难度，甚至影响对前方地质体的最终解译结果。

发明内容

本说明书实施方式的目的是提供适用于TBM隧道的激发极化便携式快速布设电极装置，采用伸缩结构，便于随身携带，并且伸长距离足够，满足与掌子面接触的要求。

本说明书实施方式提供适用于TBM隧道的激发极化便携式快速布设电极装置，通过以下技术方案实现：

包括:

自动锁合机构、磁吸固定支撑机构、弹簧伸缩机构及接地电极；

所述弹簧伸缩机构的一端安装有接地电极，所述弹簧伸缩机构的外表面分别设置有自动锁合机构、磁吸固定支撑机构；

所述自动锁合机构在弹簧伸缩机构压缩时卡住接地电极，外力作用于自动锁合机构时，所述自动锁合机构带动弹簧伸缩机构伸长，弹射出接地电极。

本说明书实施方式还提供适用于TBM隧道的激发极化便携式快速布设电极的方法，通过以下技术方案实现：

包括:

控制TBM刀盘与掌子面间距在设定距离之间；

TBM停工后，调配好盐水，将接地电极蘸入其中，使得接地电极中的海绵吸饱盐水；

将规定数量的吸饱盐水的接地电极安装在刀盘上，标定好电极布设位置；

将接地电极弹出，将接地电极通过滚刀刀孔抵靠在标定位置的掌子面上；

径向固定接地电极，将接地电极将自动抵靠在标定位置的掌子面上；

轴向压缩接地电极，将海绵中的盐水通过喷嘴喷射到掌子面上；

轴向和环向固定伸缩电极，完成激发极化掌子面电极的布设。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

本公开提供一种适用于TBM隧道的激发极化便携式快速布设电极装置，装置采用伸缩结构，便于随身携带，并且伸长距离足够，满足与掌子面接触的要求。

本公开对刀盘滚刀刀孔空间起到很好的综合利用，操作简单，方便普及，安装快速，对隧道施工进度影响小。

本公开通过弹簧装置压紧掌子面，并且通过自动喷射盐水降低电极接地电阻，数据采集效果好。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1(a)-图1(b)是本公开实施例子的装置一号伸缩杆收纳装置立侧剖面图和左视图；

图2(a)-图2(b)是本公开实施例子的装置一号伸缩杆支撑装置立侧剖面图和左视图；

图3是本公开实施例子的装置一号伸缩杆的左视图；

图4是本公开实施例子的装置二号、三号、四号伸缩杆剖面图；

图5是本公开实施例子的装置四号、五号伸缩杆以及紫铜阵列电极剖面图；

图6(a)-图6(b)是本公开实施例子的装置四号、五号伸缩杆以及紫铜阵列电极的左视图和右视图；

图7是本公开实施例子的装置五组伸缩杆组装后收纳装置立侧收纳状态示意图；

图8是本公开实施例子的装置五组伸缩杆组装后支撑装置立侧收纳状态示意图；

图9是本公开实施例子的装置五组伸缩杆组装后收纳装置立侧伸长状态示意图；

图10是本公开实施例子的装置五组伸缩杆组装后支撑装置立侧伸长状态示意图；

图中，1单向锁嘴，2锁嘴转轴，3锁嘴复位弹簧，4锁嘴支柱，5锁嘴挡板，6锁合杆，7压起杆，8复位转轴，9复位转轴支撑，10前挡块，11限位滑轨，12杆壁，13后挡块，14一号伸缩杆，15定位套筒，16防脱块，17上支撑，18定位转轴，19下支撑，20强磁块，21防滑垫，22直弹簧，23二号伸缩杆，24三号伸缩杆，25四号伸缩杆，26紫铜丝阵列，27喷嘴阵列，28活塞圆盘，29海绵，30轴向限位轴承，31母盘，32连接空心柱，33收纳卡盘，34五号伸缩杆，35电极接线，36伸缩电极。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例子一

该实施例公开了适用于TBM隧道的激发极化便携式快速布设电极装置，包括自动锁合机构、磁吸固定支撑机构、弹簧伸缩机构、接地电极。

在一实施例子中，弹簧伸缩机构总共包括五组伸缩杆，分别为：一号伸缩杆14、二号伸缩杆23、三号伸缩杆24、四号伸缩杆25、五号伸缩杆34，五组伸缩杆可以依次连接组合，相邻伸缩杆之间设置有弹簧。伸缩杆为空心圆柱形。

五组伸缩杆，尺寸依次减小，环环相扣，采用高强度、轻质、绝缘材料制作，两端设置有挡块，防止小号伸缩杆从大号伸缩杆中滑落。

在一实施例子中，弹簧采用轻质、高弹性材料制作，分别匹配一至四号伸缩杆内径尺寸，与伸缩杆内壁贴合，两端与相邻两个伸缩杆底部固连，表面镀有绝缘层，保证绝缘效果。

在该实施例中，一至四号伸缩杆内壁设置有限位滑轨，二至五号伸缩杆底部挡块上设置有相匹配的滑槽，可以保证伸缩杆在滑轨上顺畅滑动，同时避免轴向旋转，并在一定程度上增加杆件强度。

具体的，参见附图1(a)-图1(b)、图3所示，一号伸缩杆14上加装自动锁合机构和磁吸固定支撑机构；自动锁合机构包括单向锁嘴1、锁嘴转轴2、锁嘴复位弹簧3、锁嘴支柱4、锁嘴挡板5、锁合杆6、压起杆7、复位转轴8、复位转轴支撑9；所述的锁合杆6和压起杆7成一定角度一体铸造，与复位转轴8固连并通过复位转轴支撑9与一号伸缩杆14前部固连；所述的单向锁嘴1通过锁嘴复位弹簧3与锁嘴转轴2铰接，所述的锁嘴转轴2通过锁嘴支柱4与锁合杆6前端固连，所述的锁嘴挡板5可以保证单向锁嘴1在锁嘴复位弹簧3的作用下恢复起始位置。锁嘴挡板5在锁嘴复位弹簧3的作用下自动旋转恢复初始位置，即锁嘴复位弹簧压在锁嘴挡板5上。

在该实施例中，单向锁嘴让伸缩杆可以压入、固定，按动压起杆7，单向锁嘴1就会张开，在弹簧作用下伸缩杆就会弹出去。

自动锁合机构、磁吸固定支撑机构均设置在一号伸缩杆外表面上；自动锁合机构与一号伸缩杆固连，可以在弹簧伸缩机构压缩时卡住接地电极，完成伸缩杆的收纳；磁吸固定支撑机构通过定位套筒与一号伸缩杆活动连接，伸缩杆可以在定位套筒内旋转、滑动并在定位后进行锁定；所述的磁吸固定支撑机构可以在磁力和摩擦力作用下与TBM刀盘稳固吸附，起到固定作用；所述的接地电极安装于五号伸缩杆顶部，接地电极上设置有紫铜丝阵列和喷嘴，喷嘴可以在压力作用下将海绵中的盐水喷射到掌子面上，降低接地电阻。

如图4，图5所示所述的一号伸缩杆14、二号伸缩杆23、三号伸缩杆24、四号伸缩杆25、五号伸缩杆34结构相似，设置有前挡块10、限位滑轨11、杆壁12、后挡块13、直弹簧22。其中五号伸缩杆34因为是最后一杆所以不设置限位滑轨11、直弹簧22。

需要说明的是，伸缩杆的数量为2～5组，保证长度的同时确保强度，这样，里面的一组可以与接地电极相连，外面的一组的外表面设置自动锁合机构、磁吸固定支撑机构。

再次参见附附图2(a)-图2(b)所示，磁吸固定支撑机构包括定位套筒15、防脱块16、上支撑17、定位转轴18、下支撑19、强磁铁20、防滑垫21。所述的定位套筒15与一号伸缩杆14套接，所述的防脱块16与一号伸缩杆14后部固连，所述的上支撑17与定位套筒15固连，并通过定位转轴18与下支撑19铰接，所述的强磁铁20与下支撑19固连，并在底部与防滑垫21固连。防脱块防止定位套筒15从后端滑落，即防止磁吸固定机构从后端滑落。

磁吸固定支撑机构的定位套筒分为内外两环，两环之间可以通过轴承发生相对转动；所述的定位套筒内环内侧设置有滑槽，所述的一号伸缩杆表面设置有相匹配的滑轨，可以满足套筒沿轴向滑动的要求，滑动距离控制在35厘米左右；并能增加握持时的摩擦力，防止滑脱跌落。

磁吸固定支撑机构设置有定位转轴，可以满足一号伸缩杆绕轴转动的需求，并具有锁定功能，保证伸缩杆在转到合适角度后能稳固固定。

在一实施例子中，定位转轴可以设置紧固螺栓，转到合适角度后拧紧紧固螺栓即可锁定。

磁吸固定支撑机构采用永久磁铁——钕铁硼强磁铁，提供与掘进机刀盘之间的足够吸附力。磁铁下部设置有防滑垫，提供与掘进机刀盘之间的摩擦力；所述的防滑垫四周设置有安装磁屏蔽插片的插孔，可以在完成固定任务后插入铝片或者铜片，屏蔽强磁铁的磁力，便于收纳电极。

如图5，图6(a)-图6(b)所示，所述的五号伸缩杆34顶部设置有接地电极。所述的接地电极由紫铜丝阵列26、喷嘴阵列27、活塞圆盘28、海绵29、轴向限位轴承30、母盘31、连接空心柱32、收纳卡盘33组成。所述的收纳卡盘33与五号伸缩杆34顶部固连；所述的连接空心柱32分别与收纳卡盘33和母盘31中间固连；所述的活塞圆盘28通过轴向限位轴承30与母盘31活动连接，可以发生轴向滑动；所述的海绵29填装于母盘31中，所述的活塞圆盘28顶部设置有固连的紫铜丝阵列26、喷嘴阵列27。

如图7—10所示，电极接线35与母盘31固连，共同构成伸缩电极36。

自动锁合机构两个锁嘴之间的距离小于收纳卡盘直径，锁嘴外侧为楔形，可以保证收纳卡盘顺利压入，即被单向锁嘴1卡住，锁嘴内侧为平面，可以保证卡住收纳卡盘。

本实施例子的整个装置就是保证掌电极接线与掌子面的接地，装置起到架设电线作用。

锁嘴与锁嘴转轴之间设置有复位弹簧，在收纳卡盘压向锁嘴时锁嘴绕轴旋转，当收纳卡盘压入后，锁嘴在复位弹簧和锁嘴挡板的作用下恢复初始位置，卡住收纳卡盘。

自动锁合机构的锁合压起杆件通过复位转轴进行绕轴转动，所述的复位转轴内部设置有螺旋弹簧和复位卡槽，螺旋弹簧为复位转轴提供复位动力，复位卡槽保证锁合压起杆件一直能复位到初始位置，保证锁嘴间距一直是固定值。

收纳卡盘在卡住后，如果有外力作用于压起杆，会导致锁合杆张开，从而导致锁嘴间距变大，收纳卡盘便会在伸缩杆内置的直弹簧作用下弹射而出。

具体的，收纳卡盘在伸缩杆弹簧的作用下一直顶着锁嘴，当锁嘴张开直径大于收纳卡盘后，伸缩杆自动弹出。

接地电极上设置有紫铜丝阵列，具有良好的导电性，并且具有一定弹性变形能力，保证与掌子面之间的密切接触。

接地电极设置有母盘和活塞圆盘，所述的母盘中设置有海绵，可以吸附盐水。

母盘和活塞圆盘通过轴向限位轴承连接，可以满足活塞圆盘在母盘中一定范围内轴向自由滑动的要求。

轴向限位轴承、母盘、活塞圆盘采用导电材料制作，三者之间可以导电，电阻率极低。

活塞圆盘上设置有喷嘴阵列，推动伸缩杆，可以在压力作用下将海绵中的盐水喷射而出，冲刷掌子面，降低电极与掌子面之间的接地电阻。

在一实施例子中，一号伸缩杆直径为4厘米，其余伸缩杆依次递减0.5厘米，五号伸缩杆直径为2厘米；所述的伸缩杆长度为50厘米，其余伸缩杆依次递减2厘米，五号伸缩杆长度为42厘米；所述的接地电极直径为5厘米，从收纳卡盘到紫铜丝末梢长度为5厘米，满足穿过滚刀刀孔的要求；该伸缩电极总长度在225厘米——230厘米，满足绝大部分刀盘与掌子面之间的间距要求。

实施例子二

该实施例子公开了适用于TBM隧道的激发极化便携式快速布设电极装置的应用方法，如下：

A、通过TBM主控室控制刀盘与掌子面间距在1米到1.8米之间；

B、TBM停工后，调配好盐水，将接地电极蘸入其中，使得海绵吸饱盐水；

C、工人携带规定数量的吸饱盐水的伸缩电极进入刀盘，标定好电极布设位置；

D、握压压起杆，使锁合杆张开，接地电极弹出，将伸缩电极通过滚刀刀孔抵靠在标定位置的掌子面上；

E、将强磁铁放置在合适位置后拔出防滑垫中的磁屏蔽插片，从而径向固定伸缩电极，在直弹簧作用下，定位套筒沿轴向滑至复位转轴支撑后方并被挡住，伸缩电极将自动抵靠在标定位置的掌子面上；

F、通过定位套筒环向旋转伸缩电极，清理掌子面碎渣，保证接地效果；轴向压缩伸缩电极，压迫活塞圆盘将海绵中的盐水通过喷嘴喷射到掌子面上；锁定定位套筒，从而轴向和环向固定伸缩电极；完成激发极化掌子面电极的布设。

该实施例子中伸缩电极即为接地电极。

实施例子三

该实施例子公开了一种TBM系统，包括全断面隧道掘进机、控制系统，所述控制系统控制全断面隧道掘进机动作，所述全断面隧道掘进机TBM刀盘安装有实施例子一所述的适用于TBM隧道的激发极化便携式快速布设电极装置。

可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.适用于TBM隧道的激发极化便携式快速布设电极装置，其特征是，包括:

自动锁合机构、磁吸固定支撑机构、弹簧伸缩机构及接地电极；

所述弹簧伸缩机构的一端安装有接地电极，所述弹簧伸缩机构的外表面分别设置有自动锁合机构、磁吸固定支撑机构；

所述自动锁合机构在弹簧伸缩机构压缩时卡住接地电极，外力作用于自动锁合机构时，所述自动锁合机构带动弹簧伸缩机构伸长，弹射出接地电极；所述弹簧伸缩机构包括多组伸缩杆，伸缩杆的直径及长度从外至内依次递减，环环相扣，伸缩杆两端均设置有挡块。

2.如权利要求1所述的适用于TBM隧道的激发极化便携式快速布设电极装置，其特征是，除尺寸最小的伸缩杆之外的所有伸缩杆内壁均设置有限位滑轨，除尺寸最大的伸缩杆之外的所有伸缩杆底部挡块上均设置有于限位滑轨相匹配的滑槽。

3.如权利要求2所述的适用于TBM隧道的激发极化便携式快速布设电极装置，其特征是，所述自动锁合机构为对称结构，分别包括单向锁嘴、锁合杆及压起杆；

所述锁合杆和压起杆成一定角度一体铸造，与复位转轴固连并通过复位转轴支撑与尺寸最大的伸缩杆前部固连；

所述单向锁嘴通过锁嘴复位弹簧与锁嘴转轴铰接，所述锁嘴转轴通过锁嘴支柱与锁合杆前端固连；

所述锁合杆的前端设置有锁嘴挡板，锁嘴挡板保证单向锁嘴在锁嘴复位弹簧的作用下恢复起始位置。

4.如权利要求2所述的适用于TBM隧道的激发极化便携式快速布设电极装置，其特征是，所述磁吸固定支撑机构包括定位套筒、防脱块及强磁铁；

所述的定位套筒与尺寸最大的伸缩杆套接，尺寸最大的伸缩杆后部固连防脱块，上支撑与定位套筒固连，上支撑并通过定位转轴与下支撑铰接，所述的强磁铁与下支撑固连，并在底部与防滑垫固连。

5.如权利要求4所述的适用于TBM隧道的激发极化便携式快速布设电极装置，其特征是，所述定位套筒分为内外两环，两环之间通过轴承发生相对转动；所述的定位套筒内环内侧设置有滑槽，所述尺寸最大的伸缩杆表面设置有相匹配的滑轨。

6.如权利要求4所述的适用于TBM隧道的激发极化便携式快速布设电极装置，其特征是，所述的防滑垫四周设置有安装磁屏蔽插片的插孔，在磁吸固定支撑机构固定后插入铝片或者铜片，屏蔽强磁铁的磁力。

7.如权利要求1所述的适用于TBM隧道的激发极化便携式快速布设电极装置，其特征是，所述的接地电极包括紫铜丝阵列、喷嘴阵列、活塞圆盘、母盘及收纳卡盘；

所述收纳卡盘与尺寸最小的伸缩杆顶部固连；连接空心柱分别与收纳卡盘和母盘中间固连；

所述活塞圆盘通过轴向限位轴承与母盘活动连接，可以发生轴向滑动；

海绵填装于母盘中，所述活塞圆盘顶部设置有固连的紫铜丝阵列、喷嘴阵列；

进一步的，自动锁合机构两个单向锁嘴之间的距离小于收纳卡盘直径，单向锁嘴外侧为楔形，保证收纳卡盘顺利压入，单向锁嘴内侧为平面，保证卡住收纳卡盘；

进一步的，电极接线与母盘固连，共同构成伸缩电极。

8.一种TBM系统，其特征是，包括全断面隧道掘进机、控制系统，所述控制系统控制全断面隧道掘进机动作，所述全断面隧道掘进机TBM刀盘安装有权利要求1-7任一所述的适用于TBM隧道的激发极化便携式快速布设电极装置。

9.适用于TBM隧道的激发极化便携式快速布设电极的方法，其特征是，包括:

控制TBM刀盘与掌子面间距在设定距离之间；

TBM停工后，调配好盐水，将接地电极蘸入其中，使得接地电极中的海绵吸饱盐水；

将规定数量的吸饱盐水的接地电极安装在刀盘上，标定好电极布设位置；

将接地电极弹出，将接地电极通过滚刀刀孔抵靠在标定位置的掌子面上；

径向固定接地电极，将接地电极将自动抵靠在标定位置的掌子面上；

轴向压缩接地电极，将海绵中的盐水通过喷嘴喷射到掌子面上；

轴向和环向固定伸缩电极，完成激发极化掌子面电极的布设。

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