CN110824568B - 一种搭载于盾构机刀盘-内置聚焦式电法探水系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搭载于盾构机刀盘‑内置聚焦式电法探水系统及方法，包括：电极系、电极伸缩装置和激发极化探测仪器，所述电极伸缩装置前端与电极系尾部安装有压力传感器，在测试中，通过压力的数值间接反映电极系与土层的贴合情况，并在判断测量电极及供电电极接触状态良好后，对激发极化参数数据进行采集，实时探查盾构机前方赋存水体灾害源。本公开提出了一种盾构搭载的盾构机刀盘‑内置聚焦式电法探水系统，实现了盾构机与激发极化超前探测仪器的搭载集成，不干扰盾构施工，自动化程度高。

Description

一种搭载于盾构机刀盘-内置聚焦式电法探水系统及方法

技术领域

本发明属于地球物理探测领域，尤其涉及一种搭载于盾构机刀盘-内置聚焦式电法探水系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在地铁隧道建设中，盾构法施工在大部分城市中在占着较大的比重，我国大多城市都建设在冲洪积平原上，土体隧道居多，部分城市有着较为复杂的岩溶地区、富水层等不良地质，而且大多数修建于闹市区，对地层变形和既有设施的保护要求相当严格，当盾构掘进通过溶洞发育区时容易引发盾构机栽头、陷落或者地表沉降过大甚至坍塌等安全事故。

以国内现有技术而言，地铁前方预报方法应以地面方法为主(20m以上)、掌子面方法为辅。地面探测受各种干扰影响较大，如振动、电磁干扰等等，例如北京地铁开工前要进行地面雷达法空洞扫描探测，测线间距4m，探测深度基本在6m以上，而隧道实际开挖在10m以下，该探测方法对于隧道施工的帮助不大，而刀盘与掌子面之间空间狭小，传统的预报方法没有施展空间，可获取的数据较少。

地铁施工前方的地质情况难以通过地面勘探、传统地质预报的方法来解决，可获取的数据很少，这就使得施工具有了大量的未知性，仅仅通过驾驶员的经验和设计图纸来判断前方的地质情况是远远不够的，也增加了施工的风险。这种未知性，造成了人力物力的消耗、增加了成本，工期的延误，甚至会对周边的人员、建筑物造成不可估量的损失。这更说明，与地铁盾构前方及周边的相关的数据信息对施工异常关键，可为工程提供重要的参考。

因此在较为复杂的地质环境及地面环境下修建地铁隧道时，对超前地质预报技术的需求是非常迫切的，同时技术要求更加精细。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种搭载于盾构机刀盘、内置聚焦式电法探水系统及方法，能够实时探查盾构机前方赋存水体灾害源，并与地勘报告结合，确保掘进的安全性和效率。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

一种搭载于盾构机刀盘-内置聚焦式电法探水系统，包括：电极系、电极伸缩装置和激发极化探测仪器；

所述电极系包括测量电极、供电电极和同性源供电电极、无穷远电极B极和无穷远电极N极；

所述无穷远电极B极和部分同性源电极安装在盾构管片上，所述的无穷远电极N极安装在围岩上，所述测量电极和供电电极和部分同性源电极分别通过电极伸缩装置搭载于盾构机上；

所述激发极化探测仪器控制电极伸缩装置驱动测量电极、供电电极和部分同性源电极的伸缩；

所述电极伸缩装置前端与电极系尾部安装有压力传感器，在测试中，通过压力的数值间接反映电极系与土层的贴合情况，并在判断测量电极及供电电极接触状态良好后，对激发极化参数数据进行采集，实时探查盾构机前方赋存水体灾害源。

进一步的技术方案，所述供电电极安装在刀盘上，驱动供电电极A0伸缩的电极伸缩装置尾部固定在刀盘上；

所述部分同性源供电电极安装在盾构机的盾壳上；驱动部分同性源电极伸缩的电极伸缩装置尾部固定在盾壳上。

进一步的技术方案，所述供电电极内置于刀盘中，供电电极外表面在盾构机掘进过程中保持与刀盘平齐，或者略凹于刀盘。

进一步的技术方案，所述供电电极和测量电极均应固定在刀盘的开口处。

进一步的技术方案，在盾构机盾体上布设驱动同性源供电电极，第一环同性源供电电极距离掌子面一定距离，布置于推进油缸处，其他环的供电电极布置可超过盾壳，直接布置于管片，不需要接触围岩。

进一步的技术方案，所述供电电极位于刀盘的中心位置，围绕供电电极由近及远布置测量电极，取供电电极与测量电极的中点作为测量点；

随着供电电极与测量电极位置的不断变化和间距的增大，测量深度也逐渐增大，最后在掌子面上形成一系列的测深点。

进一步的技术方案，根据测深点探测的数据，利用三维反演技术，获取前方不明水体的精细探测和含水量估算。

进一步的技术方案，安装在刀盘上的电极载体装置除去与盾体的连接处外，为一个封闭、独立的个体，包括：金属壳体、无线数据传输系统、自供电系统、电极伸缩装置、压力传感器、位移传感器、绝缘垫、密封刷。

进一步的技术方案，激发极化探测仪器通过无线数据传输系统与上位机通信，传输数据并接收所下发的指令。

本发明还公开了一种搭载于盾构机刀盘-内置聚焦式电法探水系统的控制方法，利用盾构机安装管片的间隙进行探测，包括：

分别控制搭载在盾构机上的测量电极和供电电极伸出，并与围岩接触；

通过测量接触围岩的测量电极与布置在隧道边墙上的无穷远电极N极之间电阻值，以及压力传感器的量值来确定测量电极接触状态是否良好；

通过测量接触土层的供电电极与布置在隧道边墙上的无穷远电极B极之间电阻值，以及压力传感器的量值来确定供电电极接触状态是否良好；

通过调整自动伸缩装置的行程来保证接触状态的良好，测量电极和供电电极分别与土层接触良好后，对激发极化参数数据进行采集。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

基于本公开的系统及方法能够实时探查盾构机前方赋存水体灾害源，主要包括含水层、储层构造的分布、规模、富水程度的情况，并与地勘报告结合，确保掘进的安全性和效率。

本公开提出了一种盾构搭载的盾构机刀盘-内置聚焦式电法探水系统，实现了盾构机与激发极化超前探测仪器的搭载集成，不干扰盾构施工，自动化程度高。

本公开设计了一种适用于盾构施工环境的观测模式，电极系安装在盾构机刀盘、护盾、与盾构管片上，可较好的利用空间，实现盾构隧道无法进行实时探水。

本公开提出了利用盾构管片拼装的间隙进行探测的方式，实现了短距离多测量来提取海量数据的方法，进一步保证了预报的准确性以及施工的安全性。

附图说明

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

图1为本发明实施例一探测电极布置剖面示意图；

图2为本发明实施例一刀盘探测电极布置示意图；

图3为本发明实施例一电极载体示意图；

图中，1供电电极A0、2测量电极M、3同性源供电电极A1、4无穷远供电电极B、5无穷远测量电极N、6激发极化探测仪器、7金属壳体、8无线数据传输系统、9自供电系统、10电极伸缩装置、11压力传感器、12位移传感器、13绝缘垫、14密封刷。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

聚焦测深式概念：在掌子面供电电极A后方一定范围内布设多层供电电极，形成同性源供电电极系，以此屏蔽掌子面供电电极A的电流流向，使其趋向掌子面前方更大深度，从而达到聚焦电流前向测深的不良地质体超前探测目的。

激发极化法：它是以岩、矿石的激电效应差异为物质基础，通过观测和研究地下介质的激电效应的分布规律，达到勘查地下地质分布的一种电法勘探方法，简称激电法。

本发明具体实施例子中电极系安装于盾构机刀盘、护盾以及盾尾后的管片上，其中刀盘上电极通过电极载体搭载于盾构机上。激发极化探测仪器控制电极伸缩装置利用电能驱动液压杆能够实现电极的自动伸缩控制、利用位移传感器能够实现伸缩状态检测、利用压力传感器能够实现接触状态检测与测量，电极采内置式隐藏于盾构机刀盘，实现激发极化探测系统与盾构机的搭载集成。根据盾构施工的特点，每掘进一环便停机安装管片的特点，可获取到的数据是tbm施工的数十倍，从而可收集到海量数据来分析，提升预报的准确性。本方法解决了盾构施工隧道含水层、储层构造的分布、规模、富水程度激发极化超前探测难题，具有自动化测量程度高、安全快速可靠的优势，可以对掌子面前方的含水体进行三维反演成像，满足盾构施工隧道安全高效施工需求。

实施例一

参见附图1所示，本实施例公开了一种搭载于盾构机刀盘-内置聚焦式电法探水系统，包括供电电极A01、测量电极M2、同性源供电电极A13、无穷远供电电极B4、无穷远测量电极N5、和激发极化探测仪器6。

刀盘上电极系的布置位置如图2所示，采内置式隐藏于盾构机刀盘，遵循不破坏原有刀盘结构和不影响刀具使用的原则。

其中供电电极A01和测量电极M2安装在刀盘上，在盾构机开始施工后，是人力无法经常到达的区域，为了保证仪器的正常使用和更换，需要借助电极载体来与盾构机的刀盘连接，为一个封闭、独立的个体，如图3所示，包括：金属壳体7、无线数据传输系统8、自供电系统9、电极伸缩装置10、压力传感器11、位移传感器12、绝缘垫13、密封刷14。

采用二极测深法布置电极，在刀盘上布置供电电极A01和测量电极M2，将无穷远供电电极B4和无穷远测量电极5极均置于盾构机后方的管片上(视为“无穷远”处接地)，在盾构机盾体上布设驱动同性源供电电极A1。

无穷远供电电极B 4和部分同性源供电电极A1安装在盾构管片上，所述的无穷远测量电极N 5安装在围岩上，测量电极M2和供电电极A01分别通过电极载体搭载于盾构机上；无线数据传输系统主要是通过无线宽带来进行测量电极的数据传输，激发极化探测仪器6负责接收和数据反演；自供电系统需要满足供电电极A01、测量电极M2、电极载体上的相关元件所需用电，激发极化探测仪器分别控制每一个单独的电极载体来驱动测量电极M2和供电电极A01。

布设同性源供电电极系：第一环同性源供电电极距离掌子面3-5m，可布置于推进油缸处，其他环的供电电极布置可超过盾壳，直接布置于管片，不需要接触围岩。

供电电极大致位于刀盘的中心位置，围绕供电电极A01由近及远的灵活布置测量电极M2，二极装置通常取供电电极A01、测量电极M2的中点作为测量点。

随着供电电极A01、测量电极M2电极位置的不断变化和间距的增大，测量深度也逐渐增大，最后在掌子面上形成一系列的测深点，利用三维反演技术，获取前方不明水体的精细探测和含水量估算。

电极伸缩装置采用液压驱动实现电极伸缩；并且可以独立调整每个液压伸缩装置的行程。

为了尽可能保证电极的使用寿命，减少更换频率，电极采用高耐磨材质，与此同时供电电极A0和测量电极M外表面在盾构机掘进过程中保持与刀盘平齐，或者略凹于刀盘。

为了尽可能的不损坏刀盘结构同时也便于日后的维修与更换，供电电极A0和测量电极M均应尽可能的固定在刀盘的开口处。

电极系前端必须采用高耐磨材质，且在在掘进过程中供电电极A01与测量电极M 2应收回至在体内，内置于刀盘中，尽量避免损坏。

供电电极安装在刀盘上，部分同性源供电电极A13安装在盾构机的盾壳上。

供电电极安装在刀盘上时，驱动供电电极A01伸缩的电极载体装置尾部通过螺栓的形式固定在刀盘上。

电极伸缩装置尾部通过螺栓的形式固定在盾构机上，在仪器发生损坏时，可直接进行更换。

电极伸缩装置前端与电极系尾部安装有压力传感器，在测试中，可通过传感器的数值间接反映电极系与土层(岩层)的贴合情况。

更换刀盘前的装置时应选择更换刀具的时间，充分利用施工间隙。

为保证使用的便捷性，避免对原盾构机设备的干扰，所用的通讯模块均为无线通讯模块。

本系统均采用自供电的方式，以解决盾构机复杂环境下的较细管线易忽视、易损坏的问题。自供电系统采用充电电池，节约能源。

激发极化探测仪器可布置于盾构机的司机室内，或者由人工携带，控制供电电极供电电极A01、同性源供电电极A13，无穷远供电电极B 4，测量电极M2、无穷远测量电极N 5的工作状态，以及控制电极载体中的伸缩装置的行程长度。

在发现前方有含水溶洞时，及时预警，并结合多方信息进行分析，保证盾构施工的安全。

电极系中的供电电极A01、测量电极M 2、同性源供电电极A13端部均采用高耐磨材质。

伸缩装置端部均应附加密封刷，保证电极在回收过程中将泥水等大颗粒杂质过滤出去。

伸缩装置的底座与刀盘连接采用螺栓的形式，以便日后的更换。

伸缩装置采用液压伸缩的方式，行程为2-5cm即可。

伸缩装置应设置两个传感器，一个为位移传感器12，一个为压力传感器11，布设位置如图3所示。为电极的使用提供依据。

具体的，由激发极化探测仪器控制电极伸缩装置实现电极位置的调整、伸缩状态检测、接触状态检测与对前方含水情况的探测，实现激发极化探测系统与盾构机的搭载集成。

具体的，为了减少对盾构施工的影响，本次数据传输均采用无线的方式进行，控制方式也是通过无线的方式来控制。

具体的，为了减少对盾构施工的影响，本次电极的供电方式均为自供电。

具体的，数据采集工作在盾构管片安装的间隙进行，每掘进一环，测量一次，每测量一次均进行判断电极的接触是否良好，从而获取大量的数据以便进行后期的分析，提升预报的准确性

实施例子二

公开了一种搭载于盾构机的盾构机刀盘-内置聚焦式电法探水方法，包括：

步骤一、打开激发极化探测仪器，单独控制搭载在盾构机刀盘上的测量电极2和供电电极1伸出，并与掌子面接触，控制同性源电极3伸出，与围岩接触；

步骤二、通过测量接触掌子面的测量电极2与布置在围岩上无穷远电极5之间电阻值和测量电极2后端与伸缩装置间压力值来确定测量电极2接触状态是否良好，若电阻值远远大于上一次测量值，同时压力值为不稳定或较小时，则判断接触状态不好；

步骤三、通过测量接触围岩的供电电极1与布置在盾构管片上的无穷远电极4之间电阻值和供电电极1后端与伸缩装置间压力来确定供电电极1接触状态是否良好，当压力值不稳定或较小时，可判断为接触状态不好；

步骤四、当发现接触状态不良时，调节伸缩装置的行程后，重复步骤1、2、3。直至满足接触要求。

步骤五、通过测量同性源电极3后端与伸缩装置间压力以及伸缩装置的行程来确定同性源电极3接触状态是否良好。

步骤六、在确定测量电极2和供电电极1均与掌子面接触良好，打开同性源电极3，开始正式接收测量电极2与无穷远测量电极5的数据(电阻值)；

步骤七：进行数据处理工作，得出前面地质情况，本次预报工作结束。

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

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种搭载于盾构机刀盘-内置聚焦式电法探水系统，其特征是，包括：电极系、电极伸缩装置和激发极化探测仪器；

所述电极系包括测量电极、供电电极和同性源供电电极、无穷远电极B极和无穷远电极N极；

所述无穷远电极B极和部分同性源供电电极安装在盾构管片上，所述的无穷远电极N极安装在围岩上，所述测量电极和供电电极和部分同性源供电电极分别通过电极伸缩装置搭载于盾构机上；

所述激发极化探测仪器控制电极伸缩装置驱动测量电极、供电电极和部分同性源供电电极的伸缩；

所述电极伸缩装置前端与电极系尾部安装有压力传感器，在测试中，通过压力的数值间接反映电极系与土层的贴合情况，并在判断测量电极及供电电极接触状态良好后，对激发极化参数数据进行采集，实时探查盾构机前方赋存水体灾害源；

在盾构机盾体上布设驱动同性源供电电极，第一环同性源供电电极距离掌子面一定距离，布置于推进油缸处，其他环的供电电极布置超过盾壳，直接布置于管片，不需要接触围岩。

2.如权利要求1所述的一种搭载于盾构机刀盘-内置聚焦式电法探水系统，其特征是，所述供电电极安装在刀盘上，驱动供电电极A0伸缩的电极伸缩装置尾部固定在刀盘上；

所述部分同性源供电电极安装在盾构机的盾壳上；驱动部分同性源供电电极伸缩的电极伸缩装置尾部固定在盾壳上。

3.如权利要求1所述的一种搭载于盾构机刀盘-内置聚焦式电法探水系统，其特征是，所述供电电极内置于刀盘中，供电电极外表面在盾构机掘进过程中保持与刀盘平齐，或者略凹于刀盘。

4.如权利要求1所述的一种搭载于盾构机刀盘-内置聚焦式电法探水系统，其特征是，所述供电电极和测量电极均应固定在刀盘的开口处。

5.如权利要求1所述的一种搭载于盾构机刀盘-内置聚焦式电法探水系统，其特征是，所述供电电极位于刀盘的中心位置，围绕供电电极由近及远布置测量电极，取供电电极与测量电极的中点作为测量点；

随着供电电极与测量电极位置的不断变化和间距的增大，测量深度也逐渐增大，最后在掌子面上形成一系列的测深点。

6.如权利要求1所述的一种搭载于盾构机刀盘-内置聚焦式电法探水系统，其特征是，根据测深点探测的数据，利用三维反演技术，获取前方不明水体的精细探测和含水量估算。

7.如权利要求1所述的一种搭载于盾构机刀盘-内置聚焦式电法探水系统，其特征是，安装在刀盘上的电极载体装置除去与盾体的连接处外，为一个封闭、独立的个体。

8.如权利要求1所述的一种搭载于盾构机刀盘-内置聚焦式电法探水系统，其特征是，激发极化探测仪器通过无线数据传输系统与上位机通信，传输数据并接收所下发的指令。

9.一种基于权利要求1所述系统的控制方法，其特征是，利用盾构机安装管片的间隙进行探测，包括：

分别控制搭载在盾构机上的测量电极和供电电极伸出，并与围岩接触；

通过测量接触围岩的测量电极与布置在隧道边墙上的无穷远电极N极之间电阻值，以及压力传感器的量值来确定测量电极接触状态是否良好；

通过测量接触土层的供电电极与布置在隧道边墙上的无穷远电极B极之间电阻值，以及压力传感器的量值来确定供电电极接触状态是否良好；

通过调整自动伸缩装置的行程来保证接触状态的良好，测量电极和供电电极分别与土层接触良好后，对激发极化参数数据进行采集。

Images