CN110988980B - 一种盾构机搭载的相控阵声波超前地质探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构机搭载的相控阵声波超前地质探测系统及方法，包括相控阵声波发射与接收装置、探头自动伸缩装置、自动保护清洁装置、信号处理与成像系统。本装置搭载于盾构机的刀盘上，通过液压推杆使得声波阵列探头接触掌子面，采用相控阵发射技术发射聚焦声波，并接收从掌子面前方反射回来带有前方地质信息的反射波信号。通过主机系统不断控制改变声波波束的扫描方向，在获取异常体疑似位置的前提下，利用聚焦技术精细化成像疑似位置，直至完成整个二维截面的扫描，然后转动刀盘，继续进行下一个二维截面扫描，最终实现掌子面前方的三维地质探测。本发明解决了隧道超前地质预报成像分辨率不高、声波能量衰减严重、自动化程度不高的问题。

Description

一种盾构机搭载的相控阵声波超前地质探测系统及方法

技术领域

本发明涉及隧道掘进机施工过程中的超前地质预报领域，涉及一种盾构机搭载的相控阵声波超前地质预报探测系统及方法。

背景技术

21世纪是地下空间大发展的世纪，随着我国西部建设的全面开展，铁路、公路、水电、跨区域调水等领域会修建更多的长大隧道工程，隧道施工中的超前地质预报关系到工程的安全、质量和进度，因而备受关注。特别是在地质条件复杂的隧道工程中，十分有必要进行超前预报工作。我国西部为多山地区，地质条件复杂，隧道开挖中的坍塌、冒顶、突水突泥等地质灾害时有发生，给施工带来极大的困难，甚至出现严重的人员财产损失。因而在公路、铁路和水电工程的地下隧道施工中也逐渐开始了地质超前预报工作，以此保证施工安全，减少地质灾害损失。

现如今，盾构掘进机是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土渣、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，已广泛应用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程。

盾构机施工条件下的超前地质预报要解决的问题主要包括孤石、抛石等不良地质对象的位置、规模的判定。针对孤石、抛石等不良地质对象国内从20世纪50年代开始，先后采用超前地质导坑、水平超前钻探、地震跨孔CT等方法进行超前地质预报。上述方法对盾构机掘进施工干扰大、探测距离有限，不能满足隧道快速、科学施工的需要。为研究施工干扰小、探测距离远、预报准确的科学预报方法，人们开始探索施工新的地球物理的方法进行超前预报工作。例如，地质雷达、反射地震方法等方法。由于盾构机刀盘始终紧贴掌子面，导致高分辨率的地质雷达方法观测系统布置受限，其无法在掌子面进行扫描探测。

为顺应当下隧道工程建设中已广泛应用隧道掘进机的形势，满足高效、安全、经济的施工要求，发明人提出设计一种搭载于盾构机上的自动化探测的超前地质预报装置。由于盾构机施工环境的局限性和机械设备的复杂性，盾构机搭载的相控阵声波超前地质预报装置主要面临以下难题：

(1)反射波地震勘探预报距离远，但是地震波的频率较低，成像分辨率很难达到盾构精细化施工的尺度要求，尤其在判定孤石、抛石时，还存在较大的难度，易导致盾构机刀盘磨损、卡机问题；

(2)针对盾构机工作特点，刀盘外部被泥沙或泥水充填，适宜盾构机工作的地层一般为土质地层或者软岩地层，在常规方法下地震波衰减严重；

(3)隧道内可供观测的空间位置有限，观测系统的布置受到限制，很难大范围内接收有效反射波，且接收信号易受周围杂波的干扰，因而要准确地达到超前预报的要求难度大；

(4)相控阵声波换能器数目多，包含异常地质体信息的数据量巨大，如何充分利用盾构机特点提出高效的异常体成像方法，实现不良地质体的实时成像亟需解决。

发明内容

为克服现有技术不足，为满足安全、高效、经济的施工要求，本发明提出了一种搭载于盾构机上利用聚焦声波进行勘探的超前地质预报系统及方法。该装置自动化程度高，具有配设在规定位置的多个声波元件，上述多个声波元件可以相控发射声波至检查对象并接收检查对象反射的声波。相控发射的特点是所发射的声波信号以一定宽度的波束向地层发射，其声场有一定的指向性，穿透能力强、分辨率高、声效率高。能够有效解决以往超前地质探测中分辨率不够、能量衰减严重的问题。该装置具备探头的自动保护、伸缩、清洗装置，水路、油路、电路合理配置，实现刀盘探测系统的电路控制与数据回传。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

第一方面，本发明提出了一种盾构机搭载的相控阵声波超前地质探测系统，包括安置在盾构机刀盘背于旋转方向的主辐条侧壁上的相控阵声波发射与接收装置，所述的相控阵声波发射与接收装置包括多个声波探头组，每个声波探头组包括多个声波发射接收单元，多个声波探头组形成声波阵元组；每个声波发射接收单元具有发射声波和接收反射波的功能；

所述的每个声波探头组安装在一个探头保护装置内，探头保护装置安装在液压推进装置的伸缩杆头部，且可以相对于液压推杆旋转，且在探头保护装置上还安装有压力感应器,所述的压力传感器用于检测声波探头与掌子面接触的压力大小；在所述液压推进装置的伸缩杆上设有高压水喷头，所述的高压水喷头通过管路与供水装置相连；所述的压力传感器、相控阵声波发射与接收装置、供水装置均与控制装置相连。

作为进一步的技术方案，所述的多个声波探头组按照单线排列或者十字状排列将其安置在盾构机刀盘背于旋转方向的主辐条侧壁上，在刀盘掘进时可避免土块、碎石的直接摩擦撞击，起到一定的保护作用。

作为进一步的技术方案，每个声波探头组等间隔分布在刀盘中心两侧的主辐条侧壁上。探头的安装不改变盾构机刀盘的原有结构，适合盾构机的原厂生产加装以及所有已投入生产的盾构机的后期加装。

作为进一步的技术方案，所述的探头保护装置为一个球形保护装置，所述的声波探头组安装在球形保护装置内，且球形保护装置可相对于推杆头部旋转，球形保护装置与推杆头部之间密封。

作为进一步的技术方案，在每节液压伸缩杆的顶部周边，呈环状放置有多个高压水喷头，在液压伸缩杆收缩前及收缩过程中，可用水喷头喷出高速水流，清洁液压杆上的泥浆与尘土，避免液压杆在收缩过程中受到杂物的堵塞。

第二发明，本发明基于上述盾构机搭载的相控阵声波超前地质探测系统，还提出一种探测方法，具体如下：

步骤1，探头保护装置打开，液压杆往前推动多个声波探头组，直至所有的声波探头组与掌子面形成良好的接触；

步骤2，通过单个声波探头组触发，所有声波探头组接收获取反射回波信息，利用处理成像系统获得背景速度场；

步骤3，根据背景速度场，系统通过控制各个声波探头组不同的延迟，形成某一个方向的扫描声束；

步骤4，各个声波探头组接收回波信号，存入存储单元，存储单元将回波数据上传至处理成像系统，处理成像系统得到这一侧扫描方向的疑似异常体位置成像结果；

步骤5，根据疑似异常体位置，系统通过改变各个声波探头组间触发延迟，进行逐点聚焦，各个声波探头组接收回波信号存入存储单元，存储单元将数据上传至成像系统，获取精细化二维单方向扫描结果；

步骤6，重复步骤3、步骤4、步骤5，通过改变各声波探头组延时进行不同方向的扫描声束，直至完成整个截面的数据采集和上传；处理成像系统收到整个二维截面的扫描成像数据完成一幅二维截面像；

步骤7，转动刀盘，使整个声波阵元组绕刀盘中心轴转动一个角度，重复上述步骤3、步骤4、步骤5、步骤6，得到另一个角度下的二维截面成像；

步骤8，重复步骤7，直到使探测覆盖整个掌子面，得到与各个角度相对应的扫描二维剖面成像，最终处理成像系统将这些二维剖面融合成三维图像。

步骤9，液压杆收缩，收回探头，并在收回过程中自动清洗探头及液压杆上的泥水或尘土，探头归位后启用保护装置，启用干燥装置，保证液压杆内部的空气干燥。完成此次超前地质探测。

作为进一步的技术方案，步骤5中空间扫描角度步长为30°。采用单线排列时，刀盘只需转动5次，采集6个二维截面的探测结果，即可覆盖整个掌子面前方的地质情况；采用十字状排列时，刀盘只需转动2次，采集3个二维截面的探测结果，即可覆盖整个掌子面前方的地质情况。

上述检测方法中，其具体的成像步骤如下：

1)各声波阵元组贴合掌子面之后，单个声波阵元组零延迟激发声波，其他声波阵元组接收直达波，根据各声波阵元组的探头的位置与直达波的接收时间，计算出掌子面前方岩石的直达波波速；

2)根据第一步获取的掌子面围岩的直达波波速，以及掌子面发射接收探头的相互位置关系，计算得出各阵列换能器的延时时间；

3)根据获得的延迟时间，控制各声波阵元组的声波发射，改变延迟时间，进而改变声波束的前进方向，直至完成掌子面前方整个二维截面的扫描探测，获取成像数据；

4)分析成像数据，获取掌子面前方地质异常体可能的赋存范围，利用时间反转镜成像算法，阵列换能器激发反向延迟信号，获取局部聚焦信号特征，进而实施二维聚焦成像。

5)根据获得的多个二维聚焦成像结果，综合分析得出掌子面前方三维地质成像。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提出了一种盾构机搭载的相控阵声波超前地质探测系统及方法，实现了盾构机与声波探测仪器的搭载集成，自动化程度高、效率高、探测分辨率高，不干扰盾构机的施工，满足盾构机安全、高效的要求。

(2)设计了两种适用于隧道盾构机工作环境下的观测方式，合理利用刀盘结构，充分利用掌子面有限的观测空间，将检波器呈单线状或者十字状布置在刀盘上，能够对来自掌子面前方的反射波进行充分接收，能够对掌子面前方的三维地质成像提供可靠的探测数据，同时刀盘只需转动150°或者60°，即可完成对整个掌子面的覆盖探测。

(3)设计了一种隧道地质相控阵超前探测时间精细化成像流程及方法，基于扫描获取异常地质体疑似位置前提下，依据探测方位的差异，自动调节换能器激发延迟，利用能量补偿方法降低刀盘泥饼对声波的强衰减作用，增强探测远区的信号强度；利用时间反转镜聚焦算法实现声波的聚焦探测与聚焦，最终获得掌子面前方亚米级精细化探测结果。

附图说明

图1为超前地质预报装置工作流程图；

图2为超前地质预报装置整体安装结构剖面图；

图3为盾构机刀盘搭载声波探头示意图；

图4为盾构机搭载的声波探头伸缩状态剖面图；

图5为盾构机搭载的声波探头伸出状态示意图；

图中：1、掌子面前方异常体；2、掌子面；3、声波探头组；4、探头数据传输线及水输送线；5、多路回转装置；6、盾构机台车；7、围岩；8、数据传输线；9、管片；10、盾构机探测主控系统；11、声波探头组；12、压力传感器；13、球状旋转保护装置；14、液压伸缩杆；15、高压水喷头；16、信号传输线；17、旋转电机；18、安装板；19、螺丝安装孔；20、高压喷头水路；21、干燥装置；22、喷头增压器；23、数据、电路、水路综合传输线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，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；

为了解决背景技术提出的问题，本实施例公开了一种盾构机搭载的相控阵声波超前地质预报系统，主要包括声波发射与接收装置、探头伸缩保护装置、清洗装置、多路回转装置、电缆系统和处理成像系统。

其中，声波发射与接收装置为相控阵声波发射与接收装置，其包括多个声波探头组，每个声波探头组包括多个声波发射接收单元；每个声波发射接收单元具有发射声波和接收反射波的功能。在主系统控制下可相控发射聚焦声波。

探头伸缩保护装置包括探头保护装置、压力传感器和液压推进装置，每个声波探头组安装在一个探头保护装置内，探头保护装置安装在液压推进装置的伸缩杆头部，且可以相对于液压推杆旋转，且在探头保护装置上还安装有压力感应器,所述的压力传感器用于检测声波探头与掌子面接触的压力大小；清洗装置包括在所述液压推进装置的伸缩杆上设置的高压水喷头，所述的高压水喷头通过管路与供水装置相连。多路回转装置为驱动盾构机刀盘旋转的驱动装置。电缆系统为系统中所用的所有电缆，处理成像系统为数据处理和成像。

具体的下面结合附图2、附图3、附图4、附图5进行详细说明：

具体的，本发明的整体结构如图2所示，整个探测装置整体安装在现有的盾构机台车2上，适合盾构机的原厂生产加装以及所有已投入生产的盾构机的后期加装。

如图3所示，多个声波探头组3按照单线排列或者十字状排列将其安置在盾构机刀盘背于旋转方向的主辐条侧壁上，在刀盘掘进时可避免土块、碎石的直接摩擦撞击，起到一定的保护作用。图3所示为十字状排列方式，单线排列为仅仅在竖向排列一列，或者仅仅在横向排列一列；在本实施例中，声波探头组总数为30个，每个声波探头组包括9个声波发射接收单元，30个声波探头组呈等间隔分布在刀盘中心两侧的主辐条侧壁上。具体，在图3中的水平方向上设置了12个声波探头组，在竖直方向上设置了18声波探头组；整个声波探头组的安装不改变盾构机刀盘的原有结构。

如图4、图5所示，探头伸缩保护装置由球状旋转保护装置13、液压推进装置、压力感应器12三者协调完成，具体的安装方式参见图4；探头保护装置13为一个球形保护装置，具体的为一个球状金属外壳，所述的声波探头组安装在球状金属外壳内，且球状金属外壳可相对于推杆头部旋转，球形保护装置与推杆头部之间密封，两者接触严密的特点，阻绝泥浆进入液压推进装置内部。在盾构机正常掘进过程中，利用球状外形可翻转、旋转的特点，将探头旋转至液压推进装置内部，起到保护探头作用。需要说明的是，本发明中是一个声波探头组对应的安装有一个探头伸缩保护装置，例如在本实施例中，有30个声波探头组，则对应的安装有30个探头伸缩保护装置。

作为进一步的技术方案，在每个液压推进装置的每节液压伸缩杆的顶部周边，呈环状放置有多个高压水喷头15，在液压伸缩杆收缩前及收缩过程中，可用水喷头喷出高速水流，清洁液压杆上的泥浆与尘土，避免液压杆在收缩过程中受到杂物的堵塞。高压水喷头15通过管路与喷头增压器22相连，喷头增压器22与供水装置相连。

作为进一步的技术方案，压力感应器12安装在球状旋转保护装置13上，采用带有压力传感器的液压推进装置，在顶部探头压力传感器到达一定阈值之后，即停止液压杆的推进，以此保证探头能够穿过附着在刀盘的泥浆或泥饼，使探头贴合在掌子面上。

本实施例还提供了一种基于搭载于盾构机上的相控阵声波超前地质探测装置的探测方法，如下：

步骤1，探头保护装置打开，液压杆往前推动多个声波探头组，直至所有的声波探头组与掌子面形成良好的接触；

步骤2，通过单个声波探头组触发，所有声波探头组接收获取反射回波信息，利用处理成像系统获得背景速度场；

步骤3，根据背景速度场，系统通过控制各个声波探头组不同的延迟，形成某一个方向的扫描声束；

步骤4，各个声波探头组接收回波信号，存入存储单元，存储单元将回波数据上传至处理成像系统，处理成像系统得到这一侧扫描方向的疑似异常体位置成像结果；

步骤5，根据疑似异常体位置，系统通过改变各个声波探头组间触发延迟，进行逐点聚焦，各个声波探头组接收回波信号存入存储单元，存储单元将数据上传至成像系统，获取精细化二维单方向扫描结果；

步骤6，重复步骤3、步骤4、步骤5，通过改变各声波探头组延时进行不同方向的扫描声束，直至完成整个截面的数据采集和上传；处理成像系统收到整个二维截面的扫描成像数据完成一幅二维截面像；

步骤7，转动刀盘，使整个声波阵元组绕刀盘中心轴转动一个角度，重复上述步骤3、步骤4、步骤5、步骤6，得到另一个角度下的二维截面成像；

步骤8，重复步骤7)，直到使探测覆盖整个掌子面，得到与各个角度相对应的扫描二维剖面成像，最终处理成像系统将这些二维剖面融合成三维图像。

步骤9，液压杆收缩，收回探头，并在收回过程中自动清洗探头及液压杆上的泥水或尘土，探头归位后启用保护装置，启用干燥装置，保证液压杆内部的空气干燥。完成此次超前地质探测。

具体的成像步骤如图1所示，各声波阵元组贴合掌子面之后，单个声波阵元组零延迟激发声波，其他声波阵元组接收直达波，根据各声波阵元组的探头的位置与直达波的接收时间，计算出掌子面前方岩石的直达波波速；根据第一步获取的掌子面围岩的直达波波速，以及掌子面发射接收探头的相互位置关系，计算得出各阵列换能器的延时时间；根据获得的延迟时间，控制各声波阵元组的声波发射，改变延迟时间，进而改变声波束的前进方向，直至完成掌子面前方整个二维截面的扫描探测，获取成像数据；分析成像数据，获取掌子面前方地质异常体可能的赋存范围，利用时间反转镜成像算法，阵列换能器激发反向延迟信号，获取局部聚焦信号特征，进而实施二维聚焦成像。根据获得的多个二维聚焦成像结果，综合分析得出掌子面前方三维地质成像。

下面结合具体的安装过程、工作原理对本实施例中的装置以及方法进行详细说明：

首先，将多个声波探头组3按照单线状或者十字状排列，安置在盾构机刀盘主辐条背于旋转方向的侧壁上，如图3所示为十字状排列方式；

每个声波探头组3的声波发射接收单元兼顾发射声波和接收反射波的功能。在主系统控制下可相控发射聚焦声波。

随后，声波探头组3的伸出由球状旋转保护装置13、液压推进装置、压力感应器12三者协调完成，其伸出的具体步骤是在盾构机停机、刀盘停转的情况下，球状旋转保护装置13旋转，将装有声波探头组11的一面旋转至液压伸缩杆14轴线方向的正前方。其中，球状旋转保护装置13本身与液压杆14连接紧密，在旋转过程中避免泥浆、尘土进入球状探头内部。球状探头由不锈合金制成，既能保证在探测过程中的结构强度，又能避免在洞内潮湿环境中的生锈腐蚀。

在球状探头从开始伸出直至接触掌子面2的过程中，球形设计可减少前方泥土砂石的阻力，方便穿透刀盘前方或附着在辐条上的泥土砂石，进而使探头贴合在掌子面2上。

液压杆将球状旋转保护装置13向前推进，在穿过刀盘上附着的土块的过程中，球状旋转保护装置13前方的压力传感器12可监测探头承受压力，起初探头承受的压力值较小，在靠近掌子面的过程中，前方泥土被不断拨开、压实，当探头到达掌子面2时，探头顶部压力达到设定的压力阀值，即默认探头已与掌子面完全接触，进而停止声波探头组11的伸出，探头由伸出状态转为等待采集状态，等待盾构机探测主控系统10下发采集指令。

由于掌子面2未必完全平整，故声波探头组11伸出刀盘的长度未必保持一致，声波探头伸出长度由压力传感器12感应前方压力值而决定。同时，将液压油缸14伸缩长度值通过盾构机台车内的数据传输线8反馈给数据处理盾构机探测主控系统10，以便定义更精确的观测系统。

当所有声波探头组3已完全与掌子面12接触时，为提高声波探头组3声压强度，每个声波探头组3的9个声波发射接收单元同时激发各组检波器同时接收激发的声波，根据获得的信号计算出围岩的背景速度，然后，各个声波探头组3按照一定的延迟依次激发，在此基础上，结合液压伸缩杆14伸缩长度，调节激发延迟，获取测线不同方向上扫描的信号。

分析回传到盾构机探测主控系统10的数据，获取掌子面前方异常体1可能赋存范围，利用时间反转镜成像算法，换能器组激发反向延迟信号，获取局部聚焦信号特征，进而实施二维聚焦成像。

启动喷头射水装置，清洁液压伸缩杆14上的泥浆与尘土，并收缩液压伸缩杆14至原始位置。将刀盘旋转固定角度步长。重新启动液压伸缩杆14，将声波探头3穿过泥饼，贴合在掌子面2上。基于上一步成像结果，旋转刀盘空间扫描角度(其角度步长为30°)，调整增大疑似异常体区域聚焦成像范围权重，实现地质掌子面前方异常体1的追踪成像。

按照上述过程，使刀盘完成150°的旋转，因此共6次探测过程，得到6个对应角度的二维截面探测数据。然后将数据传回数据处理与成像系统，基于综合各步成像结果基础最终实现相控阵超声的超前预报。

最后，启动自动清洁装置15，清洁液压上附着的泥浆、尘土，启动球状旋转保护装置13，将探头旋转至液压杆内部，并收回液压伸缩杆14，整个探测过程结束。如图1，作归纳如下：

在液压杆伸出后并到达预设位置后，开始探测过程。首先由单个换能器激发声波，多个检波器接收，以获取围岩背景速度场。

然后根据精确定义的观测系统，系统自动控制激发聚焦地震波，完成该二维截面的全部扫描，接下来基于多阵元协同的反Q滤波方法，补偿泥饼造成的能量损失，处理成像系统得到这一侧扫描方向的疑似异常体位置成像结果；根据疑似异常体位置，系统通过改变各阵元组间触发延迟，进行逐点聚焦，各阵元组接收回波信号存入存储单元，存储单元将数据上传至成像系统，获取精细化二维单方向扫描结果。

进一步地，旋转刀盘，进行其他角度二维截面的扫描探测，不断旋转刀盘，或者多个角度的二维精细化探测结果，将不同角度的二维截面成像结果整合为三维成像结果，最终得到掌子面前方的精细化三维成像。

最终液压杆收回，完成整个超前地质探测过程。

本发明提出了一种盾构机搭载的相控阵声波超前地质探测装置，实现了盾构机与声波探测仪器的搭载集成，自动化程度高、效率高、探测分辨率高，不干扰盾构机的施工，满足盾构机安全、高效的要求。

本发明设计的适用于隧道盾构机工作环境下的观测方式，合理利用刀盘结构，充分利用掌子面有限的观测空间，将检波器呈单线状或者十字状布置在刀盘上，能够对来自掌子面前方的反射波进行充分接收，能够对掌子面前方的三维地质成像提供可靠的探测数据，同时刀盘只需转动150°或者60°，即可完成对整个掌子面的覆盖探测。

本发明设计了一种隧道地质相控阵超前探测时间精细化成像流程及方法，基于扫描获取异常地质体疑似位置前提下，依据探测方位的差异，自动调节换能器激发延迟，利用能量补偿方法降低刀盘泥饼对声波的强衰减作用，增强探测远区的信号强度；利用时间反转镜聚焦算法实现声波的聚焦探测与聚焦，最终获得掌子面前方亚米级精细化探测结果。

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

Claims (9)

1.一种盾构机搭载的相控阵声波超前地质探测系统，其特征在于，包括安置在盾构机刀盘背于旋转方向的主辐条侧壁上的相控阵声波发射与接收装置，所述的相控阵声波发射与接收装置包括多个声波探头组，每个声波探头组包括多个声波发射接收单元，多个声波探头组形成声波阵元组；每个声波发射接收单元具有发射声波和接收反射声波的功能；

每个声波探头组安装在一个探头保护装置内，探头保护装置安装在液压推进装置的伸缩杆头部，且可以相对于液压推杆旋转，且在探头保护装置上还安装有压力感应器,所述的压力传感器用于检测声波探头与掌子面接触的压力大小；在所述液压推进装置的伸缩杆上设有高压水喷头，所述的高压水喷头通过管路与供水装置相连；所述的压力传感器、相控阵声波发射与接收装置、供水装置均与控制装置相连。

2.如权利要求1所述的盾构机搭载的相控阵声波超前地质探测系统，其特征在于，所述的多个声波探头组按照单线排列或者十字状排列安装在盾构机刀盘背于旋转方向的主辐条侧壁上。

3.如权利要求1所述的盾构机搭载的相控阵声波超前地质探测系统，其特征在于，所述的多个声波探头组呈等间隔分布在刀盘中心两侧的主辐条侧壁上。

4.如权利要求1所述的盾构机搭载的相控阵声波超前地质探测系统，其特征在于，所述的探头保护装置为一个球形保护装置，所述的声波探头组安装在球形保护装置内，且球形保护装置可相对于推杆头部旋转，球形保护装置与推杆头部之间密封。

5.如权利要求1所述的盾构机搭载的相控阵声波超前地质探测系统，其特征在于，在每节液压伸缩杆的顶部周边，呈环状放置有多个高压水喷头。

6.基于权利要求1-5任一所述的盾构机搭载的相控阵声波超前地质探测系统的探测方法，其特征在于，如下：

步骤1)，探头保护装置打开，液压杆往前推动多个声波探头组，直至所有的声波探头组与掌子面形成良好的接触；

步骤2)，通过单个声波探头组触发，所有声波探头组接收获取反射回波信息，利用处理成像系统获得背景速度场；

步骤3)，根据背景速度场，系统通过控制各个声波探头组不同的延迟，形成某一个方向的扫描声束；

步骤4)，各个声波探头组接收回波信号，存入存储单元，存储单元将回波数据上传至处理成像系统，处理成像系统得到这一侧扫描方向的疑似异常体位置成像结果；

步骤5)，根据疑似异常体位置，系统通过改变各个声波探头组间触发延迟，进行逐点聚焦，各个声波探头组接收回波信号存入存储单元，存储单元将数据上传至成像系统，获取精细化二维单方向扫描结果；

步骤6)，重复步骤3)、步骤4)、步骤5)，通过改变各声波探头组延时进行不同方向的扫描声束，直至完成整个截面的数据采集和上传；处理成像系统收到整个二维截面的扫描成像数据完成一幅二维截面像；

步骤7)，转动刀盘，使整个声波阵元组绕刀盘中心轴转动一个角度，重复上述步骤3)、步骤4)、步骤5)、步骤6)，得到另一个角度下的二维截面成像；

步骤8)，重复步骤7)，直到使探测覆盖整个掌子面，得到与各个角度相对应的扫描二维剖面成像，最终处理成像系统将这些二维剖面融合成三维图像；

步骤9)，液压杆收缩，收回探头，并在收回过程中自动清洗探头及液压杆上的泥水或尘土，探头归位后启用保护装置，启用干燥装置，保证液压杆内部的空气干燥，完成此次超前地质探测。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤5)中空间扫描角度步长为30°；多个声波探头组采用单线排列时，刀盘只需转动5次，采集6个二维截面的探测结果，即可覆盖整个掌子面前方的地质情况。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤5)中空间扫描角度步长为30°；多个声波探头组采用十字状排列时，刀盘只需转动2次，采集3个二维截面的探测结果，即可覆盖整个掌子面前方的地质情况。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，具体的成像步骤如下：

1)各声波探头组贴合掌子面之后，单个声波探头组零延迟激发声波，其他声波探头组接收直达波，根据各声波探头组的探头位置与直达波的接收时间，计算出掌子面前方岩石的直达波波速；

2)根据第1)步获取的掌子面围岩的直达波波速，以及掌子面发射接收探头的相互位置关系，计算得出各声波探头组的延迟时间；

3)根据获得的延迟时间，控制各声波探头组的声波发射，改变延迟时间，进而改变声波束的前进方向，直至完成掌子面前方整个二维截面的扫描探测，获取成像数据；

4)分析成像数据，获取掌子面前方地质异常体可能的赋存范围，利用时间反转镜成像算法，阵列换能器激发反向延迟信号，获取局部聚焦信号特征，进而实施二维聚焦成像；

5)根据获得的多个二维聚焦成像结果，综合分析得出掌子面前方三维地质成像。

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