CN110989000B

CN110989000B - 基于锚杆钻孔的多电极聚焦tbm超前探测系统及方法

Info

Publication number: CN110989000B
Application number: CN201911327512.8A
Authority: CN
Inventors: 聂利超; 刘本超; 殷鑫; 刘征宇; 周维; 陈安东
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong Bai20 Huitong Engineering Technology Co ltd
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2020-11-06
Anticipated expiration: 2039-12-20
Also published as: CN110989000A

Abstract

本公开提供了一种基于锚杆钻孔的多电极聚焦TBM超前探测系统及方法，包括电极系和电极伸缩装置，所述电极系至少包括测量电极M、供电电极A、无穷远处电极B极和无穷远处电极N极，所述无穷远处电极B极和无穷远处电极N极安装在隧道边墙上，所述测量电极M通过电极伸缩装置搭载于TBM上，通过控制电极伸缩装置驱动测量电极M移动，所述供电电极A安装在掌子面后方平行于掌子面的边墙内部。本公开基于电流聚焦原理，增多流入目标区域的电流，加强信号，更易获取有效信息。

Description

基于锚杆钻孔的多电极聚焦TBM超前探测系统及方法

技术领域

本公开属于TBM超前探测技术领域，具体涉及一种基于锚杆钻孔的多电极聚焦TBM超前探测系统及方法。

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。

隧道施工方法主要有钻爆法和TBM方法，TBM因掘进速度快、施工扰动小、成洞质量高、综合经济社会效益高，被越来越多的隧道施工选择。相比于钻爆法，TBM隧道施工的超前预报技术是一直以来备受关注却未能得到很好解决的难题。同时，隧道地质超前探测关乎施工安全、施工质量等隧道施工的许多方面。以上两点，使得针对TBM的隧道地质超前探测愈显重要。TBM施工环境具有其特殊性和复杂性，少数几项专用探测技术的探测效果无法满足工程需要，总体上处于初步研究阶段。

TBM施工对隧道地质超前探测有其自身的要求。隧道内掌子面较小，很难设计对掌子面前方异常体响应的观测模式，隧道结构和支护大多为钢材，电磁干扰较严重，TBM作为大型器械，本身具有极为复杂的电磁环境，对掌子面前方待探测地质的信号响应产生强烈干扰。同时，TBM占据了掌子面后方隧道的很大空间，留给超前地质预报的探测空间极小。这都导致现有探测方法难以满足TBM施工对超前预报的需求。

在隧道和地下工程领域，电阻率法最先应用于煤矿巷道迎头的超前探测，按照观测方式，电阻率法可分为定点源三极测深类和聚焦探测类。定点源三极测深类将测线布置在隧道边墙或者底板上，供电电极位于掌子面附近固定不动，而测量电极沿测线移动采集数据。这种方式难以屏蔽测线附近的旁侧异常干扰(如低阻含水体、金属构件等)，在较复杂环境下很难从背景干扰数据中提取出掘进面前方的有用信息，容易导致预报精度降低甚至误报，该问题一直未能得到很好的解决。聚焦探测类方法将屏蔽电极系统、供电电极和测量电极均布置在掌子面上聚焦探测类方法的研究还处于起步阶段，从已有研究成果来看，仅在掌子面轮廓上布置屏蔽电极系统可实现的探测距离不超过隧道洞径的1.5倍(最大不超过18m),探测距离过短是制约聚焦类探测方法的关键问题。阮百尧等认为在对个同性源屏蔽电极产生的屏蔽电流“挤压作用下”，探测电流指向掌子面前方。

利用电阻率法进行地表测量，虽然电流只向下传播，但信号强度依然不足，测量深度也不够大。隧道探测将电极放置地下，供电电极产生的电流全向传播，向前流入待测区域的电流较少，同样导致敏感度不高，观测面狭小。为了增强隧道探测的信号强度，现有方法利用在掌子面上布设多个同极性电极供电，以起到电流聚焦效果。但此法供电电极距离TBM极近，易受到TBM本身产生的复杂电磁环境影响。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种基于锚杆钻孔的多电极聚焦TBM超前探测系统及方法，本公开增大了观测面面积，可在一定程度上增大探距。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种基于锚杆钻孔的多电极聚焦TBM超前探测系统，包括电极系和电极伸缩装置，其中：

所述电极系至少包括测量电极M、供电电极A、无穷远处电极B极和无穷远处电极N极，所述无穷远处电极B极和无穷远处电极N极安装在隧道边墙上，所述测量电极M通过电极伸缩装置搭载于TBM上，通过控制电极伸缩装置驱动测量电极M移动，所述供电电极A安装在掌子面后方平行于掌子面的边墙内部。

作为可选择的实施方式，所述供电电极A通过固定机构安装于边墙上的钻孔内，所述固定机构包括固定件，所述固定件的一端设置有用于放置供电电极A的凹槽，凹槽上设置有一通孔，以供导线穿过。

作为可选择的实施方式，所述固定件为钢筋。

作为可选择的实施方式，测量电极M为多个。

作为可选择的实施方式，所述供电电极A包括：A1、A2、A3、A4，通过电极安装装置放置于边墙内的四个钻孔内。

作为可选择的实施方式，所述TBM超前探测系统通过导线与主控室连接，所述主控室通过测量与围岩接触的测量电极M与布置在隧道边墙上的无穷远处电极N极之间的电阻值，确定测量电极M与围岩接触状态是否良好；

通过测量与围岩接触的供电电极A与无穷远处电极B极之间的电阻值，确定供电电极A与围岩的接触状态是否良好。

作为可选择的实施方式，所述电极伸缩装置包括液压油缸和伸缩杆，液压油缸受激发激化探测仪器的指令控制动作，带动伸缩杆运动，从而带动与伸缩杆连接的电极的伸缩。

作为可选择的实施方式，所述主控室在电极伸出过程中，通过对安装在刀盘上的测量电极M与布置在隧道边墙上的无穷远处电极N极之间的电阻值的检测，实现对刀盘上测量电极M伸出状态的检测。

基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：

(1)将多个测量电极M分别通过开孔安装于TBM刀盘上，利用锚杆钻机在掌子面后方一定距离的边墙内进行打孔，供电电极A以电极环的形式布置于边墙内；

(2)控制台车、刀盘和护盾电极的伸出，并同时检测电极的伸出状态，无穷远电极B和无穷远电极N布置于隧道后方边墙上；

(3)进行数据采集，采集视电阻率、视极化率和半衰时信息；

(4)将供电电极A从钻孔内移出，并用钻孔装置将钻孔加深一定值后重新放置供电电极A，进行新的一组数据采集，基于采集的数据进行三维反演成像处理，实现对掌子面前方不良地质体的三维定位或/和水量估算。

所述步骤(1)中，TBM停止掘进作业时，TBM刀盘应后退至与掌子面保持设定距离，将刀盘转动至中心刀水平位置，便于布置电极；并收回撑靴。

所述步骤(2)中，无穷远电极B和无穷远电极N之间的间距应确保不小于200m。

所述步骤(3)中，对测量电极M和供电电极A分别检测电极的接触状态，确保电极与围岩接触良好。

所述步骤(4)中，数据处理时，对数据进行坏点剔除，采用三维反演成像处理方法获得激发极化探测成果图。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开基于电流聚焦原理，增多流入目标区域的电流，加强信号，更易获取有效信息。

本公开采用钻孔中放置供电电极的电极布设方式，将电极深入地层放置，避免供电电极与大型机械设备接触，减弱隧道机械电磁干扰，同时在地层中介质相对均一，供电电极产生的电场在地层中分布更加稳定，帮助增大有效信息获取度。

传统隧道探测的观测面狭小，仅利用掌子面进行探测的观测方式探距一般不足5米，通过向掌子面后方一定距离的周围边墙上打钻孔放置供电电极，增大了观测面面积，可在一定程度上增大探距。

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是本装置的各部分组合方式的大致示意图。

图2是本装置的掌子面上的电极布置示意图。

图3是本装置在隧道边墙钻孔的电极布置剖面图。

其中：1、测量电极M，2、围岩，3、掌子面，4、供电电极A，5、测量电极N，6、供电电极B，7.掌子面前方不良地质体，8、多路回转接头，9、刀盘，10、TBM主控室，11、钻孔。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

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。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

一种基于锚杆钻孔的多电极聚焦TBM超前探测系统，包括电极系和电极伸缩装置；所述电极系包括：测量电极M、供电电极A、无穷远处电极B极、无穷远处电极N极，所述无穷远处电极B极和无穷远处电极N极安装在隧道边墙上，所述测量电极M通过电极伸缩装置搭载于TBM上，所述供电电极A安装在掌子面后方平行于掌子面的边墙内部；所述激发极化探测仪器控制电极伸缩装置驱动测量电极M移动。

进一步的，电极通过电极安装装置安装于钻孔内，电极安装装置为一钢筋，钢筋的一端固定凹槽，凹槽内部用来放置供电电极A，并于凹槽下部留有小孔使导线穿过，外部连接的导线与钢筋固定。

进一步的，所述供电电极A包括：A1、A2、A3、A4，通过电极安装装置放置于边墙内的四个钻孔内。

进一步的，控制搭载在TBM上的测量电极M电极伸出，并与围岩接触。

进一步的，通过测量与围岩接触的测量电极M与布置在隧道边墙上的无穷远处电极N极之间的电阻值，确定测量电极M与围岩接触状态是否良好。通过测量与围岩接触的供电电极A与无穷远处电极B极之间的电阻值，确定供电电极A与围岩的接触状态是否良好。

进一步的，所述电极伸缩装置采用液压驱动实现电极自动伸缩；液压油缸控制阀接受激发激化探测仪器的指令，控制液压油缸杆伸缩，从而带动与油缸杆连接的电极的伸缩。

通过测量与围岩接触的测量电极M与布置在隧道边墙上的无穷远处电极N极之间的电阻值，确定测量电极M接触状态是否良好。通过测量与围岩接触的供电电极A与无穷远处电极B极之间的电阻值，确定供电电极A与围岩的接触状态是否良好。电极伸出过程中，通过对安装在刀盘上的测量电极M与布置在隧道边墙上的无穷远处电极N极之间的电阻值的检测，实现对刀盘上测量电极M伸出状态的检测。

基于上述设备装置，其工作步骤如下：

(1)将测量电极通过开孔安装于TBM刀盘，利用锚杆钻机在掌子面后方7-8m的边墙内进行打孔，供电电极A以电极环的形式布置于边墙内；

(3)进行数据采集，采集视电阻率、视极化率、半衰时等信息；

(4)将供电电极A从钻孔内移出，并用钻孔装置将钻孔加深1m后重新放置供电电极A，进行新的一组数据采集，采集视电阻率、视极化率、半衰时等信息。

通过三维反演成像处理实现对掌子面前方不良地质体的三维定位和水量估算。

所述步骤(1)中，TBM停止掘进作业时，TBM刀盘应后退至与掌子面保持10～20cm距离，将刀盘转动至中心刀水平位置，便于布置电极；并收回撑靴，停止焊机、电动机、其他人工电磁场工具的使用；

所述步骤(2)中，无穷远电极B和无穷远电极N之间的间距应确保不小于200m；

所述步骤(3)中，对测量电极M和供电电极A分别检测电极的接触状态，确保电极与围岩接触良好；

所述步骤(4)中，数据处理时，对数据进行坏点剔除，采用相应数据处理方法获得激发极化探测成果图。

作为具体的实施方式，如图1所示，为本系统的各部分组合方式的大致示意图。包括1、测量电极M，2、围岩，3、掌子面，4、供电电极A，5、测量电极N，6、供电电极B，7.掌子面前方不良地质体，8、多路回转接头，9、刀盘，10、TBM主控室。其中，安装在边墙内部的供电电极A采用柔性接触电极，包括绝缘电极外套金属外壳，绝缘底座接线柱和柔性接触端头：所述绝缘底座位于电极后端的凹槽内，凹槽外部由金属外壳包裹，金属外壳外套右绝缘电极外套，绝缘底座与电极伸缩装置连接，并在绝缘底座中间预留有用于安装接线柱的连接孔，接线柱能够通过所述连接孔与电缆系统连接。

如图2所示，为本发明装置在掌子面上的测量电极布置示意图，测量电极M均为不极化电极，主要包括不锈钢金属外壳、绝缘底座、内部接线柱与柔性接触端头。刀盘中心的柔性接触端头通过电极金属外壳内的铜导线与接线柱相连接，刀盘内的不极化电极金属外壳内设计有绝缘内环，柔性接触端头安装在绝缘内衬上，通过绝缘内环的硫酸铜溶液与金属外壳及接线柱相连接；所述绝缘电极外套采用环形橡胶包裹在电极的外侧，实现了电极金属壳与护盾或其他良导体的绝缘。刀盘上的测量电极M通过电缆连接多路回转装置；通过电极伸缩装置搭载于TBM上。

如图3所示，在测量完第一组数据后，将供电电极A从钻孔内移出，并用钻孔装置将钻孔加深1m后重新放置供电电极A，进行新的一组数据采集，采集视电阻率、视极化率、半衰时等信息。探测任务结束，探测模块发出电极收回指令，控制测量电极和供电电极的收回，检测刀盘电极的伸缩状态，确保电极已经收回完毕，收回无穷远电极B极、无穷远电极N极及相应电缆。

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。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开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公开的保护范围以内。

Claims

1.一种基于锚杆钻孔的多电极聚焦TBM超前探测系统，其特征是：包括电极系和电极伸缩装置，其中：

所述电极系至少包括测量电极M、供电电极A、无穷远处电极B极和无穷远处电极N极，所述无穷远处电极B极和无穷远处电极N极安装在隧道边墙上，所述测量电极M通过电极伸缩装置搭载于TBM上，通过控制电极伸缩装置驱动测量电极M移动，所述供电电极A安装在掌子面后方平行于掌子面的边墙内部，所述供电电极A包括：A1、A2、A3、A4，通过电极安装装置放置于边墙内的四个钻孔内。

2.如权利要求1所述的一种基于锚杆钻孔的多电极聚焦TBM超前探测系统，其特征是：所述供电电极A通过固定机构安装于边墙上的钻孔内，所述固定机构包括固定件，所述固定件的一端设置有用于放置供电电极A的凹槽，凹槽上设置有一通孔，以供导线穿过。

3.如权利要求1所述的一种基于锚杆钻孔的多电极聚焦TBM超前探测系统，其特征是：所述TBM超前探测系统通过导线与主控室连接，所述主控室通过测量与围岩接触的测量电极M与布置在隧道边墙上的无穷远处电极N极之间的电阻值，确定测量电极M与围岩接触状态是否良好；

4.如权利要求1所述的一种基于锚杆钻孔的多电极聚焦TBM超前探测系统，其特征是：所述电极伸缩装置包括液压油缸和伸缩杆，液压油缸受激发激化探测仪器的指令控制动作，带动伸缩杆运动，从而带动与伸缩杆连接的电极的伸缩。

5.如权利要求1-4中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

(3)进行数据采集，采集视电阻率、视极化率和半衰时信息；

6.如权利要求5所述的工作方法，其特征是：所述步骤(1)中，TBM停止掘进作业时，TBM刀盘应后退至与掌子面保持设定距离，将刀盘转动至中心刀水平位置，便于布置电极；并收回撑靴。

7.如权利要求5所述的工作方法，其特征是：所述步骤(2)中，无穷远电极B和无穷远电极N之间的间距应确保不小于200m。

8.如权利要求5所述的工作方法，其特征是：所述步骤(3)中，对测量电极M和供电电极A分别检测电极的接触状态，确保电极与围岩接触良好。

9.如权利要求5所述的工作方法，其特征是：所述步骤(4)中，数据处理时，对数据进行坏点剔除，采用三维反演成像处理方法获得激发极化探测成果图。