CN111221024B - Tbm搭载式隧道前方围岩放射性预报系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了TBM搭载式隧道前方围岩放射性预报系统及方法，包括取样器、数据处理分析模块和屏蔽壳体，取样器设置于可伸缩支架上，所述可伸缩支架固定于TBM上，屏蔽壳体上设置有至少两个开口，分别用于岩样的进入和已测试岩粉的排出；屏蔽壳体内设置有传输装置，传输装置的传输路径上设置有γ射线测试装置和岩样监测装置，传输路径末端依次设置有岩样研磨装置、岩样筛分装置和放射性核素测试装置，所述数据处理分析模块接收对γ射线浓度和放射性核素含量测试的结果，计算出同一岩性地层γ射线浓度和放射性核素含量之间的对应关系，对隧道掌子面前方放射性进行预报。

Description

TBM搭载式隧道前方围岩放射性预报系统及方法
技术领域
本公开属于隧道超前预报技术领域，具体涉及TBM搭载式隧道前方围岩放射性预报系统及方法。
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。
天然放射性核素主要有铀系、钍系和锕系，这些放射性核素的原子核处于不稳定状态，能自发地转变成另一种原子核，并放出一种特殊射线，自然界主要的核衰变类型有α衰变、β衰变和γ衰变等。这些核衰变释放出的射线对人体非常有害，受射线照射的人体中枢神经系统和血液系统发生破坏，染色体会发生畸变，严重的可导致受照射人死亡。隧道掘进机(TBM)因其具有安全、高效、经济和适应性强等优点，现今被广泛应用于隧道开挖中，而铀、钍和钾-40等广泛存在花岗岩、砂岩和富含有机质的泥质岩中，是影响人类辐射环境的主要放射性核素，因此在利用TBM开挖隧道的过程中，对岩石中的放射性核素含量及时、长期和精确的测试并做出预报，对于保障隧道内施工人员的人身健康就显得尤为重要。
据发明人了解，目前TBM隧道放射性测试不同于传统钻爆法隧道，仍存在以下难以解决的问题：
(1)TBM重型设备占据了隧道内大部分空间，导致传统放射性测试方法难以在隧道狭窄处开展，无法满足放射性测试需求；
(2)传统人工测试方法利用手持放射性测试仪进行测试，无法满足对岩石中放射性核素含量及时、长期测试的需求，且需要耗费大量的人力和财力；
(3)由于核衰变具有随机性，传统人工测试方法很难消除统计误差的影响。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了TBM搭载式隧道前方围岩放射性预报系统及方法，本公开能够获取掌子面附近γ射线浓度和岩石中放射性核素铀、钍和钾的含量，并利用γ射线浓度的变化对隧道前方放射性进行预报。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
TBM搭载式隧道前方围岩放射性预报系统，包括取样器、数据处理分析模块和屏蔽壳体，所述取样器设置于可伸缩支架上，所述可伸缩支架固定于TBM上；
所述屏蔽壳体内设置有传输装置，所述屏蔽壳体上设置有至少两个开口，所述开口分别用于岩样的进入和已测试岩粉的排出，所述传输装置的传输路径上设置有γ射线测试装置和岩样监测装置，传输路径末端依次设置有岩样研磨装置、岩样筛分装置和放射性核素测试装置，所述数据处理分析模块接收对γ射线浓度和放射性核素含量测试的结果，计算出同一岩性地层γ射线浓度和放射性核素含量之间的对应关系，对隧道掌子面前方放射性进行预报。
本公开通过取样器、传输装置、岩样监测装置、岩样研磨装置、岩样筛分装置和放射性核素测试装置等相配合，能够在随TBM搭载过程中，独立工作，对掌子面前方岩样进行处理，进而得到预报结果，具有实时性和准确性。
一处开口与取样器位置相配合，位于屏蔽壳体一侧上方，取样岩石能够由该开口处进入屏蔽壳体，另一开口位于屏蔽壳体另一侧下方，已做过放射性核素含量测试的岩粉能够由该开口处排出屏蔽壳体。
作为可选择的实施方式，所述γ射线测试装置配置高灵敏度闪烁晶体探测器，可对天然放射性核素衰变出的γ射线浓度进行测试，并将测试结果传输至数据处理分析模块。
作为可选择的实施方式，所述开口处设置有可开合阀门。可开合阀门在采样以及排出岩粉时打开，在放射试验时关闭，以保证放射照射时的射线屏蔽。
作为可选择的实施方式，还包括岩石干燥恒重装置，对取样的岩样进行干燥至恒定重量，所述岩石干燥恒重装置内设置有一推杆，将已经干燥至恒定重量的岩样推送至传输装置上。
作为可选择的实施方式，所述岩样监测装置设置于γ射线测试装置的左右两侧，用于监测岩样在岩样传输装置的位置。
作为可选择的实施方式，所述岩样筛分装置设置于岩样研磨装置的正下方，以接收研磨后的岩样。
作为可选择的实施方式，所述放射性核素测试装置设置于所述岩样筛分装置的下端，对筛分后的岩样进行岩样中放射性核素铀、钍和钾-40含量测试。
作为可选择的实施方式，所述数据处理分析模块，被配置为对γ射线浓度和放射性核素含量进行分析，并可记录取样测试时的掌子面里程，依据上述结果绘制出γ射线浓度和放射性核素含量随掌子面里程变化曲线图，并计算出同一岩性地层γ射线浓度和放射性核素含量之间的对应关系，进而对隧道掌子面前方放射性进行预报。
作为可选择的实施方式，所述放射性核素测试装置旁设置有吹风装置，用于吹净已测试过放射性核素含量测试的岩粉。
作为可选择的实施方式，所述吹风装置上方设置有伸缩隔板，用于保证吹风装置吹净已测试过放射性核素含量测试的岩粉。
作为可选择的实施方式，所述屏蔽壳体左下方开口处设置有可开合阀板门，位于放射性核素测试装置左下方，用于阻挡传输装置的上部空间，以保证吹风装置能够充分作用，排出已测试过放射性核素含量测试的岩粉。
作为可选择的实施方式，所述岩石干燥恒重装置与传输装置之间，所述传输装置与岩样研磨装置之间均设置有可开合的阀板门，用于保证岩石样品的传输和测试。
基于上述系统的隧道内放射性预报方法，包括以下步骤：
对皮带传送机上的岩块进行取样，对岩样进行快速均匀干燥，将干燥后的岩样传输至岩样传输模块，对岩样传输模块上的岩样进行γ射线浓度测试，得出岩样的γ值Gγ，将岩样传输至岩石研磨模块，放射性核素测试模块对过筛后的岩样进行岩样中放射性核素铀、钍和钾-40含量测试，得到MU、MTh和MK-40，绘制多组γ射线浓度和放射性核素含量随掌子面里程变化曲线图，并基于最小二乘法对多组γ值Gγ和MU、MTh和MK-40进行线性拟合，得到同一岩性地层γ射线浓度和放射性核素含量之间的对应关系，并利用掌子面前方岩石的γ值对隧道前方围岩放射性核素含量进行预报。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开可方便、快速和实时测量TBM隧道内γ射线浓度和放射性核素含量，避免了传统放射性测试方法因TBM隧道工作空间狭窄而不方便测试的情况，节省了人力、物力和财力；
本公开可对放射性核素含量进行长时间测试，实现对隧道掌子面前方放射性进行及时准确的预报，并可消除核衰变随机性导致的统计误差的影响。
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为本实施例的整体结构示意图；
图2为本实施例的操作步骤简化流程图
图3为本实施例岩石取样的示意图；
图4为本实施例岩石样品传输的示意图；
图5为本实施例的岩粉排出的示意图。
其中1.固定在TBM上的伸缩支架、2.岩石取样装置、3.岩石干燥恒重装置、4a-4e阀板门、5.伸缩推杆、6.γ射线测试装置、7a-7b.岩样监测装置、8.岩样传输装置、9.岩样研磨装置、10.岩样筛分装置、11.伸缩隔板、12.吹风装置、13.放射性核素测试装置、14.数据处理装置、15.铅屏蔽装置。
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。
如图1所示，TBM搭载式隧道前方围岩放射性预报系统包括固定在TBM上的伸缩支架1、岩石取样装置2、岩石干燥恒重装置3、阀板门4a-4e、伸缩推杆5、γ射线测试装置6、岩样监测装置7a-7b、岩样传输装置8、岩样研磨装置9、岩样筛分装置10、伸缩隔板11、吹风装置12、放射性核素测试装置13、数据处理装置14、铅屏蔽装置15。
岩石取样装置2通过固定在TBM上的伸缩支架1对皮带传送机上的岩块进行取样，并将岩样传送至干燥恒重模块3，岩样干燥恒重装置3对岩样进行快速均匀干燥至恒定重量，干燥恒重装置内部内置可伸缩推杆5，用于将干燥后的岩样传输至岩样传输装置8，岩样监测装置7a和7b实时监测岩样在传输装置8上的位置；
阀板门4a、4b分布于岩石干燥恒重装置上，用于岩样的传输，4c、4d分布于岩石研磨装置上，用于岩石研磨传输和测试后岩粉的处理，4e分布于屏蔽壳体的左下方，用于排出已测试过放射性核素含量测试的岩粉。γ射线测试装置6(可以选用现有RP6000型γ剂量率仪)配置半导体探测器，可对天然放射性核素衰变出的γ射线浓度进行测试，并将测试结果传输至数据处理分析模块。
岩样传输装置8为一小型皮带传输装置，可将干燥后的岩样传送至岩石研磨模块9；
岩石研磨装置9可对干燥后的岩样进行破碎研磨，同时装置内配备岩样筛分装置10，可将岩样筛分至60目数大小，并将筛分好的岩样传送至放射性核素测试模块13；
放射性核素模块13(可以使用现有GEM70-LB-C型伽马能谱仪)位于岩样研磨模块底部，可对岩样中放射性核素铀、钍和钾-40含量进行长时间测试，并将测试结果传输给数据处理装置14。
吹风装置12由吹风机构成，位于放射核素测试模块的右方，用于吹净已做过放射性核素含量测试的岩粉。
伸缩隔板11位于吹风机的上方，吹风机工作时，伸缩隔板打开，用于保证岩粉吹除干净。
数据处理装置14可对γ射线浓度和放射性核素含量进行分析，可自动绘制出γ射线浓度和放射性核素含量随掌子面里程变化曲线图，并计算出同一岩性地层γ射线浓度和放射性核素含量之间的对应关系，进而对隧道掌子面前方放射性进行预报；
该模块具有存储和无线传输功能，可将γ射线浓度、放射性核素含量、掌子面里程等相关数据结果进行记录保存，并无限传输给TBM主控室。
铅屏蔽装置15由铅金属板组成，可对外界中的γ射线进行屏蔽，减小测试误差。
如图5所示，TBM搭载式隧道前方围岩放射性预报方法，包括以下步骤：
(1)如图2所示，岩石取样装置2通过固定在TBM上的伸缩支架1对皮带传送机上的岩块进行取样，取样质量约50g，打开阀板门4a，岩样进入岩石干燥恒重装置3；
(2)关闭阀板门4a、4b，岩石干燥恒重装置3对岩样快速均匀干燥至恒重后，如图3所示，打开阀板门4b，伸缩推杆5将岩样推送至岩样传输装置8；
(3)岩样监测装置7a和7b对传输装置8上岩样的位置进行实时监测，当岩样传输至γ射线测试装置6的下方时，岩样停止传输，γ射线测试装置6测得岩样的γ值Gγ，打开阀板门4c，岩样继续传输，岩样进入岩石研磨装置9；
(4)关闭阀板门4c、4d，岩石研磨装置9对岩样进行研磨，岩石筛分装置10筛分60目的岩样，岩样落到放射性核素测试模块13的上方，放射性核素测试模块对过筛后的岩样进行岩样中放射性核素铀、钍和钾-40含量测试，测试时间约2h，用于消除统计误差的影响，得到MU、MTh和MK-40。如图4所示，开启阀板门4d、4e，打开伸缩隔板11，吹风机12用于吹净已做过放射性核素含量测试的岩粉；
(5)重复上述步骤(1)～(4)，数据处理分析模块得到多组γ射线浓度和放射性核素含量随掌子面里程变化曲线图，进一步，优选的多组数据至少为50组，并基于最小二乘法对50组γ值Gγ和MU、MTh和MK-40进行线性拟合，得到同一岩性地层γ射线浓度和放射性核素含量之间的对应关系：Gγ＝A1MU+B1(相关系数为
Figure GDA0002937156230000101
)、Gγ＝A2MTh+B2(相关系数为
Figure GDA0002937156230000102
)和Gγ＝A3MK-40+B3(相关系数为
Figure GDA0002937156230000103
)。
(6)对上述同一岩性地层γ射线浓度和放射性核素含量之间的对应关系进行相关性修正得到：
Figure GDA0002937156230000104
Figure GDA0002937156230000105
在测得掌子面前方岩石的γ射线浓度值Gγ后，可利用上述修正后的关系式对隧道前方围岩放射性核素含量进行预报；
(7)在隧道内掘进至地层岩性变化时，重复上述步骤(1)～(6)，继续对隧道前方围岩放射性进行预报。
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 (9)

1.TBM搭载式隧道前方围岩放射性预报系统，包括取样器、数据处理分析模块和屏蔽壳体，所述取样器设置于可伸缩支架上，所述可伸缩支架固定于TBM上；
所述屏蔽壳体内设置有传输装置，所述屏蔽壳体上设置有至少两个开口，所述开口分别用于岩样的进入和已测试岩粉的排出，所述屏蔽壳体由铅金属板组成，可对外界中的γ射线进行屏蔽，减小测试误差；所述传输装置的传输路径上设置有γ射线测试装置和岩样监测装置，所述岩样监测装置设置于γ射线测试装置的左右两侧，用于监测岩样在岩样传输装置的位置；传输路径末端依次设置有岩样研磨装置、岩样筛分装置和放射性核素测试装置，所述数据处理分析模块接收对γ射线浓度和放射性核素含量测试的结果，得到多组射线浓度和放射性核素含量随掌子面里程变化曲线图，利用最小二乘法进行线性拟合，计算出同一岩性地层γ射线浓度和放射性核素含量之间的对应关系，对隧道掌子面前方放射性进行预报；
还包括岩石干燥恒重装置，对取样的岩样进行干燥至恒定重量，所述岩石干燥恒重装置内设置有一推杆，将已经干燥至恒定重量的岩样推送至传输装置上。
2.如权利要求1所述的TBM搭载式隧道前方围岩放射性预报系统，其特征是：所述γ射线测试装置配置半导体探测器，可对天然放射性核素衰变出的γ射线浓度进行测试，并将测试结果传输至数据处理分析模块。
3.如权利要求1所述的TBM搭载式隧道前方围岩放射性预报系统，其特征是：所述开口处设置有可开合阀门；可开合阀门在采样以及排出岩粉时打开，在放射试验时关闭，以保证放射照射时的射线屏蔽。
4.如权利要求1所述的TBM搭载式隧道前方围岩放射性预报系统，其特征是：所述岩样筛分装置设置于岩样研磨装置的正下方，以接收研磨后的岩样。
5.如权利要求1所述的TBM搭载式隧道前方围岩放射性预报系统，其特征是：所述放射性核素测试装置设置于所述岩样筛分装置的下端，对筛分后的岩样进行岩样中放射性核素铀、钍和钾-40含量测试。
6.如权利要求1所述的TBM搭载式隧道前方围岩放射性预报系统，其特征是：所述数据处理分析模块，被配置为对γ射线浓度和放射性核素含量进行分析，自动绘制出γ射线浓度和放射性核素含量随掌子面里程变化曲线图，并计算出同一岩性地层γ射线浓度和放射性核素含量之间的对应关系，进而对隧道掌子面前方放射性进行预报。
7.如权利要求1所述的TBM搭载式隧道前方围岩放射性预报系统，其特征是：所述放射性核素测试装置旁设置有吹风装置；所述吹风装置上方设置有伸缩隔板。
8.如权利要求1所述的TBM搭载式隧道前方围岩放射性预报系统，其特征是：所述岩石干燥恒重装置与传输装置之间，所述传输装置与岩样研磨装置之间均设置有可开合的阀板门。
9.基于权利要求1-8中任一项所述的系统的隧道内放射性预报方法，其特征是：包括以下步骤：
对皮带传送机上的岩块进行取样，对岩样进行快速均匀干燥，将干燥后的岩样传输至岩样传输模块，对岩样传输模块上的岩样进行γ射线浓度测试，得出岩样的γ值Gγ，将岩样传输至岩石研磨模块，放射性核素测试模块对过筛后的岩样进行岩样中放射性核素铀、钍和钾-40含量测试，得到测试值，绘制多组γ射线浓度和放射性核素含量随掌子面里程变化曲线图，并对多组γ值Gγ和多组测试值进行线性拟合，得到同一岩性地层γ射线浓度和放射性核素含量之间的对应关系，并利用掌子面前方岩石的γ值对其放射性核素含量进行预报。
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