CN113107507B - 一种超前探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种超前探测装置，至少包括用于进行电流场和电磁场检测的线圈组和接收所述线圈组反馈的测量数据的控制模块。线圈组至少包括发射线圈和接收线圈。发射线圈至少包括多个导电实体以及至少一个导电线段。其中，至少两个导电实体能够形成带有缺口，且缺口能够与导电线段接触从而使得至少两个导电实体形成闭合回路的第一探测线圈。

Description

一种超前探测装置

本案为申请号为201911075570.6，申请日期为2019年11月5日，申请类型为发明专利，申请名称为一种基于地质超前探测的盾构机的分案申请。

技术领域

本发明涉及隧道盾构技术领域，尤其涉及一种超前探测装置。

背景技术

盾构机是一种全封闭的隧道掘进机，属于一种用于挖掘隧道等通道的机械设备，其是一种既能支承地层的压力、又能在地层中掘进的施工机具，驱动元件抵靠在挖掘的通道内安装的衬砌管片并伸长以为盾构刀盘提供向前掘进反力。用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。但是，地铁盾构施工大多地处密集地段，周边环境复杂，穿越各种建筑物、铁路、河流、桥梁等作业日益频繁，而且由于施工节点较多，施工单位不同，管理理念、水平不一，给地铁工程的建设及将来的运营管理留下不容忽视的问题和安全隐患，地铁施工引发的安全事故严重影响人民生命及财产安全，造成了建设和运营截然不同的社会效益，影响不容小觑。

例如，北京地铁是我国城市交通的象征之一，自1965年开始修建地铁起至今已经发展近55年，其发展规模大、发展速度快、修建技术水平取得革命性突破。北京地铁12号线是北三环线，是北京北部的加密线，其中三元桥站位于机场高速东侧。其中，西坝河站-三元桥站的设计走向为：沿北三环东路向东南敷设，从三元西桥两侧绕行通过，至机场高速路前左线调整线路走向并缩小线间距，下穿三元桥匝道桥后转向首都机场高速路东侧敷设，到达西坝河站。该区间地质结构复杂且潜水水位较高，因此在盾构机穿越过程中会频繁遇到复合地层等多种复杂的地质结构特征，如果不能对盾构掘进掌子面前方以及深度方向的地质情况准确判断，不仅会影响施进度，更为严重的是可能造成部分区间发生沉降，严重威胁道路、附近建筑和人民生命的安全。北京作为全国的政治文化中心、地铁开发建设的主要城市，盾构施工的安全效益显得尤为敏感和突出，因此，加强北京地铁盾构法施工风险管控和安全控制技术研究具有十分重要的意义，而且非常紧迫。

地质探测可以比喻为医生的“听诊器”，能够了解不同深度的地质结构特征。地质探测有着较长的发展史，且积累了大量的知识经验。例如，1992年Sattel等人在瑞士一个试点工程隧道内部使用了一种地震探测技术，探测方法是利用装置在隧道墙壁上的信号接收器来接收由小爆破产生的地震波能量，以此来预测掌子面前方的地质状况。

例如，公开号为CN104863602B的中国专利文献公开了一种土质盾构隧道施工病害超前预报方法。在盾构机前方设置超前探测装置，利用超前探头可以探测到土层的侧阻力、端阻力及孔隙水压力，以确定土层性质，然后将结果输送到盾构施工控制中心，形成土层分布和性质三维模型，并自动生成更大范围内不断修正的土层分布和性质预测三维模型，由此判断前方土体工程性质，及时修订施工方案和采取安全措施，节省工程成本，保证施工质量、避免发生重大安全事故。本发明可预知施工环境，优化施工方案、采取安全措施，安全、方便、节省材料、可适用于不同性质的土层，是盾构施工中一种准确经济的土质盾构隧道施工病害超前预报方法。

例如，公开号为CN110206548A的中国专利文献公开了一种多功能支撑装置、掘进面地质超前探测系统及掘进机，该掘进面地质超前探测系统包含：多功能支撑装置，及地质探测装置；所述多功能支撑装置包含固定臂，与固定臂连接的伸缩臂，及为伸缩臂提供支撑动力的支撑油缸，伸缩臂工作端与待支撑设备或待支撑面连接；固定臂与掘进机截割臂铰接，地质探测装置设于伸缩臂工作端。本发明通过利用与掘进机截割臂固定的多功能支撑装置将掘进面地质超前探测系统进行固定支撑，无需专用车辆或人工搬运，确保地质探测效率和探测安全，解决场地限制问题，满足实时性要求，适用性强，有效降低掘进作业安全事故，提高施工效率和施工质量，具有较强工程应用前景。

例如，公开号为CN105068128B的中国专利文献公开了一种土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统及探测方法，该系统利用刀盘上搭载的推进电极系统将针状电极贯入土体进行供电和采集，克服了土压平衡盾构没有探测空间的困难；利用屏蔽电极使探测电流前向分布以及刀盘上的喷浆设备向刀盘和盾构周边土体喷射高阻注浆材料克服了电磁干扰和盾构作为良导体导出电流的困难；利用全过程自动化控制，多路并行采集和快速反演手段克服了探测时间少的困难。该方法利用地质体电阻率差异实现了球状风化体、软硬分层地层、前方全断面硬岩、卵石层、淤泥质层的探测；利用激发极化半衰时实现了富水层含水情况的探测。

例如，公开号为CN105891890B的中国专利文献公开了一种盾构搭载的非接触式频域电法实时超前探测系统与方法，该发明在盾构机刀盘上安装非接触式电极，利用电容耦合发射和接收电流，通过多路回转接头连接到主机，对测量数据实时反演和解释，并将预报结果传输到盾构机控制系统中，为盾构机的安全施工提供技术支撑；在盾构刀盘上安装非接触式电极，避免了传统接触电极耦合困难的问题；同时不需要盾构停机在盾构掘进过程中可实现掌子面前方地质的实时超前探测，满足盾构施工的快速化的需求，大大提高了盾构机超前地质探测的效率，仅在刀盘上安装电极系可有效避免后方金属物的干扰，提高对前方的超前探测能力，更为重要的是克服了刀盘与掌子面空间极为狭小的问题。

例如，文献[1]赵栓峰,丁志兵,李凯凯,et al.盾构机掘进煤矿巷道超前探测系统[J].煤矿安全,v.50；No.536(02):117-120.公开了一种盾构机掘进巷道超前探测实时监测系统，包括硬件、激励模式和测量模式等，利用三维电阻层析成像方法获得测量区域内部各点处的电阻率分布。盾构机掘进煤矿巷道超前探测实时监测系统以盾构机的刀盘作为激励和测量电极进行数据采集，利用电阻层析成像算法对测量的数据进行反演分析，发现盾构机施工前方的异常体。电阻层析成像的基本原理：利用不同物质的导电性差异，通过测量区域内电阻率的分布，得到测量区域内敏感度的分布，就可以利用层析成像算法实施图像重建。

但是以上文献公开的超前探测技术，或者受当前巷道后方及侧帮的影响较大且存在对掘进工作面前方异常体的弱敏感性，或者由于体积效应影响，分辨率低，难以准确分辨实际的电性界面，同时因关断时间影响存在探测盲区。此外由于全空间效应影响，掘进工作面前后方异常混合在一起难以分离。

地质雷达探测方法是目前分辨率最高的工程地球物理方法，源于欧美的航天探空雷达技术。虽然早在1910年德国的GLeimbach和H.L6wy就提出了利用雷达原理探地，但上世纪70年代以后探地雷达的实际应用范围才得以扩大。地质雷达在工程质量检测场地勘察中被广泛采用，近年来也被用于隧道超前预报工作。该方法能发现掌子面前方地层的变化，对于断裂带特别是含水带、破碎带有较高的识别能力。在深埋隧道、富水地层以及溶洞发育地区，地质雷达是一个很好的预报手段。但是地质雷达目前探测的距离较短，大约在20-30m以内，对于长距离隧道的预报只能分段进行，同时雷达记录易受洞内机电设备干扰。

随着地下工程建设纵深发展，传统地质雷达所探测的深度(20-30m)已远远满足不了工程需要，且对地质探测的质量和效果，尤其是地下特殊地质条件和空洞、水文条件的探析要求越来越高。综上，针对以上技术问题，本发明提供一种基于超前探测的盾构机，在短距离准确探析盾构机前方地质结构基础上实现远距离精确超前探测，并由此建立地质结构的三维模型，从而实现地质三维模型的反演沉降分析。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供一种基于地质超前探测的盾构机，至少包括盾构机主体以及设置于所述盾构机主体上的超前探测装置。所述超前探测装置至少包括控制模块、发射模块组以及线圈组。所述控制模块配置为通过所述发射模块组将探测信号传输至所述线圈组以进行地质超前探测，使得所述控制模块能够通过接收所述线圈组反馈的测量数据以实现地质三维模型的联合反演分析。所述控制模块还被配置为：在所述盾构机主体处于掘进工作的状态下，通过所述发射模块组发射用于直流探测的第一探测信号；在所述盾构机主体处于停止工作的状态下，通过所述发射模块组发射用于瞬变电磁探测的第二探测信号和/或用于核磁共振探测的第三探测信号。第一探测信号、第二探测信号和/或第三探测信号均能够通过所述线圈组进行电流场和电磁场探测。在盾构机的主体上设置超前探测装置进行超前探测的过程中，不同的探测技术采用的探测方法都具有不同的局限性，从探测距离、探测准确度、探测速度、施工成本、施工速度构成的多个天然无法克服的矛盾主客体中，针对不同的施工分级条件下的超前探测组合模式，实现各种探测技术的优势互补、压制干扰以及结合长距离探测与短距离探测，能够提高探测精度和探测距离，但在多个超前探测技术组合的模式中，涉及组合模式中针对不同物性的探测信号的发射和接收的设置空间和干扰问题是不同超前探测技术结合与盾构机的高效掘进穿越的关键，例如采用直流法和瞬变电磁法的组合探测模式，直流法使用电极与掌子面接触通过激发电流场探测而瞬变电磁法在距离掌子面一定的空间内使用线圈激发电磁场探测，但由于电极与线圈的形态结构不同以及部署的位置不同，因此在两者的组合探测模式中，现有技术通过分别配置电极与线圈实现超前探测，但繁复的配置步骤严重制约了探测效率以及盾构机的穿越速度；而且，尽管可以将单独激发电流场电极和单独激发电磁场的线圈分别设置在盾构机的刀盘或者头部，但直流法采用的电极在工作时是随刀盘旋转的，会对附近的线圈产生一定的激励作用，激发的电磁场会对电流场产生干扰，同样在线圈激励的过程中附近的金属电极也会对电磁场产生干扰，从而影响超前探测的距离和准确度。本发明中，由于线圈组的导电实体和导电线段的动态配置以使得所述线圈组能够实现激发电流场到激发电磁场的转换，使得不同物性探测的超前探测技术的组合模式能够无需繁复的重新配置也不需要较大的配置空间，就能够实现盾构机掘进和停止两种工作状态下的连续超前探测以及不同超前探测技术的无缝切换，而且针对切换前后的不同超前探测技术彼此干扰的问题，线圈组的电流场到电磁场之间的转换过程能够实现彼此转换增益和方向聚焦，尤其适用于在盾构机穿越地下机构的过程中能够进行随掘超前探测和静态超前探测结合，实现长距离精准探测含有水体、空洞、断层等不良地质体。

根据一个优选实施方式，所述线圈组至少包括发射线圈和接收线圈。所述发射线圈至少包括设置于所述盾构机主体的刀盘上的多个导电实体以及位于所述刀盘和/或所述盾构机主体与所述刀盘之间的至少一个导电线段。至少两个所述导电实体能够形成带有缺口且所述缺口能够与所述导电线段接触从而使得所述至少两个所述导电实体形成闭合回路的第一探测线圈。所述第一探测线圈配置为接收所述发射模块组发射的所述第一探测信号。在所述刀盘旋转的状态下所述第一探测线圈与所述盾构机主体前方的掌子面接触以传递所述第一探测信号和感应所述第一探测信号的变化，从而将所述第一探测信号的变化传输至所述控制模块。

根据一个优选实施方式，所述控制模块能够配置为驱动所述导电线段与多个所述第一探测线圈的所述缺口接触以使得多个所述第一探测线圈和所述导电线段能够形成闭合回路的第二探测线圈。所述第二探测线圈配置为接收所述发射模块组发射的所述第二探测信号和/或第三探测信号以在所述盾构机主体停止的状态下辐射所述第二探测信号和/或第三探测信号以探测地质结构。所述接收线圈以及与所述接收线圈对应设置的接收模块组接收所述第二探测信号和/或第三探测信号返回的响应信号。所述接收模块组配置为将所述响应信号传输至所述控制模块。

根据一个优选实施方式，至少两个所述第一探测线圈以所述刀盘的中心周向间隔分布。至少一个所述导电线段位于两个所述第一探测线圈之间。所述刀盘设置有安装所述第一探测线圈的第一安装部以及安装所述导电线段且可沿所述刀盘的轴向移动以使得所述导电线段与所述导电实体接触的第二安装部和/或在所述刀盘与盾构机主体之间设置有用于安装所述导电线段且能够沿所述刀盘的轴向移动的第三安装部。所述第三安装部以环绕所述刀盘轴向的方式设置。所述第三安装部能够以沿所述盾构机主体轴向多层分布的方式承载至少一匝数的辅助线圈。所述辅助线圈至少能够分别与所述导电线段以及所述第一探测线圈连接，从而形成多匝数的第二探测线圈。

根据一个优选实施方式，多个所述第一探测线圈配置为能够沿其至所述刀盘的中心方向彼此间隔分布且延伸至所述刀盘的边缘。多个所述第一发探测线圈能够形成过所述刀盘中心的直列式阵列，从而能够在所述刀盘旋转的状态下全面覆盖所述盾构机主体前方掌子面的测量区域。

根据一个优选实施方式，所述第二安装部按照能够沿所述刀盘的轴向多层分布的方式设置。在多个所述第一探测线圈以所述刀盘的中心为中心对称的情况下，多个所述第一探测线圈能够与所述导电线段接触以形成至少两个沿所述刀盘的轴向彼此间隔的多边形闭合回路第二探测线圈。至少两个多边形性闭合回路第二探测线圈形成的闭合面彼此至少部分重叠。

根据一个优选实施方式，所述超前探测装置还包括分别与所述控制模块、所述发射模块组以及所述线圈组连接的探测选通模块组。在所述控制模块通过所述发射模块组内第一发射模块发射用于直流探测的第一探测信号的情况下，所述探测选通模块组配置为：基于所述控制模块相对所述第一探测信号生成的第一使能信号控制第一发射模块与多个所述第一探测线圈的导通。所述探测选通模块组依次彼此将距离最近和/或距离最远的两个所述第一探测线圈分别接入所述第一发射模块的正极和负极。在任意两个所述第一探测线圈分别接入所述第一发射模块的正极和负极的情况下，所述探测选通模块组将用于控制测量顺序的第一测量信号传递至所述接收模块组。

根据一个优选实施方式，所述接收模块组至少包括与所述第一探测线圈连接的第一接收单元以及与所述接收线圈连接形成闭合回路的第二接收单元。所述第一接收单元配置为基于所述第一测量信号依次测量未接入所述第一发射模块的多个彼此距离最近和/或距离最远的两个所述第一探测线圈之间的电信号，并将该电信号传输至所述控制模块。所述第二接收单元位于所述第二探测线圈的中心；或多个所述第二接收单元以所述第二探测线圈的中心对称地分布于掌子面和/或侧帮。

根据一个优选实施方式，在所述控制模块通过所述发射模块组内第二发射模块发射用于瞬变电磁探测的第二探测信号的情况下，所述探测选通模块组配置为：基于所述控制模块相对所述第二探测信号生成的第二使能信号驱动所述第二安装部和/或第三安装部沿所述刀盘的轴向移动以使得多个所述导电线段与多个所述第一探测线圈的缺口接触形成由闭合回路的第一探测线圈以及所述导电线构成闭合回路的第二探测线圈。所述探测选通模块组将所述第二发射模块与所述第二探测线圈导通以辐射第二探测信号。或在所述控制模块通过所述发射模块组内第三发射模块发射用于核磁共振探测的第三探测信号的情况下，所述探测选通模块组配置为：基于所述控制模块相对所述第三探测信号生成的第三使能信号驱动所述第二安装部和/或第三安装部沿所述刀盘的轴向移动以使得所述辅助线圈与多个所述导电线段接触以及使得多个所述导电线段与多个所述第一探测线圈的缺口接触形成由闭合回路的第一探测线圈。从而所述第一探测线圈、所述导电线以及所述辅助线圈能够构成闭合回路的多匝数第二探测线圈。所述探测选通模块组将所述第三发射模块与所述第二探测线圈导通以辐射第三探测信号。

本发明还提供一种基于超前探测方法，所述方法包括采用上述基于地质超前探测的盾构机进行地质超前探测。

附图说明

图1是本发明的超前探测装置的一个优选实施方式的简化模块示意图；

图2是本发明的盾构机进行超前探测的一个优选实施方式的简化示意图；

图3是发明的第一安装部和第二安装部一个优选分布方式的示意图；

图4是本发明的第一探测线圈的一个优选结构示意图；

图5是本发明的刀盘的一个优选地切面结构示意图；

图6是本发明的刀盘的另一个优选地切面结构示意图；

图7是本发明的第二探测线圈的一个优选结构示意图；

图8是本发明的第一探测线圈的一个优选测量方式示意图；

图9是本发明的盾构机进行超前探测的另一个优选实施方式的简化示意图；和

图10是本发明的第二探测线圈的一个优选测量方式示意图。

附图标记列表

100：盾构机主体 200：超前探测装置

300：缺口 400：辅助线圈

500：掌子面 600：导线

110：第三安装部 120：刀盘

210：控制模块 220：发射模块组

230：接收模块组 240：探测选通模块组

250：线圈组 121：第一安装部

122：第二安装部 221：第一发射模块

222：第二发射模块 223：第三发射模块

231：第一接收单元 232：第二接收单元

251：发射线圈 252：接收线圈

253：第一探测线圈 254：第二探测线圈

2511：导电实体 2512：导电线段

具体实施方式

下面结合附图1至10进行详细说明。

实施例1

本实施例公开了一种基于地质超前探测的盾构机，至少包括盾构机主体100以及设置于盾构机主体100上的超前探测装置200。超前探测装置200至少包括控制模块210、发射模块组220以及线圈组250。控制模块210配置为通过发射模块组220将探测信号传输至线圈组250以进行地质超前探测，使得控制模块210能够通过接收线圈组250反馈的测量数据以实现地质三维模型的联合反演分析。优选地，联合反演分析可以是利用不同的探测方法对底层的响应特征以及不同探测方法的时延和观测数据建立目标函数。基于目标函数选择与所选择的探测方法灵敏度和分辨率相应的迭代算法得到相应的迭代方程，例如直流法对高阻层具有较高的分辨能力，瞬间电磁法对低阻层反应灵敏，因此可以选择阻尼最小二乘法来得到迭代方程。优选地，得到迭代方程后可以根据不同的初始模型求出模型修正量，从而得到一次迭代解，并以一次迭代解作为下次迭代的初值的方式迭代计算。优选地，出书模型可以选择低阻目标层模型，例如第二、四层作为低阻目标层。

优选地，控制模块210还被配置为：在盾构机主体100处于掘进工作的状态下，通过发射模块组220发射用于直流探测的第一探测信号；在盾构机主体100处于停止工作的状态下，通过发射模块组220发射用于瞬变电磁探测的第二探测信号和/或用于核磁共振探测的第三探测信号。优选地，第一探测信号可以采用直流电法进行探测，例如直流三级法、直流聚焦法和激电法。直流电法的基本原理是通过将电流导入要探测的掌子面的围岩中，通过测量岩体中的电阻率或有关电能存储能力的参数PEE(Percentane frequency effect)的变化，预报前方的岩体的完整性和含水性，随着隧道掘进而连续不断获得成果，适时处理得出掌子面前方PFE的曲线或电阻率曲线，从曲线推断预报前方岩体的性状及含水情况。该方法的特点是能够以盾构机的刀盘120和/或刀具作为电极的载体。如图2所示，盾构机的刀盘120和/或刀具上的电极与盾构机主体100前方的掌子面500接触，在盾构机工作的情况下，即刀盘120和/或刀具旋转的状态下能够不断的导入电流以持续的进行探测。(第一探测信号的产生原理)具体的实施过程为：在测量的场域边界处，即掌子面500，导入适当的激励电流，如果其内部的电阻率发生了改变，所测量边界处的电压值也就随之改变。也就是通过施加适当的激励信号，来测量场域的响应过程。而电阻层析成像所得到的电压值可以反映测量区域内不同介质的响应结果，最后通过相应的算法分析还原出其内部的介质组成。以盾构机为载体，结合电阻率和/或PEE层析成像技术，进而实现超前探测。

优选地，第二探测信号可以采用瞬变电磁法进行探测。瞬变电磁法属于时间域电磁法，主要通过不接地回线或接地电极向探测方向发送一次脉冲电磁场，在一次场的激励下，地质结构导体内部产生感应我先电流，在一次脉冲磁场的间歇期间，感应电流产生的二次磁场不会随一次场的消失而立即消失，因此利用线圈或者或接地电极观测二次磁场，研究其与实践的变化关系，可进一步确定地下地质体的电性分布以及空间形态，由于是在一次脉冲磁场的间歇期间测量地下截止和目标体耦合效应的二次场，瞬变电磁法克服了一次场的诸多影响，因此二次磁场的变化能直接反应地质体的典型分布情况。瞬变电磁法的优点为：对低阻体反映敏感，在岩层富水性探测方面更具优势；超前探测距离较大，探测方向指向性好；施工方便快捷，劳动强度小等。缺点为：由于体积效应影响，分辨率低，难以准确分辨实际的电性界面，同时因关断时间等影响，存在探测盲区；而由于全空间效应影响，掘进工作面前后方异常混合在一起难以分离。并且在此指出，瞬变电磁法方法虽能圈定低阻异常的位置，但该法尚不能直接指出低阻异常是否是由水体所引起。

优选地，第三探测信号可以采用核磁共振法进行探测。核磁共振的工作原理与瞬变电磁原理类似，其中瞬变电磁法采用阶跃电磁脉冲激发，测量地下介质产生的二次衰减场。但是核磁共振法是一种直接找水的地球物理方法，在线圈中发射具有拉莫尔频率的交变电流磁场，产生向前传播的交变电磁场，使掌子面500前方的含水体得到激发，氢原子核的自旋磁矩偏离原来地磁场方向一定角度。然后关断激发线圈中的电流，被激发的原子核磁矩会恢复到原来的地磁场方向，并在这个过程中释放出核磁共振响应信号。通过在掌子面前方布设的接收线圈对这个信号进行拾取，达到探测各种灾害水体的目的，如图9所示。优选地，其它的地球物理方法找水时，是通过观测地质结构体含水后引起的某些地球物理参数的改变来推断这个结构是否含水，属于间接找水方法，而非直接对水进行探测。例如直流法找水时，是根据地下结构含水后电阻率会降低的特性，从通过圈定低电阻率的区域来推断可能的含水位置。而核磁共振方法找水是直接针对水分子，有水才会有核磁共振响应信号，没水就不会有信号。

优选地，第一探测信号、第二探测信号和/或第三探测信号均能够通过线圈组250进行电流场和电磁场探测。优选地，在盾构机的主体上设置超前探测装置进行超前探测的过程中，单一的探测方法都具有一定的局限性。从探测距离、探测准确度、探测速度、施工成本、施工速度构成的多个天然无法克服的矛盾主客体中，针对不同的施工分级条件下的超前探测组合模式，实现各种探测技术的优势互补、压制干扰以及结合长距离探测与短距离探测，是使用盾构机进行超前探测的趋势。例如，瞬变电磁法和直流法结合能够弥补瞬变电磁法对高阻和盲区探测的不足，也能够弥补直流法受盾构机工作后方以及侧帮影响较大且对掘进工作前方异常体的弱敏感的缺陷，实现盾构机掘进工作前后方异常体分离。优选地，核磁共振法与瞬变电磁法的信号激发线圈和接收线圈的设置类似，并且原理类似。但是，核磁共振能够直接找水，也就意味着核磁共振法对水体敏感，从而导致在水体较多的情况系下，其探测距离一般在30米以下，无法实现长距离超前探测。但是瞬变电磁法和直流法的探测距离在100m左右，尽管对水体的探测精度和探测界面的清晰度不如核磁共振法，但是能够通过在盾构机停机状态进行核磁共振探测，辅助直流法实现精准探测。优选地，但在上述多个超前探测技术组合的探测模式中，涉及组合模式中针对不同物性的探测信号的发射以及接收信号的设置空间和干扰问题是不同超前探测技术结合与盾构机的高效掘进穿越的关键。尤其是采用盾构机掘进进行超前探测，地下隧道空间大部分被盾构机占据，导致掌子面的前后空间十分狭小，例如，直流法使用部署在刀具或刀盘120上的电极与掌子面接触。瞬变电磁法以及核磁共振法的激励线圈需要在满足半空间或全空间条件下辐射电磁信号，因此需要在盾构机与掌子面500之间的狭窄空间进行多个激励线圈和发射线圈的部署，并需要在探测后拆卸以上装置以便盾构机进行掘进，不仅增加施工时间的开销，也会减缓盾构机的施工速度。本发明中，由于线圈组250的导电实体2511和导电线段2512的动态配置以使得所述线圈组能够实现激发电流场到激发电磁场的转换，使得不同物性探测的超前探测技术的组合模式能够无需繁复的重新配置也不需要较大的配置空间，就能够实现盾构机掘进和停止两种工作状态下的连续超前探测以及不同超前探测技术的无缝切换。线圈组250的导电实体2511和导电线段2512的动态配置可以是导电实体2511和导电线段2512形成的导电线圈的形状以及在刀盘120上部署位置的动态变化。例如至少两个导电实体2511构成的具有缺口300的第一探测线圈252可以用于通入直流电激发电流场进行探测，由于其具有缺口300，因此电流无法形成闭合回路，不会激发电磁场。导电线段2512在控制模块210的驱动下与该缺口300接触，从而使得第一探测线圈252形成闭合回路从而激发电磁场，同时由于多个导电线段2512可以与多个第一探测线圈252接触，能够形成由多个第一探测线圈252和多个导电线段2512构成的闭合回路形式的第二探测线圈253，并且通入交变电流后，第一探测线圈252和第二探测线圈253激发的电磁场方向相同。此外，导电实体2511和导电线段2512的动态配置还包括第二探测线圈253的形状以及位置的配置，例如刀盘120上不同位置的导电实体2511构成的第一探测线圈252与导电线段2512构成圆形、矩形等形状的第二探测线圈253。例如，导电线段2512和导电实体2511可以构成多个轴向间隔分布的多个第二探测线圈253，而且多个第二探测线圈253构成的闭合面至少部分重叠，如图7所示。优选地，动态配置还包括导电实体2511和导电线段2512构成的第一探测线圈252和第二探测线圈253随盾构机的工作状态和控制模块210激励信号而切换。例如，在盾构机工作的状态下线圈组250处于具有缺口300的第一探测线圈252形态，而在盾构机停止的状态下线圈组250处于第二探测线圈253的工作状态，其中，当激发第二探测信号的情况下，多个第二探测线圈253的闭合面处于彼此至少部分重叠且轴向彼此间隔的形态。

优选地，线圈组250能够实现电流场与电磁场之间的转换。线圈组250至少包括发射线圈251和接收线圈252。发射线圈251至少包括设置于盾构机主体100的刀盘120上的多个导电实体2511以及位于刀盘120和/或盾构机主体100与刀盘120之间的至少一个导电线段2512。优选地，如图4所示，至少两个导电实体2511能够形成带有缺口300的第一探测线圈253。缺口300能够与导电线段2512接触从而使得至少两个导电实体2511形成闭合回路的第一探测线圈253。如图4、图5以及图6所示，4个导电实体2511构成了具有两个缺口300的第一探测线圈253。并且第一探测线圈253两侧的缺口300与导电线段2512相互接触之后，能够形成一个闭合的回路。优选地，导电实体2511以及导电线段2512可以采用导电材料制作，例如金属、陶瓷灯。优选地，导电实体2511可以是如图4所示的圆形，也可以是方形或者不规则的多边形。优选地，导电实体2511能够与掌子面500或者盾构机主体100盾构的隧道的侧帮接触，从而基于直流法进行超前探测。

优选地，刀盘120设置有安装第一探测线圈253的第一安装部121。刀盘120还设置有安装导电线段2512的第二安装部122。优选地，第一安装部121为位于刀盘120上的多个直列式阵列的槽孔，如图3、图5和图6所示。由导电实体2511构成的第一探测线圈253可拆卸地安装在第一安装部121内。可拆卸的方式可以是螺纹练级、卡合连接等。优选地，第二安装部122可以位于两个第一安装部121之间，如图3所示。第二安装部122可以是凹槽，能够承载导电线段2512，如图5和图6所示。优选地，第一安装部121和第二安装部122可以是电磁屏蔽材料制作，或者其内壁设置有一层电磁屏蔽材料。优选地，导线600与刀盘120上的第一探测线圈253直接连接。导线600可以通过导电滑环与探测选通模块组240连接，从而能够在刀盘120旋转的状态下避免导线600因随第一探测线圈253旋转而发生缠绕的问题。

根据一种优选实施方式，第二安装部122可以沿刀盘120的轴向移动。第二安装部122可以通过盾构机主体100上的带动刀盘120转动的转轴沿刀盘120的轴向移动。第二安装部122与第一安装部121之间是滑动连接，使得第二安装部122内的导电线段2512处于轴向移动状态，从而能够接触第一探测线圈253，或者与第一探测线圈253分离，如图5和图6所示。优选地，图5中所示的不同第二安装部122可以分别与转轴连接。通过以上设置方式，在导电线段2512未接触所述第一探测线圈253的情况下，第一探测线圈253不是闭合回路，因此第一探测线圈253与掌子面500接触之后，能够将第一信号激发的电流导入掌子面500的围岩中，从而能够激发出电流场进行探测。

根据一个优选实施方式，如图3、图7和图8所示，至少两个第一探测线圈253以刀盘120的中心周向间隔分布。至少一个导电线段2512位于两个第一探测线圈253之间。

根据一个优选实施方式，控制模块210能够配置为驱动导电线段2512与多个第一探测线圈253的缺口300接触，使得多个第一探测线圈253和导电线段2512能够形成闭合回路的第二探测线圈254。优选地，如图3所示，第一安装部121内的四个第一探测线圈253和四个第二安装部122内的导电线段2512能够彼此接触，形成圆形的闭合回路。第二探测线圈253能够激励出电磁信号，可以用于辐射瞬变电磁法的第二探测信号和/或辐射核磁共振法的第三探测信号。通过以上设置方式，能够通过导电实体2511和导电线段2512分别形成用于激发电流场探测的第一探测线圈253和用于激发电磁场探测的第二探测线圈254，实现了电流场测试和电磁场测试的转换，从而不需要重新拆卸以及重新安装部署的方式实现电流场超前探测方法与电磁场探测方法的无缝切换，显著地减少了超前探测装置部署的时间、人力和经济成本，同时也提高了盾构机施工的效率。而且，相对于频繁拆卸、安装激励线圈，本发明的线圈固定于刀盘120上，线圈的形状、朝向固定，便于部署。此外，对于第一探测信号的电流场探测模式，第一探测线圈253与掌子面500的接触面积较大，获取的测量信息较为丰富。更为重要的是，在第二探测信号和/或第三探测信号使用第二探测线圈254进行超前探测时，第一探测线圈253的两个缺口300与导电线段2512接触，从而第一探测线圈253形成闭合回路，因此其激励的电流场转化为电磁场，并且该电磁场方向与第二探测线圈254形成的电磁场方向相同，使得第一探测线圈253不会对第二探测线圈254形成的电磁场进行干扰，还会增加第二探测线圈254的辐射增益，尤其是在第一探测线圈253以刀盘120的中心为中心对称分布的情况下，多个电磁场方向相同且对称分布的第一探测线圈253不仅会增加其辐射增益还会对第二探测线圈254的辐射方向进行聚焦，以减弱其电磁场辐射发散的问题。

优选地，如图1所示，超前探测装置200还包括探测选通模块组240以及接收模块组230。探测选通模块组240控制第一探测信号、第二探测信号和/或第三探测信号是否与线圈组导通。导通之后，线圈组250进行地质探测，并将响应信号传输至接收模块组230。接收模块组230将响应信号传输至控制模块210。优选地，控制模块210主要实现数据的发送和接收、开关控制以及数据处理等任务。控制模块210可以包括处理器和存储器。存储器用于存储指令。处理器被配置为通过执行存储器存储的指令。处理器可以是中央处理器(CentralProcessing Unit，CPU)，通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。优选地，发射模块220至少包括第一发射模块221、第二发射模块222以及第三发射模块223。优选地，第一发射模块221可以发射用于通入直流的第一探测信号。第二发射模块222可以用于发射阶跃电磁脉冲的第二探测信号。第三发射模块223可以用于发射具有拉莫尔频率的第三探测信号。

优选地，第一探测线圈253配置为接收发射模块组220发射的第一探测信号。在刀盘120旋转的状态下第一探测线圈253与盾构机主体100前方的掌子面接触以传递第一探测信号和感应第一探测信号的变化，从而将第一探测信号的变化传输至控制模块210。优选地，探测选通模块组240分别与控制模块210、发射模块组220以及线圈组250连接。在控制模块210通过发射模块组220内第一发射模块221发射用于直流探测的第一探测信号的情况下，探测选通模块组240配置为：基于控制模块210相对第一探测信号生成的第一使能信号控制第一发射模块221与多个第一探测线圈253的导通，如图1和图8所示。探测选通模块组240依次彼此将距离最近和/或距离最远的两个第一探测线圈253分别接入第一发射模块221的正极和负极。优选地，探测选通模块组240包括至少一个多路模拟开关。例如，可以是包括两片16路的CD4067模拟开关。通过该设置方式，能够对刀盘120上每个探测线圈253进行激励，从而在简单算法的实现过程下，获取较多的信息量。优选地，具体实施方式如下：

A、在第一探测线圈253内的至少两个导电实体2511接入的正极/负极相同的情况下，探测选通模块组240配置为依次将彼此距离最近的两个第一探测线圈253分别接入正极和负极；和/或在遍历完距离最近的两个第一探测线圈253之后，依次将彼此距离最远的两个第一探测线圈253分别接入正极和负极。

B、在第一探测线圈253内的至少两个导电实体2511接入的正极/负极不相同的情况下，探测选通模块组240配置为依次将第一探测线圈253内的至少两个不同的导电实体2511分别接入正极和负极；和/或在遍历完所有探测线圈253之后，依次将距离最近的两个第一探测线圈253内的连接不同正负极的导电实体2511连接。

优选地，在任意两个第一探测线圈253分别接入第一发射模块221的正极和负极的情况下，探测选通模块组240将用于控制测量顺序的第一测量信号传递至接收模块组230，即每当一对第一探测线圈253被探测选通模块组240导通的情况下，探测选通模块组240会生成第一测量信号。优选地，接收模块组230至少包括与第一探测线圈253连接的第一接收单元231。优选地，第一接收单元231配置为基于第一测量信号依次测量未接入第一发射模块221的多个彼此距离最近和/或距离最远的两个第一探测线圈253之间的电信号，如图8所示。优选地，第一接收单元231并将该电信号传输至控制模块210。优选地，电信号可以是电动势的变化。优选地，第一接收单元231可以是数据采集芯片、电路等。例如，可以是型号为ADS1256的ADC芯片。

优选地，通过以上对第一探测线圈253的不同的激励模式，不仅能够获取丰富的测量数据，能够实现对不同掌子面500的不同区域电阻率值的精确测量。

优选地，第二探测线圈254配置为接收发射模块组220发射的第二探测信号和/或第三探测信号以在盾构机主体100停止的状态下辐射第二探测信号和/或第三探测信号以探测地质结构。接收线圈252以及与接收线圈252对应设置的接收模块组230接收第二探测信号和/或第三探测信号返回的响应信号。接收模块组230配置为将响应信号传输至控制模块210。

根据一个优选实施方式，接收模块组230包括与接收线圈252连接形成闭合回路的第二接收单元232。优选地，第二接收单元232以及接收线圈252构成的闭合回路位于第二探测线圈254的中心，如图10所示。优选地，第二接收单元232至少包括同步线和采集电路以及通信串口。通过该设置方式，接收线圈252以及第二接收单元232能够以中心观测的方式接收响应信号，以探测较浅深度的地质结构。优选地，多个第二接收单元232以第二探测线圈254的中心对称地分布于掌子面500和/或侧帮。通过该设置方式，能够大深度、大面积地探测地质结构。

根据一个优选实施方式，在控制模块210通过发射模块组220内第二发射模块222发射用于瞬变电磁探测的第二探测信号的情况下，探测选通模块组240配置为：基于控制模块210相对第二探测信号生成的第二使能信号驱动第二安装部122和/或第三安装部110沿刀盘120的轴向移动以使得多个导电线段2512与多个第一探测线圈253的缺口300接触形成由闭合回路的第一探测线圈253以及导电线2512构成闭合回路的第二探测线圈254。探测选通模块组240将第二发射模块222与第二探测线圈254导通以辐射第二探测信号。

优选地，在控制模块210通过发射模块组220内第三发射模块223发射用于核磁共振探测的第三探测信号的情况下，探测选通模块组240配置为：基于控制模块210相对第三探测信号生成的第三使能信号驱动第二安装部122和/或第三安装部110沿刀盘120的轴向移动以使得辅助线圈400与多个导电线段2512接触以及使得多个导电线段2512与多个第一探测线圈253的缺口300接触形成由闭合回路的第一探测线圈253。从而第一探测线圈253、导电线2512以及辅助线圈400能够构成闭合回路的多匝数第二探测线圈254。探测选通模块组240将第三发射模块223与第二探测线圈254导通以辐射第三探测信号。

优选地，使用第二探测信号和/或第三探测信号进行超前探测的方式如图9所示。在盾构机处于停机的状态下，在掌子面500和/或侧帮设置多个接收线圈252和第二接收单元232，并且接收线圈252和第二接收单元232构成的闭合回路的中心对准第二探测线圈254的中心。在部署有多个由接收线圈252和第二接收单元232构成的闭合回路的情况下，多个该闭合回路以第二探测线圈254的中心为中心对称的方式分布于掌子面500。

优选地，在刀盘120与盾构机主体100之间设置有用于安装导电线段2512且能够沿刀盘120的轴向移动的第三安装部110，如图6所示。第三安装部110以环绕刀盘120轴向的方式设置。第三安装部110能够以沿盾构机主体100轴向多层分布的方式承载至少一匝数的辅助线圈400。辅助线圈400至少能够分别与导电线段2512以及第一探测线圈253连接，从而形成多匝数的第二探测线圈254，如图6所示。通过该设置方式，在使用第二探测信号和/或第三探测信号进行电磁场探测时，能够通过改变第二探测线圈254的匝数以提高第二探测254的辐射功率。

根据一个优选实施方式，多个第一探测线圈253配置为能够沿其至刀盘120的中心方向彼此间隔分布且延伸至刀盘120的边缘。如图3和图7所示，多个第一发探测线圈253能够形成过刀盘120中心的直列式阵列，从而能够在刀盘120旋转的状态下全面覆盖盾构机主体100前方掌子面的测量区域。

根据一个优选实施方式，第二安装部122按照能够沿刀盘120的轴向多层分布的方式设置。在多个第一探测线圈253以刀盘120的中心为中心对称的情况下，多个第一探测线圈253能够与导电线段2512接触以形成至少两个沿刀盘120的轴向彼此间隔的多边形闭合回路第二探测线圈254。优选地，间隔的距离可以是30mm。至少两个多边形性闭合回路第二探测线圈254形成的闭合面彼此至少部分重叠。优选地，如图7所示，三个矩形的第二探测线圈254形成了闭合的矩形面阵列，并且两两重叠。通过该设置方式，使得形成的第二探测线圈254具有磁聚焦特性，并且设计简单，能够改变激励功率大小和线圈的空间位置排布。

实施例2

本实施例公开了一种基于超前探测方法，所述方法包括采用实施例1公开的基于地质超前探测的盾构机进行地质超前探测。优选地，盾构机主体100上的超前探测装置200至少包括控制模块210、发射模块组220、接收模块组230、探测选通模块组240以及线圈组250。优选地，进行地质超前探测的方法至少包括如下步骤：

S100：控制模块210控制模块210在盾构机主体100处于掘进工作的状态下，通过发射模块组220内的第一发射模块221发射用于直流探测的第一探测信号。控制模块210基于线圈组250内的第一探测线圈253的分布状态、盾构机的运行状态和时间生成第一使能信号。优选地，第一探测线圈253是由至少两个导电实体2511形成，并且带有缺口300。缺口300能够与导电线段2512接触从而使得至少两个导电实体2511形成闭合回路的第一探测线圈253。如图4、图5以及图6所示，4个导电实体2511构成了具有两个缺口300的第一探测线圈253。并且第一探测线圈253两侧的缺口300与导电线段2512相互接触之后，能够形成一个闭合的回路。优选地，导电实体2511以及导电线段2512可以采用导电材料制作，例如金属、陶瓷灯。优选地，导电实体2511可以是如图4所示的圆形，也可以是方形或者不规则的多边形。优选地，导电实体2511能够与掌子面500或者盾构机主体100盾构的隧道的侧帮接触。

S200：探测选通模块组240依次彼此将距离最近和/或距离最远的两个第一探测线圈253分别接入第一发射模块221的正极和负极。优选地，探测选通模块组240包括至少一个多路模拟开关。例如，可以是包括两片16路的CD4067模拟开关。通过该设置方式，能够对刀盘120上每个探测线圈253进行激励，从而在简单算法的实现过程下，获取较多的信息量。优选地，具体实施方式如下：

A、在第一探测线圈253内的至少两个导电实体2511接入的正极/负极相同的情况下，探测选通模块组240配置为依次将彼此距离最近的两个第一探测线圈253分别接入正极和负极；和/或在遍历完距离最近的两个第一探测线圈253之后，依次将彼此距离最远的两个第一探测线圈253分别接入正极和负极。

B、在第一探测线圈253内的至少两个导电实体2511接入的正极/负极不相同的情况下，探测选通模块组240配置为依次将第一探测线圈253内的至少两个不同的导电实体2511分别接入正极和负极；和/或在遍历完所有探测线圈253之后，依次将距离最近的两个第一探测线圈253内的连接不同正负极的导电实体2511连接。

S300：在任意两个第一探测线圈253分别接入第一发射模块221的正极和负极的情况下，探测选通模块组240将用于控制测量顺序的第一测量信号传递至接收模块组230，即每当一对第一探测线圈253被探测选通模块组240导通的情况下，探测选通模块组240会生成第一测量信号。优选地，接收模块组230至少包括与第一探测线圈253连接的第一接收单元231。优选地，第一接收单元231配置为基于第一测量信号依次测量未接入第一发射模块221的多个彼此距离最近和/或距离最远的两个第一探测线圈253之间的电信号，如图8所示。优选地，第一接收单元231并将该电信号传输至控制模块210。优选地，电信号可以是电动势的变化。优选地，第一接收单元231可以是数据采集芯片、电路等，例如可以是型号为ADS1256的ADC芯片。优选地，刀盘120的轴向还设置有至少一个保护电极。或者在刀盘的周向设置有至少一个环状电极。通过该设置方式，能够对第一探测线圈253激励的电流线进行聚焦，保证电流线可以向着掌子面500的中心进行汇聚。

S400：在盾构机主体100处于停止工作的状态下，通过发射模块组220的第二发射模块222发射用于瞬变电磁探测的第二探测信号和/或通过发射模块组220的第三发射模块223发射用于核磁共振探测的第三探测信号。控制模块210基于盾构机的运行状态和停机时间生成第二使能信号和/或第三使能信号。优选地，探测选通模块组240能够基于第二使能信号和/或第三使能信号驱动导电线段2512与多个第一探测线圈253的缺口300接触，使得多个第一探测线圈253和导电线段2512能够形成闭合回路的第二探测线圈254。优选地，第二探测线圈253能够激励出电磁信号，可以用于辐射瞬变电磁法的第二探测信号和/或辐射核磁共振法的第三探测信号。通过以上设置方式，能够通过导电实体2511和导电线段2512分别形成用于激发电流场探测的第一探测线圈253和用于激发电磁场探测的第二探测线圈254，实现了电流场测试和电磁场测试的转换，从而不需要重新拆卸以及重新安装部署的方式实现电流场超前探测方法与电磁场探测方法的无缝切换，显著地减少了超前探测装置部署的时间、人力和经济成本，同时也提高了盾构机施工的效率。而且，相对于频繁拆卸、安装激励线圈，本发明的线圈固定于刀盘120上，线圈的形状、朝向固定，便于部署。此外，对于第一探测信号的电流场探测模式，第一探测线圈253与掌子面500的接触面积较大，获取的测量信息较为丰富。更为重要的是，在第二探测信号和/或第三探测信号使用第二探测线圈254进行超前探测时，第一探测线圈253的两个缺口300与导电线段2512接触，从而第一探测线圈253形成闭合回路，因此其激励的电流场转化为电磁场，并且该电磁场方向与第二探测线圈254形成的电磁场方向相同，使得第一探测线圈253不会对第二探测线圈254形成的电磁场进行干扰，还会增加第二探测线圈254的辐射增益，尤其是在第一探测线圈253以刀盘120的中心为中心对称分布的情况下，多个电磁场方向相同且对称分布的第一探测线圈253不仅会增加其辐射增益还会对第二探测线圈254的辐射方向进行聚焦，以减弱其电磁场辐射发散的问题。

S500：接收线圈252以及与接收线圈252连接形成闭合回路的第二接收单元232用于接收第二探测线圈254发射的电磁信号的响应信号。优选地，优选地，第二接收单元232以及接收线圈252构成的闭合回路位于第二探测线圈254的中心，如图10所示。优选地，第二接收单元232至少包括同步线和采集电路以及通信串口。通过该设置方式，接收线圈252以及第二接收单元232能够以中心观测的方式接收响应信号，以探测较浅深度的地质结构。优选地，多个第二接收单元232以第二探测线圈254的中心对称地分布于掌子面500和/或侧帮。通过该设置方式，能够大深度、大面积地探测地质结构。优选地，第二接收单元将响应信号传输至控制模块210。

S600：控制模块210基于获得的响应信号以及电信号进行联合反演分析。优选地，将基于第一探测信号进行探测的电信号、基于第二探测信号进行探测获取的第一响应信号、基于第三探测信号进行探测获取的第二响应信号以及工作参数导入，对电信号以及第一响应信号建立电性模型。例如可以利用等效导电平面法建立电性模型，并在电阻率与含水率的线性反相关的近似假设下，构建含水率反演初始模型。基于获得的电性模型，可以采用有线元方法实现第二响应信号的正演计算。基于第二响应信号的三维反演方法，例如可以采用将空间离散化为物性均分布的多个网格单元，即第二响应信号的初始振幅可以看做多个单元的核函数的加权，从而基于多个脉冲激发的测量模式，将第二响应信号以矩阵的形式表示，可以采用非线性拟合的方式定义目标函数，在此目标函数的最小化的情况下即可获取第二响应信号的最优解。基于此目标函数采用迭代反演的方式，利用反演初始模型初始化，直到目标函数的值小于给定值或达到迭代次数，从而输出含水率反演结果。

如本文所用的词语“模块”描述任一种硬件、软件或软硬件组合，其能够执行与“模块”相关联的功能。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种超前探测装置，至少包括用于进行电流场和电磁场检测的线圈组（250）和通过接收所述线圈组（250）反馈的测量数据的控制模块（210），

其特征在于，

所述线圈组（250）至少包括发射线圈（251）和接收线圈（252），所述发射线圈（251）至少包括设置于盾构机主体（100）的刀盘（120）上的多个导电实体（2511）以及位于所述刀盘（120）和/或所述盾构机主体（100）与所述刀盘（120）之间的至少一个导电线段（2512），其中，

至少两个所述导电实体（2511）能够形成带有缺口（300）且所述缺口（300）能够与所述导电线段（2512）接触从而使得所述至少两个所述导电实体（2511）形成闭合回路的第一探测线圈（253）；

所述第一探测线圈（253）配置为接收和传递第一探测信号，并在所述刀盘（120）旋转的状态下与盾构机主体（100）前方的掌子面接触以传递所述第一探测信号和感应所述第一探测信号的变化，从而将所述第一探测信号的变化传输至控制模块（210）。

2.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于，所述控制模块（210）能够配置为驱动所述导电线段（2512）与多个所述第一探测线圈（253）的所述缺口（300）接触以使得多个所述第一探测线圈（253）和所述导电线段（2512）能够形成闭合回路的第二探测线圈（254）。

3.根据权利要求2所述的探测装置，其特征在于，所述第二探测线圈（254）配置为接收第二探测信号和/或第三探测信号以在盾构机主体（100）停止的状态下辐射所述第二探测信号和/或第三探测信号以探测地质结构。

4.根据权利要求3所述的探测装置，其特征在于，在盾构机工作的状态下所述线圈组（250）处于具有所述缺口（300）的所述第一探测线圈（253）形态；而在盾构机停止的状态下，所述线圈组（250）处于所述第二探测线圈（254）的工作状态，其中，

当激发所述第二探测信号的情况下，多个所述第二探测线圈（254）的闭合面处于彼此至少部分重叠且轴向彼此间隔的形态。

5.根据权利要求4所述的探测装置，其特征在于，还包括探测选通模块组（240）以及接收模块组（230），

在所述控制模块（210）发射所述第一探测信号的情况下，所述探测选通模块组（240）配置为：

基于所述控制模块（210）相对所述第一探测信号生成的第一使能信号控制第一发射模块（221）与多个所述第一探测线圈（253）的导通。

6.根据权利要求5所述的探测装置，其特征在于，当一对所述第一探测线圈（253）被探测选通模块组（240）导通的情况下，探测选通模块组（240）会生成第一测量信号。

7.根据权利要求6所述的探测装置，其特征在于，所述接收模块组（230）至少包括与所述第一探测线圈（253）连接的第一接收单元（231），所述第一接收单元（231）配置为基于所述第一测量信号依次测量未接入所述第一发射模块（221）的多个彼此距离最近和/或距离最远的两个所述第一探测线圈（253）之间的电信号。

8.根据权利要求5所述的探测装置，其特征在于，所述接收模块组（230）包括与所述接收线圈（252）连接形成闭合回路的第二接收单元（232），所述第二接收单元（232）以及所述接收线圈（252）构成的闭合回路位于所述第二探测线圈（254）的中心。

9.一种地质超前探测方法，其特征在于，所述方法包括采用如权利要求1至8之一所述的超前探测装置进行地质超前探测。