CN117270062B - 基于环形电极发射的tbm激发极化超前探水装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于隧道钻孔激发极化法技术领域，为了解决常规超前探水装置效率低且精度差的问题，提供了一种基于环形电极发射的TBM激发极化超前探水装置与方法。其中，基于环形电极发射的TBM激发极化超前探水装置包括环形供电电极、测量电极、数据接收单元和解译成像模块；所述环形供电电极由隧道内的钢拱架构成，形成发射源；多个所述测量电极与数据接收单元依次连接构成数据采集模块，组成阵列式数据采集模块；所述数据采集模块将在掌子面列阵测量的电位数据发送到解译成像模块；解译成像模块用于对接收的数据进行解译和掌子面前方区域电阻率成像。其能够简化供电装置，将钢拱架从干扰源转变为发射源，提高探测效率和精度。
Description
技术领域
本发明属于TBM隧道激发极化法技术领域，尤其涉及一种基于环形电极发射的TBM激发极化超前探水装置与方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
TBM隧道和地下工程建设面临着更加复杂的地质条件，突水突泥致灾构造已成为隧道工程关键线路的问题。隧道激发极化法是一种有效的超前预报探水方法，已逐渐成为隧道超前预报中的常见探测手段。然而传统激发极化采用单点源探测，而且容易受到隧道内金属构件的干扰，导致对异常体的定位不够准确。这使得TBM隧道工程面对复杂地质条件时，需要更精确的预测和监测方法，以降低突发地质问题对工程的风险。
在隧道激发极化超前探测方面，多同性源阵列激发极化观测模式采用4个供电电极，且测量电极阵列位于掌子面，能够减弱电极附近异常体干扰，压制掌子面近处异常体的敏感性，实现异常体的三维反演成像。现需提出一种探测更高效、与围岩耦合更好的探测方式。具体来说，存在以下问题：
常规的供电方式采用隧道边墙多点依次激发，工作量大且工作时间较长，通常会影响施工进度；传统的点电极源激发信号强度有限，探测物理场源的辐射能量随着距离增加而减弱，在隧道中进行前向探测时具有探测深度较小的缺点；隧道激发极化法在隧道边墙进行供电电极布设时，由于隧道边墙平整度较差，导致电极与围岩的耦合效果较差，致使接触阻抗变大；同时隧道内的钢拱架等金属构件会对电法探测产生干扰，从而影响探测深度和效果。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于环形电极发射的TBM激发极化超前探水装置与方法，其能够简化供电装置，将钢拱架从干扰源转变为发射源，提高探测效率和精度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供了一种基于环形电极发射的TBM激发极化超前探水装置。
一种基于环形电极发射的TBM激发极化超前探水装置，其包括：
环形供电电极、测量电极、数据接收单元和解译成像模块；
所述环形供电电极由隧道内的钢拱架构成，形成发射源；
多个所述测量电极与数据接收单元依次连接构成数据采集模块，组成阵列式数据采集模块；
所述数据采集模块将在掌子面列阵测量的电位数据发送到解译成像模块；
所述解译成像模块用于对接收的数据进行解译和掌子面前方区域电阻率成像。
作为一种实施方式，所述钢拱架与围岩之间设有石墨导电混凝土接触层。
作为一种实施方式，所述钢拱架在隧道边墙上依次后移进行激发探测，以提供不同距离的激电信号。
作为一种实施方式，所述测量电极为不极化电极。
作为一种实施方式，所述不极化电极由铜棒及盛有饱和硫酸铜溶液的素烧瓷罐构成，所述铜棒通过素烧瓷罐渗透的硫酸铜溶液的离子进行导电。
作为一种实施方式，所述数据采集模块平均布置在掌子面上。
作为一种实施方式，在所述解译成像模块中，利用激发极化正反演算法对接收的数据进行解译和成像。
本发明的第二个方面提供一种基于环形电极发射的TBM激发极化超前探水方法。
一种基于环形电极发射的TBM激发极化超前探水方法，包括：
在隧道边墙上和掌子面上确定电极布置位置，测量电极与数据接收单元依次连接构成数据采集模块；
通过电缆将解译成像模块、阵列式数据采集模块和钢拱架分别相连；
通过将解译成像模块与环形钢拱架连接，使得钢拱架充当环形电极，对环形钢拱架供电，实施一次；
每次探测结束后，数据采集模块将处理好的数据发送到解译成像模块，解译成像模块对接收的数据进行解译和成像；
重复上述过程，通过控制解译成像模块连接不同位置的钢拱架，以提升探测质量和探测深度。
作为一种实施方式，按照设定的阵列顺序安置数据采集模块。
作为一种实施方式，解译成像模块利用激发极化正反演算法对接收的数据进行解译和成像。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明直接利用隧道内现有的钢拱架作为环形供电电极，实现了将钢拱架由干扰源变为发射源，与传统点电源相比具有更好的抗干扰能力；本发明采用钢拱架环形电极激发方式，相比传统激发极化多点依次探测更加方便；只需布置测量电极，省去了布置供电电极的时间，提高了探测效率；
本发明的钢拱架与围岩之间设有石墨导电混凝土接触层，使得钢拱架与围岩耦合效果更好，接触阻抗更低，在一定程度提高掌子面前方深部信号强度，提高了激发极化探测距离和对异常体的探测效果。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
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是本发明实施例的基于环形电极发射的TBM激发极化超前探水装置框图；
图2是本发明实施例的基于环形电极发射的隧道激发极化超前探水布置示意图；
图3是本发明实施例的掌子面电极排列方式示意图；
图4是本发明实施例的数据采集模块内部结构图。
图中：1数据采集模块，2测量电极，3解译成像模块，4环形供电电极，5灾害水体，6钢拱架接入点，7电缆，8不极化电极，9数据接收单元，10石墨导电混凝土接触层。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
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。
术语解释：
测量电极（potential electrode），是进行电法工作时，为了测量电位差而选用的接地电极。
不极化电极（non-polarizing electrode），俗称极罐，是电法勘探中用来接收电信号的装置，是一种测量电位差用的接地电极。
实施例一
如图1和图2所示，本实施例的一种基于环形电极发射的TBM激发极化超前探水装置，其包括：环形供电电极4、测量电极2、数据接收单元9和解译成像模块3。
在本实施例中，所述环形供电电极4由隧道内的钢拱架构成，形成发射源。
本实施例利用隧道内现有的钢拱架作为环形供电电极4，与围岩之间有一层石墨导电混凝土接触层10，接触阻抗更低，从而实现将钢拱架由干扰源变为发射源，在隧道边墙上依次后移进行激发探测，可以提供不同距离的激电信号。
TBM隧道中，钢拱架与围岩会存在空隙，基于石墨导电混凝土导电性好，且具有速凝性，可利用喷浆工艺将此材料填充钢拱架与围岩之间的空隙，增强电极与围岩之间的耦合效果，降低接触阻抗，增加信号强度，进而提高测深能力和测量的精确性、可靠性。
在具体实施过程中，所述钢拱架在隧道边墙上依次后移进行激发探测，以提供不同距离的激电信号。
在具体实施过程中，多个所述测量电极2与数据接收单元9依次连接构成数据采集模块1，组成阵列式数据采集模块；所述数据采集模块1平均布置在掌子面上，如图3所示。
此处可以理解的是，本领域技术人员根据实际探测需求，可相匹配布局数据采集模块，此处不再详述。
图4是数据采集模块内部结构图，根据图4，测量电极2为不极化电极8。
其中，不极化电极8由铜棒及盛有饱和硫酸铜溶液的素烧瓷罐构成，铜棒通过素烧瓷罐渗透的硫酸铜溶液的离子进行导电。这样的接地条件，可使电极的极化电位差减小到1毫伏以内，也减小了测量电极本身的极化电位差。
此处需要说明的是，在其他实施例中，不极化电极也可采用其他现有的制备方法来进行制备，本领域技术人员可根据实际情况来具体选择，此处不再详述。
在具体实施过程中，所述数据采集模块1将在掌子面列阵测量的电位数据发送到解译成像模块3；所述解译成像模块3用于对接收的数据进行解译和掌子面前方区域电阻率成像。
其中，解译成像模块3通过电缆7连接至拱架接入点6。
本实施例的解译成像模块3通过解译和掌子面前方区域电阻率成像来确定掌子面的前方低阻区域，最终完成对掌子面前方的灾害水体5构造的有效识别。
此处需要说明的是，所述解译成像模块3可采用现有硬件结构来实现，本领域技术人员可根据实际情况来具体设置，此处不再详述。
在一个或多个实施例中，在所述解译成像模块3中，利用激发极化正反演算法对接收的数据进行解译和成像。
解译成像模块可采用但不限于长电源三维地电断面有限单元正演模拟方法，为了提高求解三维电场的精度，采用异常电位法，公式如下：；；/>；
上式中，为总纲矩阵，/>为与电阻率相关的参数，/>为正常电位，/>为异常电位，/>为电流强度，/>为围岩电阻率，/>为线电源的长度，/>为长电源某段微元与观测点之间的距离，/>为装置系数，/>为总电位。
反演算法的目标函数一般数据项和模型项两部分内容，对目标函数进行最小值求解可以得到最终的反演结果。本实施例可采用的传统光滑约束反演目标函数如下：；
上式中，为数据拟合项；/>为模型约束项；/>为拉格朗日算子，调整/>与/>的权重，用来平衡两者在反演迭代过程中对结果的影响，可提高反演效果的稳定性和可靠性；为数据参数，比如在本实施例中为电位数据。
此处需要说明的是，在其他实施例中，解译成像模块中也可采用其他算法来进行解译和成像，此处不再详述。
本实施例直接利用隧道内现有的钢拱架作为环形供电电极，实现了将钢拱架由干扰源变为发射源，与传统点电源相比具有更好的抗干扰能力；本实施例采用钢拱架环形电极激发方式，相比传统激发极化多点依次探测更加方便；只需布置测量电极，省去了布置供电电极的时间，提高了探测效率。
实施例二
在一个或多个实施例中，还提供了一种基于环形电极发射的TBM激发极化超前探水方法，其利用钢拱架作为环形电极，与常规激发极化方法兼容，实际探测时操作十分简便；利用钢拱架作为环形电极可以减小电极与围岩间的接触阻抗，可以增大电信号的强度，从而提高了测深能力；还利用激发极化正反演算法，对采集的数据进行解译和成像。
本实施例的一种基于环形电极发射的TBM激发极化超前探水方法，具体包括如下步骤：
步骤1：在隧道边墙上和掌子面上确定电极布置位置，测量电极与数据接收单元依次连接构成数据采集模块；按照设定的阵列顺序安置数据采集模块；
步骤2：通过电缆将解译成像模块、阵列式数据采集模块和钢拱架分别相连；
步骤3：通过将解译成像模块与环形钢拱架连接，使得钢拱架充当环形电极，对环形钢拱架供电，实施一次；
步骤4：每次探测结束后，数据采集模块将处理好的数据发送到解译成像模块，解译成像模块对接收的数据进行解译和成像；
步骤5：重复上述过程，通过控制解译成像模块连接不同位置的钢拱架，以提升探测质量和探测深度。
其中，解译成像模块利用激发极化正反演算法对接收的数据进行解译和成像。
解译成像模块可采用但不限于长电源三维地电断面有限单元正演模拟方法，为了提高求解三维电场的精度，采用异常电位法，公式如下：；；/>；
上式中，为总纲矩阵，/>为与电阻率相关的参数，/>为正常电位，/>为异常电位，/>为电流强度，/>为围岩电阻率，/>为线电源的长度，/>为长电源某段微元与观测点之间的距离，/>为装置系数，/>为总电位。
反演算法的目标函数一般数据项和模型项两部分内容，对目标函数进行最小值求解可以得到最终的反演结果。本实施例可采用的传统光滑约束反演目标函数如下：；
上式中，为数据拟合项；/>为模型约束项；/>为拉格朗日算子，调整/>与/>的权重，用来平衡两者在反演迭代过程中对结果的影响，可提高反演效果的稳定性和可靠性；为数据参数，比如在本实施例中为电位数据。
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。
Claims (9)
1.一种基于环形电极发射的TBM激发极化超前探水装置，其特征在于，包括：
环形供电电极、测量电极、数据接收单元和解译成像模块；
所述环形供电电极由隧道内的钢拱架构成，形成发射源；所述钢拱架与围岩之间设有石墨导电混凝土接触层；所述环形供电电极由隧道内的钢拱架构成，形成发射源，具体为：利用隧道内现有的钢拱架作为环形供电电极，与围岩之间有一层石墨导电混凝土接触层，接触阻抗更低，从而实现将钢拱架由干扰源变为发射源；
多个所述测量电极与数据接收单元依次连接构成数据采集模块，组成阵列式数据采集模块；
所述数据采集模块将在掌子面列阵测量的电位数据发送到解译成像模块；
所述解译成像模块用于对接收的数据进行解译和掌子面前方区域电阻率成像。
2.如权利要求1所述的基于环形电极发射的TBM激发极化超前探水装置，其特征在于，所述钢拱架在隧道边墙上依次后移进行激发探测，以提供不同距离的激电信号。
3.如权利要求1所述的基于环形电极发射的TBM激发极化超前探水装置，其特征在于，所述测量电极为不极化电极。
4.如权利要求3所述的基于环形电极发射的TBM激发极化超前探水装置，其特征在于，所述不极化电极由铜棒及盛有饱和硫酸铜溶液的素烧瓷罐构成，所述铜棒通过素烧瓷罐渗透的硫酸铜溶液的离子进行导电。
5.如权利要求1所述的基于环形电极发射的TBM激发极化超前探水装置，其特征在于，所述数据采集模块平均布置在掌子面上。
6.如权利要求1所述的基于环形电极发射的TBM激发极化超前探水装置，其特征在于，在所述解译成像模块中，利用激发极化正反演算法对接收的数据进行解译和成像。
7.一种基于环形电极发射的TBM激发极化超前探水方法，其特征在于，包括：
在隧道边墙上和掌子面上确定电极布置位置，测量电极与数据接收单元依次连接构成数据采集模块；
钢拱架与围岩之间设有石墨导电混凝土接触层；环形供电电极由隧道内的钢拱架构成，形成发射源，具体为：利用隧道内现有的钢拱架作为环形供电电极，与围岩之间有一层石墨导电混凝土接触层，接触阻抗更低，从而实现将钢拱架由干扰源变为发射源；
通过电缆将解译成像模块、阵列式数据采集模块和钢拱架分别相连；
通过将解译成像模块与环形钢拱架连接，使得钢拱架充当环形电极，对环形钢拱架供电，实施一次；
每次探测结束后，数据采集模块将处理好的数据发送到解译成像模块，解译成像模块对接收的数据进行解译和成像；
重复上述过程，通过控制解译成像模块连接不同位置的钢拱架，以提升探测质量和探测深度。
8.如权利要求7所述的基于环形电极发射的TBM激发极化超前探水方法，其特征在于，按照设定的阵列顺序安置数据采集模块。
9.如权利要求7所述的基于环形电极发射的TBM激发极化超前探水方法，其特征在于，解译成像模块利用激发极化正反演算法对接收的数据进行解译和成像。
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