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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein schildbeaufschlagtes kontaktfreies elektrisches Frequenzbereichechtzeitvorauserkundungssystem und -verfahren.
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Stand der Technik
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Derzeit werden in über 40 Ländern der Welt städtische U-Bahnlinien betrieben, wobei die entwickelten Länder gut ausgebaute städtische U-Bahnnetze aufweisen. U-Bahnen haben eine wichtige Rolle in der Personenverkehrsplanung der Verkehrssysteme wichtiger Städte gespielt: Beispielsweise können sich die Einwohner von Moskau, New York, Beijing und anderen Städten das Leben ohne U-Bahn nicht mehr vorstellen. Angesichts der Vorteile und der Bequemlichkeit des Schienenverkehrs beginnen immer mehr Länder, eigenen Schienenverkehr zu entwickeln. Mit der raschen Entwicklung des weltweiten Schienenverkehrs werden alle Länder immer mehr Tunnelprojekte im Verkehrsbereich durchführen. Im Vergleich zu traditionellen Tunnelbauverfahren wie etwa dem offenen Tunnelbau oder dem oberflächennahen Tunnelbau weist der Schildvortriebstunnelbau viele Vorteile auf, darunter „hohe Tunnelbaugeschwindigkeit, hohe Produktionseffizienz, Aufbau einer Umweltzivilisation und hohe technische und wirtschaftliche Überlegenheit”, weshalb derzeit immer mehr internationale U-Bahntunnelprojekte im Schildvortriebsverfahren gebaut werden, wobei das Erddruckausgleichs(earth pressure balance, EPB)-Schild ein bekannter Schildtyp im Schildvortriebsbau ist.
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Der EPB-Schildbau, der zum Vollschnitt-Tunnelbohrmaschinen(TBM)-Bau gehört, wird vor allem für Arbeiten in städtischen Untertagebauprojekten in weichem Boden verwendet und kann aufgrund der großen Nähe zur Oberfläche und starker Veränderungen der geologischen Einheiten auf komplexere, schlechte geologische Bedingungen stoßen. Dabei ist es aufgrund der hohen Bebauungsdichte in der Stadt schwierig, die schlechten geologischen Bedingungen entlang einer Linie mittels Bodenuntersuchung vollständig zu erfassen. Sobald während der Ausgrabung auf wasserreiche Sandschichten, durch Wasser entstandene Hohlräume, solitäre Steine und andere ungünstige geologische Körper gestoßen wird, kommt es häufig zu technischen Problemen wie Einsturz, plötzlichen Wassereinbrüchen und Nachgeben der Oberfläche, die bestenfalls zur Beschädigung der Schildmaschine und Bauverzögerungen und schlimmstenfalls zu schweren Unfällen durch Einsturz einer geologischen Schicht führen können. Die Vorauserkundung von Informationen, darunter Position und Größe ungünstiger geologischer Körper, kann Baukatastrophen wirksam verhindern. Daher ist es notwendig, das EPB-Schild mit einem Vorauserkundungssystem zu versehen und eine Echtzeitvorauserkundung über den gesamten Verlauf durchzuführen. Allerdings wird der gesamte Tunnelbau beim Schildvortriebsbau durch die riesige Schildvortriebsmaschine eingenommen, so dass kein nutzbarer Erkundungsraum für die geophysikalische Exploration bleibt; auch führen Schwingungen während des Schildvortriebsbaus, große Metallkörper und unterstützende mechanische und elektrische Ausrüstung zu schweren Störungen geophysikalischer Felder wie etwa elektrischer Felder und Wellenfelder, so dass geophysikalische Verfahren, die seismische Wellen und Elektromagnetik beinhalten und häufig im Bohr- und Sprengverfahren benutzt werden, nutzlos werden. Das elektrische Frequenzbereichsverfahren reagiert empfindlich auf Wasser, und das fokussierte elektrische Verfahren weist das Merkmal der Abschirmung von dahinterliegenden Störungen auf, weshalb sie Vorteile bei der Verwendung in den komplexen Umgebungen von Tunneln im Schildvortriebsbau aufweisen. Das in Deutschland eingeführte BEAM-Verfahren (BEAM: Bore-Tunnelling Electrical Ahead Monitoring) mit TBM-Vorauserkundungstechnik verwendet Schild- und Schneidwerkzeuge als Stromversorgungselektroden und Messelektroden für die Echtzeiterkundung, doch existiert das Problem eines erhöhten Bodenwiderstands, da das Schneidwerkzeug an einem Meißel, der als Elektrode ausgewählt wird, bei Kontakt mit einer Arbeitsfläche elektrisch leitend ist. Zugleich beruht die Positionierung bei BEAM zu sehr auf Erfahrung, und die Positionierungsgenauigkeit ist relativ schlecht, weshalb keine dreidimensionale Bildgebung möglich ist.
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Daher steht das Bereitstellen von elektrischen Erkundungsvorrichtungen an einer Schildvortriebsmaschine noch vor vielen Problemen, vor allem:
- (1) Da der Erddruck an einer Arbeitsfläche in einer Schildvortriebsbauumgebung ausgeglichen bleiben soll, muss der EPB-Schildmeißel an einer Arbeitsfläche stets eng am Boden anliegen und darf nicht wiederverwendet werden; da kein Erkundungsraum vor dem Meißel vorhanden ist, ist ein Beobachtungsbetriebsmodus oder -verfahren für die Vorderseite des Schildmeißels das wichtigste zu lösende Problem;
- (2) Erkundung durch ein übliches elektrisches Verfahren nutzt im Allgemeinen Kontaktelektroden, die in Koppelungskontakt mit einer Arbeitsfläche stehen. Elektroden und Schiebevorrichtungen, die vor einem Meißel freiliegen, werden leicht beschädigt, wenn sie durch die Bohrung beeinflusst werden, und Kontaktelektroden können kaum bei sich drehendem Meißel funktionieren, weshalb ein wichtiges Problem darin besteht, dass bei Meißeldrehung kontaktfreie Elektroden verwendet werden sollten, um eine Vorauserkundung in Echtzeit zu erreichen. Darüber hinaus sind auch eine sich drehende Elektrodenverdrahtungsvorrichtung und eine Elektrodenpositionierungsvorrichtung Probleme, die es zu lösen gilt.
- (3) Da kontaktfreie Elektroden verwendet werden, muss auch ein Stromübertragungs- und empfangsinstrument zur Erkundung mithilfe des elektrischen Frequenzbereichverfahrens entwickelt werden; um die Anforderungen an eine schnelle Schildmontage zu erfüllen, besteht ein weiteres Problem darin, wie eine automatische Echtzeiterkundung eines Erkundungssystems in Echtzeit erreicht werden soll, weshalb ein System mit den Funktionen der Stromabgabesteuerung, Signalerfassung, Elektrodenpositionierung und schnellen Beurteilung benötigt wird.
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Aufgabe der Erfindung
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Um die oben genannten Aufgaben zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung ein schildbeaufschlagtes kontaktfreies elektrisches Frequenzbereichechtzeitvorauserkundungssystem und -verfahren bereit, das kapazitive Kopplung verwendet, um Strom über kontaktfreie Elektroden zu übertragen und zu empfangen, die an einem Schildvortriebsmaschinenmeißel angeordnet sind, der Host über ein Mehrkanaldrehgelenk verbunden ist, um Echtzeitinversion und -interpretation von Messdaten durchzuführen, und Vorhersageergebnisse in ein Schildvortriebsmaschinensteuerungssystem überträgt, um technische Unterstützung für den sicheren Bau der Schildvortriebsmaschine bereitzustellen.
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Um die genannten Zwecke zu erfüllen, verwendet die Erfindung folgende technische Lösung:
ein schildbeaufschlagtes kontaktfreies elektrisches Frequenzbereichechtzeitvorauserkundungssystem, umfassend eine kontaktfreie Elektrodeneinheit, ein Mehrkanaldrehgelenk, eine Elektrodenpositionierungseinheit, eine Stromversorgungs- und Messeinheit und eine Steuereinheit, wobei die kontaktfreie Elektrodeneinheit mehrere kontaktfreie Elektroden umfasst, die an der Vorderplatte eines Meißel angeordnet sind, um Mehrkanalinformationserfassung des Array-Typs auszuführen, während die Elektrodenpositionierungseinheit, die in der Mitte der Rückseitenplatte des Meißels angeordnet ist, die Drehpositionen der kontaktfreien Elektroden bestimmt, um eine Echtzeitpositionierung durchzuführen;
wobei das Mehrkanaldrehgelenk, das am hinteren Ende des Meißels vorgesehen ist, Verbindungskabel der einzelnen kontaktfreien Elektroden zu einem mehradrigen Kabel zusammenfasst und Mehrkanalfrequenzbereichsstromausgabe und Signalerfassung über die Stromversorgungs- und Messeinheit durchführt, die mit der Steuereinheit verbunden ist, um Daten der kontaktfreien Elektroden und Meißelelektrodenpositionen gemäß verschiedenen eingestellten Frequenzbereichen zu erfassen, wodurch eine 3D-Inversionsverarbeitung und Interpretation durchgeführt wird.
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Durch Verbinden einer fest angeordneten Elektrode führt die Stromversorgungs- und Messeinheit darüber hinaus die Mehrfrequenzstromübertragung und Messsignalerfassung aus, die von der Steuereinheit gesteuert wird, um eine Potenzialdifferenz zwischen den kontaktfreien Elektroden und der fest angeordneten Elektrode zu erlangen.
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Aufgrund der Anordnung an der Rückseite einer Schildvortriebsmaschine gilt die fest angeordnete Elektrode als ein unendlicher Punkt.
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Außerdem sind die kontaktfreien Elektroden gleichmäßig an der Vorderplatte des Schildvortriebsmaschinenmeißels angeordnet.
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Vorzugsweise umfasst die kontaktfreie Elektrode eine kontaktfreie Stromversorgungselektrode und eine kontaktfreie Messelektrode, wobei die kontaktfreie Stromversorgungselektrode, die an der Außenseite des Meißels angeordnet ist, mit der Stromversorgungs- und Messeinheit verbunden ist, um die Mehrkanalfrequenzbereichsstromausgabe zu ermöglichen, während die kontaktfreie Messelektrode, die an der Innenseite der Stromversorgungselektrode angeordnet ist, die Messelektrodenerfassung des Arrays ermöglicht.
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Vorzugsweise umfasst die kontaktfreie Elektrode eine Elektrodenplatte, die in einen Metalloxidüberzug auf der Oberfläche gehüllt ist; im Inneren ist ein Rahmenmantel aus einem isolierenden abriebbeständigen Material angeordnet, und die Elektrodenplatte auf ihrer Rückseite mit einer Kabelfixierungssäule versehen ist, um die ein Gummiverschluss vorgesehen ist.
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Die Elektrodenplatte, die als eine kreisförmige Metallkupferplatte bekannt ist, ist mit einem Metalloxidüberzug versehen, der eine Leistungsverschlechterung aufgrund von Korrosion durch langfristigen Gebrauch nach dem Montieren der Elektrode verhindern soll. Dabei sind die kontaktfreie Elektroden in der Meißeloberfläche eingebettet und durch das isolierende abriebbeständige Material daran fixiert, doch bleibt das Metallkupfer ohne direkten Kontakt mit dem Meißel, und seine Rückseite wird durch die Kabelfixierungssäule zum Verbinden der Kabel fixiert; die Fixierungssäule ist mit einem dichten Gummiverschluss um sich herum zum Dämpfen und Fixieren versehen, während die Metallkupferplatte und der Meißel außerdem durch diesen dichten Gummiverschluss voneinander getrennt werden.
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Vorzugsweise ist die Elektrodenpositionierungseinheit ein bekannter Drehwertgeber ist, der eine mit lichtundurchlässigem Gitter codierte Scheibe und einen fotoelektrische Verarbeitungsschaltkreis umfasst; wobei der fotoelektrische Verarbeitungsschaltkreis die Meißeldrehverlagerung mittels Winkelverlagerung und Winkelgeschwindigkeit der mit lichtundurchlässigem Gitter codierten Scheibe aufzeichnet, um die Positionen der kontaktfreien Elektroden zu bestimmen, wodurch die Positionierung der kontaktfreien Elektroden am Meißel ermöglicht wird.
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Die Elektrodenpositionierungseinheit ist in der Mitte des Meißels angeordnet, wobei ihre Mitte als Hohlstruktur gebildet oder mit einer Bohrung versehen ist, so dass die Verbindungskabel der kontaktfreien Elektroden durch den hohlen Teil oder die Bohrung verlaufen können.
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Insbesondere ist die mit lichtundurchlässigem Gitter codierte Scheibe mit einer Drehwelle in der Mitte versehen und an der Kante gleichmäßig mit lichtundurchlässigen Gittern versehen; die mit lichtundurchlässigem Gitter codierte Scheibe ist mit einer Beleuchtungsvorrichtung versehen, die sich zusammen mit dem Schildvortriebsmaschinenmeißel zusammen mit den kontaktfreien Elektroden auf der einen Seite sowie Ergänzungsgittern und einer lichtempfindlichen Vorrichtung auf der anderen Seite dreht; das von der Beleuchtungsvorrichtung abgegebene Licht tritt durch die mit lichtundurchlässigem Gitter codierte Scheibe und die Gitter der Ergänzungsgitter und wird von der lichtempfindlichen Vorrichtung aufgenommen.
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Vorzugsweise dreht sich die Beleuchtungsvorrichtung, die auf der Rückseite des Meißels angeordnet ist, mit dem Meißel, während der fotoelektrische Verarbeitungsschaltkreis und die Ergänzungsgitter, die nicht am Meißel angebracht sind, sich nicht drehen.
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Vorzugsweise ist die Drehwelle, die als eine Hohlstruktur geformt ist, mit allen Verbindungskabeln der kontaktfreien Elektroden im Inneren vorgesehen.
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Vorzugsweise sind die Verbindungskabel einadrige Kabel.
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Außerdem umfassen die mehradrigen Kabel mehrere Metalldrähte, wobei jeder Metalldraht mit einer äußeren isolierenden Schicht umhüllt ist und alle Metalldrähte von mit Ummantelung bedeckten Gewebelagen umhüllt sind.
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Vorzugsweise sind die Metalldrähte aus Kupfer.
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Aufgrund der langen Verlegungsstrecke der mehradrigen Kabel im Schild sowie einer sehr komplexen Installations- und Fixierungsprojektumgebung sind die Kabel mit dem dreilagigen Schutz der mehradrigen Kabelummantelung, der Gewebelage und der isolierenden Schicht versehen, was die Kabel besser vor vorzeitigem Verschleiß im Meißel schützt und die Interferenz der Schildvortriebsmaschine mit dem Kupferdrahtwechselstrom (AC) in gewissem Maße reduziert.
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Vorzugsweise umfasst das Mehrkanaldrehgelenk einen Rotor und einen Stator, wobei der Rotor beweglich mit dem Stator verbunden ist, wobei mehrere Kanäle um seinen mittleren Umfang verteilt sind; Verbindungskabel der kontaktfreien Elektroden sind jeweils über einen Gleitring im Inneren des Stators, der in der Mitte mit einem Kabelkanal zum Einführen der mehradrigen Kabel versehen ist, im Inneren der Kanäle in Eins-zu-eins-Entsprechung mit den Metalldrähten der mehradrigen Kabel verlegt.
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Vorzugsweise umfasst die Stromversorgungs- und Messeinheit ein Mehrfrequenzstromversorgungsausgangsmodul, ein Mehrkanalerfassungs- und -empfangsmodul und ein Steuerungsmodul, wobei das Steuerungsmodul, das mit einem Anzeigemodul verbunden ist, die Betriebsvorgänge des Mehrfrequenzstromversorgungsausgangsmoduls und des Mehrkanalerfassungs- und -empfangsmoduls steuert.
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Das Mehrfrequenzstromversorgungsausgangsmodul umfasst einen Sinuswellenoszillator und einen Einzelchip-Mikrocomputer (SCM), wobei der SCM den Sinuswellenoszillator zur Ausgabe des entsprechenden wellenartigen Wechselstroms steuert, um Stromelektroden mit Strom zu versorgen und einen Stromausgang an mehreren Frequenzpunkten zu ermöglichen.
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Vorzugsweise ist der Sinuswellenoszillator mit einem Schaltkreisverstärker verbunden.
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Vorzugsweise ist das Steuerungsmodul auch mit einem Spannungs- und Strommessmodul, einem Überspannungs- und Überstromschutzmodul und einem Datenerfassungsmodul verbunden.
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Vorzugsweise umfasst das Mehrkanalerfassungs- und -empfangsmodul insbesondere ein Datenabtastmodul, ein Eingangsschutzmodul, einen Sperrkreis, ein Gleichrichterfilter und einen A/D-Wandler, wobei das Eingangsschutzmodul mit der Messelektroden der fest angeordneten Elektrode und der kontaktfreien Elektroden verbunden ist, und misst, nachdem nacheinander das Datenerfassungsmodul, der Sperrkreis, das Gleichrichterfilter und der A/D-Wandler durchlaufen wurden, das Potenzial aller Messelektroden, um die Potenzialdifferenz zwischen Messelektroden der kontaktfreien Elektroden und der fest angeordneten Elektrode zu erlangen; der A/D-Wandler ist mit dem Steuerungsmodul verbunden.
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Die Steuereinheit umfasst einen Steuerungs-Host und ein Inversionsmodul, wobei der Steuerungs-Host mit dem Steuerungsmodul und dem Mehrkanalerfassungs- und -empfangsmodul verbunden ist, um die Potenzialdifferenz zwischen Messelektroden der kontaktfreien Elektroden und der fest angeordneten Elektrode zu empfangen und währenddessen die Informationen zur Meißelposition zu empfangen, die von der Elektrodenpositionierungseinheit übertragen werden; dabei ist der Steuerungs-Host als der Frequenzbereich eingestellt, während das Inversionsmodul die Inversion der erfassten Daten durchführt.
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Eine Schildvortriebsmaschine umfasst das oben erwähnte kontaktfreie elektrische Frequenzbereichechtzeitvorauserkundungssystem, wobei die kontaktfreien Elektroden, die an der Arbeitsfläche des Schildvortriebsmaschinenmeißels angeordnet sind, sich mit dem Meißel drehen, während die fest angeordnete Elektrode fest am Schildende der Schildvortriebsmaschine verlegt ist.
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Ein kontaktfreies elektrisches Echtzeitvorauserkundungsverfahren für Tunnel im Schildvortriebsbau umfasst die folgenden Schritte:
- (1) mehrere kontaktfreie Messelektroden und kontaktfreie Stromversorgungselektroden werden an der Oberfläche des Schildvortriebsmaschinenmeißels angeordnet, während die Stromversorgungselektrode und die Messelektrode der fest angeordneten Elektrode auf der Rückseite der Schildvortriebsmaschine angeordnet werden;
- (2) Die Elektrodenpositionierungsvorrichtung wird dazu eingestellt, die Position des Meißels sowie räumliche Positionen der kontaktfreien Messelektroden zu bestimmen, um alle Stromversorgungselektroden durch Wechselstrom mit fester Frequenz, die vom Steuerungs-Host eingestellt wird, mit Strom zu versorgen;
- (3) das Potenzial der Messelektroden der kontaktfreien Messelektroden und der fest angeordneten Elektrode während der Frequenzeinstellung wird erfasst, ihre Potenzialdifferenz berechnet und unterdessen die Informationen zu räumlichen Positionen aller kontaktfreien Elektroden bestimmt, um die Entsprechung zwischen Messdaten und Positionsdaten abzuschließen;
- (4) die eingestellte Frequenz wird geändert und Schritt (3) wiederholt, um die Potenzial- und Positionsdaten bei verschiedenen Frequenzen zu erlangen;
- (5) während der Schildvortriebsmaschinenmeißel auf eine Arbeitsfläche drückt, werden verschiedene Arbeitsflächen in der Sequenz zur Erkundung gewählt und Schritt (3) und Schritt (4) werden für eine Echtzeiterfassung von Erkundungsdaten wiederholt;
- (6) es wird eine iterative Verarbeitung der erfassten Daten begonnen und eine Inversion der Potenzialdifferenzdaten durchgeführt, die von dem kontaktfreien Messelektrodensystem des Array-Typs gemessen wurden, um eine 3D-Widerstandsbildverteilung vor einer Arbeitsfläche zu erlangen und dadurch geologische Bedingungen vor der Arbeitsfläche zu beurteilen.
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In Schritt (1) sind zudem die spezifischen Verfahren wie folgt: kontaktfreie Stromversorgungselektroden und die kontaktfreien Messelektroden, die während des Herstellungsprozesses der Schildvortriebsmaschine am Meißel der Schildvortriebsmaschine angeordnet werden, werden jeweils kreisförmig an der Arbeitsfläche des Meißels verteilt, wobei ein kreisförmiger Ring, der durch die kontaktfreie Stromversorgungselektroden gebildet wird, die Außenseite eines weiteren abdeckt, der durch die kontaktfreien Messelektroden gebildet wird; mehrere kontaktfreie Stromversorgungselektroden weisen dieselbe Polarität auf, während mehrere kontaktfreie Messelektroden ein kontaktfreies Messelektrodensystem des Array-Typs bilden; währenddessen werden eine fest angeordnete Stromversorgungselektrode und eine fest angeordnete Messelektrode fest auf der Rückseite der Schildvortriebsmaschine verlegt.
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Vorzugsweise umfasst Schritt (2) insbesondere: Die Elektrodenpositionierungsvorrichtung wird an der Mittellinie des Meißels angeordnet, wobei ihr drehender Teil an der Rückseite des Meißels und ihr statischer Teil am hinteren Ende des Meißels vorgesehen ist; das Drehgelenk, ist zusammen mit den mehradrigen Kabeln und den einadrigen Kabeln am hinteren Ende des Meißels vorgesehen, wobei ein Ende der einadrigen Kabel mit den kontaktfreien Elektroden am Meißel verbunden wird und das andere Ende der einadrigen Kabel zur Verbindung mit dem Drehgelenk durch den hohlen Teil der Elektrodenpositionierungsvorrichtung geführt wird.
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In Schritt (2) werden die mehradrigen Kabel zwischen dem Drehgelenk und der Stromversorgungs- und Messvorrichtung verbunden, während die einadrigen Kabel verwendet werden, um jeweils die fest angeordnete Stromversorgungselektrode und die fest angeordnete Messelektrode mit der Stromversorgungs- und Messvorrichtung zu verbinden und den Steuerungs-Host mit der Elektrodenpositionierungsvorrichtung und der Stromversorgungs- und Messvorrichtung zu verbinden, wobei die Verbindung des kontaktfreien elektrischen Frequenzbereichechtzeitvorauserkundungssystems beendet ist.
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In Schritt (3) insbesondere: Versorgt Wechselstrom Gestein um eine Arbeitsfläche über eine kapazitive Kopplungswirkung der kontaktfreien Stromversorgungselektroden mit Strom, und das Potenzial, das durch das umgebende Gestein erzeugt wird, treibt die kontaktfreien Messelektroden in dem kontaktfreien Messelektrodensystem des Array-Typs an, um Strom zu erzeugen, die Potenzialdifferenz zwischen den einzelnen kontaktfreien Messelektroden und der fest angeordneten Messelektrode zu erlangen, während die Elektrodenpositionierungsvorrichtung die Informationen zu räumlichen Positionen aller kontaktfreien Elektroden an den Steuerungs-Host überträgt, um die Entsprechung zwischen Messdaten und Positionsdaten abzuschließen.
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Die vorteilhaften Wirkungen der vorliegenden Erfindung sind wie folgt:
- (1) Die vorliegende Erfindung stellt ein kontaktfreie elektrisches geologisches Echtzeitvorauserkundungssystem für Schildvortriebsmaschinen bereit, wobei der Schildmeißel mit den kontaktfreien Elektroden angeordnet ist, was die Schwierigkeit des Koppelns üblicher Kontaktelektroden beseitigt; es ermöglicht eine geologische Echtzeitvorauserkundung vor einer Arbeitsfläche während des Schildvortriebsbohrvorgangs, ohne den Schild anzuhalten, wodurch es die Anforderung an einen schnellen Schildvortriebsbau erfüllt und die Effizienz von Echtzeitvorauserkundung für Schildvortriebsmaschinen stark erhöht;
- (2) Die vorliegende Erfindung ordnet mehrere kontaktfreie Messelektroden des Stromversorgungs- und Array-Typs mit derselben Polarität am Schild an und stellt einen Beobachtungsmodus bereit, der zur Vorauserkundung über das elektrische Schildverfahren für schlechte geologische Bedingungen anwendbar ist; es wird lediglich das Elektrodensystem am Meißel angeordnet, was wirksam Störungen von Metallobjekten dahinter vermeiden kann, die Vorauserkundungskapazität nach vorne erhöht und vor allem das Problem des extrem begrenzten Raums zwischen dem Meißel und der Arbeitsfläche löst;
- (3) Das Sende- und Messmodul des von der vorliegenden Erfindung bereitgestellten Erkundungssystems weist die Funktion der Mehrfrequenzübertragung und Mehrkanalerfassung auf, wodurch nacheinander verschiedene Frequenzen für die Erkundung moduliert werden können, um umfangreiche Daten zu erlangen; unterdessen ist die Mehrkanalerfassung bei Meißeldrehung in der Lage, gleichzeitig die Informationen zum Messelektrodensystem zu erfassen, um das Problem zu vermeiden, das durch Änderungen der Stromversorgungselektrodenpositionen verursacht wird;
- (4) Das von der vorliegenden Erfindung bereitgestellte Verfahren zur Echtzeiterkundung während der Schildvortriebsbohrung erlangt Erkundungsdaten für variierende Strecken während der Schildvortriebsbohrung, so dass das mehrfache Vorliegen im Inversionsprozess besser unterdrückt werden kann und die Genauigkeit der 3D-Inversion erhöht wird, wodurch die Vorauserkundung in einer komplexen Schildumgebung verbessert wird.
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Kurzebeschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Gesamtstrukturdarstellung des Erkundungssystems in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine Strukturdarstellung der kontaktfreien Elektrode in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
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3 ist eine Strukturdarstellung des Drehgelenks in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
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4 ist eine Strukturdarstellung der Rotorseite des Drehgelenks aus 3 der vorliegenden Erfindung;
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5 ist eine Strukturdarstellung der Statorseite des Drehgelenks aus 3 der vorliegenden Erfindung;
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6 ist ein Schaltdiagramm mit mehreren Leitungen des Drehgelenks in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
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7 ist eine Strukturdarstellung des mehradrigen Kabels in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
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8 ist eine Strukturdarstellung der Elektrodenpositionierungsvorrichtung in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
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9 ist ein Auslegungsstrukturdiagramm des Host-Systems in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
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10 ist eine Anordnungsdarstellung der kontaktfreien Elektrode am Meißel in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
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11 ist ein Auslegungsstrukturdiagramm der Mehrfrequenzstromversorgungsausgabevorrichtung in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
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12 ist ein Auslegungsstrukturdiagramm der Mehrkanalerfassungs- und empfangsvorrichtung in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
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In den Figuren gilt: 1 – kontaktfreie Elektrode, 2 – Meißel, 3 – Bodenkörper in EPB-Schildbodenbehälter, 4 – Außenstruktur des EPB-Schildbodenbehälters, 5 – Elektrodenpositionierungsvorrichtung, 6 – Drehgelenk, 7 – mehradriges Kabel, 8 – fest angeordnete Elektrode, 9 – abriebbeständiges Isolationsmaterial, 10 – Metalloxidüberzug, 11 – dichter Gummiverschluss, 12 – mit Drähten umwickelte Kabelfixierungssäule, 13 – Metallkupferplatte, 14 – fest angeordnete Metallschlaufe, 15 – rotorseitiger Kabelanschluss, 16 – Drehgelenkmantel, 17 – Rotordrähte, 18 – Rotorfixierungsvorrichtung, 19 – Statordrähte, 20 – Drehgelenkfixierungsmutter, 21 – statorseitiger Kabelanschluss, 22 – Ummantelung, 23 – Gewebelage, 24 – isolierende Schicht, 25 – Kupferdrähte, 26 – Beleuchtungsvorrichtung, 27 – Ergänzungsgitter, 28 – lichtempfindliche Vorrichtung, 29 – Drehwelle, 30 – mit lichtundurchlässigem Gitter codierte Scheibe, 31 – lichtundurchlässige Gitter, 32 – Host-System, 33 – Steuerungsmodul, 34 – Mehrfrequenzstromversorgungsausgabevorrichtung, 35 – Mehrkanalerfassungs- und -empfangsvorrichtung, 36 – Inversions- und Interpretationsmodul, 37 – Anzeigeendgerät, 38 – Antriebsmodul, 39 – Sinuswellenoszillator, 40 – Schaltkreisverstärker, 41 – Spannungs- und Strommessmodul, 42 – Überspannungs- und Überstromschutzmodul, 43 – erstes Datenerfassungsmodul, 44 – digitales Anzeigemodul, 45 – Datenspeichermodul, 46 – Datenübertragungsmodul, 47 – Einzelchip-Mikrocomputer (SCM), 48 – Eingangsschutzmodul, 49 – Erdungsstromkompensations-, Stromfrequenzsignaldrosselungs- und Rauschverarbeitungsmodul, 50 – Differenzeingangsverstärkermodul, 51 – Datenabtastmodul, 52 – 50-Hz-Sperrkreis der ersten Stufe, 53 – 100-Hz-Sperrkreis der zweiten Stufe, 54 – 150-Hz-Sperrkreis der dritten Stufe, 55 – A/D-Wandler, 56 – zweites Datenerfassungsmodul.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der Zeichnungen und Ausführungsformen im Folgenden ausführlicher beschrieben.
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Wie in 1 gezeigt, umfasst ein kontaktfreies elektrisches Frequenzbereichsechtzeitvorauserkundungssystem, kontaktfreie Elektroden 1, eine Elektrodenpositionierungsvorrichtung 5, eine Stromversorgungs- und Messvorrichtung und ein Host-System 32; angeordnet an der Vorderplatte eines Meißels, sind die einzelnen kontaktfreien Elektroden 1 jeweils mit einem einadrigen Kabel versehen, die über ein Drehgelenk zu einem mehradrigen Kabel 7 zusammengefasst und dann mit der Stromversorgungs- und Messvorrichtung verbunden sind.
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Das Drehgelenk 6 ist in der Mitte des Meißels angeordnet, während die Elektrodenpositionierungsvorrichtung 5 nur in der Mitte des Meißels angeordnet ist, wobei ihre Mitte wie eine Hohlstruktur geformt ist, so dass die Einzelkabel, die zum Verbinden der Elektroden dienen, durch ihre Mitte verlaufen können. Die Elektrodenpositionierungsvorrichtung 5 nur elektrisch mit dem Host-System 32 verbunden.
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Die Elektrodenpositionierungsvorrichtung 5 wird zunächst in der Mitte der Rückseitenplatte des Meißels angeordnet, woraufhin das Drehgelenk an der Rückseite der Elektrodenpositionierungsvorrichtung 5 angeordnet wird. Das Host-System 32 ist elektrisch mit der Elektrodenpositionierungsvorrichtung 5 und der Stromversorgungs- und Messvorrichtung verbunden, die außerdem mit einer fest angeordneten Elektrode 8 in elektrischer Verbindung steht;
das Stromversorgungs- und Messvorrichtung ermöglicht die Mehrfrequenzstromübertragung und Messsignalerfassung, die durch das Host-System 32 gesteuert wird, und erlangt eine Potenzialdifferenz zwischen den kontaktfreien Elektroden 1 und der fest angeordneten Elektrode 8; die Elektrodenpositionierungsvorrichtung 5 überträgt die Informationen zu räumlichen Positionen der kontaktfreie Elektroden 1 in Echtzeit an das Host-System 32, während die Stromversorgungs- und Messvorrichtung die Messsignale in Echtzeit an das Host-System 32 überträgt, das mit Inversionssoftware ausgestattet ist, die zur Datenverarbeitung und -interpretation dient.
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Die Stromversorgungs- und Messvorrichtung kann in das Host-System 32 eingebaut sein.
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Der Host 32 betreibt über ein Anzeigeendgerät 37 und ein Steuerungsmodul 33 eine Mehrfrequenzstromversorgungsvorrichtung 34, wobei ein Einzelchip-Mikrocomputer (SCM) 47, der in die Mehrfrequenzstromversorgungsvorrichtung 34 eingebaut ist, Wellenformen speichert; nach Einstellung durch den Host 32, überträgt sie über ein Antriebsmodul 38, das zum Aufnehmen eines Stromeingangs dient und mit A- und B-Elektroden zur Stromversorgung verbunden ist, Signale mit entsprechenden Frequenzen, die durch einen Sinuswellenoszillator 39 gelangen, und nutzt ein Spannungs- und Strommessmodul 41 zum Prüfen des Ausgangsstroms während des Ausgabevorgangs und leitet über ein erstes Datenerfassungsmodul 43 Feedback an den Host 32, um dieses auf einem Anzeigeendgerät 37 anzuzeigen.
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Signale, die durch die A- und B-Stromversorgungselektroden ausgegeben werden, werden von den M- und N-Messelektroden mittels der kapazitiven Kopplungswirkung an der Kontaktfläche empfangen; nach der Signalverarbeitung durch ein Erdungsstromkompensations-, Stromfrequenzsignaldrosselungs- und Rauschverarbeitungsmodul 49 werden Mehrkanalsignale in ein Differenzialverstärkermodul 50 abgeleitet, und nach dem weiteren Beseitigen von Störung durch unerwünschte Signale durch mehrstufige Sperrkreise, die insbesondere einen 50-Hz-Sperrkreis der ersten Stufe 52, einen 100-Hz-Sperrkreis der zweiten Stufe 53 und einen 150-Hz-Sperrkreis der dritten Stufe 54 umfassen, werden Spannungs- und Stromsignale nach der Datenabtastung und schließlich über einen A/D-Wandler 55 nach der Filterungsgleichrichtung in Digitalsignale umgewandelt und über ein zweites Datenerfassungsmodul 56 zur Anzeige im Host-System 32 aufgezeichnet.
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Die kontaktfreien Elektroden 1 umfassen vier kontaktfreie Stromversorgungselektroden und acht kontaktfreie Messelektroden, während die fest angeordneten Elektroden 8 eine fest angeordnete Stromversorgungselektrode und eine fest angeordnete Messelektrode umfassen; die Stromversorgungs- und Messvorrichtung überträgt Wechselstrom zur Versorgung der kontaktfreien Stromversorgungselektroden und der fest angeordneten Stromversorgungselektrode, und die Potenzialdifferenz ist diejenige zwischen den kontaktfreien Messelektroden und der fest angeordneten Messelektrode.
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Die Struktur der kontaktfreien Elektroden 1 wie in 2 gezeigt ist wie folgt; sie umfasst eine Metallkupferplatte 13, die eine bekannte kreisförmige Elektrodenplatte ist, wobei ihre Fläche durch einen Metalloxidüberzug 10 umhüllt ist, der Leistungsbeeinträchtigung durch Korrosion nach langfristigem Gebrauch nach dem Montieren der Elektrode verhindern soll. Ein isolierendes abriebbeständiges Material 9 wird als ein Rahmenmantel der kontaktfreien Elektroden 1 verwendet, wobei die Metallkupferplatte 13 in das isolierende abriebbeständige Material 9 gehüllt ist, während die kontaktfreien Elektroden 1 durch das isolierende abriebbeständige Material 9 in der Fläche des Meißels 2 eingebettet und fixiert sind, wobei das Metallkupfer 13 nicht im direkten Kontakt mit dem Meißel 2 steht und die Rückseite des Metallkupfers 13 durch eine Kabelfixierungssäule 12 zum Verbinden der einadrigen Kabel fixiert ist; die mit Drähten umwickelte Kabelfixierungssäule 12 ist mit einem dichten Gummiverschluss 11 zum Dämpfen und Fixieren um sich herum versehen, während die Metallkupferplatte 13 und der Meißel 2 zugleich durch den dichten Gummiverschluss 11 getrennt werden. Um die Vorteile eines elektrischen Fokusfrequenzbereichverfahrens voll auszunutzen, sind vier kontaktfreie Stromversorgungselektroden an einem großen Radius des Meißels 2 angeordnet, um einen Mehrkanalfrequenzbereichsstromausgang zu ermöglichen, während kontaktfreie Messelektroden an einem kleinen Radius des Meißels 2 angeordnet sind, um die Messelektroden-Array-Erfassung zu ermöglichen, was die Erkundungstiefe erhöhen und Störungen unterdrücken und zudem Daten für 3D-Inversionsbildgebung bereitstellen kann.
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Für eine Echtzeitübertragung von Strom- und Messsignalen unter der Bedingung, dass sich die kontaktfreien Elektroden 1 am Meißel 2 drehen, während sich das Host-System 32 dahinter nicht dreht, sind die Elektrodenpositionierungsvorrichtung 5 und das Host-System 32 mit einem Drehgelenk 6 zwischen sich versehen, wobei das Drehgelenk 6, das aus einem Rotor und einem Stator gebildet ist, die kontaktfreien Elektroden 1 an seiner Rotorseite und an seiner Statorseite mit dem Host-System 32 verbunden ist.
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Die Struktur des Drehgelenks 6, wie in 3, 4 und 5 gezeigt, ist wie folgt: das Drehgelenk ist mit einer Drehgelenkfixierungsmutter 20 an seinem Mantel 16 angeordnet, mit einer fest angeordneten Metallschlaufe 14, einem rotorseitigen Kabelanschluss 15 und einer Rotorfixierungsvorrichtung 18 auf der Rotorseite des Drehgelenks 6, wobei der rotorseitige Kabelanschluss 15 im Inneren mit Rotordrähten 17 versehen ist; das Drehgelenk 6 ist mit einem statorseitigen Kabelanschluss 21 angeordnet, der im Inneren mit Statordrähten 19 versehen ist. Das Drehende des Drehgelenks 6 ist mit den kontaktfreien Elektroden verbunden, die am Meißel montiert sind, um eine Echtzeitübertragung von Strom- und Messsignalen unter der der Bedingung, dass sich die kontaktfreien Elektroden 1 am Meißel drehen, während sich das Host-System dahinter nicht dreht, sowie eine Übertragung der Frequenzbereichsstrom- und Messsignale ohne Kontakt zwischen den kontaktfreien Elektroden und Gestein in der Umgebung einer Arbeitsfläche zu ermöglichen. Das Mehrkanaldrehgelenk 6 ist ein elektrisches Bauteil, das zum Verbinden der einadrigen Kabel im sich drehenden Meißel und der mehradrigen Kabel hinter dem Schild dient. Das Drehgelenk, das in der Mitte der Meißeldrehwelle angeordnet ist, ist aus einem drehenden Teil und einem statischen Teil gebildet. Der drehende Teil ist mit mehreren einadrigen Kabel im Meißel verbunden, während der statische Teil teilweise mit den mehradrigen Kabeln hinter dem Schild verbunden ist. Die einadrigen Kabel sind über einen Gleitring in Eins-zu-eins-Entsprechung mit den jeweiligen mehradrigen Kabeln im Drehgelenk, und die einadrigen Kabel der kontaktfreien Elektroden, die am Meißel montiert sind, sind dort gebündelt und über das Drehgelenk mit den mehradrigen Kabeln verbunden, um eine Verbindung zum Host-System 32 herzustellen.
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Ein Schaltdiagramm einer Mehrleitungsverbindung im Inneren des Drehgelenks 6 ist in 6 gezeigt: Die kontaktfreien Elektroden 1 und das Drehgelenk 6 sind über die einadrigen Kabel zwischen sich verbunden, während das Drehgelenk 6 und das Host-System 32 über die mehradrigen Kabel 7 zwischen sich verbunden sind; die einadrigen Kabel sind über einen Gleitring in Eins-zu-eins-Entsprechung mit den jeweiligen mehradrigen Kabeln im Drehgelenk 6, und die einadrigen Kabel der kontaktfreien Elektroden 1, die am Meißel 2 montiert sind, sind dort gebündelt und über das Drehgelenk 6 mit den mehradrigen Kabeln 7 verbunden, um eine Verbindung zum Host-System 32 herzustellen.
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Die Struktur der mehradrigen Kabel 7, wie in 7 gezeigt, ist wie folgt: Den mittleren Teil der mehradrigen Kabel bilden Kupferdrähte 25, wobei die Außenseite der Kupferdrähte 25 nacheinander mit einer isolierenden Schicht 24, einer Gewebelage 23 und einer Ummantelung 22 umhüllt ist. Aufgrund der langen Verlegungsstrecke der mehradrigen Kabel 7 im Schild sowie einer sehr komplexen Installations- und Fixierungsprojektumgebung sind die mehradrigen Kabel 7 mit dem dreilagigen Schutz der mehradrigen Kabelummantelung 22, der Gewebelage 23 und der isolierenden Schicht 24 versehen, was die Kabel besser vor vorzeitigem Verschleiß im Meißel 2 schützt und die Interferenz der Schildvortriebsmaschine mit dem Kupferdrahtwechselstrom (AC) in gewissem Maße reduziert.
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Die Struktur einer Elektrodenpositionierungsvorrichtung, wie in 8 gezeigt, ist wie folgt: Die Elektrodenpositionierungsvorrichtung 5 ein bekannter Drehwertgeber, der eine mit lichtundurchlässigem Gitter codierte Scheibe 30 umfasst, wobei die mit lichtundurchlässigem Gitter codierte Scheibe 30 in ihrer Mitte mit einer Drehwelle 29 versehen ist, und die Mitte der Drehwelle 29 als eine Hohlstruktur mit einer Bohrung gebildet ist, so dass das einadrige Kabel der kontaktfreien Elektroden 1 durch die Mitte verlaufen kann, ohne elektrisch und mechanisch mit der Elektrodenpositionierungsvorrichtung 5 verbunden zu sein.
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Die mit lichtundurchlässigem Gitter codierte Scheibe 30 ist an der Kante gleichmäßig mit lichtundurchlässigen Gittern 31 versehen; die mit lichtundurchlässigem Gitter codierte Scheibe 30 ist mit einer Beleuchtungsvorrichtung 26 angeordnet, die sich mit dem Schildvortriebsmaschinenmeißel 2 zusammen mit den kontaktfreien Elektroden 1 auf einer Seite sowie Ergänzungsgittern 27 und einer lichtempfindlichen Vorrichtung 28 auf der anderen Seite dreht;
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Die Beleuchtungsvorrichtung 26, die auf der Rückseite des Meißels 2 angeordnet ist, dreht sich mit der Drehung des Meißels 2. Das von der Beleuchtungsvorrichtung 26 abgestrahlte Licht tritt durch die Gitter und wird von der lichtempfindlichen Vorrichtung 28 aufgenommen und an den Drehwertgeber übertragen, wobei der Drehwertgeber die Positionen der kontaktfreien Elektroden mittels Winkelverlagerung und Winkelgeschwindigkeit einer fotoelektrischen Umwandlungsabtriebswelle bestimmt, um die Drehverlagerung des Meißels 2 aufzuzeichnen, wodurch eine Positionierung der Elektroden am Meißel ermöglicht wird.
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Die Elektrodenpositionierungsvorrichtung ist an der Verlängerungsleitung in der Mitte des Meißels 2 angeordnet, wobei die einadrigen Kabel der kontaktfreien Elektroden 1 durch die Mitte der Elektrodenpositionierungsvorrichtung verlaufen und dann mit dem Drehgelenk verbunden sind.
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Das Strukturprinzip des Host-Systems 32, wie in 9 gezeigt, ist wie folgt: Das Host-System 32 umfasst ein Steuerungsmodul 33, ein erstes Datenerfassungsmodul 43, ein Inversions- und Interpretationsmodul 36 und ein Anzeigeendgerät 37, wobei das Steuerungsmodul 33 die Abtastzeit des Stromversorgungs- und Messsystems steuert und eine Abtastrate einstellt, das Datenerfassungsmodul 43 die Datenerfassung der kontaktfreien Elektroden 1 und der Elektrodenpositionierungsvorrichtung 5 ausführt und diese Daten an das Inversions- und Interpretationsmodul 36 überträgt, das mit Inversionssoftware versehen ist, die zum Ausführen von Inversion an erfassten Daten nach Abschluss der Datenerfassung dient; die Einstellung des Steuerungsmoduls 33, die Anzeige über das Datenerfassungsmodul erfasster Daten und die Inversion von Daten im Inversions- und Interpretationsmodul 36 werden jeweils über das Anzeigeendgerät 37 angezeigt und bedient.
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Das Stromversorgungs- und Messsystem umfasst eine Mehrfrequenzstromversorgungsausgabevorrichtung 34 und eine Mehrkanalerfassungs- und empfangsvorrichtung 35.
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Das Strukturprinzip der Mehrfrequenzstromversorgungsausgabevorrichtung 34, wie in 11 gezeigt, ist wie folgt: Die Mehrfrequenzstromversorgungsausgabevorrichtung 34 umfasst hauptsächlich einen Sinuswellenoszillator 39 und einen Einzelchip-Mikrocomputer (SCM) 47, wobei die Stromquelle über ein Antriebsmodul 38 mit der Mehrfrequenzstromversorgungsausgabevorrichtung 34 verbunden ist, ein Schaltkreisverstärker 40 am Sinuswellenoszillator 39 verbunden ist, der Chip des SCM 47 Programmcodes von Ausgangswellenformen über ein Datenspeichermodul 45 unter Betätigung durch das Steuerungsmodul 33 speichert und über den Sinuswellenoszillator 39 Wechselstrom an das Erkundungssystem bereitstellt, um die Ausgabe von Mehrfrequenzstrom zu ermöglichen.
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Der Wechselstrom vom Sinuswellenoszillator 39 erreicht das erste Datenerfassungsmodul 43 über das Spannungs- und Strommessmodul 41, wobei das Spannungs- und Strommessmodul 41 und das erste Datenerfassungsmodul 43 mit einem Überspannungs- und Überstromschutzmodul 42 zwischen sich versehen sind; wobei der SCM 47 mit einem Datenanzeigemodul 44, einem Datenspeichermodul 45 und einem Datenübertragungsmodul 46 daran versehen ist.
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Das Strukturprinzip der Mehrkanalerfassungs- und -empfangsvorrichtung 35, wie in 12 gezeigt, ist wie folgt: Die Mehrkanalerfassungs- und -empfangsvorrichtung 35 umfasst einen Sperrkreis, ein Gleichrichterfilter und einen A/D-Wandler 55, wobei der Sperrkreis ein Filter zum Entfernen unerwünschter Signale ist, um die Störung wirksamer Signale zu reduzieren, Strom von der Mehrfrequenzstromversorgungsausgabevorrichtung 34 das Gleichrichterfilter 55 nach Filterung über den Sperrkreis 55 erreicht, der den Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt und weitere Störungen entfernt, und der A/D-Wandler 55 Spannungs- und Stromsignale in Digitalsignale umwandelt und sie in das Host-System 32 überträgt, um eine synchrone Erfassung von Mehrkanalsignalen zu ermöglichen.
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Die Mehrkanalerfassungs- und -empfangsvorrichtung 35 ist auch mit einem Eingangsschutzmodul 48, einem Erdungsstromkompensations-, Stromfrequenzsignaldrosselungs- und Rauschverarbeitungsmodul 49, einem Differenzeingangsverstärkermodul 50 und einem Datenabtastmodul 51 versehen, so dass Strom durch das Eingangsschutzmodul 48, das Erdungsstromkompensations-, Stromfrequenzsignaldrosselungs- und Rauschverarbeitungsmodul 49, das Differenzeingangsverstärkermodul 50 und das Datenabtastmodul 51 fließt und dann in den Sperrkreis gelangt, der einen 50-Hz-Sperrkreis der ersten Stufe 52, einen 100-Hz-Sperrkreis der zweiten Stufe 53 und einen 150-Hz-Sperrkreis 54 der dritten Stufe umfasst.
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Eine Schildvortriebsmaschine in der Ausführungsform umfasst das oben erwähnte kontaktfreie elektrische Frequenzbereichechtzeitvorauserkundungssystem, wie in 1 gezeigt, wobei die kontaktfreien Elektroden 1, die an der Arbeitsfläche des Schildvortriebsmaschinenmeißels 2 angeordnet sind, sich mit dem Meißel 2 drehen, während die fest angeordnete Elektrode 8 fest am Schildende der Schildvortriebsmaschine verlegt ist. Die Schildvortriebsmaschine umfasst einen Bodenkörper in einem EPB-Schildbodenbehälter 3 und eine Außenstruktur des EPB-Schildbodenbehälters.
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Die Anordnung der kontaktfreien Elektroden 1 am Meißel 2, wie in 10 gezeigt, ist wie folgt: Die kontaktfreien Elektroden 1 umfassen vier Stromversorgungselektroden und acht Messelektrodes, wobei die Stromversorgungselektroden an einem großen Radius des Meißels 2 angeordnet sind, um mehrere kontaktfreie Stromversorgungselektroden mit der gleichen Polarität zu bilden, während die Messelektroden an einem kleinen Radius des Meißels 2 angeordnet sind, um ein kontaktfreies Messelektrodensystem des Array-Typs zu bilden.
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Das Erkundungsverfahren der Ausführungsform umfasst die folgenden Schritte:
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Schritt (1): Vier kontaktfreie Stromversorgungselektroden und acht kontaktfreie Messelektroden werden während des Herstellungsprozesses der Schildvortriebsmaschine am Meißel angeordnet, wie in 10 gezeigt, und die kontaktfreien Stromversorgungselektroden und die kontaktfreien Messelektroden sind jeweils in einer kreisförmigen Verteilung an der Arbeitsfläche des Meißels 2, wobei ein kreisförmiger Ring, der durch die kontaktfreien Stromversorgungselektroden gebildet wird, die Außenseite eines anderen abdeckt, der durch die kontaktfreien Messelektroden gebildet wird (d. h. die kontaktfreien Stromversorgungselektroden werden an einem großen Radius des Meißels 2 angeordnet, während die kontaktfreien Messelektroden an einem kleinen Radius des Meißels 2 angeordnet werden); mehrere kontaktfreie Stromversorgungselektroden weisen dieselbe Polarität auf, während mehrere kontaktfreie Messelektroden ein kontaktfreies Messelektrodensystem des Array-Typs bilden; unterdessen werden eine fest angeordnete Stromversorgungselektrode und eine fest angeordnete Messelektrode fest am unendlichen Punkt auf der Rückseite des Schilds angeordnet.
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Schritt (2): Das Drehgelenk 6 und die Elektrodenpositionierungsvorrichtung 5, zusammen mit mehradrigen Kabeln 7 und einadrigen Kabeln, werden an der Schildvortriebsmaschine bereitgestellt, wobei ein Ende der einadrigen Kabel mit den kontaktfreien Elektroden am Meißel 2 verbunden wird und das andere Ende der einadriger Kabel durch den hohlen Teil der Elektrodenpositionierungsvorrichtung 5 zur Verbindung mit dem Drehgelenk 6 verläuft; die mehradrigen Kabel 7 werden zwischen dem Drehgelenk 6 und der Stromversorgungs- und Messvorrichtung verbunden, und unterdessen werden die einadrigen Kabel verwendet, um jeweils die fest angeordnete Stromversorgungselektrode und die fest angeordnete Messelektrode mit der Stromversorgungs- und Messvorrichtung zu verbinden, und das Host-System 32 mit der Elektrodenpositionierungsvorrichtung 5 und der Stromversorgungs- und Messvorrichtung verbunden wird, womit die Verbindung des kontaktfreien elektrischen Frequenzbereichechtzeitvorauserkundungssystem abgeschlossen ist.
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Schritt (3): Wechselstrom mit einer festen Frequenz, die vom Host-System 32 festgelegt wird, wird an die kontaktfreien Stromversorgungselektroden an einer Arbeitsfläche und die fest angeordneten Stromversorgungselektroden in der Ferne geleitet und stellt über eine kapazitive Kopplungswirkung der kontaktfreien Stromversorgungselektroden Strom an Gestein um die Arbeitsfläche bereit, und das Potenzial, das von dem umgebenden Gestein erzeugt wird, treibt die kontaktfreien Messelektroden im kontaktfreien Messelektrodensystem des Array-Typs an, um Strom zu erzeugen, der durch das Gleichrichterfilter und den A/D-Wandler fließt, so dass das Potenzial der kontaktfreien Messelektroden gemessen und die Differenz zwischen allen kontaktfreien Messelektroden und den fest angeordneten Messelektroden erlangt werden kann, während die Elektrodenpositionierungsvorrichtung 5 die Informationen zu räumlichen Positionen aller kontaktfreien Elektroden 1 an das Host-System 32 überträgt, um die Entsprechung zwischen Messdaten und Positionsdaten abzuschließen.
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Schritt (4): Die vom Host-System 32 festgelegte feste Frequenz wird nacheinander geändert, und Schritt (3) wird wiederholt, um Daten bei unterschiedlichen Frequenzen zu messen und zu erlangen.
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Schritt (5): Während der Schildvortriebsmaschinenmeißel 2 auf eine Arbeitsfläche drückt, werden verschiedene Arbeitsflächen in der Sequenz zur Erkundung und Schritt (3) und Schritt (4) werden für eine Echtzeiterfassung von Erkundungsdaten wiederholt.
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Schritt (6): Das Host-System 32 beginnt eine iterative Verarbeitung der erfassten Daten und führt eine Inversion der Potenzialdifferenzdaten durch, die von dem kontaktfreien Messelektrodensystem des Array-Typs gemessen wurden, um eine 3D-Widerstandsbildverteilung vor einer Arbeitsfläche zu erlangen und dadurch geologische Bedingungen vor der Arbeitsfläche zu beurteilen.
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Die kontaktfreien Elektroden 1 sind an dem EPB-Schildmeißel 2 angeordnet, während das Host-System in einer Steuerzentrale des EPB-Schilds angeordnet ist. Die Mehrfrequenzstromversorgungsausgabevorrichtung 26, die Mehrkanalerfassungs- und empfangsvorrichtung 27 und die mehradrigen Kabel 7 sind am hinteren Ende des Meißels des Schildhauptkörpers angeordnet; die kontaktfreie Elektroden 1 und die einadrigen Kabel 7 sind an der Fläche und im Inneren des Meißels vorgesehen, verbunden durch das Drehgelenk; die fest angeordnete Stromversorgungselektrode B und die fest angeordnete Messelektrode N 8 sind fest auf der Rückseite des Schilds angeordnet. Der Prozess der kontaktfreien elektrischen Echtzeiterkundung wird in der Steuerzentrale des Schilds abgeschlossen. Die Gesamtstruktur des kontaktfreien elektrischen Echtzeiterkundungssystems an der Schildvortriebsmaschine ist wie in 1 gezeigt.
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Während des Erkundungsprozesses positionieren zunächst die Signale von der Elektrodenpositionierungsvorrichtung die kontaktfreien Elektroden 1, woraufhin das Host-System in de Steuerzentrale des EPB-Schilds die Erkundungsanforderungen sowie die Frequenzen und Abtastraten erfasst und Befehle erteilt, und das Steuerungsmodul 33 steuert das Mehrfrequenzstromversorgungsausgangsmodul 34, so dass es aktiviert wird und Wechselstrom von dem Host-System festgelegten Frequenzen und Stromwerten überträgt. Der ausgegebene Wechselstrom wird über die mehradrigen Kabel 7 übertragen und am Drehgelenk 6 am hinteren Ende des Schildvortriebsmaschinenmeißels geschaltet, um den Mehrkanalwechselstromnebenschluss abzuschließen, und alle Kanäle des Wechselstroms werden über die entsprechenden einadrigen Kabel 7 an die Metallkupferplatte 13 in den kontaktfreien Elektroden 1 übertragen, die am Meißel 2 angeordnet sind. Dabei werden die Metallkupferplatte 13 in den kontaktfreien Elektroden 1 und der Meißel 2 durch ein abriebbeständiges Isolationsmaterial 9, einen Metalloxidüberzug 10 und einen dichten Gummiverschluss 11 getrennt, um Störungen zu verhindern, was wirkungsvoll die Stabilität der Wechselstromleitung und der Metallkupferplatte 13 sicherstellt.
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Die Metallkupferplatte 13 und die Tunnelarbeitsfläche sind durch ein Isolationsmaterial getrennt, wobei die Tunnelarbeitsfläche als weitere Elektrodenplatte der Kapazität betrachtet wird, so dass nach dem Leiten von Strom durch die Stromversorgungselektroden die Tunnelarbeitsfläche und die Metallkupferplatte 13 eine kapazitive Kopplungswirkung aufgrund des Wechselstroms erzeugen, der durch die Interaktion zwischen den Stromversorgungselektroden und der Arbeitsfläche erzeugt wird; die Arbeitsfläche 1, als weitere Elektrode der Kapazität, treibt die Arbeitsfläche 1 und die Messelektroden an, um eine kapazitive Kopplungswirkung zwischen diesen zu erzeugen, um Wechselstrom zu erzeugen, der von den Messelektroden aufgenommen wird; nach dem Fließen durch die mehradrigen Kabel 7 wird Wechselstrom am Drehgelenk 6 gesammelt und über die mehradrigen Kabel 7 an die Mehrkanalerfassungs- und -empfangsvorrichtung 35 übertragen und über A/D-Umwandlung und Filterumwandlung in Gleichstrom umgewandelt, um eine einmalige Stromversorgungsmessung abzuschließen.
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Die Anordnungsdarstellung der kontaktfreien Elektroden 1, die als Mess-/Stromversorgungselektroden am Meißel verwendet werden, wie in 9 gezeigt, ist wie folgt: Die Stromversorgungselektroden und die Messelektroden sind beide am Meißel angeordnet, wobei die Stromversorgungselektroden an einem großen Radius angeordnet sind, während die Messelektroden an einem kleinen Radius angeordnet sind. Die kontaktfreien Elektroden 1 und der Meißel 2 verwenden ein isolierendes abriebbeständiges Material zur eingebetteten Installation. Wenn das Host-System die Messung gemäß dem festgelegten Erkundungsplan abschließt, erfasst die Mehrkanalerfassungs- und -empfangsvorrichtung 35 die jeweiligen Messergebnisse und überträgt die Messdatendokumente an das Inversions- und Interpretationsmodul 36 zur Datenverarbeitung, woraufhin die erlangten Verarbeitungsergebnisse an den Host 32 übertragen und auf dem Anzeigeendgerät 37 angezeigt werden.
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Darüber hinaus gehören die in der vorliegenden Erfindung erwähnte Inversionssoftware, der Sperrkreis, die Taktungssoftware, der SCM usw. allesamt zum Stand der Technik, weshalb hier keine weiteren Einzelheiten beschrieben werden müssen; auch können Fachleute geringfügige Anpassungen an einem Teil der Vorrichtungen entsprechend den spezifischen Baubedingungen und Einsatzbedingungen vornehmen, die ebenfalls in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen.
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Die oben aufgeführten Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen sollen die vorliegende Erfindung beschreiben, aber nicht den Schutzumfang der Erfindung einschränken, weshalb es für Fachleute auf der Hand liegen sollte, dass sie ohne erfinderische Tätigkeit verschiedene Änderungen oder Modifikationen vornehmen können, die allesamt in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung auf Grundlage der technischen Lösungen der Erfindung fallen.
