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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet der fortgeschrittenen geologischen Vorhersage während des Baus einer Tunnelbohrmaschine, insbesondere auf ein Phased-Array-Schallwellenfortgeschrittenes geologisches Detektionssystem und -verfahren mit einer Schildmaschine.
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Stand der Technik
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Das 21. Jahrhundert ist ein Jahrhundert der großen Entwicklung des unterirdischen Raums. Mit der umfassenden Entwicklung des Baus in Westchina werden mehr lange Tunnelprojekte in den Bereichen Eisenbahnen, Autobahnen, Wasserkraft und überregionaler Wassertransfer gebaut. Die fortgeschrittene geologische Vorhersage im Tunnelbau hängt mit der Sicherheit, Qualität und dem Fortschritt des Projekts zusammen und hat daher viel Aufmerksamkeit erregt. Insbesondere im Tunnelbau mit komplexen geologischen Bedingungen ist es notwendig, fortgeschrittene Vorhersagearbeiten durchzuführen. Westchina ist eine bergige Region mit komplexen geologischen Bedingungen. Geologische Katastrophen wie Einsturz, Dachsturz, Wasser- und Schlammeinbruch beim Tunnelaushub treten von Zeit zu Zeit auf, was große Schwierigkeiten beim Bau und sogar schwerwiegende Verluste an Personal und Eigentum mit sich bringt. Daher wurde beim Bau von unterirdischen Tunneln für Autobahn-, Eisenbahn- und Wasserkraftprojekte schrittweise mit den fortgeschrittenen geologischen Vorhersagearbeiten begonnen, um die Bausicherheit zu gewährleisten und den Verlust durch geologische Katastrophen zu verringern.
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Heute ist die Schildvortriebsmaschine eine spezielle Baumaschine für den Tunnelbau. Die moderne Schildvortriebsmaschine integriert Maschine, Elektrizität, Flüssigkeit, Sensorik und Informationstechnologie und hat die Funktionen des Aushubs und Schneidens von Boden, des Transports von Bodenschlacke, der Montage von Tunnelauskleidung, der Messführung und Korrektur usw. Es wurde weit verbreitet in U-Bahnen, Eisenbahnen, Autobahnen, Kommunen und Wasserkraft-Tunnelprojekten verwendet.
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Die bei der fortgeschrittenen geologischen Vorhersage unter den Baubedingungen der Schildmaschine zu lösenden Probleme umfassen hauptsächlich die Bestimmung des Standorts und des Maßstabs schlechter geologischer Objekte wie Einzelsteine und Steinwurf. Ausgehend von schlechten geologischen Objekten wie Einzelsteinen und Steinwurf wurden in China seit den 1950er Jahren fortgeschrittene geologische Führungsgruben, horizontale fortgeschrittene Bohrungen und seismische Cross-Loch-CT verwendet, um fortgeschrittene geologische Vorhersagen durchzuführen. Das obige Verfahren hat eine große Interferenz mit dem Tunnelbau der Schildmaschine und eine begrenzte Detektionsdistanz, die die Anforderungen eines schnellen und wissenschaftlichen Tunnelbaus nicht erfüllen kann. Um wissenschaftliche Vorhersageverfahren mit geringen Baustörungen, großen Detektionsentfernungen und genauen Vorhersagen zu untersuchen, haben die Menschen begonnen, neue geophysikalische Verfahren im Bau für fortgeschrittene Vorhersageverfahren wie geologisches Radar und reflexionsseismische Verfahren zu erforschen. Da der Schneidkopf der Schildmaschine immer in der Nähe der Unterfläche liegt, ist die Anordnung des Beobachtungssystems durch das hochauflösende geologische Radarverfahren begrenzt, und es kann nicht auf der Unterfläche gescannt und detektiert werden.
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Um der Situation gerecht zu werden, in der Tunnelbohrmaschinen im aktuellen Tunnelbau weit verbreitet sind und die Bauanforderungen nach hoher Effizienz, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit erfüllen, schlägt der Erfinder vor, ein Phased-Array-Schallwellenfortgeschrittenes geologisches Detektionssystem und -verfahren mit einer Schildmaschine zu entwerfen. Aufgrund der Einschränkungen der Bausumgebung der Schildmaschine und der Komplexität der mechanischen Ausrüstung steht die von der Schildmaschine getragene Phased-Array-Schallwellenfortgeschrittene geologische Vorhersagevorrichtung hauptsächlich vor den folgenden Problemen:
- (1) Die Vorhersage der seismischen Detektion reflektierter Wellen ist weit entfernt, aber die Frequenz seismischer Wellen ist niedrig. Die Abbildungsauflösung ist schwierig, die Skalenanforderungen der Schildverfeinerungskonstruktion zu erfüllen. Insbesondere bei der Bestimmung von Einzelsteinen und Steinwurf gibt es immer noch große Schwierigkeiten, die leicht zu dem Verschleiß des Schneidkopfes der Schildmaschine und dem Problem des Verklemmens führen;
- (2) Entsprechend den Arbeitseigenschaften der Schildmaschine ist die Außenseite des Schneidkopfes mit Sediment oder Schlammwasser gefüllt; Die für Schildmaschinenarbeiten geeignete Schicht ist im Allgemeinen eine Bodenschicht oder eine Weichgesteinsschicht; Seismische Wellen werden bei herkömmlichen Verfahren stark gedämpft;
- (3) Die zur Beobachtung verfügbare räumliche Position im Tunnel ist begrenzt und die Anordnung des Beobachtungssystems ist begrenzt, so dass es schwierig ist, effektiv reflektierte Wellen in einem großen Bereich zu empfangen; Das empfangene Signal wird leicht durch umgebende Störungen gestört, so dass es schwierig ist, die Anforderungen einer fortgeschrittenen Vorhersage genau zu erfüllen;
- (4) Die Anzahl der Phased-Array-Schallwellenwandler ist groß, und die Datenmenge, die geologische Informationen des abnormalen Körpers enthält, ist groß; Wie man die Eigenschaften der Schildmaschine voll ausnutzt, um ein effizientes Abbildungsverfahren für abnormale Körper vorzuschlagen und eine Echtzeit-Abbildungs von schlechten geologischen Körpern zu realisieren, muss dringend gelöst werden.
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Inhalt der vorliegenden Erfindung
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Um die Unzulänglichkeiten des Standes der Technik zu überwinden und die Anforderungen an Sicherheit, Effizienz und Wirtschaftlichkeit zu erfüllen, schlägt die vorliegende Erfindung ein fortschrittliches geologisches Vorhersagesystem und -verfahren vor, das auf einer Schildmaschine unter Verwendung von fokussierten Schallwellen zur Detektion angebracht ist. Die Vorrichtung hat einen hohen Automatisierungsgrad und weist eine Vielzahl von Schallwellenelementen auf, die an einer bestimmten Position angeordnet sind. Die Vielzahl von Schallwellenelementen kann phasengesteuert werden, um Schallwellen an das Prüfobjekt zu senden und die von dem Prüfobjekt reflektierten Schallwellen zu empfangen. Die phasengesteuerte Emission ist dadurch gekennzeichnet, dass das emittierte Schallwellensignal mit einer bestimmten Schallwellenbreite in die Formation emittiert wird und das Schallfeld eine gewisse Richtwirkung, ein starkes Durchdringungsvermögen, eine hohe Auflösung und eine hohe Schalleffizienz aufweist, wodurch das Problem der unzureichenden Auflösung und der ernsthaften Energiedämpfung in der vorherigen fortgeschrittenen geologischen Detektion effektiv gelöst werden kann. Die Vorrichtung verfügt über automatische Schutz-, Teleskop- und Reinigungsvorrichtungen für die Sonde und eine angemessene Konfiguration des Wasserweges, des Ölweges und des Stromkreises, wodurch die Schaltungssteuerung und die Datenrückübertragung des Schneidkopfdetektionssystems realisiert werden.
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Um die oben genannten Zwecke zu erreichen, sind die spezifischen Lösungen gemäß der vorliegenden Erfindung wie folgt:
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In einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Phased-Array-Schallwellenfortgeschrittenes geologisches Detektionssystem mit einer Schildmaschine bereit, wobei es eine Phased-Array-Schallwellensende- und -empfangsvorrichtung umfasst, die an der Seitenwand der Hauptspeiche entgegen der Drehrichtung des Schneidkopfes der Schildmaschine angeordnet ist, wobei die Phased-Array-Schallwellensende- und -empfangsvorrichtung eine Vielzahl von Schallwellensondengruppen umfasst, wobei jede Schallwellensondengruppe eine Vielzahl von Schallwellensende- und -empfangseinheiten umfasst, wobei die Vielzahl von Schallwellensondengruppen ein Schallwellenarray-Tupel bildet, wobei jede Schallwellensende- und -empfangseinheit die Funktion hat, Schallwellen zu senden und reflektierte Schallwellen zu empfangen,
wobei jede Schallwellensondengruppe in einer Sondenschutzvorrichtung installiert ist, wobei die Sondenschutzvorrichtung an einem Teleskopstangenkopf der hydraulischen Antriebsvorrichtung installiert ist und relativ zur hydraulischen Schubstange gedreht werden kann, wobei auch ein Drucksensor an der Sondenschutzvorrichtung installiert ist, wobei der Drucksensor verwendet wird, um den Druck der Schallwellensonde in Kontakt mit der Unterfläche zu detektieren, wobei eine Hochdruckwasserdüse an der Teleskopstange der hydraulischen Antriebsvorrichtung angeordnet ist, wobei die Hochdruckwasserdüse über eine Rohrleitung mit der Wasserversorgungsvorrichtung verbunden ist, wobei der Drucksensor, die Phased-Array-Schallwellensende- und -empfangsvorrichtung und die Wasserversorgungsvorrichtung mit der Steuervorrichtung verbunden sind.
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Als eine weitere technische Lösung ist vorgesehen, dass die Vielzahl von Schallwellensondengruppen an der Seitenwand der Hauptspeiche entgegen der Drehrichtung des Schneidkopfes der Schildmaschine in einer einzeiligen Anordnung oder in einer kreuzförmigen Anordnung installiert ist, so dass der direkte Reibungsaufprall von Erdklumpen und Kies während des Aushubs des Schneidkopfes vermieden werden kann, um eine gewisse schützende Rolle zu spielen.
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Als eine weitere technische Lösung ist vorgesehen, dass jede Schallwellensondengruppe in gleichem Abstand an der Seitenwand der Hauptspeichen auf beiden Seiten der Mitte des Schneidkopfes verteilt ist. Die Installation der Sonde ändert nicht die ursprüngliche Struktur des Schneidkopfes der Schildmaschine, die für die ursprüngliche Produktion und Installation der Schildmaschine und die spätere Installation aller in Produktion befindlichen Schildmaschinen geeignet ist.
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Als eine weitere technische Lösung ist vorgesehen, dass die Sondenschutzvorrichtung eine sphärische Schutzvorrichtung ist, wobei die Schallwellensondengruppe in der sphärischen Schutzvorrichtung installiert ist, wobei die sphärische Schutzvorrichtung relativ zu dem Schubstangenkopf gedreht werden kann, wobei die sphärische Schutzvorrichtung mit dem Schubstangenkopf abgedichtet ist.
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Als eine weitere technische Lösung ist vorgesehen, dass eine Vielzahl von Hochdruckwasserdüsen ringförmig um die Oberseite jeder hydraulischen Teleskopstange angeordnet ist. Vor und während des Einziehens der hydraulischen Teleskopstange kann ein Hochgeschwindigkeitswasserfluss aus der Wasserdüse ausgestoßen werden, um den Schlamm und den Staub auf der Hydraulikstange zu reinigen, so dass die Blockierung der Hydraulikstange durch Trümmer während des Einziehens vermieden wird.
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In einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung auch ein Phased-Array-Schallwellenfortgeschrittenes geologisches Detektionsverfahren mit einer Schildmaschine bereit, wie folgt:
- Schritt 1: Die Sondenschutzvorrichtung ist geöffnet, und die Hydraulikstange drückt eine Vielzahl von Schallwellensondengruppen nach vorne, bis alle Schallwellensondengruppen einen guten Kontakt mit der Unterfläche bilden;
- Schritt 2: Alle Schallwellensondengruppen werden durch eine einzelne Schallwellensondengruppe ausgelöst, um Echoinformationen zu empfangen, zu erfassen und zu reflektieren, um ein Hintergrundgeschwindigkeitsfeld unter Verwendung eines Verarbeitungsabbildungssystems zu erhalten;
- Schritt 3: Gemäß dem Hintergrundgeschwindigkeitsfeld bildet das System einen Abtastschallwellenstrahl in einer bestimmten Richtung, indem es verschiedene Verzögerungen jeder Schallwellensondengruppe steuert;
- Schritt 4: Jede Schallwellensondengruppe empfängt das Echosignal und speichert es in der Speichereinheit, und die Speichereinheit lädt die Echodaten in das Verarbeitungsabbildungssystem hoch, so dass das Verarbeitungsabbildungssystem das Abbildungsergebnis der vermuteten Position des abnormalen Körpers in der Seitenabtastrichtung erhält;
- Schritt 5: Gemäß der vermuteten Position des abnormalen Körpers führt das System eine Punkt-für-Punkt-Fokussierung durch Ändern der Triggerverzögerung zwischen jeder Schallwellensondengruppe durch; Jede Schallwellensondengruppe empfängt das Echosignal und speichert es in der Speichereinheit, und die Speichereinheit lädt die Daten in das Abbildungssystem hoch, um ein verfeinertes zweidimensionales Einrichtungsabtastergebnis zu erhalten;
- Schritt 6: Schritt 3, Schritt 4, Schritt 5 wird wiederholt; Der Abtastschallwellenstrahl in verschiedenen Richtungen wird durchgeführt, indem die Verzögerung jeder Schallwellensondengruppe geändert wird, bis die Datenerfassung und das Hochladen des gesamten Abschnitts abgeschlossen sind; Das Verarbeitungsabbildungssystem empfängt Abtastabbildungsdaten des gesamten zweidimensionalen Abschnitts, um ein zweidimensionales Abschnittsbild zu vervollständigen;
- Schritt 7: Der Schneidkopf wird gedreht, um das gesamte Schallwellenarray-Tupel um einen Winkel um die Mittelachse des Schneidkopfes zu drehen; Die obigen Schritte 3, 4, 5, 6 werden wiederholt, um eine zweidimensionale Abschnittsabbildung in einem anderen Winkel zu erhalten;
- Schritt 8: Schritt 7 wird wiederholt, bis die Detektion die gesamte Unterfläche abdeckt, um eine zweidimensionale Abtastprofilabbildung entsprechend jedem Winkel zu erhalten; Das endgültige Verarbeitungsabbildungssystem verschmilzt diese zweidimensionalen Profile zu dreidimensionalen Bildern;
- Schritt 9: Die Hydraulikstange zieht sich zurück, zieht die Sonde ein und reinigt automatisch das Schlammwasser oder den Staub auf der Sonde und der Hydraulikstange während des Rückgewinnungsprozesses; Nachdem die Sonde zurückgekehrt ist, wird die Schutzvorrichtung aktiviert und die Trocknungsvorrichtung wird aktiviert, um die Lufttrocknung innerhalb der Hydraulikstange sicherzustellen; Diese fortgeschrittene geologische Detektion wird abgeschlossen.
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Als eine weitere technische Lösung ist vorgesehen, dass die räumliche Abtastwinkelschrittgröße in Schritt 5 30° beträgt, so dass der Schneidkopf bei der Vielzahl von Schallwellensondengruppen in einer einzeiligen Anordnung nur 5 Mal gedreht werden muss, um die Detektionsergebnisse von sechs zweidimensionalen Abschnitten zu erfassen, wodurch die geologische Situation vor der gesamten Unterfläche abgedeckt wird; so dass der Schneidkopf bei der Vielzahl von Schallwellensondengruppen in einer kreuzförmigen Anordnung nur 2 Mal gedreht werden muss, um die Detektionsergebnisse von drei zweidimensionalen Abschnitten zu erfassen, wodurch die geologische Situation vor der gesamten Unterfläche abgedeckt wird.
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In dem obigen Detektionsverfahren sind die spezifischen Abbildungsschritte wie folgt:
- 1) Nachdem jedes Schallwellenarray-Tupel an der Unterfläche angebracht ist, wird die Schallwelle durch ein einzelnes Schallwellenarray-Tupel mit Nullverzögerung angeregt, und andere Schallwellenarray-Tupel empfangen direkte Wellen; Die Wellengeschwindigkeit der direkten Welle des Gesteins vor der Unterfläche wird gemäß der Sondenposition jedes Schallwellenarray-Tupels und der Empfangszeit der direkten Welle berechnet;
- 2) Die Verzögerungszeit jedes Array-Wandlers wird gemäß der Wellengeschwindigkeit der direkten Welle des umgebenden Gesteins der Unterfläche in Schritt 1 und der gegenseitigen Positionsbeziehung der Sende- und Empfangssonde der Unterfläche berechnet;
- 3) Die Schallwellenemission jedes Schallwellenarray-Tupels wird gemäß der erhaltenen Verzögerungszeit gesteuert und die Verzögerungszeit wird geändert, wodurch die Vorwärtsrichtung des Schallwellenstrahls geändert wird, bis die Abtastdetektion des gesamten zweidimensionalen Abschnitts vor der Unterfläche abgeschlossen ist, um Abbildungsdaten zu erhalten;
- 4) Die Abbildungsdaten werden analysiert, um den möglichen Vorkommensbereich des geologischen abnormalen Körpers vor der Unterfläche zu erhalten; Unter Verwendung des Zeitumkehrspiegel-Abbildungsalgorithmus regt der Array-Wandler das Rückwärtsverzögerungssignal an, um die Eigenschaften des lokalen Fokussignals zu erhalten, wodurch eine zweidimensionale Fokusabbildung durchgeführt wird.
- 5) Basierend auf mehreren erhaltenen zweidimensionalen fokussierten Abbildungsergebnissen wird eine umfassende Analyse durchgeführt, um eine dreidimensionale geologische Abbildung vor der Unterfläche zu erhalten.
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Die vorliegende Erfindung hat die folgenden vorteilhaften Wirkungen:
- (1) Die vorliegende Erfindung stellt ein Phased-Array-Schallwellenfortgeschrittenes geologisches Detektionssystem und -verfahren mit einer Schildmaschine bereit, so dass die Schildmaschine und das Schallwellendetektionsinstrument einen hohen Integrations- und Automatisierungsgrad, eine hohe Effizienz, eine hohe Detektionsauflösung und keine Störung des Baus der Schildmaschine aufweisen, wodurch die Sicherheits- und Effizienzanforderungen der Schildmaschine erfüllt werden.
- (2) Es werden zwei Beobachtungsverfahren entwickelt, die für die Arbeitsumgebung der Tunnelschildmaschine geeignet sind. Die Schneidkopfstruktur wird sinnvoll genutzt, um den begrenzten Beobachtungsraum der Unterfläche voll auszunutzen. Der Detektor ist einzeilig oder kreuzförmig auf dem Schneidkopf angeordnet, die die reflektierten Wellen von der Vorderseite der Unterfläche vollständig empfangen und zuverlässige Detektionsdaten für die dreidimensionale geologische Abbildung vor der Unterfläche bereitstellen kann. Gleichzeitig muss der Schneidkopf nur um 150° oder 60° gedreht werden, um die Abdeckungsdetektion der gesamten Unterfläche zu vervollständigen.
- (3) Ein Prozess und ein Verfahren zur verfeinerten Abbildung der fortgeschritten Detektionszeit eines tunnelgeologischen Phased-Arrays werden entworfen. Basierend auf der Prämisse, die vermutete Position des anormalen geologischen Körpers durch Scannen zu erhalten, wird die Erregungsverzögerung des Wandlers automatisch gemäß der Differenz der Detektionsorientierung eingestellt. Das Energiekompensationsverfahren wird verwendet, um den starken Dämpfungseffekt des Schneidkopfschlammkuchens auf Schallwellen zu verringern und die Signalintensität im Fernbereich der Detektion zu verbessern. Der Zeitumkehrspiegel-Fokussierungsalgorithmus wird verwendet, um die Fokussierungsdetektion und Fokussierung von Schallwellen zu realisieren, und schließlich werden die submeterfeinen Detektionsergebnisse vor der Unterfläche erhalten.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Arbeitsablaufdiagramm einer fortgeschrittenen geologischen Vorhersagevorrichtung;
- 2 ist eine Schnittansicht der gesamten Installationsstruktur der fortschrittlichen geologischen Vorhersagevorrichtung;
- 3 ist ein schematisches Diagramm des Schneidkopfes der Schildmaschine mit einer Schallwellensonde;
- 4 ist eine Schnittansicht des Teleskopzustands der Schildmaschine mit einer Schallwellensonde;
- 5 ist ein schematisches Diagramm des Ausdehnungszustands der Schildmaschine mit einer Schallwellensonde;
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Anomaler Körper vor der Unterfläche;
- 2.
- Unterfläche;
- 3
- Schallwellensondengruppe;
- 4.
- Sondendatenübertragungsleitung und Wasserübertragungsleitung;
- 5.
- Mehrkanaldrehvorrichtung,
- 6.
- Schildmaschinenwagen;
- 7.
- Umgebungsgestein;
- 8.
- Datenübertragungsleitung;
- 9.
- Segment;
- 10.
- Hauptsteuerungssystem zur Detektion der Schildmaschine;
- 11.
- Schallwellensondengruppe;
- 12.
- Drucksensor,
- 13.
- Sphärische Drehschutzvorrichtung;
- 14.
- Hydraulische Teleskopstange;
- 15.
- Hochdruckwasserdüse;
- 16.
- Signalübertragungsleitung;
- 17.
- Drehmotor;
- 18.
- Montageplatte;
- 19.
- Schraubenmontageloch;
- 20
- Hochdruckdüsenwasserweg;
- 21.
- Trocknungsvorrichtung;
- 22.
- Düsenverstärker;
- 23.
- Integrierte Übertragungsleitung für Daten, Stromkreis und Wasserweg.
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Ausführliche Ausführungsformen
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den Zeichnungen ausführlich beschrieben:
- Es sei darauf hingewiesen, dass die folgenden detaillierten Beschreibungen beispielhaft sind und eine weitere Erläuterung der vorliegenden Anmeldung geben sollen. Sofern nicht anders angegeben, haben alle in der vorliegenden Erfindung verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung wie ein gewöhnlicher Fachmann auf dem technischen Gebiet der vorliegenden Anmeldung.
- Es sei darauf hingewiesen, dass die hier verwendete Terminologie nur dazu dient, die spezifische Ausführungsform zu beschreiben, anstatt die beispielhafte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Anmeldung einzuschränken. Wie hier verwendet, soll die Singularform auch die Pluralform umfassen, es sei denn, die vorliegende Erfindung weist ausdrücklich etwas anderes auf. Darüber hinaus sollte verstanden werden, dass, wenn die Begriffe enthalten und/oder umfassen in dieser Beschreibung verwendet werden, sie das Vorhandensein von Merkmalen, Schritten, Operationen, Vorrichtungen, Komponenten und/oder Kombinationen davon anzeigen;
- Um die in der Stand der Technik aufgeworfenen Probleme zu lösen, offenbart das vorliegende Ausführungsbeispiel ein Phased-Array-Schallwellenfortgeschrittenes geologisches Vorhersagesystem mit einer Schildmaschine, die hauptsächlich eine Schallwellensende- und -empfangsvorrichtung, eine Sondenteleskopschutzvorrichtung, eine Reinigungsvorrichtung, eine Mehrkanaldrehvorrichtung, ein Kabelsystem und ein Abbildungsverarbeitungssystem umfasst.
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Wobei die Schallwellensende- und -empfangsvorrichtung eine Phased-Array-Schallwellensende- und -empfangsvorrichtung ist, umfassend eine Vielzahl von Schallwellensondengruppen, wobei jede Schallwellensondengruppe eine Vielzahl von Schallwellensende- und -empfangseinheiten umfasst, wobei jede Schallwellensende- und -empfangseinheit die Funktion hat, Schallwellen zu senden und reflektierte Schallwellen zu empfangen. Unter der Steuerung des Hauptsystems können die fokussierten Schallwellen phasengesteuert werden.
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Wobei die Sondenteleskopschutzvorrichtung eine Sondenschutzvorrichtung, einen Drucksensor und eine hydraulische Antriebsvorrichtung umfasst, wobei jede Schallwellensondengruppe in einer Sondenschutzvorrichtung installiert ist, wobei die Sondenschutzvorrichtung an einem Teleskopstangenkopf der hydraulischen Antriebsvorrichtung installiert ist und relativ zur hydraulischen Schubstange gedreht werden kann, wobei auch ein Drucksensor an der Sondenschutzvorrichtung installiert ist, wobei der Drucksensor verwendet wird, um den Druck der Schallwellensonde in Kontakt mit der Unterfläche zu detektieren, wobei die Reinigungsvorrichtung eine Hochdruckwasserdüse umfasst, die an der Teleskopstange der hydraulischen Antriebsvorrichtung angeordnet ist, wobei die Hochdruckwasserdüse über eine Rohrleitung mit der Wasserversorgungsvorrichtung verbunden ist, wobei die Mehrkanaldrehvorrichtung eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben der Drehung des Schneidkopfes der Schildmaschine ist, wobei das Kabelsystem alle in dem System verwendeten Kabel ist und das Abbildungsverarbeitungssystem für die Datenverarbeitung und Abbildung verwendet wird.
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Insbesondere wird es im Folgenden in Verbindung mit den Zeichnungen 2, 3, 4 und 5 ausführlich beschrieben:
- Insbesondere ist die Gesamtstruktur der vorliegenden Erfindung in 2 gezeigt. Die gesamte Detektionsvorrichtung ist als Ganzes auf dem bestehenden Schildmaschinenwagen 2 installiert, der für die ursprüngliche Produktion und Installation der Schildmaschine und die spätere Installation aller in Produktion befindlichen Schildmaschinen geeignet ist.
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Wie in 3 gezeigt, ist die Vielzahl von Schallwellensondengruppen 3 an der Seitenwand der Hauptspeiche entgegen der Drehrichtung des Schneidkopfes der Schildmaschine in einer einzeiligen Anordnung oder in einer kreuzförmigen Anordnung installiert, so dass der direkte Reibungsaufprall von Erdklumpen und Kies während des Aushubs des Schneidkopfes vermieden werden kann, um eine gewisse schützende Rolle zu spielen. 3 zeigt eine kreuzförmige Anordnung, wobei die einzeilige Anordnung nur eine Reihe in vertikaler Richtung oder nur eine Reihe in horizontaler Richtung ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Gesamtzahl der Schallwellensondengruppen 30, wobei jede Schallwellensondengruppe 9 Schallwellensende- und -empfangseinheiten umfasst, wobei 30 Schallwellensondengruppen in gleichem Abstand an der Seitenwand der Hauptspeichen auf beiden Seiten der Mitte des Schneidkopfes verteilt sind. Insbesondere sind 12 Schallwellensondengruppen in der horizontalen Richtung und 18 Schallwellensondengruppen in der vertikalen Richtung in 3 angeordnet. Die Installation der gesamten Schallwellensondengruppe ändert nicht die ursprüngliche Struktur des Schneidkopfes der Schildmaschine.
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Wie in 4 und 5 gezeigt, wird die Sondenteleskopschutzvorrichtung durch eine sphärische Drehschutzvorrichtung 13, eine hydraulische Antriebsvorrichtung und einen Drucksensor 12 koordiniert, siehe 4 für die spezifische Installation. Die Sondenschutzvorrichtung 13 ist eine sphärische Schutzvorrichtung, insbesondere ein sphärisches Metallgehäuse, wobei die Schallwellensondengruppe in einem sphärischen Metallgehäuse installiert ist und das sphärische Metallgehäuse relativ zu dem Schubstangenkopf gedreht werden kann, wobei die sphärische Schutzvorrichtung mit dem Schubstangenkopf abgedichtet ist. Der enge Kontakt zwischen den beiden ist dadurch gekennzeichnet, dass verhindert wird, dass der Schlamm in das Innere der hydraulischen Antriebsvorrichtung eindringt. Während des normalen Aushubprozesses der Schildmaschine wird die Sonde unter Verwendung der Eigenschaften der sphärischen Form, die umgedreht und gedreht werden kann, in das Innere der hydraulischen Antriebsvorrichtung gedreht, um die Sonde zu schützen. Es sei darauf hingewiesen, dass bei der vorliegenden Erfindung eine Schallwellensondengruppe entsprechend mit einer Sondenteleskopschutzvorrichtung ausgestattet ist. Zum Beispiel gibt es in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 30 Schallwellensondengruppen, und 30 Sondenteleskopschutzvorrichtungen sind entsprechend installiert.
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Als eine weitere technische Lösung ist vorgesehen, dass eine Vielzahl von Hochdruckwasserdüsen 15 ringförmig um die Oberseite jeder hydraulischen Teleskopstange jeder hydraulischen Antriebsvorrichtung angeordnet ist. Vor und während des Einziehens der hydraulischen Teleskopstange kann ein Hochgeschwindigkeitswasserfluss aus der Wasserdüse ausgestoßen werden, um den Schlamm und den Staub auf der Hydraulikstange zu reinigen, so dass die Blockierung der Hydraulikstange durch Trümmer während des Einziehens vermieden wird. Die Hochdruckwasserdüse 15 ist über eine Rohrleitung mit dem Düsenverstärker 22 verbunden, und der Düsenverstärker 22 ist mit der Wasserversorgungsvorrichtung verbunden.
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Als eine weitere technische Lösung ist vorgesehen, dass der Drucksensor 12 an der sphärischen Drehschutzvorrichtung 13 installiert ist. Es wird eine hydraulische Antriebsvorrichtung mit Drucksensor verwendet. Nachdem der Sondendrucksensor an der Oberseite einen bestimmten Schwellenwert erreicht hat, wird der Antrieb der Hydraulikstange gestoppt, um sicherzustellen, dass die Sonde durch den Schlamm oder Schlammkuchen hindurchgehen kann, der am Schneidkopf angebracht ist, so dass die Sonde an der Unterfläche angebracht ist.
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Das vorliegende Ausführungsbeispiel stellt auch ein Detektionsverfahren basierend auf einer Phased-Array-Schallwellenfortgeschrittenen geologischen Detektionsvorrichtung auf einer Schildmaschine bereit, wie folgt:
- Schritt 1: Die Sondenschutzvorrichtung ist geöffnet, und die Hydraulikstange drückt eine Vielzahl von Schallwellensondengruppen nach vorne, bis alle Schallwellensondengruppen einen guten Kontakt mit der Unterfläche bilden;
- Schritt 2: Alle Schallwellensondengruppen werden durch eine einzelne Schallwellensondengruppe ausgelöst, um Echoinformationen zu empfangen, zu erfassen und zu reflektieren, um ein Hintergrundgeschwindigkeitsfeld unter Verwendung eines Verarbeitungsabbildungssystems zu erhalten;
- Schritt 3: Gemäß dem Hintergrundgeschwindigkeitsfeld bildet das System einen Abtastschallwellenstrahl in einer bestimmten Richtung, indem es verschiedene Verzögerungen jeder Schallwellensondengruppe steuert;
- Schritt 4: Jede Schallwellensondengruppe empfängt das Echosignal und speichert es in der Speichereinheit, und die Speichereinheit lädt die Echodaten in das Verarbeitungsabbildungssystem hoch, so dass das Verarbeitungsabbildungssystem das Abbildungsergebnis der vermuteten Position des abnormalen Körpers in der Seitenabtastrichtung erhält;
- Schritt 5: Gemäß der vermuteten Position des abnormalen Körpers führt das System eine Punkt-für-Punkt-Fokussierung durch Ändern der Triggerverzögerung zwischen jeder Schallwellensondengruppe durch; Jede Schallwellensondengruppe empfängt das Echosignal und speichert es in der Speichereinheit, und die Speichereinheit lädt die Daten in das Abbildungssystem hoch, um ein verfeinertes zweidimensionales Einrichtungsabtastergebnis zu erhalten;
- Schritt 6: Schritt 3, Schritt 4, Schritt 5 wird wiederholt; Der Abtastschallwellenstrahl in verschiedenen Richtungen wird durchgeführt, indem die Verzögerung jeder Schallwellensondengruppe geändert wird, bis die Datenerfassung und das Hochladen des gesamten Abschnitts abgeschlossen sind; Das Verarbeitungsabbildungssystem empfängt Abtastabbildungsdaten des gesamten zweidimensionalen Abschnitts, um ein zweidimensionales Abschnittsbild zu vervollständigen;
- Schritt 7: Der Schneidkopf wird gedreht, um das gesamte Schallwellenarray-Tupel um einen Winkel um die Mittelachse des Schneidkopfes zu drehen; Die obigen Schritte 3, 4, 5, 6 werden wiederholt, um eine zweidimensionale Abschnittsabbildung in einem anderen Winkel zu erhalten;
- Schritt 8: Schritt 7) wird wiederholt, bis die Detektion die gesamte Unterfläche abdeckt, um eine zweidimensionale Abtastprofilabbildung entsprechend jedem Winkel zu erhalten; Das endgültige Verarbeitungsabbildungssystem verschmilzt diese zweidimensionalen Profile zu dreidimensionalen Bildern;
- Schritt 9: Die Hydraulikstange zieht sich zurück, zieht die Sonde ein und reinigt automatisch das Schlammwasser oder den Staub auf der Sonde und der Hydraulikstange während des Rückgewinnungsprozesses; Nachdem die Sonde zurückgekehrt ist, wird die Schutzvorrichtung aktiviert und die Trocknungsvorrichtung wird aktiviert, um die Lufttrocknung innerhalb der Hydraulikstange sicherzustellen; Diese fortgeschrittene geologische Detektion wird abgeschlossen.
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Die spezifischen Abbildungsschritte sind in 1 gezeigt. Nachdem jedes Schallwellenarray-Tupel an der Unterfläche angebracht ist, wird die Schallwelle durch ein einzelnes Schallwellenarray-Tupel mit Nullverzögerung angeregt, und andere Schallwellenarray-Tupel empfangen direkte Wellen; Die Wellengeschwindigkeit der direkten Welle des Gesteins vor der Unterfläche wird gemäß der Sondenposition jedes Schallwellenarray-Tupels und der Empfangszeit der direkten Welle berechnet; Die Verzögerungszeit jedes Array-Wandlers wird gemäß der Wellengeschwindigkeit der direkten Welle des umgebenden Gesteins der Unterfläche in Schritt 1 und der gegenseitigen Positionsbeziehung der Sende- und Empfangssonde der Unterfläche berechnet; Die Schallwellenemission jedes Schallwellenarray-Tupels wird gemäß der erhaltenen Verzögerungszeit gesteuert und die Verzögerungszeit wird geändert, wodurch die Vorwärtsrichtung des Schallwellenstrahls geändert wird, bis die Abtastdetektion des gesamten zweidimensionalen Abschnitts vor der Unterfläche abgeschlossen ist, um Abbildungsdaten zu erhalten; Die Abbildungsdaten werden analysiert, um den möglichen Vorkommensbereich der geologischen Anomalie vor der Unterfläche zu erhalten; Unter Verwendung des Zeitumkehrspiegel-Abbildungsalgorithmus regt der Array-Wandler das Rückwärtsverzögerungssignal an, um die Eigenschaften des lokalen Fokussignals zu erhalten, wodurch eine zweidimensionale Fokusabbildung durchgeführt wird; Basierend auf mehreren erhaltenen zweidimensionalen fokussierten Abbildungsergebnissen wird eine umfassende Analyse durchgeführt, um eine dreidimensionale geologische Abbildung vor der Unterfläche zu erhalten.
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Im Folgenden werden die Vorrichtungen und Verfahren in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel im Detail in Kombination mit dem spezifischen Installationsprozess und dem Arbeitsprinzip beschrieben:
- Zuerst ist eine Vielzahl von Schallwellensondengruppen 3 in einer einzeiligen oder kreuzförmigen Form angeordnet und an der Seitenwand der Hauptspeiche entgegen der Drehrichtung des Schneidkopfes der Schildmaschine angeordnet, wie in 3 als kreuzförmige Anordnung gezeigt;
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Die Schallwellensende- und -empfangseinheit jeder Schallwellensondengruppe 3 berücksichtigt die Funktion des Sendens von Schallwellen und des Empfangens von reflektierten Wellen. Unter der Steuerung des Hauptsystems können die fokussierten Schallwellen phasengesteuert werden.
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Anschließend wird das Ausstrecken der Schallwellensondengruppe 3 durch die sphärische Drehschutzvorrichtung 13, die hydraulische Antriebsvorrichtung und den Drucksensor 12 koordiniert. Der spezifische Schritt des Ausstreckens besteht darin, dass sich die sphärische Drehschutzvorrichtung 13 dreht, wenn die Schildmaschine stoppt und der Schneidkopf stoppt, und eine Seite, die mit der Schallwellensondengruppe 11 ausgestattet ist, direkt vor der axialen Richtung der hydraulischen Teleskopstange 14 dreht. Unter diesen ist die sphärische Drehschutzvorrichtung 13 selbst eng mit der Hydraulikstange 14 verbunden, so dass Schlamm und Staub während des Drehprozesses in das Innere der sphärischen Sonde gelangen. Die sphärische Sonde besteht aus einer rostfreien Legierung, die nicht nur die strukturelle Festigkeit während des Detektionsprozesses gewährleistet, sondern auch Rost und Korrosion in der feuchten Umgebung des Lochs vermeidet.
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Während der sphärischen Sonde von Anfang an bis zum Kontakt mit der Unterfläche 2 kann das sphärische Design den Widerstand des vorderen Bodensandsteins reduzieren und das Eindringen des Bodensandsteins vor dem Schneidkopf oder des an den Speichen befestigten Bodensandsteins erleichtern, wodurch die Sonde an der Unterfläche 2 angebracht wird.
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Die Hydraulikstange treibt die sphärische Drehschutzvorrichtung 13 nach vorne. Der Drucksensor 12 vor der sphärischen Drehschutzvorrichtung 13 überwacht den Druck der Sonde während des Durchgangs durch den an dem Schneidkopf befestigten Erdklumpen. Anfangs ist der Druckwert der Sonde gering. Während der Annäherung an die Unterfläche wird der vordere Boden kontinuierlich entfernt und verdichtet. Wenn die Sonde die Unterfläche 2 erreicht, erreicht der obere Druck der Sonde die eingestellte Druckschwelle, das heißt, die Sonde ist standardmäßig in vollem Kontakt mit der Unterfläche, wodurch das Ausstrecken der Schallwellensondengruppe 11 gestoppt wird. Die Sonde ändert sich von einem ausgestreckten Zustand in einen wartenden Erfassungszustand und wartet darauf, dass die Schildmaschine den Erfassungsbefehl unter dem Hauptsteuersystem 10 detektiert.
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Da die Unterfläche 2 möglicherweise nicht vollständig flach ist, ist die Länge der Schallwellensondengruppe 11, die aus dem Schneidkopf herausragt, möglicherweise nicht konsistent. Die Ausdehnungslänge der Schallwellensonde wird durch den Drucksensor 12 bestimmt, der den vorderen Druckwert erfasst. Gleichzeitig wird der Teleskoplängenwert des Hydraulikzylinders 14 über die Datenübertragungsleitung 8 in der Schildmaschine an die Datenverarbeitungsschildmaschine zurückgeführt, um das Hauptsteuersystem 10 zu detektieren, um ein genaueres Beobachtungssystem zu definieren.
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Wenn alle Schallwellensondengruppen 3 vollständig in Kontakt mit der Unterfläche 12 sind, regen die neun Schallwellensende- und -empfangseinheiten jeder Schallwellensondengruppe 3 gleichzeitig jede Gruppe von Detektoren an und empfangen gleichzeitig die angeregten Schallwellen, um die Schalldruckintensität der Schallwellensondengruppe 3 zu erhöhen. Aus den erhaltenen Signalen wird die Hintergrundgeschwindigkeit des umgebenden Gesteins berechnet. Dann wird jede Schallwellensondengruppe 3 sequentiell mit einer bestimmten Verzögerung angeregt. Auf dieser Basis wird die Teleskoplänge der hydraulischen Teleskopstange 14 kombiniert, um die Verzögerung einzustellen und anzuregen, um Abtastsignale in verschiedenen Richtungen der Messlinie zu erhalten.
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Die Daten des Detektionshauptsteuersystems 10 der Schildmaschine werden analysiert und zurückgegeben, um den möglichen Vorkommensbereich des abnormalen Körpers 1 vor der Unterfläche zu erhalten. Unter Verwendung des Zeitumkehrspiegel-Abbildungsalgorithmus regt die Wandlergruppe das Rückwärtsverzögerungssignal an, um die Eigenschaften des lokalen Fokussignals zu erhalten, wodurch eine zweidimensionale Fokusabbildung durchgeführt wird;
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Die Düsenwassereinspritzvorrichtung wird gestartet, um den Schlamm und den Staub an der hydraulischen Teleskopstange 14 zu reinigen, und die hydraulische Teleskopstange 14 wird in die ursprüngliche Position zurückgezogen. Der Schneidkopf wird um einen festen Winkelschritt gedreht. Die hydraulische Teleskopstange 14 wird neu gestartet, und die Schallwellensonde 3 wird durch den Schlammkuchen geleitet und an der Unterfläche 2 angebracht. Basierend auf den Abbildungsergebnissen des vorherigen Schritts wird der Abtastwinkel des Schneidkopfraums (Winkelschritt 30°) gedreht. Das Gewicht des fokussierten Abbildungsbereichs des vermuteten anomalen Körperbereichs wird eingestellt, um die Verfolgungsabbildung des anomalen Körpers 1 vor der geologischen Unterfläche zu realisieren.
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Der Schneidkopf wird gemäß dem obigen Verfahren um 150° gedreht. Gemäß insgesamt 6 Detektionsprozessen werden sechs zweidimensionale Abschnittsdetektionsdaten mit entsprechenden Winkeln erhalten. Dann werden die Daten an das Datenverarbeitungs- und Abbildungssystem zurückgegeben, und die fortgeschrittene Vorhersage des Phased-Array-Ultraschalls wird schließlich basierend auf den umfassenden Abbildungsergebnissen jedes Schritts realisiert.
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Schließlich wird die automatische Reinigungsvorrichtung 15 gestartet, um den Schlamm und Staub zu reinigen, die an der Hydraulik angebracht sind. Die sphärische Drehschutzvorrichtung 13 wird gestartet, die Sonde wird in das Innere der Hydraulikstange gedreht, und die hydraulische Teleskopstange 14 wird zurückgenommen, und der gesamte Detektionsprozess endet. 1 ist wie folgt zusammengefasst:
- Nachdem die Hydraulikstange ausgestreckt ist und die voreingestellte Position erreicht hat, beginnt der Detektionsprozess. Die Schallwelle wird zuerst von einem einzelnen Wandler angeregt und von mehreren Detektoren empfangen, um das Hintergrundgeschwindigkeitsfeld des umgebenden Gesteins zu erhalten.
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Dann steuert und stimuliert das System gemäß dem genau definierten Beobachtungssystem automatisch die fokussierte seismische Welle, um alle Abtastung des zweidimensionalen Abschnitts abzuschließen. Als nächstes wird basierend auf dem kollaborativen inversen Q-Filterverfahren mit mehreren Array-Tupeln der Energieverlust, der durch den Schlammkuchen verursacht wird, kompensiert, und das Abbildungssystem wird verarbeitet, um das Abbildungsergebnis der vermuteten Position des abnormalen Körpers in dieser Seitenabtastrichtung zu erhalten. Gemäß der vermuteten Position des abnormalen Körpers führt das System eine Punkt-für-Punkt-Fokussierung durch Ändern der Triggerverzögerung zwischen jedem Array-Tupel durch. Jedes Array-Tupel empfängt das Echosignal und speichert es in der Speichereinheit, und die Speichereinheit lädt die Daten in das Abbildungssystem hoch, um ein verfeinertes zweidimensionales Einrichtungsabtastergebnis zu erhalten.
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Ferner wird der Schneidkopf gedreht, um eine Abtastdetektion von zweidimensionalen Abschnitten in anderen Winkeln durchzuführen. Die zweidimensionalen Verfeinerungsdetektionsergebnisse bei der kontinuierlichen Drehnung des Schneidkopfes oder der mehreren Winkel integrieren die zweidimensionalen Abschnittsabbildungsergebnisse verschiedener Winkel in dreidimensionale Abbildungsergebnisse und erhalten schließlich eine verfeinerte dreidimensionale Abbildung vor der Unterfläche.
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Schließlich wird die Hydraulikstange zurückgezogen, um den gesamten fortgeschrittenen geologischen Detektionsprozess abzuschließen.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Phased-Array-Schallwellenfortgeschrittene geologische Detektionsvorrichtung mit einer Schildmaschine bereit, so dass die Schildmaschine und das Schallwellendetektionsinstrument einen hohen Integrations- und Automatisierungsgrad, eine hohe Effizienz, eine hohe Detektionsauflösung und keine Störung des Baus der Schildmaschine aufweisen, wodurch die Sicherheits- und Effizienzanforderungen der Schildmaschine erfüllt werden.
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Das durch die vorliegende Erfindung entwickelte Beobachtungsverfahren ist für die Arbeitsumgebung der Tunnelschildmaschine geeignet. Die Schneidkopfstruktur wird sinnvoll genutzt, um den begrenzten Beobachtungsraum der Unterfläche voll auszunutzen. Der Detektor ist einzeilig oder kreuzförmig auf dem Schneidkopf angeordnet, die die reflektierten Wellen von der Vorderseite der Unterfläche vollständig empfangen und zuverlässige Detektionsdaten für die dreidimensionale geologische Abbildung vor der Unterfläche bereitstellen kann. Gleichzeitig muss der Schneidkopf nur um 150° oder 60° gedreht werden, um die Abdeckungsdetektion der gesamten Unterfläche zu vervollständigen.
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Die vorliegende Erfindung entwirft einen Prozess und ein Verfahren zur verfeinerten Abbildung der fortgeschritten Detektionszeit eines tunnelgeologischen Phased-Arrays. Basierend auf der Prämisse, die vermutete Position des anormalen geologischen Körpers durch Scannen zu erhalten, wird die Erregungsverzögerung des Wandlers automatisch gemäß der Differenz der Detektionsorientierung eingestellt. Das Energiekompensationsverfahren wird verwendet, um den starken Dämpfungseffekt des Schneidkopfschlammkuchens auf Schallwellen zu verringern und die Signalintensität im Fernbereich der Detektion zu verbessern. Der Zeitumkehrspiegel-Fokussierungsalgorithmus wird verwendet, um die Fokussierungsdetektion und Fokussierung von Schallwellen zu realisieren, und schließlich werden die submeterfeinen Detektionsergebnisse vor der Unterfläche erhalten.
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Das Obige ist nur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung und wird nicht verwendet, um die vorliegende Anmeldung zu begrenzen. Für den Fachmann kann die vorliegende Anmeldung verschiedene Modifikationen und Änderungen aufweisen. Alle Änderungen, gleichwertigen Ersetzungen, Verbesserungen usw. im Sinne und in den Grundsätzen der vorliegenden Anmeldung sind in den Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung einzubeziehen.
