基于激發(fā)極化法的tbm施工隧道聚焦型前向三維多電極在線探測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及TBM全斷面隧道掘進(jìn)機的在線探測領(lǐng)域，尤其涉及一種基于激發(fā)極化法的TBM施工隧道聚焦型前向三維多電極在線探測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，我國已經(jīng)成為世界上隧道數(shù)量最多，建設(shè)規(guī)模最大，發(fā)展速度最快的的國家。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)程的加快，在交通、水利水電及礦產(chǎn)資源開發(fā)等領(lǐng)域還將會修建更多的大長隧道、隧洞等地下工程。我國是隧道、隧洞等地下工程突水災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，突水突泥災(zāi)害所造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失在各類隧道等地下工程地質(zhì)災(zāi)害中居于前列，往往造成重大的人員傷亡，嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境破壞。隧道建設(shè)中不良地質(zhì)體超前預(yù)報是保證安全施工的重要環(huán)節(jié)，是國內(nèi)外工程地質(zhì)和隧道工程界十分關(guān)注而沒有得到很好解決的難題。
[0003]激發(fā)極化法作為一種重要的電法勘探方法，以其獨特的優(yōu)點(經(jīng)濟(jì)、無損、快速及信息豐富等)廣泛應(yīng)用于資源勘探和工程勘探中。激發(fā)極化法是通過接收和分析各種異常體的激發(fā)極化效應(yīng)來達(dá)到探測預(yù)報的目的。它有對隧道不良水體反應(yīng)靈敏的特點，可用來預(yù)報工作面前方突水異常體情況，尤其可以預(yù)報隧道前方涌水量的情況。在隧道及地下坑道的超前地質(zhì)預(yù)報中，激發(fā)極化法對隧道水體不良地質(zhì)體的預(yù)報具有明顯的效果。
[0004]近年來，施工隧道中采用全斷面隧道硬巖掘進(jìn)機(簡稱TBM)機械施工的比例越來越高，全斷面隧道硬巖掘進(jìn)機是利用回轉(zhuǎn)刀具開挖，同時破碎洞內(nèi)圍巖及掘進(jìn)，形成整個隧道斷面的一種新型、先進(jìn)的隧道施工機械。在使用TBM掘進(jìn)時，一個較為突出的問題就是TBM機械對地質(zhì)條件變化的適應(yīng)性較差，當(dāng)遭遇斷層、破碎帶、巖性交界面、含水構(gòu)造等不良地質(zhì)情況時，往往造成TBM機械被卡、被埋甚至機械報廢的嚴(yán)重事故。為了降低TBM施工中遭遇上述事故的風(fēng)險，最為有效的解決方法就是采用地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)提前探明掌子面前方不良地質(zhì)情況，并根據(jù)前方的地質(zhì)情況預(yù)先制定合理的處置措施和施工預(yù)案。
[0005]就目前TBM施工隧道中的地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)而言，主要有以下兩種方法:1、利用TBM機械配備的超前鉆機進(jìn)行水平鉆探，這種鉆機只能揭露鉆孔周圍的地質(zhì)情況，對于不與鉆孔相交的地質(zhì)體無法探明，不能反映TBM工作面前方整個范圍的地質(zhì)情況，極易遺漏不良地質(zhì)，造成誤報、錯報及災(zāi)害隱患，且鉆孔經(jīng)濟(jì)成本和時間成本較高。2、利用德國研發(fā)的BEAM(Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring)系統(tǒng)，BEAM是一種一維聚焦類激發(fā)極化法，BEAM法的缺點:(I)測試設(shè)備安裝復(fù)雜，測試時間長，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度；(2)BEAM法利用每次測量結(jié)果與隧道里程的曲線來推斷掘進(jìn)面前方的含水情況，探測距離小，無法獲得TBM工作面前方地質(zhì)體的三維信息，也無法預(yù)報水量。此外，從BEAM法在我國幾個隧道的應(yīng)用情況來看，預(yù)報結(jié)果不理想，未得到推廣，有待進(jìn)行提高和完善。
[0006]現(xiàn)階段已有的隧道等地下工程超前探測激發(fā)極化設(shè)備均是基于電測深理論的定點源非聚焦型的激發(fā)極化設(shè)備。非聚焦型的激發(fā)極化超前預(yù)報設(shè)備是將探測側(cè)線布置在隧道邊墻或底板上，測線附近的旁側(cè)干擾往往掩蓋了隧道開挖面前方的有用信息，對突水災(zāi)害源的定位和水量預(yù)測的精度低，可信性差，往往導(dǎo)致地質(zhì)探測結(jié)果錯誤，影響了隧道施工安全。
[0007]在三維聚焦型激發(fā)極化設(shè)備的發(fā)明中存在以下關(guān)鍵難題:(I)屏蔽電極和供電電極需要同時輸出同行電流，內(nèi)部具有調(diào)制功能的多路大電流恒流發(fā)射機的發(fā)明是關(guān)鍵難題；(2)三維聚焦型激發(fā)極化探測方法在掘進(jìn)面上需要布置由5個電極以上的供電電極系統(tǒng)，需要研制多通道觀測數(shù)據(jù)自動化采集裝置及多通道智能機接收機；(3)該設(shè)備需要測量觀測電極陣列的大量數(shù)據(jù)，采集過程中需要不斷地切換電源，同時大電流的切換是一個亟待解決的難題，需要研制自動轉(zhuǎn)換器。(4)該設(shè)備需要具備多元激發(fā)極化信息綜合采集的功能，包括屏蔽電極、供電電極、視電阻率、接地電阻、視極化率，頻率效應(yīng)百分比(簡稱PFE)等。可見，現(xiàn)在迫切需要設(shè)計一種裝置解決上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種基于激發(fā)極化法的TBM施工隧道前向三維多電極在線探測系統(tǒng)。
[0009 ]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0010]提供一種基于激發(fā)極化法的TBM施工隧道聚焦型前向三維多電極在線探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電極組、電極箱、信號發(fā)射機、驅(qū)動控制器、信號接收機以及地質(zhì)信息顯示終端；
[0011]電極組包括多個電極，該多個電極呈規(guī)則排列設(shè)置在TBM掌子面，且與電極箱連接，電極箱通過導(dǎo)電滑環(huán)與控制器連接；
[0012]驅(qū)動控制器用于對信號發(fā)射機進(jìn)行驅(qū)動，信號發(fā)射機通過導(dǎo)電滑環(huán)與電極箱連接，信號發(fā)射機與導(dǎo)電滑環(huán)之間還設(shè)有電流模式選擇開關(guān)，電流模式選擇開關(guān)在驅(qū)動控制器的控制下，選擇不同的電流模式，并通過導(dǎo)電滑環(huán)控制電極箱選擇不同的電極模式，不同的電極模式控制電極組中不同的導(dǎo)電電極分布；
[0013]信號接收機與導(dǎo)電滑環(huán)相連接，并通過通訊接口將電極組反饋的數(shù)據(jù)傳入地質(zhì)信息顯示終端中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并根據(jù)處理結(jié)果生成控制信息，以控制驅(qū)動控制器。
[0014]本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，所述導(dǎo)電滑環(huán)設(shè)置在TBM掌子面與護(hù)盾之間。
[0015]本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，所述掌子面的刀頭刀座部分的固定結(jié)構(gòu)經(jīng)過絕緣處理。
[0016]本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，所述地質(zhì)信息顯示終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，形成一維、二維以及三維界面并顯示。
[0017]本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，所述通訊接口為RS485通訊接口。
[0018]本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，所述導(dǎo)電滑環(huán)包括多個滑環(huán)，每個滑環(huán)對應(yīng)一種電流模式。
[0019]本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，不同的導(dǎo)電電極分布包括直線電極分布、等距圓形電極分布以及非等距圓形電極分布。
[0020]本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，該系統(tǒng)還包括屏蔽電極，設(shè)置在護(hù)盾上，與信號發(fā)射機或者導(dǎo)電滑環(huán)連接，且屏蔽電極與電極組中的電極等電壓。
[0021]本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:本發(fā)明的電極箱采用了多電極、多分布式的格局，打破了以往探測過程中單電極、單分布的格局。依托TBM本身刀頭位置的分布，設(shè)置不同的電極模式，每種電極模式對應(yīng)一種掌子面上導(dǎo)電電極的分布，從而通過不同的電極分布進(jìn)行數(shù)據(jù)探測，再將不同電極分布測量的數(shù)據(jù)與當(dāng)前實際地質(zhì)情況進(jìn)行對比，采用最優(yōu)的電極分布進(jìn)行在線監(jiān)測，以滿足實際需求。
[0022]進(jìn)一步地，采用導(dǎo)電滑環(huán)解決了TBM內(nèi)掌子面上所連接的電纜線交纏在一起的問題，極大地提高了地質(zhì)超前預(yù)報的工作效率，節(jié)約了時間成本和經(jīng)濟(jì)成本。
【附圖說明】
[0023]下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中:
[0024]圖1為本發(fā)明實施例基于激發(fā)極化法的TBM施工隧道前向三維多電極在線探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明實施例基于激發(fā)極化法的TBM施工隧道前向三維多電極在線探測系統(tǒng)的組裝結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3為本發(fā)明實施例TBM掌子面前方的電極模式分布圖；
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