基于激发极化法的TBM施工隧道聚焦型前向三维多电极在线探测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于激发极化法的TBM施工隧道聚焦型前向三维多电极在线探测系统，多个电极呈规则排列设置在TBM掌子面，且与电极箱连接，电极箱通过导电滑环与控制器连接；驱动控制器用于对信号发射机进行驱动，信号发射机通过导电滑环与电极箱连接，信号发射机与导电滑环之间还设有电流模式选择开关，电流模式选择开关在驱动控制器的控制下，选择不同的电流模式，并通过导电滑环控制电极箱选择不同的电极模式，不同的电极模式控制电极组中不同的导电电极分布；信号接收机与导电滑环相连接，并通过通讯接口将电极组反馈的数据传入地质信息显示终端中进行数据处理，并根据处理结果生成控制信息，以控制驱动控制器。

Focused forward 3D multi electrode on-line detection system for TBM construction tunnel based on induced polarization method

The invention discloses a method based on TBM tunnel focusing induced polarization method to 3D multi electrode online detection system, a plurality of electrodes are arranged regularly in TBM working face, and connected with the electrode box, the electrode box through the conductive ring is connected with the controller; for the signal transmitter drive controller, signal transmitter the conductive ring is connected with the electrode box, between the transmitter and the conductive ring is also provided with a current mode switch, current mode switch control in the drive controller, select the different current patterns, and through the conductive ring electrode control box to select different modes of electrode, electrode mode control of different conductive electrode distribution of different electrode groups in the signal receiver; and the conductive ring is connected, and the electrode group feedback data into the geological information through the communication interface The data processing is carried out in the display terminal, and control information is generated according to the processing result.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及TBM全断面隧道掘进机的在线探测领域，尤其涉及一种基于激发极化法的TBM施工隧道聚焦型前向三维多电极在线探测系统。
技术介绍
目前，我国已经成为世界上隧道数量最多，建设规模最大，发展速度最快的的国家。随着我国基础设施建设进程的加快，在交通、水利水电及矿产资源开发等领域还将会修建更多的大长隧道、隧洞等地下工程。我国是隧道、隧洞等地下工程突水灾害最严重的国家之一，突水突泥灾害所造成的人员伤亡和经济损失在各类隧道等地下工程地质灾害中居于前列，往往造成重大的人员伤亡，严重的经济损失和环境破坏。隧道建设中不良地质体超前预报是保证安全施工的重要环节，是国内外工程地质和隧道工程界十分关注而没有得到很好解决的难题。激发极化法作为一种重要的电法勘探方法，以其独特的优点(经济、无损、快速及信息丰富等)广泛应用于资源勘探和工程勘探中。激发极化法是通过接收和分析各种异常体的激发极化效应来达到探测预报的目的。它有对隧道不良水体反应灵敏的特点，可用来预报工作面前方突水异常体情况，尤其可以预报隧道前方涌水量的情况。在隧道及地下坑道的超前地质预报中，激发极化法对隧道水体不良地质体的预报具有明显的效果。近年来，施工隧道中采用全断面隧道硬岩掘进机(简称TBM)机械施工的比例越来越高，全断面隧道硬岩掘进机是利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械。在使用TBM掘进时，一个较为突出的问题就是TBM机械对地质条件变化的适应性较差，当遭遇断层、破碎带、岩性交界面、含水构造等不良地质情况时，往往造成TBM机械被卡、被埋甚至机械报废的严重事故。为了降低TBM施工中遭遇上述事故的风险，最为有效的解决方法就是采用地质超前预报技术提前探明掌子面前方不良地质情况，并根据前方的地质情况预先制定合理的处置措施和施工预案。就目前TBM施工隧道中的地质超前预报技术而言，主要有以下两种方法：1、利用TBM机械配备的超前钻机进行水平钻探，这种钻机只能揭露钻孔周围的地质情况，对于不与钻孔相交的地质体无法探明，不能反映TBM工作面前方整个范围的地质情况，极易遗漏不良地质，造成误报、错报及灾害隐患，且钻孔经济成本和时间成本较高。2、利用德国研发的BEAM(Bore-TunnelingElectricalAheadMonitoring)系统，BEAM是一种一维聚焦类激发极化法，BEAM法的缺点：(1)测试设备安装复杂，测试时间长，严重影响施工进度；(2)BEAM法利用每次测量结果与隧道里程的曲线来推断掘进面前方的含水情况，探测距离小，无法获得TBM工作面前方地质体的三维信息，也无法预报水量。此外，从BEAM法在我国几个隧道的应用情况来看，预报结果不理想，未得到推广，有待进行提高和完善。现阶段已有的隧道等地下工程超前探测激发极化设备均是基于电测深理论的定点源非聚焦型的激发极化设备。非聚焦型的激发极化超前预报设备是将探测侧线布置在隧道边墙或底板上，测线附近的旁侧干扰往往掩盖了隧道开挖面前方的有用信息，对突水灾害源的定位和水量预测的精度低，可信性差，往往导致地质探测结果错误，影响了隧道施工安全。在三维聚焦型激发极化设备的专利技术中存在以下关键难题：(1)屏蔽电极和供电电极需要同时输出同行电流，内部具有调制功能的多路大电流恒流发射机的专利技术是关键难题；(2)三维聚焦型激发极化探测方法在掘进面上需要布置由5个电极以上的供电电极系统，需要研制多通道观测数据自动化采集装置及多通道智能机接收机；(3)该设备需要测量观测电极阵列的大量数据，采集过程中需要不断地切换电源，同时大电流的切换是一个亟待解决的难题，需要研制自动转换器。(4)该设备需要具备多元激发极化信息综合采集的功能，包括屏蔽电极、供电电极、视电阻率、接地电阻、视极化率，频率效应百分比(简称PFE)等。可见，现在迫切需要设计一种装置解决上述问题。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的不足，本专利技术提供一种基于激发极化法的TBM施工隧道前向三维多电极在线探测系统。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于激发极化法的TBM施工隧道聚焦型前向三维多电极在线探测系统，该系统包括电极组、电极箱、信号发射机、驱动控制器、信号接收机以及地质信息显示终端；电极组包括多个电极，该多个电极呈规则排列设置在TBM掌子面，且与电极箱连接，电极箱通过导电滑环与控制器连接；驱动控制器用于对信号发射机进行驱动，信号发射机通过导电滑环与电极箱连接，信号发射机与导电滑环之间还设有电流模式选择开关，电流模式选择开关在驱动控制器的控制下，选择不同的电流模式，并通过导电滑环控制电极箱选择不同的电极模式，不同的电极模式控制电极组中不同的导电电极分布；信号接收机与导电滑环相连接，并通过通讯接口将电极组反馈的数据传入地质信息显示终端中进行数据处理，并根据处理结果生成控制信息，以控制驱动控制器。本专利技术所述的系统中，所述导电滑环设置在TBM掌子面与护盾之间。本专利技术所述的系统中，所述掌子面的刀头刀座部分的固定结构经过绝缘处理。本专利技术所述的系统中，所述地质信息显示终端进行数据处理后，形成一维、二维以及三维界面并显示。本专利技术所述的系统中，所述通讯接口为RS485通讯接口。本专利技术所述的系统中，所述导电滑环包括多个滑环，每个滑环对应一种电流模式。本专利技术所述的系统中，不同的导电电极分布包括直线电极分布、等距圆形电极分布以及非等距圆形电极分布。本专利技术所述的系统中，该系统还包括屏蔽电极，设置在护盾上，与信号发射机或者导电滑环连接，且屏蔽电极与电极组中的电极等电压。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术的电极箱采用了多电极、多分布式的格局，打破了以往探测过程中单电极、单分布的格局。依托TBM本身刀头位置的分布，设置不同的电极模式，每种电极模式对应一种掌子面上导电电极的分布，从而通过不同的电极分布进行数据探测，再将不同电极分布测量的数据与当前实际地质情况进行对比，采用最优的电极分布进行在线监测，以满足实际需求。进一步地，采用导电滑环解决了TBM内掌子面上所连接的电缆线交缠在一起的问题，极大地提高了地质超前预报的工作效率，节约了时间成本和经济成本。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1为本专利技术实施例基于激发极化法的TBM施工隧道前向三维多电极在线探测系统的结构示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激发极化法的TBM施工隧道聚焦型前向三维多电极在线探测系统，其特征在于，该系统包括电极组、电极箱、信号发射机、驱动控制器、信号接收机以及地质信息显示终端；电极组包括多个电极，该多个电极呈规则排列设置在TBM掌子面，且与电极箱连接，电极箱通过导电滑环与控制器连接；驱动控制器用于对信号发射机进行驱动，信号发射机通过导电滑环与电极箱连接，信号发射机与导电滑环之间还设有电流模式选择开关，电流模式选择开关在驱动控制器的控制下，选择不同的电流模式，并通过导电滑环控制电极箱选择不同的电极模式，不同的电极模式控制电极组中不同的导电电极分布；信号接收机与导电滑环相连接，并通过通讯接口将电极组反馈的数据传入地质信息显示终端中进行数据处理，并根据处理结果生成控制信息，以控制驱动控制器。

【技术特征摘要】
1.一种基于激发极化法的TBM施工隧道聚焦型前向三维多电极在线探测系统，其特征在于，该系统包括电极组、电极箱、信号发射机、驱动控制器、信号接收机以及地质信息显示终端；
电极组包括多个电极，该多个电极呈规则排列设置在TBM掌子面，且与电极箱连接，电极箱通过导电滑环与控制器连接；
驱动控制器用于对信号发射机进行驱动，信号发射机通过导电滑环与电极箱连接，信号发射机与导电滑环之间还设有电流模式选择开关，电流模式选择开关在驱动控制器的控制下，选择不同的电流模式，并通过导电滑环控制电极箱选择不同的电极模式，不同的电极模式控制电极组中不同的导电电极分布；
信号接收机与导电滑环相连接，并通过通讯接口将电极组反馈的数据传入地质信息显示终端中进行数据处理，并根据处理结果生成控制信息，以控制驱动控制器。
2.根据权利要求1所述的系统，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李自成，剪浩杰，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42