隧道掘进机机载电阻率超前探测实时采集电极系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种隧道掘进机机载电阻率法超前探测实时采集电极系统及方法，包括可变方向电极机构、弹性伸缩装置和变阻定位机构，可变方向电极机构包括接触电极件和变向传动件，接触电极件通过变向传动件绕其中心轴自由转动，将与岩面接触的滑动摩擦转化为滚动摩擦；弹性伸缩装置，保证电极的缩进与弹出；变阻定位机构包括滑动变阻器，以极坐标系为坐标轴进行定位，以刀盘中心为极坐标系的圆心，通过检测滑动变阻器的阻值的变化，确定刀盘所在的不同位置，以推算跟踪电极的位置。本发明专利技术可以有效实现刀盘掘进过程中进行探测。

Real time acquisition electrode system and method for airborne resistivity advanced detection of tunnel boring machine

The invention discloses an airborne TBM resistivity method in advanced detection real-time collection electrode system and method, including variable direction electrode mechanism, elastic expansion device and variable resistance positioning mechanism, variable direction mechanism includes a contact electrode and the electrode to the transmission parts, contact pole piece through the change to drive around the center axis the rotation, will be in contact with the rock surface sliding friction into rolling friction; elastic expansion device, and ensure indent ejecting electrode; variable resistance positioning mechanism comprises a sliding rheostat, positioning in the polar coordinate system for the axis center with the cutter for polar coordinates of the center, by detecting changes in the resistance value of the sliding rheostat. To determine the different location of the cutter head, to calculate the tracking electrode position. The invention can effectively detect the driving process of the cutterhead.

【技术实现步骤摘要】
隧道掘进机机载电阻率超前探测实时采集电极系统与方法
本专利技术涉及一种隧道掘进机机载电阻率法超前探测实时采集电极系统与方法。
技术介绍
二十一世纪我国经济社会的迅速发展，推动着科学技术的突飞猛进。近年来，隧道工程建设取得了丰硕成果。其中隧道掘进机作为一种具有开挖速度快、施工安全性高、对地表扰动小、劳动力成本低、机械自动化程度高等诸多优势的隧道施工掘进装备被广泛应用于国内外各大隧道建设中，极大的提高了隧道施工机械化、自动化水平。然而，由于掘进前方地质体不确定性，在隧道掘进机向前掘进的过程中往往会因为溶洞、导水通道、地下暗河、断层、破碎带等不良地质情况引发突水、突泥、卡机、塌方等事故，一旦事故发生，经济损失和人员伤亡难以避免。针对地下“黑箱”问题，采用超前地质预报手段提前探明不良地质体十分必要。隧道掘进机三维电阻率法超前地质预报技术是一种适用于隧道掘进机的超前地质预报方法。此种超前预报方法的具体实施方法为：在刀盘表面安装测量电极，四周安装屏蔽电极，并通过电缆将电极与主控室连接，电极与前方和周边围岩接触，采用聚焦扫描模式依次采集数据；在掌子面前方激建立激发电场，地质体中的含水体会产生二次极化电场，激发电场关闭后，通过测量极化电场的衰减时间和视电阻率来判断含水体的位置与水量，从而实现一种与以隧道掘进机为核心的掘进方法相适应的超前地质预报方法。目前此种方法仅适用于处于停机状态的隧道掘进机，可以利用隧道掘进机常规维护的时间进行探测，充分利用了空余时间，提高了掘进效率。但是这种探测方式仍存在一些问题。在隧道掘进机停机维护时进行探测，探测到的是有限的距离，当隧道掘进机掘进至该长度时就必须停机，因为探测到的部分已经通过，前方又是一片未知的地质体，必须等待再次探测之后才能重新开始掘进，这样就导致掘进效率的降低，如果能够实现隧道掘进机掘进过程中实时采集数据就能避免上述问题，可提高探测效率和探测覆盖里程。然而如要实现掘进过程实时探测过程，隧道掘进机刀盘搭载的探测电极面临很多困难。一方面，由于掌子面岩石可能破碎、粗糙度较大，刀盘在旋转掘进过程中会与此类岩面直接接触，同时现有电极装置为固定电极，不具备滚动能力。在刀盘旋转时，电极会与岩面产生滑动摩擦，导致电极头的磨损与毁坏，难以应用。另一方面，电极伸出时往往会遇到会凹凸不平的岩面，由于目前电极仍为液压油缸控制伸缩，整体处于刚性不可随意伸缩设计，在面对此类岩面时很难随时回弹进刀盘，这种情况会严重影响勘探效果。例如，若电极经过岩面的凸起，突出的岩石会损坏电极，甚至有可能折断电极；若经过岩面的凹陷部位，则电极与岩面无法实现良好接触，影响探测效果。再者，三维电阻率反演方法要求了在电极实时采集过程中，需要对应每组观测数据对应的采集电极位置，才能够获知监测岩面所采集数据的具体位置以及该位置的地质体数据信息，实现有效可用的监测和预报。由于刀盘在掘进过程中一直处于转动状态，因此在电极工作时难以实时定位电极位置，会导致采集数据的位置坐标无法精确定位，从而不能直观、准确地认识前方掌子面的地质状况。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种隧道掘进机机载电阻率法超前探测实时采集电极系统与方法，本专利技术能够适应地下复杂地质情况，减少电极头的磨损破坏，同时可以提高电极对复杂地质岩面的适应性，提高探测精度，而且能够对电极实时定位，保证测量数据的准确性，为数据处理提供重要依据。该技术通过可变方向电极设备，解决掌子面岩石粗糙度大导致电极容易过度磨损的问题；通过弹性伸缩装置，解决电极对凹凸不平岩面适应性差的问题；通过变阻定位设备，解决电极的实时定位问题，可以有效实现刀盘掘进过程中进行探测为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种隧道掘进机机载电阻率法超前探测实时采集电极系统，包括可变方向电极机构、弹性伸缩装置和变阻定位机构，其中：所述可变方向电极机构包括接触电极件和变向传动件，所述接触电极件接触电极，在掘进过程中与岩面直接接触，以激发电场，接触电极件通过变向传动件绕其中心轴自由转动，将与岩面接触的滑动摩擦转化为滚动摩擦；所述弹性伸缩装置，包括动力收缩部件和弹力推进部件，弹力推进部件组装于电极后方，与刀盘内部紧密连接，动力收缩部件设置与电极边缘，对电极的缩进施加力，以克服弹力推进部件施加的弹力；所述变阻定位机构包括滑动变阻器，以极坐标系为坐标轴进行定位，以刀盘中心为极坐标系的圆心，通过检测滑动变阻器的阻值的变化，确定刀盘所在的不同位置，以推算跟踪电极的位置。所述变向传动件包括轮架、轮轴旋转轴承和轮式端头，所述轮架的一端设置于接触电极件尾端，另一端通过轮轴旋转轴承连接于轮式端头中心轴处，使得电极杆绕轮式端头中心轴自由旋转。变向传动件起到使接触电极装置可以受控制的自由旋转，以适应刀盘的旋转。所述接触电极件通过变向传动件的轮架、轮轴旋转轴承，将探测信息以电流形式传播至电极杆。优选的，所述接触电极件的材料选用钨铜合金，钨铜合金具有较好的导电性和一定的耐磨性，另外也有较高的高温强度和一定的塑性，高温强度可以避免摩擦产生的热量对机构产生损害，塑性可以保证电极与岩面的良好接触。接触电极件将现有的橡胶电极接触端部改用轮式结构，以滚动摩擦代替滑动摩擦，允许轮式端头在岩面平面内水平360度旋转，极大的减小了电极与岩面的摩擦。进一步的，所述可变方向电极机构还包括固定保护装置，固定保护装置包括承力板和弹性垫片，所述承力板设置于电极杆末端与变向传动件的连接处，所述弹性垫片设置于弹性垫片上。所述固定保护装置的承力板起到增加荷载力的作用，所述弹性垫片增加了掘进过程中可变方向电极机构的抗震性，对电极有加固保护作用。优选的，所述动力收缩部件为液压收缩装置，包含两个液压缸，对称分布于电极杆两侧，于电极杆进行连接，起到为电极的收回提供力的作用。优选的，所述弹力推进部件为弹簧，弹簧固定在电极杆的后方，与电极杆尾部相连，另一端与刀盘进行紧密连接。当然，本领域技术人员在本专利技术的工作原理的启示下，将动力收缩部件进行更改，如变化为电力源或其他形式，或将弹力推进部件替换其他弹性件或能够实现伸缩的装置，均属于不需要付出创造性的劳动，理应属于本专利技术的保护范围。所述变阻定位机构包括环形变阻装置、控制电路装置和信号处理与传输装置，利用电流表监控回路内电流，以监控环形变阻装置的阻值，达到对电极位置的实时监测，变阻定位机构安装于刀盘背面板内侧。进一步的，所述环形变阻装置由一个环形滑动变阻器组成，环绕在刀盘中心点周围，安装于刀盘背面板内侧，电极杆通过划片与环形变阻装置刚性连接，构成滑动变阻器。环形变阻装置可以不是一个整环，以避免测量中可能出现的阻值不唯一情况的发生，为整套机构提供检测的物质基础。进一步的，所述控制电路装置包括供电机构、电流检测装置和导线，导线分为活动导线与固定导线两种，连接电极与环形变阻装置的导线为活动导线，随着刀盘与电极的旋转而旋转，将环形变阻装置、供电机构和电流检测装置连接的导线属于固定导线。在电极旋转运动的路径上设置一与路径相同的环形导线，用于构成闭合回路。所述信号处理与传输装置包括传输电缆和信号处理器，传输电缆连接电流检测装置与信号处理器，信号处理器将返回的电流信息转化为电阻信息。优选的，信号处理器置于主控室内。基于上述装置的工作方法，可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种隧道掘进机机载电阻率法超前探测实时采集电极系统，其特征是：包括可变方向电极机构、弹性伸缩装置和变阻定位机构，其中：所述可变方向电极机构包括接触电极件和变向传动件，所述接触电极件接触电极，在掘进过程中与岩面直接接触，以激发电场，接触电极件通过变向传动件绕其中心轴自由转动，将与岩面接触的滑动摩擦转化为滚动摩擦；所述弹性伸缩装置，包括动力收缩部件和弹力推进部件，弹力推进部件组装于电极后方，与刀盘内部紧密连接，动力收缩部件设置与电极边缘，对电极的缩进施加力，以克服弹力推进部件施加的弹力；所述变阻定位机构包括滑动变阻器，以极坐标系为坐标轴进行定位，以刀盘中心为极坐标系的圆心，通过检测滑动变阻器的阻值的变化，确定刀盘所在的不同位置，以推算跟踪电极的位置。

【技术特征摘要】
1.一种隧道掘进机机载电阻率法超前探测实时采集电极系统，其特征是：包括可变方向电极机构、弹性伸缩装置和变阻定位机构，其中：所述可变方向电极机构包括接触电极件和变向传动件，所述接触电极件接触电极，在掘进过程中与岩面直接接触，以激发电场，接触电极件通过变向传动件绕其中心轴自由转动，将与岩面接触的滑动摩擦转化为滚动摩擦；所述弹性伸缩装置，包括动力收缩部件和弹力推进部件，弹力推进部件组装于电极后方，与刀盘内部紧密连接，动力收缩部件设置与电极边缘，对电极的缩进施加力，以克服弹力推进部件施加的弹力；所述变阻定位机构包括滑动变阻器，以极坐标系为坐标轴进行定位，以刀盘中心为极坐标系的圆心，通过检测滑动变阻器的阻值的变化，确定刀盘所在的不同位置，以推算跟踪电极的位置。2.如权利要求1所述的一种隧道掘进机机载电阻率法超前探测实时采集电极系统，其特征是：所述变向传动件包括轮架、轮轴旋转轴承和轮式端头，所述轮架的一端设置于接触电极件尾端，另一端通过轮轴旋转轴承连接于轮式端头中心轴处，使得电极杆绕轮式端头中心轴自由旋转。3.如权利要求1所述的一种隧道掘进机机载电阻率法超前探测实时采集电极系统，其特征是：所述接触电极件通过变向传动件的轮架、轮轴旋转轴承，将探测信息以电流形式传播至电极杆；或所述接触电极件的材料选用钨铜合金。4.如权利要求1所述的一种隧道掘进机机载电阻率法超前探测实时采集电极系统，其特征是：所述可变方向电极机构还包括固定保护装置，固定保护装置包括承力板和弹性垫片，所述承力板设置于电极杆末端与变向传动件的连接处，所述弹性垫片设置于弹性垫片上。5.如权利要求1所述的一种隧道掘进机机载电阻率法超前探测实时采集电极系统，其特征是：所述动力收缩部件为液压收缩装置，包含两个液压缸，对称分布于电极杆两侧，于电极杆进行连接，起到为电极的收回提供力的作用。6.如权利要求1所述的一种隧道掘进机机载电阻...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂利超，张永恒，李术才，郭谦，刘斌，高博洋，王秀凯，张诺亚，葛尚奇，梅宇，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37