適用于tbm的便攜式電阻率法超前預報系統及其方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及TBM復雜施工環境下前向三維電阻率法超前預報領域，特別涉及一種適用于TBM的便攜式電阻率法超前預報系統及其方法。
【背景技術】
[0002]全斷面隧道掘進機(TBM)是一種集成式隧道施工裝備。我國作為世界公認的隧道建筑規模和修建難度最大的國家于未來20年內規劃建設引水隧道數百條，公路鐵路隧道2000公里，其中絕大部分工程將采用TBM施工。而在TBM掘進過程中，穿越線路間中或出現的巖溶和富水地層，斷層破碎帶，軟硬巖交替，溶洞暗河等情況往往誘發突水突泥、隧道塌方、卡機埋機等TBM施工安全事故，輕者延誤工期，重者機毀人亡。故而，在施工過程中對于掌子面前方不良地質體位置、形態、賦水情況的超前探測，對于此類事故的防控預警尤為重要。
[0003]然而，與鉆爆法隧道不同，TBM施工隧道的超前地質預報環境極為惡劣，主要存在以下問題:
[0004]1、空間上，近掌子面處可用探測空間全部被TBM刀盤占據，難以在不對TBM主體進行實質改造，不影響刀盤掘進功能的基礎上搭載超前預報設備；
[0005]2、時間上，TBM施工隧道往往施工難度大，任務重，工期緊，一方面要保證探測時間短，可在立拱、噴漿、換步維保間隙完成，另一方面要實現探測時間靈活，準備工作簡易，工程需要時實現即停即探，靈活實用；
[0006]3、原理上，TBM作為一個巨大金屬體占據隧道空間，電磁場干擾巨大，導致地質雷達法、瞬變電磁法等基于電磁原理的超前地質預報技術探測效果極不理想。
[0007]故而，目前世界范圍內僅有德國的BEAM(Bore-Tunnelling Electrical AheadMonitoring)系統與 ISIS (Integrated Seismic Imaging System)系統兩種 TBM 適用的超前地質預報技術。其中，BEAM系統僅是一和二維探測，定位依靠正演經驗，探測距離短，測點布置有限，觀測方式單一，定位精度差，無法進行不良地質體的三維形態刻畫，對刀盤、滾刀需進行一定程度改造；ISIS系統全世界僅裝備了 5臺TBM且探測效果無公開報道，尚未成功推廣。總體上目前國內外可用的超前探測系統需對TBM進行極大改造，占據刀盤盤面過大，影響滾刀排布與刀盤剛度進而影響TBM基本功能，且部分方案整個液壓系統與自控裝置要求遠非目前TBM裝備制造業能力之所及。
[0008]可見，目前在TBM隧道施工中亟需一種靈活、便捷、實用的不良地質災害超前預報裝置和方法。
【發明內容】
[0009]本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種適用于TBM的便攜式電阻率法超前預報系統及其方法，本發明的系統體積小巧，采用多路并行采集，單人可實現操作，探測全過程完成時間短，實現了在施工間隙進行，不影響正常施工；連接護盾供電作為屏蔽，實現電場的前向聚焦與后向屏蔽，摒除TBM電磁干擾，提高探距；利用地質體電阻率差異實現了斷層破碎帶、軟硬分層地層、含水溶洞、地下暗河等不良地質體的探測。
[0010]為了達成上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0011]適用于TBM的便攜式電阻率法超前預報系統，包括若干不極化電極、終端控制箱和電極線纜系；所述若干不極化電極與所述終端控制箱電連接，所述終端控制箱與所述電極線纜系電連接；所述不極化電極被設置成可以從TBM刀盤滾刀孔處伸出并與掌子面接觸以探測前方地質信號；所述終端控制箱接收所述不極化電極采集的信號，并根據其對前方地質體進行預測；通過所述電極線纜減小和/或消除圍巖體、護盾與所述終端控制箱之間的電位差。
[0012]通過將帶有耦合電極的桿件裝置從刀盤滾刀邊沿既有空隙伸出繼而與掌子面接觸最為供電與測量電極的方式實現了在TBM零改造的基礎上進行電阻率法前向地質預報，探測用刀口可根據地質條件所適應的排布方式靈活掌握；整個系統體積小巧，采用多路并行采集，單人可實現操作，探測全過程完成時間短，實現了在施工間隙進行，不影響正常施工。該方法利用地質體電阻率差異實現了斷層破碎帶、軟硬分層地層、含水溶洞、地下暗河等不良地質體的探測。
[0013]所述不極化耦合電極由機玻璃制中空圓柱狀電極筒與前端橡膠套管組成。前端橡膠套管由導電布封裝泥狀導電介質，泥狀導電介質由膨潤土、氯化鈉、石墨粉、水按3:2:1:1調和而成，套管及其內部封裝的導電介質整體為柔性，當擠壓于掌子面時該柔性結構可隨凹凸不平的掌子面形態變形，從而與掌子面良好耦合。電極筒前端為打有多個小圓孔的有機玻璃蓋板，中部空腔內裝盛硫酸銅溶液，所存硫酸銅溶液可經由蓋板圓孔不斷滲入套管內導電介質，保持柔性橡膠套管前段濕潤，降低接地電阻。電極筒內自底部向上固定有螺旋狀銅絲，銅絲浸潤于硫酸銅溶液內，通過硫酸銅溶液與銅絲間的離子交換導電從而減小了極化電位差，滿足了激發極化效應探測要求，銅絲于筒底出露連接外接線纜。電極筒底部設有卡槽用以與磁性支撐桿件設備聯接。
[0014]所述不極化電極的后端連接支撐桿件，所述不極化電極的外接線纜穿過所述支撐桿件與所述終端控制箱連接。
[0015]所述支撐桿件的桿體上設有用以固定于TBM刀盤滾刀孔壁上的強磁吸附面，以及控制吸附面工作的磁路通斷旋鈕，強磁吸附面為一梯臺狀磁鐵裝置，上表面與桿體末端嵌套，下表面用以吸附刀盤滾刀孔壁，磁路通短旋鈕用以控制吸附面磁力開關，為常規磁路控制技術。
[0016]所述支撐桿件使用完畢后收放至電極設備箱中，所述電極設備箱內設有與所述支撐桿件一一對應的用于存放所述支撐桿件的若干桿槽，所述電極設備箱的表面設有多針接頭，所述多針接頭的各針與若干所述不極化電極一一對應連接。
[0017]連接護盾供電極作為屏蔽，實現電場的前向聚焦與后向屏蔽，摒除TBM電磁干擾，提尚探距。
[0018]所述電極線纜系包括屏蔽電極線纜和遠端電極線纜，所述屏蔽電極線纜的一端與所述終端控制箱連接，另一端與所述護盾連接；所述遠端電極線纜的一端與所述終端控制箱連接，另一端與TBM附近處的所述圍巖體連接；所述遠端電極線纜的遠端電極分為供電電極B和接收電極N。
[0019]所述終端控制箱包括設備主機、采集卡、電極轉換箱和蓄電池組；所述設備主機用于控制供電與采集數據，儲存并顯示采集信號，對所采集的信號進行數據處理，實現對前方地質體的探測。
[0020]所述米集卡為多路獨立米集通道，進行多路并行米集。
[0021]米集卡可進行多路并行米集，提尚探測時間。
[0022]所述采集卡的通道數與所述不極化電極的數目相同。
[0023]適用于TBM的便攜式電阻率法超前預報方法，包括以下步驟:
[0024]步驟1:進行探測前置工作，通過供電控制實現電場的前向聚焦與后向屏蔽，摒除TBM電磁干擾；
[0025]步驟2:利用穿過TBM刀盤滾刀孔與掌子面接觸的若干不極化電極采集前方地質體相關信號，終端控制箱中的主機接收所述信號并進行超前探測。
[0026]所述不極化電極根據需要選擇合適的所述刀盤滾刀孔進行布置。
[0027]將所述不極化電極與所述掌子面的接觸面調整至接觸良好后，將所述支撐桿件上的強磁吸附面對向滾刀孔壁，旋開磁路旋鈕將所述支撐桿件進行固定。
[0028]所述主機對前方地質體進行三維激發極化超前預報。
[0029]本發明的有益效果是:
[0030]1)本發明提出的TBM適用的便攜式三維電阻率法超前預報系統及其方法，適應了TBM超前預報的復雜環境。探測即時求取正演曲線及時指導掘進工作；反演對掘進工作面前方30m內可能出現的不良地質體進行三維定位和形態刻畫，全方位保證TBM健康高效掘進，對TBM隧道施工起到防控預警的關鍵作用。
[0031]2)本發明提出的TBM適用的三維電阻率法超前預報系統操作簡單方便，其中電極設備箱與終端控制箱體積小巧，使用靈活，只需一名工作人員即