基于激發極化法的tbm施工隧道聚焦型前向三維多電極在線探測系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及TBM全斷面隧道掘進機的在線探測領域，尤其涉及一種基于激發極化法的TBM施工隧道聚焦型前向三維多電極在線探測系統。
【背景技術】
[0002]目前，我國已經成為世界上隧道數量最多，建設規模最大，發展速度最快的的國家。隨著我國基礎設施建設進程的加快，在交通、水利水電及礦產資源開發等領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害最嚴重的國家之一，突水突泥災害所造成的人員傷亡和經濟損失在各類隧道等地下工程地質災害中居于前列，往往造成重大的人員傷亡，嚴重的經濟損失和環境破壞。隧道建設中不良地質體超前預報是保證安全施工的重要環節，是國內外工程地質和隧道工程界十分關注而沒有得到很好解決的難題。
[0003]激發極化法作為一種重要的電法勘探方法，以其獨特的優點(經濟、無損、快速及信息豐富等)廣泛應用于資源勘探和工程勘探中。激發極化法是通過接收和分析各種異常體的激發極化效應來達到探測預報的目的。它有對隧道不良水體反應靈敏的特點，可用來預報工作面前方突水異常體情況，尤其可以預報隧道前方涌水量的情況。在隧道及地下坑道的超前地質預報中，激發極化法對隧道水體不良地質體的預報具有明顯的效果。
[0004]近年來，施工隧道中采用全斷面隧道硬巖掘進機(簡稱TBM)機械施工的比例越來越高，全斷面隧道硬巖掘進機是利用回轉刀具開挖，同時破碎洞內圍巖及掘進，形成整個隧道斷面的一種新型、先進的隧道施工機械。在使用TBM掘進時，一個較為突出的問題就是TBM機械對地質條件變化的適應性較差，當遭遇斷層、破碎帶、巖性交界面、含水構造等不良地質情況時，往往造成TBM機械被卡、被埋甚至機械報廢的嚴重事故。為了降低TBM施工中遭遇上述事故的風險，最為有效的解決方法就是采用地質超前預報技術提前探明掌子面前方不良地質情況，并根據前方的地質情況預先制定合理的處置措施和施工預案。
[0005]就目前TBM施工隧道中的地質超前預報技術而言，主要有以下兩種方法:1、利用TBM機械配備的超前鉆機進行水平鉆探，這種鉆機只能揭露鉆孔周圍的地質情況，對于不與鉆孔相交的地質體無法探明，不能反映TBM工作面前方整個范圍的地質情況，極易遺漏不良地質，造成誤報、錯報及災害隱患，且鉆孔經濟成本和時間成本較高。2、利用德國研發的BEAM(Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring)系統，BEAM是一種一維聚焦類激發極化法，BEAM法的缺點:(I)測試設備安裝復雜，測試時間長，嚴重影響施工進度；(2)BEAM法利用每次測量結果與隧道里程的曲線來推斷掘進面前方的含水情況，探測距離小，無法獲得TBM工作面前方地質體的三維信息，也無法預報水量。此外，從BEAM法在我國幾個隧道的應用情況來看，預報結果不理想，未得到推廣，有待進行提高和完善。
[0006]現階段已有的隧道等地下工程超前探測激發極化設備均是基于電測深理論的定點源非聚焦型的激發極化設備。非聚焦型的激發極化超前預報設備是將探測側線布置在隧道邊墻或底板上，測線附近的旁側干擾往往掩蓋了隧道開挖面前方的有用信息，對突水災害源的定位和水量預測的精度低，可信性差，往往導致地質探測結果錯誤，影響了隧道施工安全。
[0007]在三維聚焦型激發極化設備的發明中存在以下關鍵難題:(I)屏蔽電極和供電電極需要同時輸出同行電流，內部具有調制功能的多路大電流恒流發射機的發明是關鍵難題；(2)三維聚焦型激發極化探測方法在掘進面上需要布置由5個電極以上的供電電極系統，需要研制多通道觀測數據自動化采集裝置及多通道智能機接收機；(3)該設備需要測量觀測電極陣列的大量數據，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，需要研制自動轉換器。(4)該設備需要具備多元激發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，頻率效應百分比(簡稱PFE)等。可見，現在迫切需要設計一種裝置解決上述問題。
【發明內容】
[0008]為了解決現有技術存在的不足，本發明提供一種基于激發極化法的TBM施工隧道前向三維多電極在線探測系統。
[0009 ]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0010]提供一種基于激發極化法的TBM施工隧道聚焦型前向三維多電極在線探測系統，該系統包括電極組、電極箱、信號發射機、驅動控制器、信號接收機以及地質信息顯示終端；
[0011]電極組包括多個電極，該多個電極呈規則排列設置在TBM掌子面，且與電極箱連接，電極箱通過導電滑環與控制器連接；
[0012]驅動控制器用于對信號發射機進行驅動，信號發射機通過導電滑環與電極箱連接，信號發射機與導電滑環之間還設有電流模式選擇開關，電流模式選擇開關在驅動控制器的控制下，選擇不同的電流模式，并通過導電滑環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電電極分布；
[0013]信號接收機與導電滑環相連接，并通過通訊接口將電極組反饋的數據傳入地質信息顯示終端中進行數據處理，并根據處理結果生成控制信息，以控制驅動控制器。
[0014]本發明所述的系統中，所述導電滑環設置在TBM掌子面與護盾之間。
[0015]本發明所述的系統中，所述掌子面的刀頭刀座部分的固定結構經過絕緣處理。
[0016]本發明所述的系統中，所述地質信息顯示終端進行數據處理后，形成一維、二維以及三維界面并顯示。
[0017]本發明所述的系統中，所述通訊接口為RS485通訊接口。
[0018]本發明所述的系統中，所述導電滑環包括多個滑環，每個滑環對應一種電流模式。
[0019]本發明所述的系統中，不同的導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]本發明所述的系統中，該系統還包括屏蔽電極，設置在護盾上，與信號發射機或者導電滑環連接，且屏蔽電極與電極組中的電極等電壓。
[0021]本發明產生的有益效果是:本發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，設置不同的電極模式，每種電極模式對應一種掌子面上導電電極的分布，從而通過不同的電極分布進行數據探測，再將不同電極分布測量的數據與當前實際地質情況進行對比，采用最優的電極分布進行在線監測，以滿足實際需求。
[0022]進一步地，采用導電滑環解決了TBM內掌子面上所連接的電纜線交纏在一起的問題，極大地提高了地質超前預報的工作效率，節約了時間成本和經濟成本。
【附圖說明】
[0023]下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中:
[0024]圖1為本發明實施例基于激發極化法的TBM施工隧道前向三維多電極在線探測系統的結構示意圖；
[0025]圖2為本發明實施例基于激發極化法的TBM施工隧道前向三維多電極在線探測系統的組裝結構示意圖；
[0026]圖3為本發明實施例TBM掌子面前方的電極模式分布圖；
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