一種盾構搭載的非接觸式頻域電法實時超前探測系統與方法
【專利摘要】本發明公開了一種盾構搭載的非接觸式頻域電法實時超前探測系統與方法，本發明在盾構機刀盤上安裝非接觸式電極，利用電容耦合發射和接收電流，通過多路回轉接頭連接到主機，對測量數據實時反演和解釋，并將預報結果傳輸到盾構機控制系統中，為盾構機的安全施工提供技術支撐；在盾構刀盤上安裝非接觸式電極，避免了傳統接觸電極耦合困難的問題；同時不需要盾構停機在盾構掘進過程中可實現掌子面前方地質的實時超前探測，滿足盾構施工的快速化的需求，大大提高了盾構機超前地質探測的效率，僅在刀盤上安裝電極系可有效避免后方金屬物的干擾，提高對前方的超前探測能力，更為重要的是克服了刀盤與掌子面空間極為狹小的問題。
【專利說明】
一種盾構搭載的非接觸式頻域電法實時超前探測系統與方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種盾構搭載的非接觸式頻域電法實時超前探測系統與方法。
【背景技術】
[0002]目前，世界上約40多個國家已經開通了城市地鐵線路，發達國家均擁有高度發達的城市地鐵設施。地鐵在許多城市交通中已擔負起主要的乘客運輸任務，諸如莫斯科、紐約、北京等城市的居民生活已經離不開地鐵。由于軌道交通的優勢和便利，越來越多的國家和城市開始發展自己的軌道交通。隨著世界范圍內軌道交通的迅速發展，各國在軌道交通領域將修建越來越多的隧道工程。盾構施工方法相比傳統的明挖法、淺埋暗挖法等隧道施工工法，具有“掘進速度快、生產效率高、施工環境文明、技術經濟優越性好”等優點，目前國際上越來越多的地鐵隧道工程采用盾構施工工法進行修建，而土壓平衡盾構是盾構施工中較為常見的一種盾構型式。
[0003]土壓平衡盾構施工屬于全斷面隧道掘進機施工，主要用于城市地下軟土地層施工，由于埋深較淺、地質單元變化劇烈，不良地質情況更為復雜。同時城市地面建筑物密集，地面勘察難以全面查清沿線的不良地質情況。在開挖過程中一旦遇到富水流砂層、含水溶蝕腔體、孤石等不良地質體，經常導致塌方、突涌水、地表沉降等工程事故，輕則造成盾構機械損毀，延遲工期，重則造成地層塌陷，導致重大安全事故。提前探明不良地質體的位置、規模等信息可有效避免施工災害的發生。因此在土壓平衡盾構搭載超前預報系統并開展全程實時超前探測是十分必要的。然而盾構施工隧道整個空間被盾構機這一龐然大物所占據，未有地球物理探測可用的探測空間，同時盾構機械施工震動、龐大金屬體、配套機電設備等對電場、波場等地球物理場形成嚴重的干擾，導致鉆爆法常用的地震波法、電磁法等地球物理探測方法無法適用。頻域電法對水體響應敏感，且聚焦電法具有屏蔽后方干擾的特性，用于盾構施工隧道復雜環境中具有優勢。BEAM法是德國研發的一種隧道掘進機超前探測技術，是利用護盾與刀具作為供電電極與測量電極進行實時探測的，然而刀盤上被選作電極的刀具與掌子面是接觸導電的，存在接地電阻較大的問題。同時BEAM的定位過多的依靠經驗，定位精度較差，無法三維成像。
[0004]因此，將電法勘探裝置搭載在盾構機上仍然面臨著很多問題，其主要問題如下:
[0005](I)由于盾構機施工環境中由于要保持掌子面土壓平衡，土壓平衡盾構刀盤時刻與掌子面土體緊貼且不可回收，刀盤前方未有可用的探測空間，適用于盾構刀盤前方可用的觀測模式或方法是需要解決的首要問題；
[0006](2)由于一般的電法探測均采用接觸式電極，與掌子面進行接觸耦合。刀盤前方外露的電極和推進裝置容易受到掘進施工的影響容易損壞，在刀盤旋轉下接觸電極是難以工作的，因此刀盤旋轉模式下如何采用非接觸電極實現實時超前探測是一個重要問題。另外，為實現盾構實時探測，旋轉接線裝置以及電極定位裝置也是需要解決的問題。
[0007](3)由于采用非接觸電極，頻域電法探測所需的電流發射與接收儀器也亟待研制，同時為應對盾構快速化施工的需求，如何實現探測系統的實時自動化探測是面臨的一個難題，需具有用于控制電流發射、信號采集、電極定位與快速解譯的系統。
【發明內容】
[0008]本發明為了解決上述問題，提出了一種盾構搭載的非接觸式頻域電法實時超前探測系統與方法，本發明通過在盾構機刀盤上安裝非接觸式電極，利用電容耦合發射和接收電流，通過多路回轉接頭連接到主機，對測量數據實時反演和解釋，并將預報結果傳輸到盾構機控制系統中，為盾構機的安全施工提供技術支撐。
[0009]為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0010]—種盾構搭載的非接觸式頻域電法實時超前探測系統，包括非接觸式電極單元、多路回轉接頭、電極定位單元、供電與測量單元和控制單元，所述非接觸式電極單元，包括多個布設于刀盤前面板上的非接觸式電極，進行陣列式多路信息采集，所述電極定位單元設置于刀盤后面板的中間位置，確定非接觸式電極的旋轉位置，進行實時定位；
[0011]所述多路回轉接頭設置于刀盤后端，將每個非接觸式電極的連接電纜匯聚為多芯電纜，通過供電與測量單元進行多路頻域電流的輸出與信號采集，所述控制單元連接供電與測量單元，根據不同的設定頻域采集非接觸式電極數據與刀盤電極的位置，進而進行三維反演處理與解譯。
[0012]進一步的，所述供電與測量單元還連接有固定電極，在控制單元的控制下進行多頻電流的發射與測量信號的采集，獲取所述非接觸式電極與所述固定電極之間的電勢差。
[0013]所述固定電極設置于盾構機后方，被認為是無窮遠處。
[0014]進一步的，所述非接觸式電極均勻布設于盾構機刀盤前面板上。
[0015]優選的，所述非接觸式電極包括非接觸式供電電極和非接觸式測量電極，所述非接觸式供電電極，布置在刀盤的外側，連接供電與測量單元，實現多路頻域電流的輸出，所述非接觸式測量電極布置在供電電極內側，實現陣列的測量電極采集。
[0016]優選的，所述非接觸式電極包括電極板，所述電極板的表面由金屬氧化膜包裹，所述電極板位于由絕緣耐磨材料構成的框架外殼內，在所述電極板的背面設有電纜固定柱，所述電纜固定柱的周圍設置橡膠塞。
[0017]所述電極板為圓形的金屬銅板，設置金屬氧化膜防止電極安裝后因長時間工作而腐蝕影響性能。同時非接觸式電極由絕緣耐磨材料嵌裝固定在刀盤表面，但金屬銅板不與刀盤直接接觸，金屬銅板背面由電纜固定柱固定連接電纜，固定柱周圍采用致密橡膠塞進行緩震、固定，同時致密橡膠塞也將金屬銅板與刀盤隔絕。
[0018]優選的，所述電極定位單元為旋轉編碼器，所述旋轉編碼器包括光柵式透光碼盤和光電處理電路，所述光電處理電路通過光柵式透光碼盤的角位移、角速度，實現對刀盤旋轉位移的記錄，從而確定非接觸式電極位置，進而實現對刀盤上非接觸式電極的定位工作。
[0019]所述電極定位單元設置在刀盤中間，且電極定位單元的中心為中空結構或留有孔洞，非接觸式電極的連接電纜從中空部分或孔洞部分中間穿過。
[0020]具體的，所述光柵式透光碼盤中心處設有轉軸，所述光柵式透光碼盤的邊緣處均勾分布有透光式光柵，在所述光柵式透光碼盤的一側設有發光器件，發光器件和所述非接觸式電極均隨盾構機的刀盤旋轉，在所述光柵式透光碼盤的另一側設有副光柵和光敏器件;所述發光器件發出的光透過光柵式透光碼盤、副光柵的光柵被所述光敏器件接收。
[0021]優選的，所述發光器件裝設于刀盤背面，隨刀盤轉動，光電處理電路、副光柵不裝設于刀盤上，并不產生旋轉。
[0022]優選的，所述轉軸為中空結構，內部放置所有非接觸式電極的連接電纜。
[0023]優選的，所述連接電纜為單芯電纜。
[0024]進一步的，所述多芯電纜包括多根金屬導線，每根金屬導線外部包括有絕緣層，所有金屬導線的外部包裹有編織層，編織層外包裹有護套。
[0025]優選的，所述金屬導線為銅線。
[0026]由于多芯電纜在盾構內部的鋪設不僅距離長，而且安裝固定的工程環境也非常復雜，因此設計多芯電纜護套、編織層和絕緣層的三層保護更好的保護了電纜在刀盤中不容易被磨損，并在一定程度上減輕了盾構機對銅線交流電的干擾。
[0027]優選的，所述多路回轉接頭，包括轉子和定子，其中，轉子活動連接于定子上，所述轉子上沿其中心圓周分布有若干個通道，通道內布設非接觸式電極的連接電纜，所述定子中心處設有用于承載多芯電纜的電纜通道，所述連接電纜在定子內部通過滑環分別與多芯電纜的金屬導線一一對應。
[0028]優選的，所述供電與測量單元包括多頻供電輸出模塊、多路采集接收模塊和控制模塊，其中，所述控制模塊控制多頻供電輸出模塊、多路采集接收模塊的工作，并連接有顯不豐旲塊。
[0029]所述多頻供電輸出模塊包括正弦波振蕩器和單片機，所述單片機控制正弦波振蕩器輸出相應波形的交流電，向供電電極提供電能，實現多個頻點電流的輸出。
[0030]優選的，所述正弦波振蕩器連接有電路放大器。
[0031]優選的，所述控制模塊還連接有電壓電流測量模塊、過壓過流保護模塊和數據采集豐吳塊。
[0032]優選的，所述多路采集接收模塊具體包括數據采樣模塊、輸入保護模塊、陷波器、整流濾波器和A/D轉換器，其中，輸入保護模塊連接固定電極、非接觸式電極的測量電極，依次通過數據采樣模塊、陷波器、整流濾波器和A/D轉換器，測量得到各個測量電極的電勢，獲取非接觸式電極和固定電極的測量電極之間的電勢差;所述A/D轉換器連接控制模塊。
[0033]所述控制單元包括控制主機和反演模塊，所述控制主機連接控制模塊和多路采集接收模塊，接收非接觸式電極和固定電極的測量電極之間的電勢差，同時接收電極定位單元傳輸的刀盤位置信息，所述控制主機設置采集頻域;所述反演模塊對采集的數據進行反演工作。
[0034]—種盾構機，包括上述的非接觸式頻域電法實時超前探測系統，所述的非接觸式電極安裝在盾構機刀盤的工作面上并隨刀盤旋轉，所述的固定電極在所述盾構機的盾尾處固定布設。
[0035]—種盾構施工隧道非接觸式電法實時超前探測方法，包括以下步驟:
[0036](I)在盾構機刀盤表面設置多個非接觸式測量電極和非接觸式供電電極，在盾構機后方設置固定電極的供電電極和測量電極；
[0037](2)設置電極定位裝置以確定刀盤位置和非接觸式測量電極的空間位置，利用控制主機設置固定頻率的交流電，向各個供電電極進行供電；
[0038](3)采集設定頻域時非接觸式測量電極與固定電極的測量電極的電勢，計算兩者的電勢差，同時確定每個非接觸式電極的空間位置信息，完成測量數據與位置數據的對應；
[0039](4)改變設定頻域，重復步驟(3)，得到不同頻率下的電勢與位置數據；
[0040](5)隨著所述盾構機的刀盤在掌子面的推進，依次選擇不同的工作面進行探測，重復所述步驟(3)和步驟(4)，實現探測數據的實時采集；
[0041](6)對采集的數據進行迭代處理，將所述陣列式非接觸測量電極系測得的電勢差數據進行反演，得到工作面前方三維電阻率圖像分布，進而對掌子面前方的地質情況進行解譯。
[0042]進一步的，所述步驟(I)中，具體方法為:在盾構機的制造過程中在刀盤上安裝非接觸式供電電極和非接觸式測量電極，非接觸式供電電極和非接觸式測量電極分別在刀盤的工作面上呈圓環狀分布，非接觸式供電電極所構成的圓環套置在非接觸式測量電極所構成的圓環的外側，多個非接觸式供電電極的極性相同，多個非接觸式測量電極構成陣列式非接觸測量電極系；同時，將固定供電電極和固定測量電極固定安裝于盾構機的盾尾處。
[0043]優選的，所述步驟(2)中，具體包括:在刀盤的中心線上安裝電極定位裝置，使電極定位裝置的轉動部分設置在刀盤背面，靜止部分裝設于刀盤后方，在刀盤后側安裝回轉接頭，并敷設多芯電纜與單芯電纜，使得單芯電纜一端連接刀盤上的非接觸式電極，所述單芯電纜的另一端穿過電極定位裝置的中空部分與回轉接頭連接。
[0044]所述步驟(2)中，所述多芯電纜連接在所述回轉接頭與供電與測量裝置之間，同時采用單芯電纜分別連接所述固定供電電極和所述固定測量電極到所述供電與測量裝置，控制主機連接所述電極定位裝置和所述供電與測量裝置，完成非接觸式頻域電法實時超前探測系統的連接。
[0045]所述步驟(3)中，具體為:交流電通過所述非接觸式供電電極的電容耦合效應對掌子面圍巖進行供電，圍巖產生電勢使所述陣列式非接觸測量電極系中的非接觸式測量電極產生電流，獲取各個非接觸式測量電極和所述固定測量電極之間的電勢差，與此同時所述電極定位裝置將每個非接觸式電極的空間位置信息傳輸到控制主機，完成測量數據與位置數據的對應。
[0046]本發明的有益效果為:
[0047](I)本發明針對盾構機提出的一種非接觸式電法實時超前地質探測系統，在盾構刀盤上安裝非接觸式電極，避免了傳統接觸電極耦合困難的問題;在不需要盾構停機的前提下，在盾構掘進過程中可實現掌子面前方地質的實時超前探測，滿足盾構施工的快速化的需求，大大提高了盾構機超前地質探測的效率；
[0048](2)本發明在盾構上安裝多個相同極性供電與陣列式測量的非接觸式電極，提出了一種盾構不良地質電法超前探測可用的觀測模式，僅在刀盤上安裝電極系可有效避免后方金屬物的干擾，提高對前方的超前探測能力，更為重要的是克服了刀盤與掌子面空間極為狹小的問題；
[0049](3)本發明提出的探測系統的發射與測量模塊具有多頻發射與多通道采集的功能，可以依次調制不同的頻率進行探測而獲取豐富的數據，同時刀盤旋轉模式下多通道采集可以將測量電極系的信息同時采集，避免因供電電極位置變化帶來的問題；
[0050](4)本發明提出的隨著盾構掘進實時探測的方法，隨著盾構掘進獲取不同里程上的探測數據，可以較好的壓制反演過程中的多解性，提高三維反演的精度，從而提高了盾構復雜環境中超前探測的準確率。
【附圖說明】
[0051]圖1為本發明實施例的探測系統的整體結構示意圖；
[0052]圖2為本發明實施例非接觸式電極的結構示意圖；
[0053]圖3為本發明實施例回轉接頭的結構示意圖；
[0054]圖4為圖3中回轉接頭轉子側的結構示意圖；
[0055]圖5為圖3中回轉接頭定子側的結構示意圖；
[0056]圖6為本發明實施例回轉接頭多線路連接電路圖；
[0057]圖7為本發明實施例多芯電纜的結構示意圖；
[0058]圖8為本發明實施例電極定位裝置的結構示意圖；
[0059]圖9為本發明實施例主機系統的結構原理示意圖；
[0060]圖10為本發明實施例非接觸式電極在刀盤的布置圖；
[0061]圖11為本發明實施例多頻供電輸出裝置的結構原理示意圖；
[0062]圖12為本發明實施例多路采集接收裝置的結構原理示意圖。
[0063]圖中:1_非接觸式電極，2-刀盤，3-土壓平衡盾構土倉內土體，4-土壓平衡盾構土倉外結構，5-電極定位裝置，6-回轉接頭，7-多芯電纜，8-固定電極，9-耐磨絕緣材料，10-金屬氧化膜，11-致密橡膠塞，12-電纜繞線固定柱，13-金屬銅板，14-金屬固定箍，15-轉子側電纜導通口，16-回轉接頭外殼，17-轉子導線，18-轉子固定器，19-定子導線，20-回轉接頭固定螺母，21-定子側電纜導通口，22-護套，23-編織層，24-絕緣層，25-銅線，26-發光器件，27-副光柵，28-光敏器件，29-轉軸，30-光柵式透光碼盤，31-透光式光柵，32-主機系統，33-控制模塊，34-多頻供電輸出裝置，35-多路采集接收裝置，36-反演解譯模塊，37-顯示終端，38-功率驅動模塊，39-正弦波振蕩器，40-電路放大器，41-電壓電流測量模塊，42-過壓過流保護模塊，43-第一數據采集模塊，44-數字顯示模塊，45-數據存儲模塊，46-數據通信模塊，47-單片機，48-輸入保護模塊，49-接地補償、工頻信號抑制與噪聲處理模塊，50-差分輸入放大模塊，51-數據采樣模塊，52-第一級50Hz陷波器，53-第二級10Hz陷波器，54-第三級150Hz陷波器，55-A/D轉換器，56-第二數據采集模塊。
【具體實施方式】
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[0064]下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。
[0065]如圖1所示，一種非接觸式頻域電法實時超前探測系統，包括非接觸式電極1、電極定位裝置5、供電與測量裝置和主機系統32;所述非接觸式電極I設置在刀盤的前面板上，每個非接觸式電極I有一根單芯電纜通過回轉接頭匯聚到多芯電纜7在連接至供電與測量裝置。
[0066]回轉接頭6安裝在刀盤中間，電極定位裝置5只裝在刀盤中間位置，且電極定位裝置5中間是空的，連接電極的單芯電纜可以從中間穿過。所述電極定位裝置5只和主機系統32電連接。
[0067]刀盤后面板中心先裝電極定位裝置5，電極定位裝置5后面再裝回轉接頭。所述主機系統32電性連接所述電極定位裝置5和所述供電與測量裝置，所述供電與測量裝置還電性連接有固定電極8;
[0068]所述供電與測量裝置在所述主機系統32的控制下實現多頻電流的發射與測量信號的采集，并獲取所述非接觸式電極I與所述固定電極8之間的電勢差;所述電極定位裝置5將所述非接觸式電極I的空間位置信息實時傳輸至所述主機系統32，所述供電與測量裝置將測量信號實時傳輸至所述主機系統32，所述主機系統32搭載有反演軟件對數據進行處理并解譯。
[0069]供電與測量裝置可以內置到主機系統32內。
[0070]主機32通過顯示終端37和控制模塊33對多頻供電裝置34進行操作，多頻供電裝置34內置的單片機47存儲波形，由主機32設定后通過功率驅動模塊38接受電流輸入經過正弦波振蕩器39發出相應頻率的信號，接入A，B電極進行供電，并在輸出同時由電壓電流測量模塊41檢測輸出電流，經第一數據采集模塊43反饋至主機32在顯示終端37顯示。
[0071 ] A，B供電電極輸出的信號，在接觸面通過電容耦合效應由M，N測量電極接收，經過接地補償、工頻信號抑制與噪聲處理模塊49的信號處理，多路的信號在差分放大模塊50進行分路，數據采樣后由多級陷波器，具體包括第一級50Hz陷波器52，第二級10Hz陷波器53，第三級150Hz陷波器54進一步排除無用信號的干擾，最后濾波整流后由A/D轉換器55將電壓電流信號轉換成數字信號由第二數據采集模塊56錄入主機系統32，進行顯示。
[0072]所述的非接觸式電極I包括四個非接觸式供電電極和八個非接觸式測量電極，所述的固定電極8包括一個固定供電電極和一個固定測量電極;所述供電與測量裝置發出交流電對所述非接觸式供電電極和所述固定供電電極進行供電，所述電勢差為非接觸式測量電極和固定測量電極之間的電勢差。
[0073]非接觸式電極I的結構如圖2所示，包括金屬銅板13，金屬銅板13為圓形的電極板，金屬銅板13的表面由金屬氧化膜10包裹，防止電極安裝后因長時間工作而腐蝕影響性能。絕緣耐磨材料9是非接觸式電極I的框架外殼，金屬銅板13被包裹在絕緣耐磨材料9之中，同時非接觸式電極I由絕緣耐磨材料9嵌裝固定在刀盤2表面，但金屬銅板13不與刀盤2直接接觸，金屬銅板13背面由電纜繞線固定柱12連接單芯電纜，電纜繞線固定柱12周圍采用致密橡膠塞11進行緩震、固定，同時致密橡膠塞11也將金屬銅板13與刀盤2隔絕。同時，為發揮聚焦頻域電法的優勢，將四個非接觸式供電電極布置在刀盤2的大半徑上，實現多路頻域電流的輸出，將非接觸式測量電極布置在刀盤2的小半徑上，實現陣列的測量電極采集，可提高探測深度與壓制干擾，從而也為三維反演成像提供數據。
[0074]為了實現刀盤2上的非接觸式電極I旋轉而后方的主機系統32不轉的情況下電流與測量信號的實時傳輸，所述的電極定位裝置5和所述的主機系統32之間設有回轉接頭6，所述回轉接頭6由轉子和定子構成，所述回轉接頭6的轉子側連接非接觸式電極1，所述回轉接頭6的定子側連接所述主機系統32。
[0075]回轉接頭6的結構如圖3、圖4及圖5所示，回轉接頭外殼16上設有回轉接頭固定螺母20，在回轉接頭6的轉子側設有金屬固定箍14、轉子側電纜導通口 15和轉子固定器18，轉子側電纜導通口 15中設有轉子導線17;在回轉接頭6的定子側設有定子側電纜導通口 21，定子側電纜導通口 21中設有定子導線19。回轉接頭6旋轉的一端連接安裝在刀盤上的非接觸電極，從而實現了刀盤上電極旋轉而后方主機不轉情況下電流與測量信號的實時傳輸，且非接觸電極無需與掌子面圍巖接觸，從而實現頻域電流與測量信號的傳輸。多路回轉接頭6是連接旋轉刀盤中的單芯電纜與護盾后多芯電纜的電氣部件。回轉接頭安裝在刀盤旋轉轉軸的中心，主要由旋轉與靜止兩部分組成。旋轉部分連接刀盤中多個單芯電纜，靜止部分連接護盾后方的多芯電纜。單芯電纜在回轉接頭內部通過滑環分別與多芯電纜一一對應，安裝在刀盤的非接觸式電極的單芯電纜在此匯聚并通過回轉接頭轉接多芯電纜，連入主機系統32。
[0076]多線路在回轉接頭6內部的連接電路圖如圖6所示，所述的非接觸式電極I和所述的回轉接頭6之間通過單芯電纜相連接，所述的回轉接頭6和所述的主機系統32之間通過多芯電纜7相連接;所述單芯電纜在所述回轉接頭6的內部通過滑環分別與所述多芯電纜一一對應，安裝在刀盤2的非接觸式電極I的單芯電纜在此匯聚并通過回轉接頭6轉接多芯電纜7，連入主機系統32。
[0077]多芯電纜7的結構如圖7所示，所述多芯電纜7的中心部位為銅線25，所述銅線25的外側依次包裹有絕緣層24、編制層23和護套22。由于多芯電纜7在盾構內部的鋪設不僅距離長，而且安裝固定的工程環境也非常復雜，因此設計多芯電纜護套22、編織層23和絕緣層24的三層保護更好的保護了多芯電纜7在刀盤2中不容易被磨損，并在一定程度上減輕了盾構機對銅線交流電的干擾。
[0078]電極定位裝置的結構如圖8所示，所述的電極定位裝置5為旋轉編碼器，所述旋轉編碼器包括光柵式透光碼盤30，所述光柵式透光碼盤30中心處設有轉軸29，轉軸29中間為中空結構，或者留有孔洞，使非接觸式電極I的單芯電纜從中間穿過，而不與電極定位裝置5產生電連接和機械連接。
[0079]所述光柵式透光碼盤30的邊緣處均勾分布有透光式光柵31，在所述光柵式透光碼盤30的一側設有發光器件26，發光器件26和所述非接觸式電極I均隨盾構機的刀盤2旋轉，在所述光柵式透光碼盤30的另一側設有副光柵27和光敏器件28;
[0080]發光器件26設置在刀盤2背面，隨著刀盤2的旋轉而轉動。所述發光器件26發出的光透過光柵被所述光敏器件28接收并傳輸至所述旋轉編碼器，所述旋轉編碼器通過光電轉換輸出軸的角位移、角速度，確定非接觸式電極位置，從而實現對刀盤2旋轉位移的記錄，進而實現對刀盤電極的定位工作。
[0081]所述電極定位裝置安裝在刀盤2中間的延長線上，非接觸式電極I的單芯電纜從電極定位裝置中間穿過，然后連接到回轉接頭。
[0082]主機系統32的結構原理如圖9所示，所述的主機系統32包括控制模塊33、第一數據采集模塊43、反演解譯模塊36和顯示終端37，所述控制模塊33控制所述供電與測量系統的采樣時間并設定采樣率，所述第一數據采集模塊43完成對所述非接觸式電極I和所述電極定位裝置5的數據采集工作，數據采集工作完成后傳輸至所述反演解譯模塊36，所述反演解譯模塊36內設有反演軟件對采集的數據進行反演工作;所述控制模塊33的設定工作、所述數據采集模塊采集的數據呈現以及所述反演解譯模塊36的數據反演工作均通過所述顯示終端37進行顯示操作。
[0083]所述的供電與測量系統包括多頻供電輸出裝置34和多路采集接收裝置35。
[0084]多頻供電輸出裝置34的結構原理如圖11所示，所述的多頻供電輸出裝置34主要包括正弦波振蕩器39和單片機47，電源通過功率驅動模塊38連接多頻供電輸出裝置34，正弦波振蕩器39上連接有電路放大器40，所述單片機47的芯片通過數據存儲模塊45存儲輸出波形的程序代碼，由控制模塊33進行操作，通過正弦波振蕩器39像探測系統內提供交流電，從而實現多個頻點電流的輸出。
[0085]正弦波振蕩器39提供的交流電通過電壓電流測量模塊41到達第一數據采集模塊43，電壓電流測量模塊41和第一數據采集模塊43之間設有過壓過流保護模塊42;單片機47上設有數字顯示模塊44、數據存儲模塊45和數據通信模塊46。
[0086]多路采集接收裝置35的結構原理如圖12所示，所述多路采集接收裝置35包括陷波器、整流濾波器和A/D轉換器55，陷波器是一種消除某些無用信號以減小對有用信號的干擾的濾波器，所述多頻供電輸出裝置輸出34的電流經陷波器濾波后到達整流濾波器55，整流濾波器55將交流電轉換為直流電并進一步消除干擾，A/D轉換器55將電壓電流信號轉化為數字信號傳輸至所述主機系統32，實現多路信號的同步采集。
[0087]多路采集接收裝置35上還設有輸入保護模塊48、接地補償、工頻信號抑制與噪聲處理模塊49、差分輸入放大模塊50和數據采樣模塊51，電流經過保護模塊48、接地補償、工頻信號抑制與噪聲處理模塊49、差分輸入放大模塊50和數據采樣模塊51后進入陷波器，陷波器包括第一級50Hz陷波器52、第二級10Hz陷波器53和第三級150Hz陷波器54。
[0088]本實施例的一種盾構機，包括前面提到的非接觸式頻域電法實時超前探測系統，如圖1所示，所述的非接觸式電極I安裝在盾構機刀盤2的工作面上并隨刀盤2旋轉，所述的固定電極8在所述盾構機的盾尾處固定布設。盾構機包括土壓平衡盾構土倉內土體3和土壓平衡盾構土倉外結構。
[0089]非接觸式電極I在刀盤2上的布置如圖10所不，非接觸式電極I包括四個供電電極和八個測量電極，供電電極安裝在刀盤2的大半徑上，構成多個相同極性的非接觸式供電電極;而測量電極安裝在刀盤2的小半徑上，構成陣列式非接觸測量電極系。
[0090]本實施例的探測方法，包括以下步驟:
[0091]步驟(I):在盾構機的制造過程中在刀盤上安裝四個非接觸式供電電極和八個非接觸式測量電極，如圖10所不，非接觸式供電電極和非接觸式測量電極分別在刀盤2的工作面上呈圓環狀分布，非接觸式供電電極所構成的圓環套置在非接觸式測量電極所構成的圓環的外側(即:非接觸式供電電極安裝在刀盤2的大半徑上，非接觸式測量電極安裝在刀盤2的小半徑上)，多個非接觸式供電電極的極性相同，多個非接觸式測量電極構成陣列式非接觸測量電極系；同時，將一個固定供電電極和一個固定測量電極固定安裝于盾構后方無窮遠處。
[0092]步驟(2):在盾構機上安裝回轉接頭6、電極定位裝置5并敷設多芯電纜7與單芯電纜，所述單芯電纜一端連接所述刀盤2上的非接觸式電極，所述單芯電纜的另一端穿過電極定位裝置5的中空位置連接到回轉接頭6;所述多芯電纜7連接在所述回轉接頭6與供電與測量裝置之間，同時采用單芯電纜分別連接所述固定供電電極和所述固定測量電極到所述供電與測量裝置，主機系統32連接所述電極定位裝置5和所述供電與測量裝置，完成非接觸式頻域電法實時超前探測系統的連接。
[0093]步驟(3):利用所述主機系統32設定固定頻率交流電，對位于工作面的非接觸式供電電極和遠方的固定供電電極進行供電，所述交流電通過所述非接觸式供電電極的電容耦合效應對掌子面圍巖進行供電，圍巖產生電勢使所述陣列式非接觸測量電極系中的非接觸式測量電極產生電流，通過整流濾波和A/D轉換器后測量得出非接觸式測量電極的電勢，并獲取各所述非接觸式測量電極和所述固定測量電極之間的電勢差，與此同時所述電極定位裝置5將每個非接觸式電極I的空間位置信息傳輸到主機系統32，完成測量數據與位置數據的對應。
[0094]步驟(4):依次改變所述主機系統32設定的固定頻域，重復所述步驟(3)，測得不同頻率下的數據。
[0095]步驟(5):隨著所述盾構機的刀盤2在掌子面的推進，依次選擇下一工作面進行探測，重復所述步驟(3)和步驟(4)，實現探測數據的實時采集。
[0096]步驟(6):所述主機系統32對采集的數據進行迭代處理，將所述陣列式非接觸測量電極系測得的電勢差數據進行反演，得到工作面前方三維電阻率圖像分布，進而對掌子面前方的地質情況進行解譯。
[0097]非接觸式電極I布置于土壓平衡盾構刀盤2上，主機系統布置于土壓平衡盾構主控室。多頻供電輸出裝置26，多路采集接收裝置27和多芯電纜7布置于盾構主體刀盤后側;非接觸式電極I和單芯電纜7布置于刀盤表面和內部，通過回轉接頭進行連接;固定供電電極B和固定測量電極N 8在盾尾處固定布設。非接觸式電法實時探測全過程主要操作都在盾構主控室內完成。盾構機搭載的非接觸式電法實時探測系統整體結構如圖1所示。
[0098]探測時首先由電極定位裝置獲得的信號對非接觸式電極I的進行定位，由土壓平衡盾構主控室內主機系統設定探測要求，設定采集頻率、采樣率等，發出指令，由控制模塊33控制多頻供電輸出裝置34開始工作并輸出主機系統設定頻率、大小的交流電。輸出的交流電通過多芯電纜7傳輸，在盾構主機刀盤后側回轉接頭6處進行轉接，并完成多路交流電的分流，各路交流電通過相應的單芯電纜7輸送到安裝在刀盤2處的非接觸式電極I內部的金屬銅板13。其中非接觸式電極I中金屬銅板13與刀盤2金屬通過耐磨絕緣材料9、金屬氧化膜10和致密橡膠塞11完成隔離、干擾，有效保證了導通交流電和金屬銅板13的穩定性。
[0099]金屬銅板13和隧道掌子面通過絕緣材料隔絕，將隧道掌子面視為電容的另一個電極板，供電電極導通交流電后，隧道掌子面和金屬銅板13在交流電的作用下產生電容耦合效應，交流電由供電電極和掌子面之間相互作用，掌子面I作為電容另一電極使得掌子面I和測量電極之間也發生電容耦合效應，產生交流電，測量電極接收產生的交流電流，經過多芯電纜7，在回轉接頭6處完成匯總，統一由多芯電纜7輸至多路采集接受裝置35，交流電通過A/D轉換和濾波轉換成直流電并完成一次供電測量工作。
[0100]非接觸式電極I在作為測量/供電電極時在刀盤的布置圖如圖9所不，供電電極與測量電極都在刀盤上安裝，供電電極在大的半徑上，測量電極在小半徑上。非接觸式電極I與刀盤2采用絕緣耐磨材料進行嵌入安裝，
[0101]主機系統按照預定探測計劃完成測量后，由多路采集接收裝置35收集每次測量結果，輸出測量數據文件，交由反演解譯模塊36進行數據處理，獲得處理結果輸至主機32由顯示終端37呈現。
[0102]進一步的，在本發明中提到的反演軟件、陷波器、定時軟件和單片機等均為現有技術，在此不再贅述，本領域技術人員可以根據具體的施工條件和現場狀況對部分器械進行的些微調整，也應屬于本發明的保護范圍。
[0103]上述雖然結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。
【主權項】
1.一種盾構搭載的非接觸式頻域電法實時超前探測系統，其特征是:包括非接觸式電極單元、多路回轉接頭、電極定位單元、供電與測量單元和控制單元，所述非接觸式電極單元，包括多個布設于刀盤前面板上的非接觸式電極，進行陣列式多路信息采集，所述電極定位單元設置于刀盤后面板中間位置，確定非接觸式電極的旋轉位置，進行實時定位； 所述多路回轉接頭設置于刀盤后端，將每個非接觸式電極的連接電纜匯聚為多芯電纜，通過供電與測量單元進行多路頻域電流的輸出與信號采集，所述控制單元連接供電與測量單元，根據不同的設定頻域采集非接觸式電極數據與刀盤電極的位置，進而進行三維反演處理與解譯。2.如權利要求1所述的一種盾構搭載的非接觸式頻域電法實時超前探測系統，其特征是:所述供電與測量單元還連接有固定電極，在控制單元的控制下進行多頻電流的發射與測量信號的采集，獲取所述非接觸式電極與所述固定電極之間的電勢差。3.如權利要求1所述的一種盾構搭載的非接觸式頻域電法實時超前探測系統，其特征是:所述非接觸式電極包括非接觸式供電電極和非接觸式測量電極，所述非接觸式供電電極，布置在刀盤的外側，連接供電與測量單元，實現多路頻域電流的輸出，所述非接觸式測量電極布置在供電電極內側，實現陣列的測量電極采集。4.如權利要求1所述的一種盾構搭載的非接觸式頻域電法實時超前探測系統，其特征是:所述非接觸式電極包括電極板，所述電極板的表面由金屬氧化膜包裹，所述電極板位于由絕緣耐磨材料構成的框架外殼內，在所述電極板的背面設有電纜固定柱，所述電纜固定柱的周圍設置橡膠塞。5.如權利要求1所述的一種盾構搭載的非接觸式頻域電法實時超前探測系統，其特征是:所述電極定位單元為旋轉編碼器，所述旋轉編碼器包括光柵式透光碼盤和光電處理電路，所述光電處理電路通過光柵式透光碼盤的角位移、角速度，確定非接觸式電極位置，從而實現對刀盤旋轉位移的記錄，進而實現對刀盤非接觸式電極的定位工作。6.如權利要求5所述的一種盾構搭載的非接觸式頻域電法實時超前探測系統，其特征是:所述光柵式透光碼盤中心處設有轉軸，所述光柵式透光碼盤的邊緣處均勻分布有透光式光柵，在所述光柵式透光碼盤的一側設有發光器件，發光器件和所述非接觸式電極均隨盾構機的刀盤旋轉，在所述光柵式透光碼盤的另一側設有副光柵和光敏器件;所述發光器件發出的光透過光柵式透光碼盤、副光柵的光柵被所述光敏器件接收。7.如權利要求6所述的一種盾構搭載的非接觸式頻域電法實時超前探測系統，其特征是:所述轉軸內部放置所有非接觸式電極的連接電纜。8.如權利要求1所述的一種盾構搭載的非接觸式頻域電法實時超前探測系統，其特征是:所述多芯電纜包括多根金屬導線，每根金屬導線外部包括有絕緣層，所有金屬導線的外部包裹有編織層，編織層外包裹有護套。9.如權利要求1所述的一種盾構搭載的非接觸式頻域電法實時超前探測系統，其特征是:所述多路回轉接頭，包括轉子和定子，其中，轉子活動連接于定子上，所述轉子上沿其中心圓周分布有若干個通道，通道內布設非接觸式電極的連接電纜，所述定子中心處設有用于承載多芯電纜的電纜通道，所述連接電纜在定子內部通過滑環分別與多芯電纜的金屬導線——對應。10.如權利要求1所述的一種盾構搭載的非接觸式頻域電法實時超前探測系統，其特征是:所述供電與測量單元包括多頻供電輸出模塊、多路采集接收模塊和控制模塊，其中，所述控制模塊控制多頻供電輸出模塊、多路采集接收模塊的工作，并連接有顯示模塊； 所述多頻供電輸出模塊包括正弦波振蕩器和單片機，所述單片機控制正弦波振蕩器輸出相應波形的交流電，向供電電極提供電能，實現多個頻點電流的輸出;所述正弦波振蕩器連接有電路放大器，所述控制模塊還連接有電壓電流測量模塊、過壓過流保護模塊和數據采集模塊。11.如權利要求10所述的一種盾構搭載的非接觸式頻域電法實時超前探測系統，其特征是:所述多路采集接收模塊具體包括數據采樣模塊、輸入保護模塊、陷波器、整流濾波器和A/D轉換器，其中，輸入保護模塊連接固定電極、非接觸式電極的測量電極，依次通過數據采樣模塊、陷波器、整流濾波器和A/D轉換器，測量得到各個測量電極的電勢，獲取非接觸式電極和固定電極的測量電極之間的電勢差;所述A/D轉換器連接控制模塊。12.如權利要求1所述的一種盾構搭載的非接觸式頻域電法實時超前探測系統，其特征是:所述控制單元包括控制主機和反演模塊，所述控制主機連接控制模塊和多路采集接收模塊，接收非接觸式電極和固定電極的測量電極之間的電勢差，同時接收電極定位單元傳輸的刀盤位置信息，所述控制主機設置采集頻域;所述反演模塊對采集的數據進行反演工作。13.一種盾構施工隧道非接觸式電法實時超前探測方法，其特征是:包括以下步驟: (1)在盾構機刀盤表面設置多個非接觸式測量電極和非接觸式供電電極，在盾構機后方設置固定電極的供電電極和測量電極； (2)設置電極定位裝置以確定刀盤位置和非接觸式測量電極的空間位置，利用控制主機設置固定頻率的交流電，向各個供電電極進行供電； (3)采集設定頻域時非接觸式測量電極與固定電極的測量電極的電勢，計算兩者的電勢差，同時確定每個非接觸式電極的空間位置信息，完成測量數據與位置數據的對應； (4)改變設定頻域，重復步驟(3)，得到不同頻率下的電勢與位置數據； (5)隨著所述盾構機的刀盤在掌子面的推進，依次選擇不同的工作面進行探測，重復所述步驟(3)和步驟(4)，實現探測數據的實時采集； (6)對采集的數據進行迭代處理，將所述陣列式非接觸測量電極系測得的電勢差數據進行反演，得到工作面前方三維電阻率圖像分布，進而對掌子面前方的地質情況進行解譯。14.如權利要求13中所述的一種盾構施工隧道非接觸式電法實時超前探測方法，其特征是:所述步驟(I)中，具體方法為:在盾構機的制造過程中在刀盤上安裝非接觸式供電電極和非接觸式測量電極，非接觸式供電電極和非接觸式測量電極分別在刀盤的工作面上呈圓環狀分布，非接觸式供電電極所構成的圓環套置在非接觸式測量電極所構成的圓環的外偵U，多個非接觸式供電電極的極性相同，多個非接觸式測量電極構成陣列式非接觸測量電極系；同時，將固定供電電極和固定測量電極固定安裝于盾構機的盾尾處。15.如權利要求13中所述的一種盾構施工隧道非接觸式電法實時超前探測方法，其特征是:所述步驟(2)中，具體包括:在刀盤的中心線上安裝電極定位裝置，使電極定位裝置的轉動部分設置在刀盤背面，靜止部分裝設于刀盤后方，在刀盤后側安裝回轉接頭，并敷設多芯電纜與單芯電纜，使得單芯電纜一端連接刀盤上的非接觸式電極，所述單芯電纜的另一端穿過電極定位裝置的中空部分與回轉接頭連接。16.如權利要求13中所述的一種盾構施工隧道非接觸式電法實時超前探測方法，其特征是:所述步驟(2)中，所述多芯電纜連接在所述回轉接頭與供電與測量裝置之間，同時采用單芯電纜分別連接所述固定供電電極和所述固定測量電極到所述供電與測量裝置，控制主機連接所述電極定位裝置和所述供電與測量裝置，完成非接觸式頻域電法實時超前探測系統的連接。17.如權利要求13中所述的一種盾構施工隧道非接觸式電法實時超前探測方法，其特征是:所述步驟(3)中，具體為:交流電通過所述非接觸式供電電極的電容耦合效應對掌子面圍巖進行供電，圍巖產生電勢使所述陣列式非接觸測量電極系中的非接觸式測量電極產生電流，獲取各個非接觸式測量電極和所述固定測量電極之間的電勢差，與此同時所述電極定位裝置將每個非接觸式電極的空間位置信息傳輸到控制主機，完成測量數據與位置數據的對應。
【文檔編號】G01V3/06GK105891890SQ201610202312
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月31日
【發明人】李術才, 聶利超, 劉斌, 劉海東, 任玉曉, 宋杰, 劉征宇, 郭謙, 王傳武
【申請人】山東大學