一种搭载于大直径泥水盾构的扫描电法超前地质预报装置及方法与流程

1.本发明属于扫描电法超前地质预报技术领域，特别涉及该领域中的一种搭载于大直径泥水盾构的扫描电法超前地质预报装置及方法。


背景技术：

2.随着国内铁路、公路和水利等大型基建项目的开展和盾构机厂家自主研发盾构机能力的提升，隧道施工中采用盾构施工的比例越来越高。在盾构施工中，当遇到破碎带、溶洞、暗河等含水构造时，往往会造成突水灾害导致机器损坏、工程延期，甚至人员伤亡等严重事故。为了避免上述事故的发生，通常采用超前地质预报的方法对掌子面前方地质情况进行探测，并根据测量和评价的结果预先制定合理的施工预案和处理措施。目前盾构（或tbm）施工中针对含水构造不良地质体探测的主要实现方法和装置有德国gd公司研发的beam（bore-tunneling electrical ahead monitoring）系统。近几年，国内大直径隧道逐步增多，常用的地质预报结果通常是以一维或二维方式呈现，不能满足大直径隧道对掌子面详细评价的需要。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题就是提供一种可搭载于大直径泥水盾构的扫描电法超前地质预报装置及方法，可实现对大直径掌子面前方岩层的详细评价。
4.本发明采用如下技术方案：一种搭载于大直径泥水盾构的扫描电法超前地质预报装置，其改进之处在于：包括安装在盾构机刀盘或护盾或刀盘和护盾上的测量电极，且测量电极与刀盘和护盾电绝缘，由护盾或者护盾与刀盘充当的屏蔽电极，接地的回流电极和参考电极，安装在盾构机回转中心的角度测量装置，以及安装在盾构机内的发射接收系统，测量电极、屏蔽电极、回流电极和参考电极分别通过导线与发射接收系统电连接，角度测量装置与发射接收系统连接通信。
5.进一步的，测量电极安装在刀盘上时，数量为两个以上，且各测量电极距离刀盘中心的径向距离不同；测量电极安装在护盾上时，数量为两个以上。
6.进一步的，回流电极和参考电极由包括地锚在内的金属导电杆件充当。
7.进一步的，角度测量装置由包括旋转编码器在内的测量角度的传感器充当。
8.进一步的，发射接收系统采用便携式机箱或固定式机架，放置或安装在盾构机主控制器或plc处，发射接收系统包括发射电路，接收电路和计算机。
9.一种搭载于大直径泥水盾构的扫描电法超前地质预报方法，使用上述的装置，其改进之处在于：测量电极分别向掌子面前方发射低频或直流电流；屏蔽电极向侧方和前方发射聚焦电流；在聚焦作用下，测量电极发射的低频或直流电流深入掌子面前方；通过测量不同频率下的视电阻率以及频域激发激化参数，得到视电阻率曲线和百分比频率效应曲
线，各测量电极测量的曲线结果反映了掌子面前方待掘断面不同位置岩层的完整性和含水特性，从而实现对大直径掌子面前方岩层的精细评价。
10.本发明的有益效果是：本发明所公开的装置，可以测量掌子面前方待掘断面的电性参数分布，实现对地层电性参数的实时不间断测量和对掌子面前方的精细探测评价，从而为施工方提供异常地质体在待掘断面的具体位置。
11.本发明所公开的方法，基于搭载在泥水盾构机的上述装置，通过测量掌子面前方地质体的电性参数，实现对大直径掌子面前方岩层的精细评价。
附图说明
12.图1是本发明实施例1所公开装置的总体结构示意图。
具体实施方式
13.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
14.实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种搭载于大直径泥水盾构的扫描电法超前地质预报装置，包括安装在盾构机刀盘1和/或护盾2上的测量电极3，且测量电极与刀盘和护盾电绝缘，由护盾或者护盾与刀盘充当的屏蔽电极，接地的回流电极4（b电极）和参考电极5（n电极），安装在盾构机回转中心的角度测量装置6，以及安装在盾构机内的发射接收系统7，测量电极、屏蔽电极、回流电极和参考电极分别通过导线与发射接收系统电连接，角度测量装置与发射接收系统连接通信。
15.在盾构机工作过程中，发射接收系统向屏蔽电极和测量电极馈送低频/直流电电流（电流通过大地返回到回流电极），同时保持测量电极和屏蔽电极等电位，发射接收系统采集流出测量电极的电流和护盾或刀盘对参考电极的电压差，同时采集角度测量装置提供的刀盘角度信息，经后期信号处理，数据处理得到掌子面前方待掘断面的视电阻率分布。
16.在本实施例中，测量电极安装在刀盘上时，数量为两个以上，且各测量电极距离刀盘中心的径向距离不同，用于测量掌子面前方待掘断面的电阻率分布；测量电极安装在护盾上时，数量为两个以上，用于测量盾构机周围的地质情况。
17.回流电极和参考电极可以由地锚等金属导电杆件充当。回流电极和参考电极与大地接触良好，可以布置在隧道内，也可布置在隧道外。
18.角度测量装置用于测量刀盘旋转的角度位置，可以是旋转编码器等测量角度的传感器，其测量的角度信息发送给发射接收系统，为后期数据处理提供角度信息。
19.发射接收系统采用便携式机箱或固定式机架，可放置或安装在盾构机主控制器或plc等位置，发射接收系统包括发射电路，接收电路和计算机。
20.本实施例还公开了一种搭载于大直径泥水盾构的扫描电法超前地质预报方法，使用上述的装置，以刀盘上的若干独立电极为测量电极分别向掌子面前方发射低频或直流电流；以盾构机机体为屏蔽电极向侧方和前方发射聚焦电流；在聚焦作用下，测量电极发射的低频或直流电流深入掌子面前方；通过测量不同频率下的视电阻率以及频域激发激化参
数，得到视电阻率曲线和百分比频率效应曲线，通过合理的布极方式，各个独立测量电极测量的曲线结果可反映掌子面前方待掘断面不同位置岩层的完整性和含水特性，进而实现对大直径掌子面前方岩层的精细评价。


技术特征：
1.一种搭载于大直径泥水盾构的扫描电法超前地质预报装置，其特征在于：包括安装在盾构机刀盘或护盾或刀盘和护盾上的测量电极，且测量电极与刀盘和护盾电绝缘，由护盾或者护盾与刀盘充当的屏蔽电极，接地的回流电极和参考电极，安装在盾构机回转中心的角度测量装置，以及安装在盾构机内的发射接收系统，测量电极、屏蔽电极、回流电极和参考电极分别通过导线与发射接收系统电连接，角度测量装置与发射接收系统连接通信。2.根据权利要求1所述搭载于大直径泥水盾构的扫描电法超前地质预报装置，其特征在于：测量电极安装在刀盘上时，数量为两个以上，且各测量电极距离刀盘中心的径向距离不同；测量电极安装在护盾上时，数量为两个以上。3.根据权利要求1所述搭载于大直径泥水盾构的扫描电法超前地质预报装置，其特征在于：回流电极和参考电极由包括地锚在内的金属导电杆件充当。4.根据权利要求1所述搭载于大直径泥水盾构的扫描电法超前地质预报装置，其特征在于：角度测量装置由包括旋转编码器在内的测量角度的传感器充当。5.根据权利要求1所述搭载于大直径泥水盾构的扫描电法超前地质预报装置，其特征在于：发射接收系统采用便携式机箱或固定式机架，放置或安装在盾构机主控制器或plc处，发射接收系统包括发射电路，接收电路和计算机。6.一种搭载于大直径泥水盾构的扫描电法超前地质预报方法，使用权利要求1所述的装置，其特征在于：测量电极分别向掌子面前方发射低频或直流电流；屏蔽电极向侧方和前方发射聚焦电流；在聚焦作用下，测量电极发射的低频或直流电流深入掌子面前方；通过测量不同频率下的视电阻率以及频域激发激化参数，得到视电阻率曲线和百分比频率效应曲线，各测量电极测量的曲线结果反映了掌子面前方待掘断面不同位置岩层的完整性和含水特性，从而实现对大直径掌子面前方岩层的精细评价。

技术总结
本发明公开了一种搭载于大直径泥水盾构的扫描电法超前地质预报装置及方法，该装置包括安装在盾构机刀盘或护盾或刀盘和护盾上的测量电极，且测量电极与刀盘和护盾电绝缘，由护盾或者护盾与刀盘充当的屏蔽电极，接地的回流电极和参考电极，安装在盾构机回转中心的角度测量装置，以及安装在盾构机内的发射接收系统，测量电极、屏蔽电极、回流电极和参考电极分别通过导线与发射接收系统电连接，角度测量装置与发射接收系统连接通信。本发明所公开的装置，可以测量掌子面前方待掘断面的电性参数分布，实现对地层电性参数的实时不间断测量和对掌子面前方的精细探测评价，从而为施工方提供异常地质体在待掘断面的具体位置。异常地质体在待掘断面的具体位置。异常地质体在待掘断面的具体位置。


技术研发人员：贾连辉 杨艳军 郑俊祥 平之泉 陈东海 张必波 宋加加 赵宗杰 武振鹏 李智强 王磊 谢玉林 魏晓龙 郑康泰 林福龙 王宁 路亚缇 张琳 孟祥波 黄震
受保护的技术使用者：中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所）
技术研发日：2021.09.23
技术公布日：2022/3/25