[发明专利]TBM施工隧道前向三维激发极化法超前探测装置系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及TBM施工隧道中进行前向三维激发极化法超前预报的领域，尤其涉及一种TBM施工隧道前向三维激发极化法超前探测装置系统及方法。

背景技术

近年来，隧道施工中采用全断面隧道掘进机（简称TBM）机械施工的比例越来越高，全断面隧道掘进机是利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械。在使用TBM掘进时，一个较为突出的问题就是TBM机械对地质条件变化的适应性较差，当遭遇断层、破碎带、岩性交界面、含水构造等不良地质情况时，往往造成TBM机械被卡、被埋甚至机械报废的严重事故。为了降低TBM施工中遭遇上述事故的风险，最为有效的解决方法就是采用超前地质预报技术提前探明掌子面前方不良地质情况，并根据前方的地质情况预先制定合理的处置措施和施工预案。

但是，国内外尚没有十分成熟有效的TBM施工隧道专用超前地质预报方法。对于超前地质预报装置和技术而言，TBM施工与钻爆法施工有着本质性的区别：①TBM机械是一个庞然大物，TBM机械占据了隧道掌子面后方的绝大部分空间，无法在隧道边墙布置常用的地震波法超前预报的激发炮点和接收系统，导致钻爆法隧道中常用的TSP、TGP、TRT等地震波超前预报技术无法应用在TBM施工隧道中；②TBM机械中存在大量的金属构件和供电电缆对电磁场干扰巨大，导致地质雷达法、瞬变电磁法和激发极化法等普通的基于电磁原理的超前地质预报技术探测效果极不理想，以至于无法用于TBM施工隧道中。③TBM施工时，每天大约有两个小时的机械检修时间，当机械检修时TBM刀盘后退2-5m，这个狭小的空间可被用于实施超前地质预报，其空间狭小且可用时间较短。

就目前TBM施工隧道中的地质超前预报技术而言，主要有以下两种方法：①一种是利用TBM机械配备的超前钻机进行水平钻探，这种钻机只能揭露钻孔周围的地质情况，对于不与钻孔相交的地质体无法探明，不能反映TBM工作面前方整个范围内的地质情况，极易遗漏不良地质，造成误报、错报及灾害隐患，且钻孔经济成本和时间成本较高。②另一种是利用德国研发的BEAM(Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring)系统，BEAM是一种一维聚焦类激发极化法，BEAM法的缺点一是测试设备安装复杂，测试时间长，严重影响施工进度；二是BEAM法利用每次测量结果与隧道里程的曲线来推断掘进面前方的含水情况，探测距离小，未采用层析成像探测，无法获得TBM工作面前方地质体的三维信息，也无法预报水量。此外，从BEAM法在我国几个隧道的应用情况来看，预报结果不理想，未得到推广，有待进行提高和完善。

可见，TBM施工隧道中由于探测空间狭小、电磁干扰巨大、可用时间较短等原因，导致目前尚没有十分有效实用的超前地质预报技术与装置。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种TBM施工隧道前向三维激发极化法超前探测装置系统及方法，其基本原理是在掌子面四周或边墙底板布置屏蔽电极系统，在掌子面上布置层析探测供电与测量系统，在屏蔽电流系统的作用下，层析探测供电电流指向掌子面前方，此时后方的TBM机械对探测的电磁干扰很小，可忽略；利用这种前向三维激发极化探测方法可以获得掌子面前方的三维地质信息，并可利用激发极化半衰时之差与水量的关系定量的预报含水体的水量大小。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种TBM施工隧道前向三维激发极化法超前探测装置系统，在TBM主体内设有主控室，主控室内设有控制器、前向三维激发极化发射机、前向三维激发极化接收机；在TBM主体的刀盘上设有至少一个供电和测量电极舱，其上安装多层岩石耦合集成电极及其支撑装置以及舱门，多层岩石耦合集成电极在工作面上形成相应的侧线；在TBM主体工作面后方底板设有供电电极B和接收电极N，岩石耦合集成电极分别通过导线与控制器、前向三维激发极化发射机、前向三维激发极化接收机连接，供电电极B和接收电极N分别与前向三维激发极化发射机、前向三维激发极化接收机连接；在TBM主体前端和四周还设有屏蔽电极舱及其递送装置，屏蔽电极舱安装屏蔽电极P；在供电和测量电极舱还设有视频监视装置，它与主控室连接。

所述供电和测量电极舱有沿TBM主体中心对称分布的左右两个，供电和测量电极舱的舱门分为上下两扇，其中一扇带有凸槽，另一扇带有凹槽；舱门启闭由控制器控制。