[发明专利]一种盾构搭载的非接触式频域电法实时超前探测系统与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种盾构搭载的非接触式频域电法实时超前探测系统与方法。

背景技术

目前，世界上约40多个国家已经开通了城市地铁线路，发达国家均拥有高度发达的城市地铁设施。地铁在许多城市交通中已担负起主要的乘客运输任务，诸如莫斯科、纽约、北京等城市的居民生活已经离不开地铁。由于轨道交通的优势和便利，越来越多的国家和城市开始发展自己的轨道交通。随着世界范围内轨道交通的迅速发展，各国在轨道交通领域将修建越来越多的隧道工程。盾构施工方法相比传统的明挖法、浅埋暗挖法等隧道施工工法，具有“掘进速度快、生产效率高、施工环境文明、技术经济优越性好”等优点，目前国际上越来越多的地铁隧道工程采用盾构施工工法进行修建，而土压平衡盾构是盾构施工中较为常见的一种盾构型式。

土压平衡盾构施工属于全断面隧道掘进机施工，主要用于城市地下软土地层施工，由于埋深较浅、地质单元变化剧烈，不良地质情况更为复杂。同时城市地面建筑物密集，地面勘察难以全面查清沿线的不良地质情况。在开挖过程中一旦遇到富水流砂层、含水溶蚀腔体、孤石等不良地质体，经常导致塌方、突涌水、地表沉降等工程事故，轻则造成盾构机械损毁，延迟工期，重则造成地层塌陷，导致重大安全事故。提前探明不良地质体的位置、规模等信息可有效避免施工灾害的发生。因此在土压平衡盾构搭载超前预报系统并开展全程实时超前探测是十分必要的。然而盾构施工隧道整个空间被盾构机这一庞然大物所占据，未有地球物理探测可用的探测空间，同时盾构机械施工震动、庞大金属体、配套机电设备等对电场、波场等地球物理场形成严重的干扰，导致钻爆法常用的地震波法、电磁法等地球物理探测方法无法适用。频域电法对水体响应敏感，且聚焦电法具有屏蔽后方干扰的特性，用于盾构施工隧道复杂环境中具有优势。BEAM法是德国研发的一种隧道掘进机超前探测技术，是利用护盾与刀具作为供电电极与测量电极进行实时探测的，然而刀盘上被选作电极的刀具与掌子面是接触导电的，存在接地电阻较大的问题。同时BEAM的定位过多的依靠经验，定位精度较差，无法三维成像。

因此，将电法勘探装置搭载在盾构机上仍然面临着很多问题，其主要问题如下：

(1)由于盾构机施工环境中由于要保持掌子面土压平衡，土压平衡盾构刀盘时刻与掌子面土体紧贴且不可回收，刀盘前方未有可用的探测空间，适用于盾构刀盘前方可用的观测模式或方法是需要解决的首要问题；

(2)由于一般的电法探测均采用接触式电极，与掌子面进行接触耦合。刀盘前方外露的电极和推进装置容易受到掘进施工的影响容易损坏，在刀盘旋转下接触电极是难以工作的，因此刀盘旋转模式下如何采用非接触电极实现实时超前探测是一个重要问题。另外，为实现盾构实时探测，旋转接线装置以及电极定位装置也是需要解决的问题。

(3)由于采用非接触电极，频域电法探测所需的电流发射与接收仪器也亟待研制，同时为应对盾构快速化施工的需求，如何实现探测系统的实时自动化探测是面临的一个难题，需具有用于控制电流发射、信号采集、电极定位与快速解译的系统。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种盾构搭载的非接触式频域电法实时超前探测系统与方法，本发明通过在盾构机刀盘上安装非接触式电极，利用电容耦合发射和接收电流，通过多路回转接头连接到主机，对测量数据实时反演和解释，并将预报结果传输到盾构机控制系统中，为盾构机的安全施工提供技术支撑。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种盾构搭载的非接触式频域电法实时超前探测系统，包括非接触式电极单元、多路回转接头、电极定位单元、供电与测量单元和控制单元，所述非接触式电极单元，包括多个布设于刀盘前面板上的非接触式电极，进行阵列式多路信息采集，所述电极定位单元设置于刀盘后面板的中间位置，确定非接触式电极的旋转位置，进行实时定位；

所述多路回转接头设置于刀盘后端，将每个非接触式电极的连接电缆汇聚为多芯电缆，通过供电与测量单元进行多路频域电流的输出与信号采集，所述控制单元连接供电与测量单元，根据不同的设定频域采集非接触式电极数据与刀盘电极的位置，进而进行三维反演处理与解译。

进一步的，所述供电与测量单元还连接有固定电极，在控制单元的控制下进行多频电流的发射与测量信号的采集，获取所述非接触式电极与所述固定电极之间的电势差。

所述固定电极设置于盾构机后方，被认为是无穷远处。

进一步的，所述非接触式电极均匀布设于盾构机刀盘前面板上。