[发明专利]搭载于TBM刀盘上的前向阵列雷达超前探测系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及TBM施工隧道不良地质超前地质预报领域，尤其涉及一种搭载于TBM刀盘上的前向阵列雷达超前探测系统和方法。

背景技术

现在我国隧道建设如火如荼，其中采用全断面隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，简称TBM)施工的比例越来越高。TBM是一种利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩掘进，形成整个隧道断面的新型、先进的隧道施工机械。与传统的钻爆法施工相比，TBM施工法具有“施工速度快、开挖扰动小、安全环保”等诸多优点。但TBM机械对地质条件变化的适应性较差，当施工中遭遇断层、破碎带、岩性交界面、含水构造等不良地质情况时，往往会造成TBM机械被卡、被埋甚至机械报废的严重事故。降低TBM施工中遭遇上述事故的风险，最为有效的方法是采用超前地质预报技术提前探明掌子面前方的地质情况，并根据前方的地质情况预先制定合理的处置措施和施工方案。

但是TBM施工环境具有特殊性，很多在钻爆法施工隧道中较为成熟的超前地质预报技术无法直接使用。对于超前地质预报来说，TBM施工隧道的复杂性和特殊性主要表现为三个方面：其一是TBM机械系统过于庞大，占据了隧道掘进面后方的大部分空间,可用探测空间狭小；其二是TBM机械系统存在大量金属构件和供电电缆，它们会干扰电磁场，影响某些基于电磁波的超前地质预报技术的探测效果；其三是TBM施工时机械大部分时间都在向前掘进之中，每天仅有约两个小时的检修时间可供超前探测使用，较为短暂。

目前TBM施工隧道中的超前地质预报技术主要有以下两种方法。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，无法探明不与钻孔相交的地质体，不能反映TBM工作面前方整个范围的地质情况，极易遗漏不良地质体，造成误报、错报及灾害隐患，且钻孔的经济成本和时间成本较高。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，其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，有待提高和完善。

综上可见，目前尚没有十分有效实用的TBM施工隧道超前地质预报技术与装置。

发明内容

为解决现有技术存在的上述不足，本发明提供一种搭载于TBM刀盘上的前向阵列雷达超前探测装置系统及方法。将三个自发自收的探地雷达天线布置到TBM刀盘上，组成阵列雷达，在TBM掘进的同时分别沿圆周进行旋转循环探测。在雷达天线侧方及后方设置金属保护盒，保护天线并屏蔽后方机械和电缆对雷达信号的影响；在雷达天线前方设置非金属材质保护板，保护雷达天线，保持刀盘完整性，且不影响雷达探测信号。在控制室内放置雷达主机，处理并显示雷达探测结果。雷达主机与雷达天线间使用光纤连接，消除TBM机械和电缆对传输数据的影响；使用光电转换器转换光电信号。在TBM刀盘与TBM本体之间的中心回转接头中添加光纤旋转连接器，避免光纤发生缠绕断裂。本系统在TBM掘进的同时进行探测，不受检修时间限制；雷达天线沿圆周探测，相当于三个圆周合成孔径雷达，利用反向传播算法(BackPropagation，简称BP算法)可形成掌子面前方地质情况的三维图像；采用三种不同主频的雷达天线，兼顾探测距离和探测分辨率；雷达主机集成对所得信号的处理和成像功能，运算速度较快，基本可做到实时探测，实时成像。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种搭载于TBM刀盘上的前向阵列雷达超前探测装置系统，包括探测模块、处理模块和数据传输模块，其中：

探测模块包括：预留于TBM刀盘上的一个靠外侧的圆周上的多个槽位；置于刀盘预留槽位中的前方开口的金属保护盒；置于金属保护盒内的自发自收的雷达天线，且雷达天线的中心频率不同；置于雷达天线前方，保持刀盘完整性的非金属材质保护板；

处理模块包括：置于TBM后方控制室内的雷达主机；

数据传输模块包括连接雷达主机和雷达天线的光纤；转换光电信号的光电转换器；避免光纤缠绕断裂的光纤旋转连接器。

所述槽位为三个，均匀分布在TBM刀盘的一个外侧圆周上；其形状为圆形，大小与金属保护盒和非金属材质保护板一致；槽位内表面设有内螺纹，与金属保护盒和非金属材质保护板的外螺纹匹配。