[发明专利]一种盾构机搭载的相控阵声波超前地质探测系统及方法

权利要求书

1.一种盾构机搭载的相控阵声波超前地质探测系统，其特征在于，包括安置在盾构机刀盘背于旋转方向的主辐条侧壁上的相控阵声波发射与接收装置，所述的相控阵声波发射与接收装置包括多个声波探头组，每个声波探头组包括多个声波发射接收单元，多个声波探头组形成声波阵元组；每个声波发射接收单元具有发射声波和接收反射声波的功能；

每个声波探头组安装在一个探头保护装置内，探头保护装置安装在液压推进装置的伸缩杆头部，且可以相对于液压推杆旋转，且在探头保护装置上还安装有压力感应器,所述的压力传感器用于检测声波探头与掌子面接触的压力大小；在所述液压推进装置的伸缩杆上设有高压水喷头，所述的高压水喷头通过管路与供水装置相连；所述的压力传感器、相控阵声波发射与接收装置、供水装置均与控制装置相连。

2.如权利要求1所述的盾构机搭载的相控阵声波超前地质探测系统，其特征在于，所述的多个声波探头组按照单线排列或者十字状排列安装在盾构机刀盘背于旋转方向的主辐条侧壁上。

3.如权利要求1所述的盾构机搭载的相控阵声波超前地质探测系统，其特征在于，所述的多个声波探头组呈等间隔分布在刀盘中心两侧的主辐条侧壁上。

4.如权利要求1所述的盾构机搭载的相控阵声波超前地质探测系统，其特征在于，所述的探头保护装置为一个球形保护装置，所述的声波探头组安装在球形保护装置内，且球形保护装置可相对于推杆头部旋转，球形保护装置与推杆头部之间密封。

5.如权利要求1所述的盾构机搭载的相控阵声波超前地质探测系统，其特征在于，在每节液压伸缩杆的顶部周边，呈环状放置有多个高压水喷头。

6.基于权利要求1-5任一所述的盾构机搭载的相控阵声波超前地质探测系统的探测方法，其特征在于，如下：

步骤1)，探头保护装置打开，液压杆往前推动多个声波探头组，直至所有的声波探头组与掌子面形成良好的接触；

步骤2)，通过单个声波探头组触发，所有声波探头组接收获取反射回波信息，利用处理成像系统获得背景速度场；

步骤3)，根据背景速度场，系统通过控制各个声波探头组不同的延迟，形成某一个方向的扫描声束；

步骤4)，各个声波探头组接收回波信号，存入存储单元，存储单元将回波数据上传至处理成像系统，处理成像系统得到这一侧扫描方向的疑似异常体位置成像结果；

步骤5)，根据疑似异常体位置，系统通过改变各个声波探头组间触发延迟，进行逐点聚焦，各个声波探头组接收回波信号存入存储单元，存储单元将数据上传至成像系统，获取精细化二维单方向扫描结果；

步骤6)，重复步骤3)、步骤4)、步骤5)，通过改变各声波探头组延时进行不同方向的扫描声束，直至完成整个截面的数据采集和上传；处理成像系统收到整个二维截面的扫描成像数据完成一幅二维截面像；

步骤7)，转动刀盘，使整个声波阵元组绕刀盘中心轴转动一个角度，重复上述步骤3)、步骤4)、步骤5)、步骤6)，得到另一个角度下的二维截面成像；

步骤8)，重复步骤7)，直到使探测覆盖整个掌子面，得到与各个角度相对应的扫描二维剖面成像，最终处理成像系统将这些二维剖面融合成三维图像；

步骤9)，液压杆收缩，收回探头，并在收回过程中自动清洗探头及液压杆上的泥水或尘土，探头归位后启用保护装置，启用干燥装置，保证液压杆内部的空气干燥，完成此次超前地质探测。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤5)中空间扫描角度步长为30°；多个声波探头组采用单线排列时，刀盘只需转动5次，采集6个二维截面的探测结果，即可覆盖整个掌子面前方的地质情况。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤5)中空间扫描角度步长为30°；多个声波探头组采用十字状排列时，刀盘只需转动2次，采集3个二维截面的探测结果，即可覆盖整个掌子面前方的地质情况。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，具体的成像步骤如下：

1)各声波探头组贴合掌子面之后，单个声波探头组零延迟激发声波，其他声波探头组接收直达波，根据各声波探头组的探头位置与直达波的接收时间，计算出掌子面前方岩石的直达波波速；

2)根据第1)步获取的掌子面围岩的直达波波速，以及掌子面发射接收探头的相互位置关系，计算得出各声波探头组的延迟时间；

3)根据获得的延迟时间，控制各声波探头组的声波发射，改变延迟时间，进而改变声波束的前进方向，直至完成掌子面前方整个二维截面的扫描探测，获取成像数据；

4)分析成像数据，获取掌子面前方地质异常体可能的赋存范围，利用时间反转镜成像算法，阵列换能器激发反向延迟信号，获取局部聚焦信号特征，进而实施二维聚焦成像；

5)根据获得的多个二维聚焦成像结果，综合分析得出掌子面前方三维地质成像。