Tbm施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统和方法
【专利摘要】本发明公开了一种TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统和方法，它包括：安装在TBM机械主体内部、TBM刀盘后方的机械伸缩旋进装置，它由多级伸缩元件构成；机械伸缩旋进装置前端采用可拆卸结构与钻头或可扩展式多级串联雷达天线固定套管连接，并在机械伸缩旋进装置控制器控制下在TBM主体前方的围岩内钻两个深度相同的钻孔并布设套管，然后分别在两个钻孔内布置雷达发射天线和雷达接收天线；所述雷达发射天线和雷达接收天线与多通道雷达主机及计算机连接，进行跨孔雷达探测，从而实现快速精确地实现隧道掘进面前方地质情况的预报。
【专利说明】TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种跨孔雷达透射成像超前预报系统和方法，尤其涉及一种TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统和方法。
【背景技术】
[0002]隧道开挖施工中，主要采用的方法有钻爆法施工和TBM施工。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。TBM施工与钻爆法施工相比，其主要特点是机械化程度高，速度快，但对地质条件变化适应性较差，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，为了保证施工安全，TBM施工对地质超前预报技术的要求比钻爆法施工隧道的要求更加严格和迫切。
[0003]由于TBM施工环境的复杂性和特殊性，导致在TBM施工隧道实施超前地质预报十分困难，TBM机械系统是庞然大物，占据了隧道掘进面后方大部分的空间，可用的探测空间狭小，同时形成了复杂的电磁环境，使得在钻爆法中可用的超前地质预报方法无法用于TBM环境。
[0004]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。此夕卜，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。
[0005]可见，TBM施工隧道中由于探测空间狭小、电磁干扰严重、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】
[0006]本发明的目的就是解决上述问题，提供一种TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统和方法，它具有抗干扰能力强，探测时间短，工作效率高的特点。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0008]一种TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统，它包括:安装在TBM机械主体内部、TBM刀盘后方的机械伸缩旋进装置，它由多级伸缩元件构成；机械伸缩旋进装置前端采用可拆卸结构与钻头或可扩展式多级串联雷达天线固定套管连接，并在机械伸缩旋进装置控制器控制下在TBM主体前方的围岩内钻两个深度相同的钻孔并布设套管，然后分别在两个钻孔内布置雷达发射天线和雷达接收天线；所述雷达发射天线和雷达接收天线与多通道雷达主机及计算机连接，进行跨孔雷达探测。
[0009]所述机械伸缩旋进装置有两套，分别安装在TBM刀盘后端中轴线上方和下方位置。
[0010]所述多级伸缩元件采用多级伸缩油缸，完成顺时针和逆时针的旋进和旋出。
[0011]所述机械伸缩旋进装置前端与钻头可拆卸连接，钻头前端外沿设有卡齿，套管设有套管端部，在套管端部内壁设有与钻头卡齿相配合的卡槽，钻头逆时针旋进时与套管端部卡合，顺时针旋退时与套管端部分离。
[0012]所述可扩展式多级串联雷达天线固定套管带有外螺纹，所述套管内壁设有内螺纹，两者间螺纹连接，雷达天线固定套管随机械伸缩旋进装置顺时针旋转时向钻孔内部递送雷达天线固定套管，逆时针旋转向钻孔外取出雷达天线固定套管；雷达天线固定套管两端还设有连接端，连接端与连接杆螺纹连接，相邻雷达天线固定套管通过连接杆彼此连接雷达发射天线或雷达接收天线安装在雷达天线固定套管内。
[0013]所述套管和雷达天线固定套管均是由绝缘材料PVC制成。
[0014]一种TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统的预报方法，具体步骤如下:
[0015]步骤一:预打钻孔及套管施做；在隧道掘进面上部和下部，分别打入两个深度为S，孔径为d的上、下钻孔，s>0, d>0,同时在两钻孔内进行套管施做；
[0016]步骤二:制定探测方案；根据隧道施工的要求与现场的实际情况，初步制定雷达预测方案，确定雷达发射天线、雷达接收天线分别在两个钻孔内每次发射、接收雷达波信号之间的间距；
[0017]步骤三:把可扩展式多级串联发射天线和接收天线递送到钻孔内，并依次对各个预设测点进行雷达数据的采集；
[0018]步骤四:对采集到的每个探测剖面的雷达数据进行预处理；
[0019]步骤五:利用跨孔雷达透射成像原理，对采集到的每个探测剖面的雷达数据进行层析成像反演计算，从而确定隧道掘进面前方的异常体。
[0020]所述步骤三的过程为:
[0021](3-1)首先把雷达发射天线递送至钻孔深度为a的位置并且固定，然后再把雷达接收天线递送至钻孔深度为a的位置，从钻孔外至钻孔深部，分别记雷达发射天线和雷达接收天线的位置为Tl、T2、T3、T4、Rl、R2、R3、R4，进行第一次雷达数据采集；
[0022](3-2)然后把雷达发射天线递送至T4的位置并固定，同样再把雷达接收天线递送至R4的位置，进行第二次的雷达数据采集，第二次雷达发射天线和雷达接收天线的位置分别为:Τ4、Τ5、Τ6、Τ7、R4、R5、R6、R7 ;然后以此类推，再进行第三次、第四次……第N次的雷达探测，直至全钻孔的雷达数据采集结束。
[0023]所述步骤四的过程为:
[0024](4-1)对步骤三采集到的原始雷达数据进行数据编辑，其中步骤包括:数据合并、废道剔除、测线方向一致化、漂移处理；
[0025](4-2)然后对雷达数据进行滤波处理、增益处理与平滑处理。[0026]所述步骤五的过程为:
[0027]对预处理后的雷达数据进行反演计算，依次把每次雷达探测的测线剖面雷达图像建立网格，对于第η条射线上的第j个网格，每次反演迭代的慢度修正量Cnj由下式计算得到:
[0028]
【权利要求】
1.一种TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统，其特征是，它包括:安装在TBM机械主体内部、TBM刀盘后方的机械伸缩旋进装置，它由多级伸缩元件构成；机械伸缩旋进装置前端采用可拆卸结构与钻头或可扩展式多级串联雷达天线固定套管连接，并在机械伸缩旋进装置控制器控制下在TBM主体前方的围岩内钻两个深度相同的钻孔并布设套管，然后分别在两个钻孔内布置雷达发射天线和雷达接收天线；所述雷达发射天线和雷达接收天线与多通道雷达主机及计算机连接，进行跨孔雷达探测。
2.如权利要求1所述的TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统，其特征是，所述机械伸缩旋进装置有两套，分别安装在TBM刀盘后端中轴线上方和下方位置。
3.如权利要求1所述的TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统，其特征是，所述多级伸缩元件采用多级伸缩油缸，完成顺时针和逆时针的旋进和旋出。
4.如权利要求1所述的TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统，其特征是，所述机械伸缩旋进装置前端与钻头可拆卸连接，钻头前端外沿设有卡齿，套管设有套管端部，在套管端部内壁设有与钻头卡齿相配合的卡槽，钻头逆时针旋进时与套管端部卡合，顺时针旋退时与套管端部分离。
5.如权利要求1所述的TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统，其特征是，所述可扩展式多级串联雷达天线固定套管带有外螺纹，所述套管内壁设有内螺纹，两者间螺纹连接，雷达天线固定套管随机械伸缩旋进装置顺时针旋转时向钻孔内部递送雷达天线固定套管，逆时针旋转向钻孔外取出雷达天线固定套管；雷达天线固定套管两端还设有连接端，连接端与连接杆螺纹连接，相邻雷达天线固定套管通过连接杆彼此连接雷达发射天线或雷达接收天线安装在雷达天线固定套管内。
6.如权利要求1或5所述的TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统，其特征是，所述套管和雷达天线固定套管均是由绝缘材料PVC制成。
7.如权利要求1所述的TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统的预报方法，其特征是，具体步骤如下: 步骤一:预打钻孔及套管施做；在隧道掘进面上部和下部，分别打入两个深度为S，孔径为d的钻孔，s>0, d>0,同时在钻孔内进行套管施做； 步骤二:制定探测方案；根据隧道施工的要求与现场的实际情况，初步制定雷达预测方案，确定雷达发射天线、雷达接收天线分别在两个钻孔内每次发射、接收雷达波信号之间的间距； 步骤三:把可扩展式多级串联发射天线和接收天线递送到钻孔内，并依次对各个预设测点进行雷达数据的采集； 步骤四:对采集到的每个探测剖面的雷达数据进行预处理； 步骤五:利用跨孔雷达透射成像原理，对采集到的每个探测剖面的雷达数据进行层析成像反演计算，从而确定隧道掘进面前方的异常体。
8.如权利要求7所述的预报方法，其特征是，所述步骤三的过程为: (3-1)首先把雷达发射天线递送至钻孔深度为a的位置并且固定，然后再把雷达接收天线递送至钻孔深度为a的位置，从钻孔外至钻孔深部，分别记雷达发射天线和雷达接收天线的位置为T1、T2、T3、T4、R1、R2、R3、R4，进行第一次雷达数据采集； (3-2)然后把雷达发射天线递送至T4的位置并固定，同样再把雷达接收天线递送至R4的位置，进行第二次的雷达数据采集，第二次雷达发射天线和雷达接收天线的位置分别为:T4、T5、T6、T7、R4、R5、R6、R7 ;然后以此类推，再进行第三次、第四次……第N次的雷达探测，直至全钻孔的雷达数据采集结束。
9.如权利要求7所述的预报方法，其特征是，所述步骤四的过程为: (4-1)对步骤三采集到的原始雷达数据进行数据编辑，其中步骤包括:数据合并、废道剔除、测线方向一致化、漂移处理； (4-2)然后对雷达数据进行滤波处理、增益处理与平滑处理。
10.如权利要求7所述的预报方法，其特征是，所述步骤五的过程为: 对预处理后的雷达数据进行反演计算，依次把每次雷达探测的测线剖面雷达图像建立网格，对于第η条射线上的第j个网格，每次反演迭代的慢度修正量Cnj由下式计算得到:
【文档编号】G01V9/00GK103728670SQ201410006623
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月7日 优先权日:2014年1月7日
【发明者】刘斌, 徐磊, 李术才, 杨为民, 林春金, 马翔雪, 李尧, 孙怀凤, 聂利超, 刘征宇, 宋杰, 王传武, 陈磊 申请人:山东大学