用于TBM的滚动接触式电法实时超前探测搭载装置及方法与流程

本发明涉及隧道不良地质体探测的实时超前探测领域，尤其涉及一种用于TBM的滚动接触式电法实时超前探测搭载装置及方法。

背景技术：

随着各大城市地铁建设力度的不断加大，跨江越海隧道工程不断增加，国家的重点建设项目，如长距离供水、水下交通、西气东输等工程都将涉及到穿越江河的问题；铁路、公路、市政、供水、供气、防洪、水电等隧道工程的建设。这些都会使隧道(隧洞)的数量大幅度增多。TBM施工是主流的隧道开挖方法，TBM(Tunnel Boring Machine)主要是利用机械压力对岩石土地进行切削、破碎，是高度机械化和自动化的大型地下隧道开挖设备，具有高效、快速、优质、安全等优点。经过半个多世纪的发展，TBM掘进技术已相当成熟，但是TBM施工对地质状况非常敏感,在深埋长大隧洞TBM施工中,经常遇到不良地质体,如大规模塌方、涌水,岩爆等,都会严重影响TBM正常的掘进施工。为保证TBM施工安全,需要实时对不良地质体进行超前地质探测和超前地质预报,判断可能发生施工地质灾害的相对位置、规模和严重程度等,以便提前做好技术准备,指导TBM施工。然而TBM装置十分复杂，刀盘改装空间和超前预报时间十分有限，使用现有的电法探测方式费时费力，无法在TBM上有效搭载，难以满足TBM施工快速、准确的探测前方的不良地质体的要求。

为了实现探测系统与TBM的一体化集成化，亟需研制用于TBM电法超前探测的搭载装置，在掘进机施工条件下实现实时的探测，提高探测效率。然而由于TBM的机械构造和特有的施工形式，电法探测装置搭载在TBM上面临着诸多问题，主要如下：

①允许探测周期短。TBM仅有较短的时间不工作停机保养，而探测需在该时间范围内快速高效的完成。快速完成供电电极和测量电极快速布置，是提高TBM搭载电法探测效率需解决的首要问题。

②刀盘电极易损毁。电法探测装置采用接触式电极，与掌子面接触耦合。在TBM掘进或刀盘维修时，需要转动刀盘。转动的过程中会破坏电极及推出装置，影响超前地质探测。采用新型的不易损坏的接触式电极是一个亟需解决的重要问题。

③TBM施工过程中，刀盘相对于TBM主体结构不停转动，为实现两者之间的有效安全连接，亟需提出一种回转接线装置。能够在TBM刀盘转动的同时顺利实现电缆的回转以及刀盘电极用水和液压油的回转。

技术实现要素：

本发明针对于现有TBM电法搭载装置存在的技术问题，提出了一种用于TBM的滚动接触式电法实时超前探测搭载装置及方法，为TBM的安全施工提供技术支撑。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于TBM的滚动接触式电法实时超前探测的搭载装置，包括：滚动液压电极、回转接线设备、合并管路和固定电极；所述滚动液压电极与所述回转接线设备通过合并管路完成刀盘与TBM主体之间电性信号以及油液管路连接；回转接线设备和固定电极分别与电法探测的主机系统连接；

所述回转接线设备包括：电法回转接线设备外环、电法回转接线设备内环、TBM回转接线设备外环以及TBM回转接线设备内环；

所述TBM回转接线设备内环与TBM主体连接并保持静止，所述电法回转接线设备外环通过电刷与电法回转接线设备内环连接，所述电法回转接线设备内环与TBM回转接线设备内环连接，所述TBM回转接线设备内环连接电法探测的主机系统。

进一步地，所述滚动液压电极包括滚动液压供电电极和滚动液压测量电极；固定电极包括进行供电的固定供电电极B和进行测量的固定测量电极N。

进一步地，

所述滚动液压供电电极安装在刀盘的大半径上，构成多个相同极性的供电电极；

所述滚动液压测量电极安装在刀盘的小半径上，构成阵列式测量电极系。

进一步地，所述主机系统分别通过回转接线设备为滚动液压供电电极和固定供电电极B供电，同时通过回转接线设备采集滚动液压测量电极和固定测量电极N的数据。

进一步地，进行探测时，所述主机系统发出的油液加压指令通过回转接线设备传送至刀盘滚动液压电极内部的液压油泵，液压油泵加压后将电极伸出至接触掌子面，完成探测的电路布置。

进一步地，所述滚动液压电极还包括：绝缘层，耐磨保护套和液压油缸；

所述滚动液压电极与液压油缸连接，所述液压油缸固定在刀盘前面板上，所述液压油缸由缆线连接回转接线设备；所述滚动液压电极的外部由绝缘层包裹，所述耐磨保护套是电极的框架外壳。

进一步地，所述合并管路包括：液压供油管、多芯电缆和供水水管；

所述液压供油管和供水水管分别在刀盘内产生分路，分别为作为每个滚动电极的供油和供水管道；所述多芯线缆包括与液压供油管和供水水管所产生的分路相匹配的单芯线缆，作为每个滚动电极的供电通道。

一种TBM，所述TBM上设置有用于TBM的滚动接触式电法实时超前探测搭载装置；所述滚动液压电极分别安装在TBM刀盘的工作面和护盾上并随刀盘旋转，所述固定电极在TBM后配套拖车处固定布设。

一种用于TBM的滚动接触式电法实时超前探测搭载装置的工作方法，包括：

(1)在TBM上安装回转接线设备并铺设电缆，电缆一端连接所述刀盘上的滚动液压电极，另一端连接回转接线设备，回转接线设备经电缆与主机系统连接；护盾上滚动液压电极经电缆与主机系统连接，TBM后配套拖车处的固定供电电极B和固定测量电极N经电缆与主机系统连接；

(2)探测时，由主机系统发出加压指令，油液通过合并管路加压传送至刀盘滚动电极内部的液压油泵，液压油泵加压后将电极伸出至接触掌子面，同时油液通过液压管路使护盾上滚动液压电极推出至围岩，完成探测的电极布置；

(3)主机系统设定电流，对所述滚动液压供电电极和固定电极B进行供电，同时获取滚动液压测量电极和固定电极N的数据，完成测量数据采集；

(4)随着所述TBM的刀盘在掌子面的推进，依次选择下一工作面进行探测，重复所述步骤(3)，实现探测数据的实时采集。

本发明的有益效果是：

1、本发明在TBM的制造过程中在刀盘上安装供电电极和测量电极，同时，将固定供电电极和固定测量电极固定安装于TBM的盾尾处；仅在刀盘上安装电极系可有效避免后方金属物的干扰，提高对前方的超前探测能力，更为重要的是克服了刀盘与掌子面空间极为狭小的问题。

2、本发明提出的滚动电极在伸出状态后可以保证在TBM掘进或刀盘维修时电极与掌子面接触耦合。同时滚动电极可以随着刀盘旋转保证了电极在TBM掘进探测时电极与掌子面接触。

3、本发明提出的回转接线设备在TBM施工过程顺利实现多芯电缆的回转以及刀盘电极用水和液压油的回转需求，实现探测装置的实时自动化探测。

4、本发明提出的搭载装置能够满足TBM快速化施工的需求，实现TBM施工过程中不停机超前探测的实时自动化探测。

附图说明

图1为本发明实施例的探测装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例滚动液压电极的结构示意图；

图3为本发明实施例回转接线设备的结构示意图；

图4为本发明实施例主机系统的结构原理示意图；

图5为本发明实施例管路合并及布置示意图；

图6为本发明实施例电极在刀盘的布置图；

其中，1.滚动液压供电电极，2.滚动液压测量电极，3.回转接线设备，4.滚动电极，5.绝缘层,6.耐磨保护套,7.刀盘前面板,8.液压油缸,9.电法回转接线设备外环,10.电刷,11.电法回转接线设备内环,12.固定支架,13.TBM回转接线设备外环,14.TBM回转接线设备内环，15.供电电极连接系统，16.多路供电装置，17.控制主机，18.测量电极连接系统,19.多路采集接收装置,20.A/D转换器，21.主机系统，22.固定电极，23.合并管路，24.液压供油管，25.多芯电缆，26.供水水管，27.单芯电缆。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

如图1所示，一种搭载于TBM的滚动接触式电法实时超前探测装置，包括：滚动液压电极、回转接线设备3、合并管路23和固定电极22；滚动液压电极通过合并管路23与回转接线设备3完成刀盘与TBM主体之间电性信号以及油液管路连接，主机系统21与回转接线设备3和固定电极22分别连接。

电性连接实现对滚动液压电极的供电和测量的通路，油液连接实现对滚动液压电极的推送和回收，合并管路23集成电性连接和油液连接的缆线，实现整体统一铺设。

其中，滚动液压电极包括四个滚动液压供电电极1和八个滚动液压测量电极2，固定电极22包括一个固定供电电极B和一个固定测量电极N；

主机系统21的结构原理如图4所示，主机系统21包括供电电极连接系统15，多路供电装置16，控制主机17，测量电极连接系统18，多路采集接收装置19，A/D转换器20；

主机系统21控制多路供电装置16，多路供电装置16由主机系统21设定测量电流和供电时间后发出相应的电信号，通过回转接线设备3接入滚动液压供电电极1和固定供电电极进行供电。测量电流指的是滚动液压测量电极2和固定测量电极的电流。

滚动液压电极的结构如图2所示，包括滚动电极4，绝缘层5，耐磨保护套6，刀盘前面板7，液压油缸8，滚动电极4的外部由绝缘层5包裹，防止电极安装后因长时间工作而腐蚀影响性能并保持和金属绝缘。耐磨保护套6是电极的框架外壳，液压油缸8由缆线连接回转接线设备3。

同时，为发挥聚焦电法的优势，将四个供电电极布置在刀盘的大半径上，实现多路电流的输出，将测量电极布置在刀盘的小半径上，实现阵列的测量电极采集，可提高探测深度与压制干扰，从而也为三维反演成像提供数据。

为了实现刀盘上的滚动液压电极旋转而后方的主机系统21不转的情况下电流与测量信号的实时传输，滚动液压电极和主机系统21之间设有回转接线设备3。

回转接线设备3的结构如图3所示，包括电法回转接线设备外环9，电法回转接线设备内环11，电刷10，固定支架12，TBM回转接线设备外环13，TBM回转接线设备内环14。TBM回转接线设备内环14与TBM主体连接并保持静止，电法回转接线设备外环9通过电刷10与电法回转接线设备内环11连接，电法回转接线设备内环11与TBM回转接线设备内环14连接；TBM回转接线设备内环14连接主机系统21，电法回转接线设备外环9连接合并管路23，合并管路23连接滚动液压电极。

合并管路23的示意图如图5所示，合并管路23包括液压供油管24、多芯电缆25和供水水管26。液压供油管24、供水水管26在刀盘内产生分路，与多芯电缆25内一一对应的单芯电缆27匹对并共同组成对应每个滚动电极4的油、水、电供送管道。液压供油管24、多芯电缆25和供水水管26的另一端连接回转接线设备3。

本实施例的一种TBM，包括前面提到的滚动接触式电法实时超前探测装置，如图1所示，滚动液压测量电极2安装在TBM刀盘的工作面上并随刀盘旋转，固定电极22在TBM的尾处固定布设。

滚动液压测量电极2在刀盘上的布置如图6所示，滚动液压电极包括四个滚动液压供电电极1和八个滚动液压测量电极2，滚动液压供电电极1安装在刀盘的大半径上，构成多个相同极性的供电电极；而滚动液压测量电极2安装在刀盘的小半径上，构成阵列式测量电极系。

上述用于TBM的滚动接触式电法实时超前探测搭载装置，其具体布置和工作方法为：

步骤(1)：在TBM的制造过程中在刀盘上安装滚动供电电极和滚动测量电极，供电电极和测量电极分别在刀盘的工作面上呈圆环状分布，供电电极套置在测量电极所构成的圆环的外侧(即：供电电极安装在刀盘的大半径上，测量电极安装在刀盘的小半径上)，多个供电电极的极性相同，多个测量电极构成阵列式测量电极系；同时，将固定供电电极和固定测量电极固定安装于TBM的TBM后配套拖车处。通常情况下，电极包括四个供电电极和八个测量电极，固定电极22包括一个供电电极和一个测量电极。

步骤(2)：在TBM上安装回转接线设备3并铺设电缆，电缆一端连接刀盘上的电极，电缆的另一端依次连接回转接线设备3；电缆连接回转接线设备3与供电与测量装置之间，同时采用电缆分别连接固定供电电极和固定测量电极到供电与测量装置，主机系统21连接电极和供电与测量装置，完成电法实时超前探测装置的连接。

步骤(3)：探测时，由主机系统21发出指令通过回转设备的连接，将油液加压传送至刀盘滚动电极4内部的液压油泵，液压油泵加压后将电极伸出至接触掌子面，将油液加压传送至护盾滚动电极1内部的液压油泵，使护盾上滚动液压电极推出至围岩，完成探测的电极布置。

步骤(4)：利用主机系统21设定电流，对供电电极和固定供电电极进行供电，供电与测量装置获取各测量电极和固定测量电极的数据，传输到主机系统21，完成测量数据工作。

步骤(5)：随着TBM的刀盘在掌子面的推进，依次选择下一工作面进行探测，重复所述步骤(4)，实现探测数据的实时采集。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。