隧道掘进机机载电阻率超前探测实时采集电极系统与方法与流程

本发明涉及一种隧道掘进机机载电阻率法超前探测实时采集电极系统与方法。

背景技术：

二十一世纪我国经济社会的迅速发展，推动着科学技术的突飞猛进。近年来，隧道工程建设取得了丰硕成果。其中隧道掘进机作为一种具有开挖速度快、施工安全性高、对地表扰动小、劳动力成本低、机械自动化程度高等诸多优势的隧道施工掘进装备被广泛应用于国内外各大隧道建设中，极大的提高了隧道施工机械化、自动化水平。

然而，由于掘进前方地质体不确定性，在隧道掘进机向前掘进的过程中往往会因为溶洞、导水通道、地下暗河、断层、破碎带等不良地质情况引发突水、突泥、卡机、塌方等事故，一旦事故发生，经济损失和人员伤亡难以避免。针对地下“黑箱”问题，采用超前地质预报手段提前探明不良地质体十分必要。隧道掘进机三维电阻率法超前地质预报技术是一种适用于隧道掘进机的超前地质预报方法。此种超前预报方法的具体实施方法为：在刀盘表面安装测量电极，四周安装屏蔽电极，并通过电缆将电极与主控室连接，电极与前方和周边围岩接触，采用聚焦扫描模式依次采集数据；在掌子面前方激建立激发电场，地质体中的含水体会产生二次极化电场，激发电场关闭后，通过测量极化电场的衰减时间和视电阻率来判断含水体的位置与水量，从而实现一种与以隧道掘进机为核心的掘进方法相适应的超前地质预报方法。目前此种方法仅适用于处于停机状态的隧道掘进机，可以利用隧道掘进机常规维护的时间进行探测，充分利用了空余时间，提高了掘进效率。

但是这种探测方式仍存在一些问题。在隧道掘进机停机维护时进行探测，探测到的是有限的距离，当隧道掘进机掘进至该长度时就必须停机，因为探测到的部分已经通过，前方又是一片未知的地质体，必须等待再次探测之后才能重新开始掘进，这样就导致掘进效率的降低，如果能够实现隧道掘进机掘进过程中实时采集数据就能避免上述问题，可提高探测效率和探测覆盖里程。然而如要实现掘进过程实时探测过程，隧道掘进机刀盘搭载的探测电极面临很多困难。

一方面，由于掌子面岩石可能破碎、粗糙度较大，刀盘在旋转掘进过程中会与此类岩面直接接触，同时现有电极装置为固定电极，不具备滚动能力。在刀盘旋转时，电极会与岩面产生滑动摩擦，导致电极头的磨损与毁坏，难以应用。

另一方面，电极伸出时往往会遇到会凹凸不平的岩面，由于目前电极仍为液压油缸控制伸缩，整体处于刚性不可随意伸缩设计，在面对此类岩面时很难随时回弹进刀盘，这种情况会严重影响勘探效果。例如，若电极经过岩面的凸起，突出的岩石会损坏电极，甚至有可能折断电极；若经过岩面的凹陷部位，则电极与岩面无法实现良好接触，影响探测效果。

再者，三维电阻率反演方法要求了在电极实时采集过程中，需要对应每组观测数据对应的采集电极位置，才能够获知监测岩面所采集数据的具体位置以及该位置的地质体数据信息，实现有效可用的监测和预报。由于刀盘在掘进过程中一直处于转动状态，因此在电极工作时难以实时定位电极位置，会导致采集数据的位置坐标无法精确定位，从而不能直观、准确地认识前方掌子面的地质状况。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种隧道掘进机机载电阻率法超前探测实时采集电极系统与方法，本发明能够适应地下复杂地质情况，减少电极头的磨损破坏，同时可以提高电极对复杂地质岩面的适应性，提高探测精度，而且能够对电极实时定位，保证测量数据的准确性，为数据处理提供重要依据。该技术通过可变方向电极设备，解决掌子面岩石粗糙度大导致电极容易过度磨损的问题；通过弹性伸缩装置，解决电极对凹凸不平岩面适应性差的问题；通过变阻定位设备，解决电极的实时定位问题，可以有效实现刀盘掘进过程中进行探测

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种隧道掘进机机载电阻率法超前探测实时采集电极系统，包括可变方向电极机构、弹性伸缩装置和变阻定位机构，其中：

所述可变方向电极机构包括接触电极件和变向传动件，所述接触电极件接触电极，在掘进过程中与岩面直接接触，以激发电场，接触电极件通过变向传动件绕其中心轴自由转动，将与岩面接触的滑动摩擦转化为滚动摩擦；

所述弹性伸缩装置，包括动力收缩部件和弹力推进部件，弹力推进部件组装于电极后方，与刀盘内部紧密连接，动力收缩部件设置与电极边缘，对电极的缩进施加力，以克服弹力推进部件施加的弹力；

所述变阻定位机构包括滑动变阻器，以极坐标系为坐标轴进行定位，以刀盘中心为极坐标系的圆心，通过检测滑动变阻器的阻值的变化，确定刀盘所在的不同位置，以推算跟踪电极的位置。

所述变向传动件包括轮架、轮轴旋转轴承和轮式端头，所述轮架的一端设置于接触电极件尾端，另一端通过轮轴旋转轴承连接于轮式端头中心轴处，使得电极杆绕轮式端头中心轴自由旋转。

变向传动件起到使接触电极装置可以受控制的自由旋转，以适应刀盘的旋转。

所述接触电极件通过变向传动件的轮架、轮轴旋转轴承，将探测信息以电流形式传播至电极杆。

优选的，所述接触电极件的材料选用钨铜合金，钨铜合金具有较好的导电性和一定的耐磨性，另外也有较高的高温强度和一定的塑性，高温强度可以避免摩擦产生的热量对机构产生损害，塑性可以保证电极与岩面的良好接触。接触电极件将现有的橡胶电极接触端部改用轮式结构，以滚动摩擦代替滑动摩擦，允许轮式端头在岩面平面内水平360度旋转，极大的减小了电极与岩面的摩擦。

进一步的，所述可变方向电极机构还包括固定保护装置，固定保护装置包括承力板和弹性垫片，所述承力板设置于电极杆末端与变向传动件的连接处，所述弹性垫片设置于弹性垫片上。所述固定保护装置的承力板起到增加荷载力的作用，所述弹性垫片增加了掘进过程中可变方向电极机构的抗震性，对电极有加固保护作用。

优选的，所述动力收缩部件为液压收缩装置，包含两个液压缸，对称分布于电极杆两侧，于电极杆进行连接，起到为电极的收回提供力的作用。

优选的，所述弹力推进部件为弹簧，弹簧固定在电极杆的后方，与电极杆尾部相连，另一端与刀盘进行紧密连接。

当然，本领域技术人员在本发明的工作原理的启示下，将动力收缩部件进行更改，如变化为电力源或其他形式，或将弹力推进部件替换其他弹性件或能够实现伸缩的装置，均属于不需要付出创造性的劳动，理应属于本发明的保护范围。

所述变阻定位机构包括环形变阻装置、控制电路装置和信号处理与传输装置，利用电流表监控回路内电流，以监控环形变阻装置的阻值，达到对电极位置的实时监测，变阻定位机构安装于刀盘背面板内侧。

进一步的，所述环形变阻装置由一个环形滑动变阻器组成，环绕在刀盘中心点周围，安装于刀盘背面板内侧，电极杆通过划片与环形变阻装置刚性连接，构成滑动变阻器。

环形变阻装置可以不是一个整环，以避免测量中可能出现的阻值不唯一情况的发生，为整套机构提供检测的物质基础。

进一步的，所述控制电路装置包括供电机构、电流检测装置和导线，导线分为活动导线与固定导线两种，连接电极与环形变阻装置的导线为活动导线，随着刀盘与电极的旋转而旋转，将环形变阻装置、供电机构和电流检测装置连接的导线属于固定导线。

在电极旋转运动的路径上设置一与路径相同的环形导线，用于构成闭合回路。

所述信号处理与传输装置包括传输电缆和信号处理器，传输电缆连接电流检测装置与信号处理器，信号处理器将返回的电流信息转化为电阻信息。

优选的，信号处理器置于主控室内。

基于上述装置的工作方法，可变方向电极机构随着刀盘的运动适应性的旋转，机构不工作时收回在刀盘中，工作时弹出，需要电极弹出时，动力收缩部件逐渐放缓使弹力推进部件回弹，电极弹出与岩面接触，刀盘旋转时若遇到凹凸界面，在凹界面处，电极被仍处于压缩状态的弹力推进部件所施加的推动力作用而紧贴岩面，在凸界面处，电极被挤压部分收回，弹力推进部件重新被压缩，保证接触电极件始终与岩面良好接触，使用变阻定位机构来对电极位置进行实时监控，采用极坐标系进行定位，以刀盘中心为极坐标系的圆心，检测电路中电流的大小，以此监测阻值的变化，并推算跟踪电极的位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.在掘进过程中采用本发明提供的电极系统与技术可以实现掘进过程实时探测，避免了因为停机探测而影响隧道掘进机正常施工工序的问题，极大的提高了掘进与探测的效率，同时，在掘进过程中实时采集，可以使得探测全里程覆盖隧道掘进里程，避免不良地质体漏报。

2.本发明提出了一种可变方向电极机构装置，通过接触电极装置、变向传动装置、固定保护装置的组合，实现了在掘进过程中电极与掌子面的实时接触，解决了刀盘旋转时电极头与岩面产生大量摩擦导致电极头磨损严重的难题。

3.本发明加装提出的弹性伸缩装置，采用新的电极伸出收回机制，使用弹簧提供弹出力，液压缸提供收回力的方式，使弹簧始终处在一种柔性伸缩的状态，保证电极可以适应各种凹凸不平的岩面，避免了刀盘旋转时造成电极被岩面凸起阻隔折断或者因为凹陷而接触不良的现象发生。

4.本发明提供了一种可以实现对电极位置进行实时监控的机构，实现了实时采集数据的同时记录该组数据测量电极的所在位置，为数据处理提供了有效的位置信息。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1(a)是本发明的可变方向电极装置主视图；

图1(b)是本发明的可变方向电极装置侧视图；

图1(c)是本发明的可变方向电极装置俯视图；

图1(d)是本发明的可变方向装置细部图；

图2是本发明的弹性伸缩装置图；

图3是本发明的变阻定位装置图；

图3(a)是本发明的刀盘电极布置图；

其中，1.电极杆，2.接触电极装置，3.承力板，4.轮架，5.轴承，6.轴，7.轮式端头，8.挡圈，9.垫圈，10.固定装置，11.液压收缩装置，12.弹力推出装置，13.探测电极，14.划片，15.环形变阻装置，16.导线，17.环形导线，18.电流监测装置，19.供电机构，20.TBM刀盘，21.刀具。

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。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

一种可以有效实现刀盘掘进过程中进行探测的电极系统与技术，该系统由可变方向电极机构，弹性伸缩装置和变阻定位机构组成。

所述可变方向电极机构包括接触电极装置、变向传动装置和固定保护装置。接触电极装置与岩面直接接触，因此要求具有良好的耐磨性，起到主要的激发电场的作用，因此要求具有良好的导电性。变向传动装置主要由轮轴旋转轴承和杆轴旋转轴承等组成，起到使接触电极装置可以受控制的自由旋转，以适应刀盘的旋转。固定保护装置主要由承力板、橡胶垫片等组成，起到对电极的加固保护作用。

为了解决背景技术中存在的由于掌子面岩石可能破碎、粗糙度较大，刀盘在旋转掘进过程中会与此类岩面直接接触，同时现有电极装置为固定电极，不具备滚动能力。在刀盘旋转时，电极会与岩面产生滑动摩擦，导致电极头的磨损与毁坏，难以应用的问题。

所述接触电极装置采用轮式设计，变滑动摩擦为滚动摩擦，极大的减小了电极与岩面的摩擦。材料选用钨铜合金，钨铜合金具有较好的导电性和一定的耐磨性，另外也有较高的高温强度和一定的塑性，高温强度可以避免摩擦产生的热量对机构产生损害，塑性可以保证电极与岩面的良好接触。

所述变向传动装置由轮轴旋转轴承和杆轴旋转轴承等组成，轮轴旋转轴承保证了轮式设计的接触电极装置可以自由绕轮轴心旋转，起到变滑动摩擦为滚动摩擦的作用。杆轴旋转轴承设置在电极杆内，连接电极杆与接触电极装置，使得装置可以在所在平面内水平360°旋转，以适应刀盘的旋转。

所述固定保护装置主要由轮架、橡胶垫片等机构组成，轮架起到支撑轮式接触电极装置的作用，橡胶垫片减缓了螺母与挡圈之间的摩擦，位于电极杆与接触电极装置之间的橡胶垫片也起到了减小摩擦和减缓冲击的作用。

为了解决电极伸出时往往会遇到会凹凸不平的岩面，由于目前电极仍为液压油缸控制伸缩，整体处于刚性不可随意伸缩设计，在面对此类岩面时很难随时回弹进刀盘的现有技术的问题。

所述弹性可伸缩电极由液压收缩装置和弹力推进装置组成。弹力推进装置组装于电极后方，与刀盘内部进行紧密连接，液压收缩装置组装与电极四周，能起到对电极的收回施加力的作用。

所述液压收缩装置由一套液压缸组成，一套内包含两个液压缸，对称分布于电极杆两侧，于电极杆进行连接，起到为电极的收回提供力的作用。

所述弹力推进装置由一个高弹弹簧组成，高弹弹簧固定在电极杆的后方，与电极杆尾部相连，另一端与刀盘进行紧密连接。

所述变阻定位装置由环形变阻装置、控制电路装置、信号处理与传输装置组成，利用电流表监控回路内电流，进而监控变阻装置的阻值，从而达到对电极位置的实时监测。装置安装于刀盘背面板内侧。并由主控电脑监控控制。

所述环形变阻装置由一个环形滑动变阻器组成，环绕在刀盘中心点周围，安装于刀盘背面板内侧，环形变阻装置不是一个整环，以避免测量中可能出现的阻值不唯一情况的发生，为整套机构提供检测的物质基础。

所述控制电路装置由环形变阻装置、供电机构、电流检测装置、导线等组成。连接导线分为活动导线与固定导线两种，连接电极与环形变阻装置的导线属于活动导线，随着刀盘与电极的旋转而旋转，连接环形变阻装置、供电机构、电流检测装置的导线属于固定导线。在电极旋转运动的路径上设置一与路径相同的环形导线，用于构成闭合回路。

所述信号处理与传输装置由传输电缆和信号处理机构组成，传输电缆连接电流检测装置与信号处理机构。信号处理机构置于主控室内，内置一套信号处理程序，可以将返回的电流信息转化为电阻信息。

一种可以实现刀盘旋转过程中进行探测的技术方法，可变方向电极机构可以随着刀盘的运动适应性的旋转，机构不工作时收回在刀盘中，工作时弹出，轮式设计的接触电极装置与岩面良好接触。采用导电性良好钨铜合金材料保证了接触电极装置满足电法勘探的基本要求。轮式设计避免了在刀盘旋转的过程中电极头的过度磨损，减小损耗、提高探测效率。

弹性伸缩装置具体是在电极杆的最尾端设置的弹力推进装置在电极收回状态下处于压缩状态。为了使弹簧可以处于压缩状态，另外在电极杆四周设计的液压收缩装置在电极收回状态时予以压力压缩弹簧。当需要电极弹出时，液压缸的力逐渐放缓使弹簧缓慢回弹，电极弹出与岩面接触，此时要满足弹簧仍处于部分压缩状态。刀盘旋转时若遇到凹凸界面，在凹界面处，电极可以被仍处于压缩状态的弹簧所施加的推动力作用而紧贴岩面，在凸界面处，电极被挤压部分收回，弹簧重新被压缩。在弹簧压缩与放松的来回转换之间，保证了电极与凹凸岩面的良好接触，同时保护了电极不会因为岩面的凹凸不平而导致损坏。

电极收回时，液压缸加力，使弹簧重新被压缩，电极收回。

为了解决刀盘在掘进过程中一直处于转动状态，电极工作时难以实时定位电极位置，会导致采集数据的位置坐标无法精确定位的问题。

本发明使用变阻定位装置来对电极位置进行实时监控，采用极坐标系进行定位，以刀盘中心为极坐标系的圆心，以水平方向为0°和180°角。在刀盘旋转时，活动导线同时进行旋转，刀盘在不同的位置时，滑动变阻器的阻值也随之变化，在电路中设置的电流检测装置可以检测电路中电流的大小，以此监测阻值的变化，并推算跟踪电极的位置。

在TBM刀盘旋转掘进过程中，电极在实时采集的同时可以记录下每个电极到中心点的距离，以此提供径向定位所必需的的资料。

作为一种典型实施例，如图1(a)-图1(d)所示，此装置包括两部分，一是电极杆1，二是接触电极装置2。其中，橡胶电极接触端部改用轮式的接触电极装置2，以滚动摩擦代替滑动摩擦；允许轮式端头在岩面平面内水平360度旋转；轮式的接触电极装置2按照轴6、挡圈8、轴承5、轴架4、垫圈9、螺母10安装顺序进行连接，保证连接紧密，可在轴6与轴承5间采用石墨润滑剂，石墨润滑剂良好的润滑性使轮式电极端部可以灵活转动，同时石墨润滑剂具有极佳的导电性(接近于铁)不影响电极基本的导电性。材料方面，方板3、轴架4、轴承5、轴6、万向轮7、螺母10、挡圈8均采用钨铜合金，且钨铜合金导电性良好，且有较大的耐磨性，可以满足长期使用的需要。垫圈9为耐磨密封橡胶环。

探测时，轮式端头7与岩面接触，此时因为变向传动装置的作用，假定轮式端头7受到一个普通的力F，F可分解为垂直于刀盘的力Fz和平行于刀盘平面的力Fxy.Fz可忽略，Fxy可分解为沿轮轴的力Fy和垂直于轮轴的力Fx.因为有两个轴承，万向轮可以整合沿Z轴旋转，也可以轮子沿轮轴Y旋转。因为力的作用点一般不在Z轴上，Fxy会产生xy面上的转矩，所以万向轮会沿Z轴旋转，当万向轮旋转至Fxy所在直线通过Z轴时，转矩为零，万向轮方向稳定，不在旋转，因此轮式端头7可以在岩面所在平面内360°自由转动，因此轮式端头7可以适应刀盘的运动。接触电极装置2进行探测，探测信息以电流形式传播，电流依次经过轮式接触装置7、轴6、轴承5、轮架4、方板3，最后进入电极杆1，电流通过与主控室连接的电缆进行传输，在主控室内探测系统中转化成为地质信息数据，存储到计算机内。

如图2所示，当需要探测时，液压收缩装置11逐渐卸压，电极在弹力推出装置12力的作用下伸出，轮式端头7与岩面良好接触，开始探测。当遇到凹凸不平的岩面时，弹性伸缩装置可以保证电极对岩面的良好的适应性。当遇到突起处时，电极被挤压，弹力推出装置12被迫压缩，电极部分回缩；当遇到凹陷处时，弹力推出装置12继续推出电极，保证电极与岩面的接触。接触电极装置2不工作欲把电极收回时，液压收缩装置11逐渐加压，弹力推出装置12受力收缩，电极回收，接触电极装置2回缩在刀盘20内。轮式端头以滚动摩擦代替滑动摩擦，且采用钨铜合金材料制作，即保证了良好的导电性，钨铜合金本身良好的耐磨性又有效避免复杂地形对电极头产生的磨损和破坏，延长电极使用寿命。

如图3所示，电极的位置主要通过环形变阻装置的环向定位与依靠电极13和刀盘中心点距离的径向定位两套系统实现定位。此装置安装在电极杆尾端，采用极坐标定位，刀盘20中心为极坐标系圆心，水平方向为0°和180°角，装置中的供电机构19、电流监测装置18、划片14、环形变阻装置15由导线16连接而成，电极杆1通过划片14与环形变阻装置15刚性连接，构成滑动变阻器，划片14采用不可弯曲的直导线，环形导线17辅助构成闭合线路。环形变阻装置15与环形导线17是同心圆。环形变阻装置15采用导电线圈捆扎而成，在环形变阻装置15与环内导线17在接触部位偏下1mm处将变阻环15打断，以避免测量电阻的多解性。

环向定位原理：刀盘20旋转，与电极杆1刚性连接的划片14也同时进行旋转，划片14随之在滑动变阻器环15上移动，当划片14移动到滑动变阻器环15内不同位置时，此电路内电阻阻值不同，记此时环形变阻装置的阻值为r，环形变阻装置的总电阻值为R。电流监测装置18监测电路中的电流，设电流监测装置的读数为I，供电装置提供的电压为U，不计导线电阻，根据I＝U/r，得到r的数值。根据r/R＝θ/360°，计算极坐标参数θ，再利用电极杆1在刀盘20上的径向距离L进一部定位。通过极坐标(L，θ)实现电极13定位，在结合电极13传输回主控室的信息，结合刀盘运转的速度，将电极位置回归到其激发或接收电信号时的位置，可以实现电极的真正实时定位，可以精确得到前方掌子面的地质信息，从而直观、准确地认识前方掌子面的地质状况。

本发明未详述内容均为现有技术，不再赘述。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

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。