隧道瞬变电磁超前探测用天线装置的制作方法

本实用新型涉及隧道超前探测领域，特别涉及一种隧道瞬变电磁超前探测用天线装置。

背景技术：

我国是世界上隧道数量最多、情况最复杂、发展最快的国家。在建隧道围岩复杂多变，存在不良地质及含水构造，由于地调资料、勘察设计、现有技术手段的局限性，导致隧道地质可靠性受限，造成了隧道施工的不确定性，进而造成工期、安全、经济风险。超前探测技术预测前方富水性及规模成为迫切需要。

瞬变电磁法是现有在隧道进行超前地质预报中常用的一种方法，其是采用电磁感应原理，对水体等低阻体的不良地质体具有独到的优势。根据以往工程实例，瞬变电磁法进行隧道超前地质预报能有效地预报预防低阻水体，从而减少隧道开掘过程的的突水突泥事故的发生。现有技术中，公开了一种用于物理模拟试验的隧道瞬变电磁超前探测阵列式天线(CN103050769A)的专利，其提到了一种阵列式天线的探测方法，但隧道开挖的掌子面的范围有限，且天线本身具有一定的线圈大小和受金属干扰明显，以及其进行阵列式布设方式的实施过程中的不方便性，急需一种方便操作，又可以提高对隧道掌子面低阻体探测效果的方法。而且，现有的瞬变电超前探测技术反映的主要是隧道掘进正前方的地质情况，对掘进前方四周信息无法反馈，进而造成隧道施工过程中四周出水的事故，影响施工安全。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供一种隧道瞬变电磁超前探测用天线装置及其探测方法，可按照不同角度进行探测，实现隧道前方及四周地质信息的探测，从而实现对含水异常体的空间位置准确定位，进而可有针对性地布设超前探、防水钻孔，既节约了钻探成本，又提高了掘进工效，减少隧道掘进事故。

本实用新型的一种隧道瞬变电磁超前探测用天线装置，包括天线单元和转角度支架，天线单元包括中心轴线重合并形成重叠回线设置的发射天线和接收天线，转角度支架包括竖直设置的支撑架和以可相对支撑架上下转动的方式与支撑架配合设置的连接杆，天线单元以可相对连接杆左右摆动的方式连接于连接杆。

进一步，发射天线包括发射线框和多匝缠绕在发射线框上设置的发射线圈；接收天线包括接收线框和多匝缠绕在发射线框上设置的接收线圈。

进一步，发射天线与接收天线在线框轴向上的间距为2cm。

进一步，发射线圈匝数为24匝，接收线圈匝数为64匝。

进一步，发射线圈采用直径为2mm的单股漆包线，接收线圈采用直径1mm的单股漆包线。

进一步，发射线圈和接收线圈为同一顺序并行缠绕。

进一步，连接杆与支撑架的连接处、天线单元与连接杆的连接处均设置有用于测量活动角度的角度测量装置。

本实用新型的有益效果：本实用新型的隧道瞬变电磁超前探测用天线装置，由于天线单元可相对连接杆左右摆动，连接杆可相对支撑架上下转动，在探测使用时，发射天线和接收天线可同步按照不同角度对隧道前方及四周地质信息的探测，即使得采集的数据可组成三维数据体，为进一步的隧道超前方多方位三维成像实现提供基础数据；采用该定点转角度天线探测的超前预报成果，可实现对含水异常体的空间位置准确定位，进而可有针对性地布设超前探、放水钻孔，既节约了钻探成本，又提高了掘进工效，减少隧道掘进事故。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述。

图1为本实用新型中的定点转角度天线的结构示意图；

图2为本实用新型中的定点转角度天线的天线单元与连接杆结构示意图；

图3为本实用新型中的天线单元与连接杆的摆动机构结构示意图。

具体实施方式

图1为本实用新型中的定点转角度天线的结构示意图，图2为本实用新型中的定点转角度天线的天线单元与连接杆结构示意图，图3为本实用新型中的天线单元与连接杆的摆动机构结构示意图，如图所示：本实施例的隧道瞬变电磁超前探测用天线装置，包括天线单元和转角度支架，天线单元包括中心轴线重合并形成重叠回线设置的发射天线1和接收天线2，转角度支架包括竖直设置的支撑架3和以可相对支撑架3上下转动的方式与支撑架3配合设置的连接杆4，天线单元以可相对连接杆4左右摆动的方式连接于连接杆4；其中，发射天线1和接收天线2的中心轴线重合是指两者的中心位置在几何上完全重合，从而具有强分层能力，在百米深度范围内具有较高的分辨率；接收天线2和发射天线1通过固定块5连接，天线单元整体通过摆动机构与连接杆4连接，摆动机构包括与连接杆4固定连接的摆动球包7和以仅可左右摆动的方式与摆动球包7形成球铰配合的摆动球体8，摆动机构还包括与摆动球体8连接并与天线单元连接的固定杆6，固定杆6与天线单元上设置的固定块5连接，摆动球包7的横向两侧设置有摆动开口槽9，摆动球体8的横向两侧分别设置有用于与对应侧摆动开口槽9滑动配合并形成摆动止端限位的摆动限位块10；连接杆4通过转动机构与支撑架3连接，转动机构包括转动球包11和以仅可上下转动的方式与转动球包11形成球铰连接的转动球体12，转动球包11与支撑架3固定连接，转动球体12与连接杆4固定连接，转动球包11的上下两侧各设置有一个转动开口槽13，转动球体12的上下两侧分别设置有与对应侧转动开口槽13滑动配合并形成转动止端限位的转动限位块14；即天线单元通过摆动限位块与摆动开口槽的配合实现左右摆动，并通过转动限位块14与转动开口槽13的配合实现上下转动，以实现不同角度的调节；本实现例中，天线单元的摆动角度为左45°-右45°，上下转动角度范围为上45°-下45°。

本实施例中，发射天线1包括发射线框和多匝缠绕在发射线框上设置的发射线圈；接收天线2包括接收线框和多匝缠绕在发射线框上设置的接收线圈；其中，发射线圈与发射机相连，接收线圈与接收机相连；在本实施例中，发射线框和接收线框均为正方形。

本实施例中，发射天线1与接收天线2在线框轴向上的间距L为2cm；发射线圈和接收线圈分别靠线框两边，二者留有一定间距，间距为2cm，以减少二者互感效应。

本实施例中，发射线圈匝数为24匝，接收线圈匝数为64匝。

本实施例中，发射线圈采用直径为2mm的单股漆包线，发射天线1电阻≦1×10^-2Ω/m，接收线圈采用直径1mm的单股漆包线，接收天线2电阻≧1Ω/m。

本实施例中，发射线圈和接收线圈为同一顺序并行缠绕。

本实施例中，连接杆4与支撑架3的连接处、天线单元与连接杆4的连接处均设置有用于测量活动角度的角度测量装置；即在摆动机构和转动机构处各设置一个角度测量装置，以精确测量摆动角度和转动角度，减少误差，其中，角度测量装置可采用角度仪或角度传感器。

本实用新型的天线形成定点转角度天线，在使用前先确定与隧道掌子面相垂直的基准测线，然后将天线对正基准测线设置，首先通过连接杆与支撑架的活动机构固定天线仰俯角(如仰角40°)，再保持仰俯角不变的情况下，在水平方向，从左向右摆动动天线，范围-40°～40°，角度差10°，共采集9个测点，之后再改变仰俯角(如30°)，保持该仰俯角不变，在水平方向，从左向右摆动天线，范围-40°～40°，角度差10°，共采集9个测点，之后类推……，以基准测线为原点，仰俯角的调整范围为40°～-40°，仰俯角调整间隔角度为10°，这样共测得有81个测点；每次水平左右摆动一次为一个测点，每个测点有若干已知测道组成，每个测道在探测方向上可以用一个点P表示(P点为对应某一已知仰俯角和水平角的不同测道的位置点)，P点的约束条件有仰俯角、水平角和距探测点直线距离；我们通过极坐标空间中的P点，通过已知的仰俯角、水平角，转换成直角坐标中的x,y,z数据，再增加通过视电阻率计算得到的视电阻率数据p，得到三维数据体(x,y,z,p)，进而进行三维可视化出图。通过这种定点转角度天线进行探测，不同角度的数据组成一个文件，可实现隧道前方及四周地质信息的探测，采集的数据可组成三维数据体，为进一步的隧道超前多方位三维成像实现提供基础数据。依据通过定点转角度天线所获得的超前预报成果，可实现对含水异常体的空间位置准确定位，进而可有针对性地布设超前探、放水钻孔，既节约了钻探成本，又提高了掘进工效，减少隧道掘进事故。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。