本发明涉及一种利用超声相控阵技术探测盾构前方孤石的系统和方法，应用于隧道盾构掘进时对前方土层中是否存在孤石及孤石距盾构机的位置的探查及测量，属于岩土工程领域。
背景技术：
我国正处于经济快速发展阶段，城市地铁建设飞速发展，地下隧道挖掘多采用盾构掘进机进行施工。然而在盾构机掘进过程中常常遇到不规则分布的孤石，这些孤石多为花岗岩分化的产物，致密坚硬，产状各异，常常造成盾构机的刀刃磨损，刀盘使用寿命缩短，若在掘进时将刀盘卡死或堵塞盾构机的出渣管道，则需要停机维修，严重影响掘进速度。若对孤石处理不当，还容易引发喷涌、塌方等工程事故，造成严重的经济损失。因此，需要在盾构机掘进前探测出前方孤石的位置及粒径大小，并且快速有效地进行处理，以保证盾构机安全高效地施工。
当前已有很多孤石探测的方法，如地震波CT法、电阻率CT法等利用CT法成像，在盾构机前方钻取探测孔，将探测设备放置于探测孔内，更接近探测地层。这两种方法都属于地表跨孔方法，分辨率高，但需要多次钻孔，操作繁杂。除这两种方法之外，还有重力勘探、二维微动剖面法、地质钻探等探测孤石的方法。其中，重力勘探只有当孤石足够大引起较大的质量盈余时才能探测到，对于粒径较小的孤石则无法探测；而地质钻探由于成本较高，受场地条件限制较大，一般很少使用；二维微动剖面法一般常用于钻探无法实现的地段，受场地条件限制较小，但是在探测孤石位置和大小方面精度不够。因此，总结各类方法中存在的不足，解决场地条件限制带来的不便，精简操作程序，降低施工成本，是当前盾构机掘进孤石探测方法研究所需要解决的难题。
综上所述，针对以上几种方法的局限性，开展一种利用超声相控阵技术的孤石探测方法，有效解决场地条件、施工繁杂、经济成本高、确定孤石位置大小精度不高等难题。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有的探测技术存在的缺陷，提供一种利用超声相控阵技术探测盾构前方孤石的系统和方法，使探测孤石的距离更加精确，成像精度更高，并且操作简单、探测时间短，成本更低。
为达到上述目的，本发明提供的具体方案是：
一种利用超声相控阵技术探测盾构前方孤石的系统和方法，包括伸入前方隧道土层顶部及底部的探杆、探杆内部的超声波发射系统、探杆内部的超声波采集系统、探杆内部的无线数据传感器和计算机，所述超声波发射系统、采集系统与无线数据传感器设备均用螺栓固定于探杆内部，超声波采集系统与无线数据传感器间用电缆线连接并固定于探杆内部，无线传感器与计算机之间通过无线电信号发射器与接收器联系；所述在盾构机处将探杆钻入盾构前方土层，利用超声相控阵超声波发射系统发射超声波，超声波经孤石后成衰减后超声波，由采集系统将反射后的超声波进行采集信息，传至探杆内部的无线传感器，由传感器将信息传至计算机；所述与该探测系统与计算机采用无线连接，计算机设有超声波数据处理系统、将前方孤石形状大小通过二次波成像系统呈现出来。
进一步，所述超声相控阵超声波发射系统包括红外线感应开关、低压电源和超声相控阵列压电晶片，所述低压电源与红外线感应开关、超声相控阵列压电晶片间通过电缆线路相连接；所述红外线感应开关即在电源外部安装红外线感应装置，通过红外线感应遥控低压电源内的电路系统，通过红外感应开关控制激发超声波；所述的超声相控阵列压电晶片阵列为二维矩形阵列，每一块压电晶片都与低压电源相连，通过红外线开关遥控低压电源的开闭时序，可实现线性阵列和矩形阵列的转换。
进一步，所述反射波采集装置由接收换能器、放大电路、比较器组成，接收换能器、放大电路、比较器与无线数据传感器之间采用电缆线路相连接；所述放大电路采用三级运算放大器，可以将接收换能器接收的微弱的超声波回波信号转化为电信号，并且将其幅度放大为60万倍。放大后的电流信号送入比较器，将交流信号转换为方波信号传入无线数据传感器。
进一步，所述超声波回波经采集装置处理后的电信号由无线数据输出传感器传送到计算机终端，传感器与计算机终端间采用无线传输连接，可解决盾构机内不方便布线的问题，该传感器采用无损无压缩的技术内核以实现无损无延时传输；所述计算机对接收到的数据进行处理并成像，给出前方孤石的数量多少以及具体位置。
一种利用超声相控阵技术探测盾构前方孤石的系统和方法，采用上述系统进行操作，其特征在于具体操作步骤如下：
安装探测系统：在盾构机上安装超声相控阵声波发射探头和信号接收装置。超声波接收通道装置和处理器放置于盾构机机舱内，发射探头用现场所用锚杆支撑置于盾构机上方。超声波发射探头上安装二维矩形阵的换能器晶片阵列，每一小块压电晶片的激发时间可单独调节，以控制声束轴线和焦点参数；超声相控阵的发射探头不需要做任何移动就可使波束对前方土层进行扇形扫查探测；通过对激活晶片组的多路延时，使波束产生移动，发射不同角度范围的声波，进行全方位的探测；声波处理器方面，采用多通道处理器，普通的超声波采用单纯的声程显示，超声相控阵技术采用机械扫描和电子扫描相结合的方法来实现图像成像，二次波检测成像模式，使成像结果分辨率更高，更加直观、精准地显示孤石所在位置以及具体粒径大小；
对盾构前方土层进行声波预探测：激发单个压电晶片对盾构机前方土层进行预探测计算出超声波在该土层的传播速度等信息。超声波的传播速度在不同介质中是不同的，且还与环境温度有关；因为对前方土层探测所需的时间很短，可忽略温度对超声波的影响，只考虑由于土层强度不同对超声波带来的影响；在进行孤石探测之前，先用超声相控阵的线性阵列压电晶片激发超声波对前方土层进行大致的预探测，对采集到的声波信息进行处理，分析土层对超声波能量及频率的影响关系，提取相关有效信息并存储；
超声相控阵探头对前方土层进行探测：在盾构机前方土层钻孔，将声波换能器固定在推送杆上，并用压入设备将声波换能器同推送杆压入所钻孔洞内，激活压电晶片，并通过延时使晶片产生不同相位的声波，产生扇形声波束，由近至远对前方10米~20米内土层进行扫查探测；在声波发射的同时，打开信号采集通道；
超声相控阵声波处理器对回收到的信号处理：探杆内部的超声波采集系统采集接收到的弱衰减超声波信号和强衰减超声波信号并进行处理；采用多通道信号采集系统，为减少声波在图层中传播能量的衰减以及频率的改变，在声波处理上采用反褶积和反Q滤波的方法以提高分辨率；
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：
本发明一种利用超声相控阵技术探测盾构前方孤石的系统和方法为盾构前方超前探测孤石提供了一种有效的探测装置，与传统的跨孔探测相比，更加省时快捷，并且可以减少探测成本。
本发明一种利用超声相控阵技术探测盾构前方孤石的系统和方法在使用时，使用者可以利用盾构前方钻孔将探杆深入前方土层，施工方便，探测范围可达盾构前方40米处，探测结果相较已有的二维微动探测与重力探测的方法更精确，精度与探测范围满足施工需要。
本发明一种利用超声相控阵技术探测盾构前方孤石的系统和方法可以将采集到的波信号转换成电信号，计算机与无线数据传感器可无线连接，方便了设备的安装，电信号经计算机处理，可生成三维立体图形，更加直观的看到盾构机前方地质情况，为盾构施工安全提供了依据。
本发明一种利用超声相控阵技术探测盾构前方孤石的系统和方法不受盾构隧道埋深的影响，与传统方法相比，不会因隧道埋深的增加而增加探测费用，不受隧道埋深与地下水等因素的影响。
附图说明
图1为本发明利用超声相控阵技术探测盾构前方孤石的系统结构示意图
图2为本发明超声相控阵探测系统探杆内部装置安装示意图；
图3为本发明中压电晶片组通过延时使波束产生移动图；
图4为本发明超声相控阵声波采集系统将波信号转换为电信号传出图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例，下面对本发明的使用进行进一步说明。
实施例一：
参见图1~图4，本发明一种利用超声相控阵技术探测盾构前方孤石的系统包括伸入前方隧道土层顶部及底部的探杆1、探杆内部的超声波发射系统2、探杆内部的超声波采集系统3、探杆内部的无线数据传感器4和计算机7，所述超声波发射系统2、采集系统3与无线数据传感器4设备均用螺栓固定于探杆1内部，超声波采集系统与无线数据传感器间用电缆线连接并固定于探杆内部，无线传感器4与计算机7之间通过无线电信号发射器与接收器联系；所述在盾构机6处将探杆1钻入盾构前方土层，利用超声相控阵超声波发射系统2发射超声波8，超声波经孤石5后成衰减后超声波9，由采集系统3将反射后的超声波进行采集信息，传至探杆内部的无线传感器4，由传感器将信息传至计算机7；所述与该探测系统与计算机7采用无线连接，计算机7设有超声波数据处理系统、将前方孤石形状大小通过二次波成像系统呈现出来。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述所述超声相控阵超声波发射系统包括红外线感应开关、低压电源和超声相控阵列压电晶片，所述低压电源与红外线感应开关、超声相控阵列压电晶片间通过电缆线路相连接；所述红外线感应开关即在电源外部安装红外线感应装置，通过红外线感应遥控低压电源内的电路系统，通过红外感应开关控制激发超声波；所述的超声相控阵列压电晶片阵列为二维矩形阵列，每一块压电晶片都与低压电源相连，通过红外线开关遥控低压电源的开闭时序，可实现线性阵列和矩形阵列的转换。
所述反射波采集装置由接收换能器、放大电路、比较器组成，接收换能器、放大电路、比较器与无线数据传感器之间采用电缆线路相连接；所述放大电路采用三级运算放大器，可以将接收换能器接收的微弱的超声波回波信号转化为电信号，并且将其幅度放大为60万倍。放大后的电流信号送入比较器，将交流信号转换为方波信号传入无线数据传感器。
所述超声波回波经采集装置处理后的电信号由无线数据输出传感器传送到计算机终端，传感器与计算机终端间采用无线传输连接，可解决盾构机内不方便布线的问题，该传感器采用无损无压缩的技术内核以实现无损无延时传输；所述计算机对接收到的数据进行处理并成像，给出前方孤石的数量多少以及具体位置。
实施例三：
本实施例利用超声相控阵技术探测盾构前方孤石的方法，采用上述系统进行操作，其特征在于：
安装探测系统：在盾构机上安装超声相控阵声波发射探头和信号接收装置。超声波接收通道装置和处理器放置于盾构机机舱内，发射探头用现场所用锚杆支撑置于盾构机上方。超声波发射探头上安装二维矩形阵的换能器晶片阵列，每一小块压电晶片的激发时间可单独调节，以控制声束轴线和焦点参数；超声相控阵的发射探头不需要做任何移动就可使波束对前方土层进行扇形扫查探测；通过对激活晶片组的多路延时，使波束产生移动，发射不同角度范围的声波，进行全方位的探测；声波处理器方面，采用多通道处理器，普通的超声波采用单纯的声程显示，超声相控阵技术采用机械扫描和电子扫描相结合的方法来实现图像成像，二次波检测成像模式，使成像结果分辨率更高，更加直观、精准地显示孤石所在位置以及具体粒径大小；
对盾构前方土层进行声波预探测：激发单个压电晶片对盾构机前方土层进行预探测计算出超声波在该土层的传播速度等信息。超声波的传播速度在不同介质中是不同的，且还与环境温度有关；因为对前方土层探测所需的时间很短，可忽略温度对超声波的影响，只考虑由于土层强度不同对超声波带来的影响；在进行孤石探测之前，先用超声相控阵的线性阵列压电晶片激发超声波对前方土层进行大致的预探测，对采集到的声波信息进行处理，分析土层对超声波能量及频率的影响关系，提取相关有效信息并存储；
超声相控阵探头对前方土层进行探测：在盾构机前方土层钻孔，将声波换能器固定在推送杆上，并用压入设备将声波换能器同推送杆压入所钻孔洞内，激活压电晶片，并通过延时使晶片产生不同相位的声波，产生扇形声波束，由近至远对前方10米~20米内土层进行扫查探测；在声波发射的同时，打开信号采集通道；
超声相控阵声波处理器对回收到的信号处理：探杆内部的超声波采集系统采集接收到的弱衰减超声波信号和强衰减超声波信号并进行处理；采用多通道信号采集系统，为减少声波在图层中传播能量的衰减以及频率的改变，在声波处理上采用反褶积和反Q滤波的方法以提高分辨率；
实施例四：
如图1、图2所示，一种利用超声相控阵技术探测盾构前方孤石的系统和方法，包括伸入前方隧道土层顶部及底部的探杆1、探杆内部的超声波发射系统2、探杆内部的超声波采集系统3、探杆内部的无线数据传感器4、盾构前方孤石5、盾构机6、计算机7、发射超声波8、衰减后的超声波9、超声波采集装置收集到反射波10、二次反射波11，所述探杆1深入盾构机前方土层的顶部及底部，超声波发射装置2发射超声波8对土层进行扫描，若探测到孤石，产生衰减后的超声波9，超声波采集装置收集到反射波10和二次反射波11并转换为电信号通过传感器传输；所述超声相控阵超声波发射系统包括红外线感应开关12、低压电源13、超声相控阵列压电晶片14，所述超声波采集系统3和无线数据传感器4通过数据传输通道连接，该传输通道由数根数据传输光纤组成，实现无损无延时传输；所述超声波采集系统3和低压电源13采用导线连接，为超声波采集装置3提供工作能源；所述低压电源13与红外线感应开关12及超声相控阵压电晶片14通过复杂线路连接，以控制电源主电路对压电晶片的延时供能。
如图3所示，以超声相控阵一排压电晶片为例，在电源对各压电晶片的延时控制下，所发射的超声波扇形波面自左向右产生移动，从而对盾构前方土层进行全方位扫描。
如图4所示，超声波采集系统将波形信号转换为电信号传出。
对盾构机前方土层中存在的单个孤石进行探测并得出其具体位置及大小情况。装置使用如下：通过钻孔机对盾构机前方土层顶部和底部分别钻孔，并将探杆1伸入钻孔内，在盾构机内通过红外线遥控超声波发射装置2内的低压电源激发电源内部的电路，压电晶片14激发产生超声波8，对盾构前方土层进行粗略探测，根据超声波反射回来的时间差计算出超声波在该土层和该环境温度下的传播速度。再次通过红外感应激发电源内部的延时启动压电晶片14线形阵列，产生扇形移动超声波，对盾构前方土层进行上下移动的平面扫描。采集反射声波，并分辨出哪些声波为衰减之后的超声波9，模拟超声波发射二维图，如图1所示，得到衰减波9，未衰减（衰减较弱）的超声波8，分别由上下探杆中的声波采集系统3接收到的最靠近衰减波的四束波相交形成一个包含孤石的外接四边形，再根据声波发射和回收的时间差，启动压电片线性阵列进行平面扫查，得出二维模型图，再启动压电片矩形阵列进行立体扫查，得出对孤石群的三维模拟图，计算孤石群与盾构机的距离大小及孤石群的形状大小。