一种盾构施工隧道使用的激电测深法超前预报系统

1.本实用新型涉及隧道超前预报领域，尤其涉及一种盾构施工隧道使用的激电测深法超前预报系统。


背景技术：

2.目前，我国在建的隧道中盾构施工的隧道占比很大，由于盾构法施工较山地法施工掘进速度快、施工安全等优点。采用盾构法施工已成为主流方式。但是当采用盾构法施工时由于掌子面前方的孤石、流沙、岩溶等不良地质灾害时都会造成刀盘、刀具损毁，影响盾构机正常掘进，甚至影响施工安全。
3.为了降低盾构施工中遭遇上述事故风险，采用各种超前地质预报方法进行预警，以便对这些不良地质病害及时调整或处理，降低施工风险。
4.由于盾构机庞大结构及施工特点，很多常规地质预报方法在盾构施工隧道内都无法使用或受到很大限制，致使盾构法隧道施工对不良地质条件的适应性较差，因成熟的专门针对或适合于盾构施工的地质超前预报系统较少，或不成熟。目前盾构施工隧道中预报中主要采用水平超前钻方法，这种方法费工费时且有盲点，只能探明刀盘周边而对于掌子面前方的孤石等无法查明。另一种是德国技术：beam(bore
‑
tunneling electrical ahead monitoring),是一种受施工干扰大、价格昂贵且测试时间长，很费工费时的电磁类超前预报方法。目前在我国应用效果很不理想。因此在盾构施工隧道中，尚没有有效预报方法。


技术实现要素：

5.鉴于此，本实用新型实施例提供了一种盾构施工隧道使用的激电测深法超前预报系统，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷。
6.本实用新型的技术方案如下：
7.所述激电测深法超前预报系统包括供电电极a和无穷远供电电极b、测量电极m和无穷远测量电极n、多通道激电数据采集仪和数据处理终端；
8.其中，所述供电电极a用于产生激发极化点电源场，所述测量电极m用于测量产生的激发极化点电源场的电位差；所述供电电极a和测量电极m布置在掌子面或其附近的隧道壁处，供电电极a布置有一个，测量电极m布置有多个，所述无穷远供电电极b和无穷远测量电极n布置在隧道的远离掌子面的侧壁或底板上，且相互隔离；所述多通道激电数据采集仪与各个电极连接，其也与数据处理终端连接，用于设置供电参数及测量各个测量电极m的一次场电位差以及二次场电位差，并将供电参数及测得的电位差传输至数据处理终端；所述数据处理终端用于对所述多通道激电数据采集仪采集的数据进行分析，从而判断掌子面前方地层地质情况。
9.在一些实施例中，所述供电电极a和多个测量电极m在隧道壁处均匀布置且呈环形布置。
10.在一些实施例中，所述供电电极a和测量电极m在盾构机内通过支撑环盘周上的多
个注浆预留孔道伸出到盾构机支撑环外，所述供电电极a和测量电极m的数量与盾构机的支撑环上的注浆预留孔道数量一致，位置与各个预留注浆预留孔道的位置对应。
11.在一些实施例中，所述供电电极a和测量电极m为软体不极化电极，所述软体不极化电极包括软袋和设置在所述软袋内的传导体盐液，所述传导体盐液透过所述软袋渗透至隧道壁，使其形成电的通路。
12.在一些实施例中，所述软体不极化电极的后端设有定位安装杆，以使得所述软体不极化电极伸出盾构机支撑环盘周上的预留注浆预留孔道。
13.在一些实施例中，所述软体不极化电极的后端也设有与所述多通道激电数据采集仪连接的信号传输线。
14.在一些实施例中，所述软体不极化电极包括设置在所述软袋内的金属电极、金属盐晶体和吸水体，所述传导体盐液通过金属盐晶体浸泡溶剂形成，所述金属盐晶体填充于所述金属电极周边，所述金属电极一端伸出所述软袋的开口并与所述定位安装杆连接。
15.在一些实施例中，所述无穷远供电电极b、无穷远测量电极n与所述供电电极a、测量电极m的水平距离不小于750米。
16.在一些实施例中，所述多通道激电数据采集仪对所述供电电极a和无穷远供电电极b供以正负交替的矩形脉冲电流，占空比为1：1，供电周期为2～20s，供电电流2～8a，供电电压600～1000v。
17.在一些实施例中，所述供电电极a位于掌子面的最高位置，各所述测量电极m均匀且在掌子面的竖向直径两侧水平对称布置，使得对称分布的两个测点位置的测量电极m到供电电极a的距离是相等的。
18.根据本实用新型实施例的盾构施工隧道使用的激电测深法超前预报系统，至少具有以下有益效果：
19.本实用新型实施例的激电测深法超前预报系统没有对现盾构机做任何改动，均是在对盾构机现有内部空间环境和装置系统综合考量下的增加和改进，可与盾构机具有良好兼容。利用支撑环盘周的预留孔道将供电电极a和测量电极m伸出盾构机，用软体不极化电极使电极与隧道壁充分耦合，以形成沿隧道径向且环形分布的多个电极群，实现了盾构施工隧道的前向地质超前预报。
20.本实用新型实施例的激电测深法超前预报系统突破了全断面开挖隧道地质超前预报探测空间狭小的难题，采用环形布置的激电二极法的采集装置，即单极供电
‑
单极测量，另一供电电极及测量电极放置于盾构机外的隧道远处(>750m)，这种激电二极法采集方式，比四极法、三极法更节省空间。
21.本实用新型的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本实用新型的实践而获知。本实用新型的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
22.本领域技术人员将会理解的是，能够用本实用新型实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本实用新型能够实现的上述和其他目的。
附图说明
23.此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本实用新型的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本实用新型的原理。为了便于示出和描述本实用新型的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本实用新型实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：
24.图1为本实用新型一实施例中的盾构施工隧道使用的激电测深法超前预报系统的示意图。
25.图2为本实用新型一实施例中的供电电极a和多个测量电极m组成的环形观测系统的示意图。
26.图3为本实用新型一实施例中的不极化电极。
27.附图标记：
28.1、盾构机刀盘；2、支撑环；5、隧道壁；11、测量电极m；12、无穷远测量电极n；20、数据处理终端；21、供电电极a；22、无穷远供电电极b；30、多通道激电数据采集仪；41、金属电极；42、金属盐晶体；43、吸水体；44、定位安装杆；45、软袋；46、信号传输线；47、伸缩结构
具体实施方式
29.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本实用新型做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施方式及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。
30.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。
31.应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
32.在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。
33.在下文中，将参考附图描述本实用新型的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
34.盾构施工中超前预报的目的在于发现施工作业面前方不良地质体的类型、规模、并对可能造成的地质灾害提出预警，从而做好施工预案及工程措施，将不良地质条件造成的损失降到最低，保证盾构顺利、安全地施工。
35.本实用新型提供了一种盾构施工隧道使用的激电测深法超前预报系统，以使得电磁类超前预报方法适用于空间有限的盾构施工隧道，减少超前预报系统的布置时间和简化测试过程，节约时间，提高效率。该激电测深法超前预报系统和方法也可提高地质预报效果，保证盾构隧道施工安全，降低地质灾害发生的机率和危害程度，为优化施工提供地质依据。
36.如图1所示，激电测深法超前预报系统可包括供电电极a和无穷远供电电极b、测量电极m和无穷远测量电极n、多通道激电数据采集仪30和数据处理终端20。
37.其中，供电电极a(以下可简称为a极)21和无穷远供电电极b(以下可简称为b极)22
用于产生激发极化点电源场，测量电极m(以下可简称为m极)11和无穷远测量电极n(以下可简称为n极)12用于测量产生的激发极化点电源场的电位差，供电电极、测量电极组成激电二极测深装置，其单极供电，单极测量，实施激发极化测量，实施对隧道掌子面前方地质体电性分布特征的探测目的。
38.供电电极a21和测量电极m11布置在掌子面或其附近的隧道壁5处，供电电极a21布置有一个，测量电极m11布置有多个，且供电电极a21和多个测量电极m11呈环形布置；无穷远供电电极b 22和无穷远测量电极n12布置在隧道的远离掌子面的侧壁或底板上，且相互隔离；
39.此处将无穷远供电电极b 22和无穷远测量电极n12置于无穷远(>750m)的位置，即远离测量的掌子面区域，可以看成垂直于am连线的方向，b极在m处产生的点位和a极在n处产生的电位均可忽略。供电电极a21和无穷远供电电极b 22是成对电极，测量电极m11和无穷远测量电极n12是成对电极，电位电极系的电极距l，是不成对电极到靠近它那个成对电极之间的距离，即l＝am。am的中点为电位电极系的深度记录点，在某一位置上测到的视电阻率算作深度记录点上的视电阻率。
40.多通道激电数据采集仪30与供电电极系和测量电极系连接的各个电极连接，其也与数据处理终端20连接，用于设置供电参数及测量各个测点的一次场电位差以及二次场电位差，并将供电参数及测得的电位差传输至数据处理终端20；数据处理终端20利用采集的一次场及二次场绘制曲线图并进行分析，从而判断掌子面前方地层地质情况。
41.本实用新型实施例的激电测深法超前预报系统没有对现盾构机做任何改动，均是在对盾构机现有内部空间环境和装置系统综合考量下的增加和改进，可与盾构机具有良好兼容。利用支撑环盘周的预留孔道将供电电极a和测量电极m伸出盾构机，用软体不极化电极使电极与隧道壁充分耦合，以形成沿隧道径向且环形分布的多个电极群，实现了盾构施工隧道的前向地质超前预报。
42.本实用新型实施例的激电测深法超前预报系统突破了全断面开挖隧道地质超前预报探测空间狭小的难题，采用环形布置的激电二极法的采集装置，即单极供电
‑
单极测量，另一供电电极及测量电极放置于盾构机外的隧道远处(>750m)，这种激电二极法采集方式，比四极法、三极法更节省空间。
43.在一些实施例中，供电电极a21和测量电极m11是在盾构机内穿过支撑环2盘周上的多个预留注浆预留孔道，从而伸出到盾构机支撑环2外，供电电极a21和测量电极m11的数量与盾构机的支撑环2上的注浆预留孔道数量一致，位置与各个预留注浆预留孔道的位置对应。支撑环2位于盾构机刀盘1的后方，通过一个注浆预留孔道放入金属的供电电极a21，通过其余的注浆预留孔道放入不极化的测量电极m11。注浆预留孔道可利用盾构密封装置的球阀，从而保证了盾构的密封不被破坏。
44.如图2所示，例如，盾构机预留的注浆预留孔道具有12个或者8个等，则供电电极a21布置有1个，测量电极m11布置有11或7个，分别记为m1、m2、m3
…
。供电电极a21位于掌子面的最高位置，各测量电极m11均匀且在掌子面的竖向直径两侧水平对称布置，使得对称分布的两个测点位置的测量电极m11到供电电极a21的距离是相等的。
45.在一些实施例中，供电电极a21和测量电极m11为软体不极化电极，软体不极化电极包括软袋45和设置在软袋45内的传导体盐液，传导体盐液透过软袋45渗透至隧道壁5，使
其形成电的通路。
46.在一些实施例中，软体不极化电极的后端设有定位安装杆44，以使得软体不极化电极伸出盾构机支撑环2盘周上的预留注浆预留孔道；软体不极化电极的后端也设有与多通道激电数据采集仪30连接的信号传输线46。
47.在一些实施例中，软体不极化电极包括设置在软袋45内的金属电极41、金属盐晶体42和吸水体43，传导体盐液通过金属盐晶体42浸泡溶剂形成，金属盐晶体42填充于金属电极41周边，金属电极41一端伸出软袋45的开口并与定位安装杆44连接。在其他实施例中，定位安装杆44与金属电极41可通过螺纹连接。定位安装杆44可为伸缩杆，具有至少一个伸缩结构47，以延长或收回杆件后进行锁紧固定。例如，金属电极41可采用铜电极，金属盐晶体42可采用硫酸铜晶体，吸水体43可采用脱脂棉纱，软袋45可采用便于传导体盐液渗漏的编织物或无纺布。在受到纯净水浸泡时，铜电极周边的硫酸铜溶液成为电流传导的电解质介质，硫酸铜溶液内的铜离子可通过软袋45自带的细孔进入隧道壁5的围岩，使铜电极与隧道壁5围岩间形成电的通路；由于铜电极浸在同样金属离子饱和溶液中，并不与待测物体接触，因此在铜电极和隧道壁5围岩之间不会产生极化作用，避免了电极极化和电极间产生的极差对测量的影响。由此组成的不极化电极装置，能够适应盾构施工检测时隧道壁5围岩等高接地电阻条件。此外，与隧道传统地面电法不极化电极相比，该软体不极化电极改善了与隧道侧壁接触不良现象，提高接收信号质量。
48.在一些实施例中，软体不极化电极具有镀铜不锈钢弹簧片芯体推靠装置，以使得软体不极化电极与隧道壁5围岩充分耦合接触，形成良好的接触。在一些实施例中，定位安装杆44为不锈钢或铝合金管，信号传输线46布置在定位安装杆44内。定位安装杆44用于将测量电极m11与供电电极a21伸出盾构机支撑环2盘周的预留孔道，
49.在一些实施例中，多通道激电数据采集仪30的供电参数包括供电电流、供电电压、波形和供电周期；多通道激电数据采集仪30对供电电极a21和无穷远供电电极b 22供以正负交替的矩形脉冲电流，占空比为1：1，供电周期为2～20s，供电电流2～8a，供电电压600～1000v，以上参数仅为示例，也可采用其他供电参数。
50.在一些实施例中，多通道激电数据采集仪30可包含激发极化模块，激发极化模块连接供电电极系、测量电极系，用于控制各电极的供电电压；多通道激电数据采集仪30也接收测量电极系测试到的电信号，以获得不同位置处点电位u1、u2、u3
……
，以及断电以后不同延时的二次场点电位δu01、δu02、δu03
……
，通过线路接入数据处理终端20，并对电信号进行放大和模/数转换处理，得到波形数据。
51.在一些实施例中，数据处理终端20对波形信号进行运算，以得到体现岩、土引起的激电效应的观测参数如视电阻率ρs，并计算观测参数视极化率ηs、视充电率ms(ms)，然后再对整条剖面的数据做ms和ρs二维反演迭代成像，从而判断前方岩体含水情况，以实现利用隧道掌子面前方地质体电性分布特征达到实现隧道地质超前探测目的。
52.在一些实施例中，数据处理终端20对接收信号进行大地极化效应分析，包括如下步骤：
53.对支撑环2上每个测点的衰减曲线v2(t)进行分析、挑选剔除干扰，并计算观测参数视极化率ηs、视充电率ms(ms)：
54.视极化率
55.视充电率
56.再对整条剖面的数据做等ρs、等ms或等ηs及二维反演迭代成像，生成等视充电率ms(ms)断面图等图件，实现二维含水体定位和评价。采用层析成像的方法逐层采集数据实现二维探测，关于隧道超前预报的直流电法二维数据处理，此处不再赘述。
57.根据本实用新型的另一方面，也提供了一种盾构施工隧道使用的激电测深法超前预报方法，方法包括如下步骤：
58.布置供电电极a21和无穷远供电电极b 22、测量电极m11和无穷远测量电极n12：在隧道掌子面或附近，通过盾构机支撑盘周预留的多个注浆孔道中的一个注浆孔道布置供电电极a21，通过其余的注浆孔道布置多个测量电极m11，以使得供电电极a21和多个测量电极m11呈环形布置；在隧道距离掌子面不下于750m的隧道壁5或底板处布置无穷远供电电极b 22和无穷远测量电极n12；详细地，各电极通过定位安装杆44伸出支撑环2并与掌子面相对应位置耦合接触，各个电极形成沿隧道径向且环形分布的供电、测量电极系；进一步地，将另一无穷远供电电极b 22(>750米)隧道侧壁或隧道底板上用于产生激发极化点电源场；将另一无穷远测量电极n12(>750米)隧道侧壁或隧道底板上用于测量产生的激发极化点电源场。无穷远测量电极n12与无穷远供电电极b 22应分别设置，并相互隔离；
59.固定供电电极a21，分别连接支撑环2周边的测量电极m11，逐个测量不同位置的测点的一次场电位差以及二次场电位差，并将测得的电位差数据传输至数据处理终端20；
60.数据处理终端20利用采集的一次场及二次场电位差绘制曲线图并进行大地极化效应分析，从而判断掌子面前方地层地质情况。
61.在一些实施例中，测量电极m11在安置之前应预先浸泡好，形成软体的不极化电极。
62.在一些实施例中，测量作业执行前，先将1
‑
7或11个不极化测量电极m11(m1、m2、m3
……
)及一个金属供电电极a21接入多通道激电数据采集仪30。测量电极m11可采用硫酸铜晶体和铜电极，硫酸铜溶液内的铜离子可通过软袋45自身带有的细孔进入隧道围岩，使隧道围岩间形成电的通路。
63.在一些实施例中，对供电电极a21和无穷远供电电极b 22供以正负交替的矩形脉冲电流，占空比为1：1，供电周期为2～20s，供电电流2～8a，供电电压600～1000v；检测供电电极以及测量电极m11n之间的接地电阻率，确认接地良好以后，即可开始数据采集工作。在a极和b极的供电回路中，采用双向短脉冲制式供以正负交替的矩形脉冲电流i，该方法耗电少，工作效率高，是目前常用的野外工作方法。由于供电时间短，而且是正反向交替供电，因此极差变化很小。
64.逐个测量各测量电极m11的一次场电位差、二次场电位差，瞬间(t
→
0)的二次场电位差将水平对称的两个测量电极m11的平均值作为该测点的观测值；供电电极发射供电电流，测量电极记录断电以后不同时间二次场电位差，即测量m点在支撑环2周边不同位置处
点电位u1、u2、u3
……
，以及断电以后不同延时的二次场点电位差的变化，δu01、δu02、δu03
……
并通讯传输到多通道激电数据采集仪30和数据处理终端20。
65.当am变化时，其反应深度将随之改变，因此规定，以ami为记录深度，把观测数据记录在mi点的正下方。移动接入支撑环2周边不同位置处不极化电极mi位置至下一个测点，重复以上测量以及数据记录存储过程，继而在其他测点重复上述测量，直至每个测点完成不同接收极距的数据测量。就可得到整个断面的视电阻率值。如图2所示，由于支撑环2盘周mi点是对称的，在这两测点的到供电点a的距离是相等的，这时以两者的平均值作为这点的观测值。
66.对每个测量电极m11对应测点位置的衰减曲线进行分析，挑选剔除干扰，并计算观测参数，观测参数包括视电阻率、视极化率和视充电率；利用二维约束反演迭代成像处理方法获得等视电阻率ρs、等视极化率ηs、等视充电率ms二维图像，并进行大地极化效应分析，从而判断前方地层含水情况。例如，对数据进行拟视电阻率ρs、视极化率η
s
、拟充电率m
s
、拟断面图成像的步骤如下：
67.第一步：对于最小二乘法反演，首先必须选择最初阻尼因子λ0λm。另外还应该确定反演的最大迭代次数，同时适用均方根误差作为收敛标准。
68.第二步：首次迭代采用均匀介资模型最为初始模型，该模型的电阻率ρ0可由实际测量视电阻率ρs对数值的平均值获得，即：
69.(n是数据点数)
70.使用预先已计算好的偏导数值来计算现用装置的雅克比矩阵b0，然后解最小二乘方程组得到模型变化矢量ρ0，因此快的电阻率可由下式给出：ρ1＝ρ0+ρ0，再由有限元法计算出新模型的视电阻率值。
71.第三步：由拟牛顿法可以计算得到后续迭代的雅克比矩阵bi，然后解方程得到模型矢量ρi，进而得到模型电阻率，直到程序收敛或达到设置的最大迭代次数程序终止。
72.在上述图像基础上，做出预报盾构机掌子面前方地质体的信息并预测含水量。
73.本实用新型实施例的盾构施工隧道使用的激电测深法超前预报系统及方法，系统设备经济灵活，能在隧道盾构掘进过程中进行多次激发极化二极法超前预报，后期可对前期数据的分析解释地质体电性模型进行模型修正，从而对后期数据分析解释有指导意义，提高超前预报地质解释精确度。
74.根据本实用新型实施例的盾构施工隧道使用的激电测深法超前预报系统，至少具有以下有益效果：
75.1)本实用新型没有对现盾构机做任何改动，均是在对盾构机现有内部空间环境和装置系统综合考量下的增加和改进，与盾构机良好兼容，利用支撑环盘周的预留孔道将供电电极和测量电极伸出盾构机，用软体不极化电极使电极与隧道壁充分耦合，以形成沿隧道径向且环形分布的多个电极群，实现了盾构机施工隧道的地质超前预报。
76.2)本实用新型的激电测深法超前预报系统及方法的供电电极和测量电极皆利用盾构密封装置的球阀，从而保证了盾构的密封不被破坏。
77.3)本实用新型突破了全断面开挖隧道地质超前预报探测空间狭小的难题，采用环形布置的激电二极法测深装置，即单极供电
‑
单极测量，另一供电电极及测量电极放置于盾
构机外的隧道远处(>750m)。这种采集方式，比四极法、三极法更节省空间。
78.4)本实用新型的供电电极组成的供电回路中，采用双向短脉冲制式，供以正负交替的矩形脉冲电流占空比为1；1，供电时间为2～20s可调。由于采用正反向供电，极差极小。
79.5)与现有预报方法相比，在支撑环2盘周形成环形布置的激电二极法测深装置，其所反映深度将am距离加大随改变，而得到整个断面的视电阻率图，完成激电测深，实现前向探测，与现有方法相比，本实用新型具有更好的指向性。
80.6)本实用新型通过数据处理终端通过对接收信号如视电阻率ρs、视极化率ηs、视充电率ms(ms)等进行反演拟合，做出前方地层含水情况判断，以实现利用隧道掌子面前方地质体电性分布特征的进行隧道地质超前探测目的，采用层析成像的方法逐层采集数据实现二维探测。
81.7)本实用新型对低阻异常比较敏感、分辨率强、勘探深度大、有利于压制干扰，特别适用于对盾构施工隧道突泥突水预报。
82.本实用新型中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
83.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型实施例可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。