一种基于光纤电流传感器的隧道超前探测装置及其探测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于隧道工程地质前探应用技术领域，更具体地，涉及一种基于光纤电流传感器的隧道超前探测装置及其探测方法。
【背景技术】
[0002]2002年，德国GEO公司研发出基于聚焦电流法的隧道超前探测系统(Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring，BEAM)，其工作原理是利用刀盘向掌子面前方施加探测电流，通过测量地质体的视电阻的方式来分析前方的地质构造，同时为了提高探测精度和方向性，在全断面隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，TBM)的护盾上通以同相的屏蔽电流，利用同性相斥的特点“挤压”探测电流，使其更加向掌子面前方集中。但是该方法在应用前需将TBM的刀盘和护盾进行绝缘，由于护盾和刀盘体积巨大、结构复杂，且承受着巨大的作用力，进行绝缘非常困难，而且在掘进过程中地质情况复杂多变，绝缘随时有可能失效。
【发明内容】
[0003]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于光纤电流传感器的隧道超前探测装置及相应的探测方法，该装置能够在不对TBM的刀盘和护盾进行绝缘的情况下，实现对地质体视电阻的测量。
[0004]本发明提供了一种基于光纤电流传感器的隧道超前探测装置，包括光纤、电压表、激光光源、光纤电流传感器、恒流源以及锚杆，其中:
[0005]所述光纤在护盾与刀盘之间绕行一圈或多圈，光纤的一端与激光光源相连，另一端与光纤电流传感器相连，电压表和恒流源的正极与护盾相连，电压表和恒流源的负极与位于远端的插进岩层中的锚杆相连。
[0006]按照本发明的另一方面，还提供了一种基于上述基于光纤电流传感器的隧道超前探测装置的探测方法，包括:
[0007]利用激光光源发出线偏振光通过护盾与刀盘之间的光纤进入到光纤电流传感器中，通过光纤电流传感器测量偏转角度的大小，算出电流I1的大小；
[0008]利用电压表测量护盾上的电压U ；
[0009]利用此电流I1和电压U计算出掌子面前方的视电阻R U/I 10
[0010]进一步地，在TBM后方保护设备的外围缠绕一圈或多圈光纤，所述光纤的一端与所述激光光源相连，另一端与所述光纤电流传感器相连。
[0011]按照本发明的另一方面，还提供了一种基于上述基于光纤电流传感器的隧道超前探测装置的探测方法，包括:
[0012]利用激光光源发出线偏振光通过护盾与刀盘之间的光纤进入到光纤电流传感器中，通过光纤电流传感器测量偏转角度的大小，算出电流I1的大小；
[0013]利用激光光源发出线偏振光通过TBM后方保护设备外围的光纤进入到光纤电流传感器中，通过光纤电流传感器测量偏转角度的大小，算出电流I2的大小；
[0014]利用电压表测量护盾上的电压U ;
[0015]计算护盾上流向地质体的电流I3I3= I (1-11-12,其中Ιο为恒流源中提供的恒定电流；
[0016]计算护盾周围地质体的视电阻R3= U/I 30
[0017]本方法具有以下特点:
[0018]1.完全不需要护盾和刀盘间的预绝缘工作，在BEAM综合法中，探测电流和保护电流是人为地通过绝缘工作来实现分离的，而本方法简单施加一个电流，即可以通过光纤电流传感器来测量出探测电流I1和保护电流13的具体数值，并不需要进行绝缘。
[0019]2.在传统聚焦电流法中，刀盘电压和护盾电压是需要分别测量的，刀盘处在不间断的转动中，连续测量其电压值有一定的难度，在本方法中，无绝缘情况下的刀盘电压等于护盾电压，因此仅测量护盾电压便可达到分析要求，绕过了刀盘电压不间断测量的难题。
[0020]3.将光纤电流传感器用于TBM设备，实现了对大直径复杂结构机械的断面电流测量，是本发明的创新之处，该测量手段是一种非接触式测量，不需要对原有的设备进行改动。
【附图说明】
[0021]图1为本发明中基于光纤电流传感器的隧道超前探测具体实施的电流分析；
[0022]图2为本发明实施例中一种基于光纤电流传感器的隧道超前探测装置示意图；
[0023]图3为本发明发明实施例中另一种基于光纤电流传感器的隧道超前探测装置示意图。
【具体实施方式】
[0024]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0025]首先对本发明装置的原理进行说明，本发明基于光纤电流传感器的隧道超前探测装置包括恒流源、电压表、激光光源、光纤电流传感器和锚杆组成。其中，恒流源对TBM的护盾部分通以电流Itl，光纤分别在刀盘与护盾，护盾与后方保障设备之间绕行一圈或多圈，并用电压表测量护盾上的电压值，恒流源和电压表的负极连接至数百米外的锚杆上。
[0026]光纤电流传感器是自主研发的设备，其理论基础是磁致旋光效应，通过测量线偏振光在磁场内的偏转角，可以算出TBM表面的磁感应强度，根据安培环路定理，能够计算出光纤电流传感器的光纤绕行环内部流经电流。
[0027]本发明方法不需要预绝缘工作，在实际工程应用中，如图1所示，护盾上用恒流源通以大小为Itl的恒定电流，该电流会分成三部分分别流向刀盘、护盾和TBM后方保障设备。将光纤电流传感器的光纤沿刀盘与护盾之间绕行一圈或多圈，即可测量出由护盾流向刀盘的电流数值1:。将另一个光纤电流传感器的光纤沿护盾和TBM后方保障设备之间绕行一圈或多圈，即可测量出由护盾流向刀盘的电流数值12。根据基尔霍夫电流定律，护盾上流向地质体的电流I3可以通过计算得出，I 3= I (Τ?ι_Ι2。
[0028]为了说明其原理，在图1中将该方法简化，仅在护盾与刀盘之间的连接部分绕行一圈光纤，此光纤电流传感器测量出的电流I1为探测电流。测量护盾上的电压U，由于护盾刀盘之间没有绝缘，因此刀盘电压等于护盾电压，并且该电压受地质体视电阻和探测电流大小的综合影响。计算地质体的视电阻R1= UA1，即可判别出前方的地质状况，一般来说，R1如果增大，则前方有较大可能出现坚硬岩石，R i如果减小，则前方地质体富水率高。
[0029]如图2所示，本发明提供了一种基于光纤电流传感器的隧道超前探测装置，所述装置包括光纤、电压表、激光光源、光纤电流传感器、恒流源以及锚杆，其中:
[0030]使用光纤在护盾与刀盘之间绕行一圈，光纤的一端与激光光源相连，另一端与光纤电流传感器相连，电压表和恒流源的正极与护盾相连，电压表和恒流源的负极与位于远端的插进岩层中的锚杆相连(例如，所述锚杆位于数百米之外)。
[0031]由于刀盘与护盾之间没有绝缘，因此恒流源的电流一部分会流向刀盘，此部分电流必定全部穿过光纤绕成的环。激光光源所发出的线偏振光通过光纤进入到光纤电流传感器中，在此部分电流的影响下，线偏振光的偏转角度会发生改变，通过光纤电流传感器测量偏转角度的大小，即能够计算出电流的大小。电压表用于测量护盾上的电压。利用此电流和电压即可计算出掌子面前方的视电阻率，用于判断异常体的距离和属性。
[0032]进一步地，如图3所示，在TBM后方保护设备的外围缠绕一圈光纤，所述光纤的一端与所述激光光源相连，另一端与所述光纤电流传感器相连。
[0033]在测得流向各部分的电流后，测量护盾电压U，即可得出掌子面前方的视电阻率R1=UA1和护盾周围地质体的视电阻R3= U/13，用R1判断掌子面前方异常体的距离和属性，用R3判断护盾周围异常体的分布状况。
[0034]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于光纤电流传感器的隧道超前探测装置，其特征在于，所述装置包括光纤、电压表、激光光源、光纤电流传感器、恒流源以及锚杆，其中: 所述光纤在护盾与刀盘之间绕行一圈或多圈，光纤的一端与激光光源相连，另一端与光纤电流传感器相连，电压表和恒流源的正极与护盾相连，电压表和恒流源的负极与位于远端的插进岩层中的锚杆相连。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在TBM后方保护设备的外围缠绕一圈或多圈光纤，所述光纤的一端与所述激光光源相连，另一端与所述光纤电流传感器相连。3.基于权利要求1或2所述的基于光纤电流传感器的隧道超前探测装置的探测方法，其特征在于，包括: 利用激光光源发出线偏振光通过护盾与刀盘之间的光纤进入到光纤电流传感器中，通过光纤电流传感器测量偏转角度的大小，测量出电流I1的大小； 利用电压表测量护盾上的电压U; 利用此电流I1和电压U计算出掌子面前方的视电阻率R != U/I 104.基于权利要求2所述的基于光纤电流传感器的隧道超前探测装置的探测方法，其特征在于，包括: 利用激光光源发出线偏振光通过护盾与刀盘之间的光纤进入到光纤电流传感器中，通过光纤电流传感器测量偏转角度的大小，测量出电流I1的大小； 利用激光光源发出线偏振光通过TBM后方保护设备外围的光纤进入到光纤电流传感器中，通过光纤电流传感器测量偏转角度的大小，测量出电流I2的大小； 利用电压表测量护盾上的电压U ; 计算护盾上流向地质体的电流I3 I3= I (TH，其中1(1为恒流源中提供的恒定电流； 计算护盾周围地质体的视电阻R3= U/13°
【专利摘要】本发明公开了一种基于光纤电流传感器的隧道超前探测装置及探测方法，该系统由恒流源、电压表、激光光源、光纤电流传感器和锚杆构成。在全断面隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，TBM)的掘进部分通以恒定的电流I，分别在刀盘的后方和护盾的后方使用光纤缠绕一圈，利用光纤电流传感器可以获知刀盘、护盾、TBM后方保障装备上的电流大小，再进一步测量护盾上的电压计算地质体的视电阻，来判断地质体的含水量和岩石类别。与传统隧道电流超前探测方法相比，省去了大量的预绝缘工作。
【IPC分类】G01V3/00
【公开号】CN104932023
【申请号】CN201510349349
【发明人】赵斌, 高昕星
【申请人】华中科技大学
【公开日】2015年9月23日
【申请日】2015年6月23日