适用于tbm的便携式电阻率法超前预报系统及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及TBM复杂施工环境下前向三维电阻率法超前预报领域，特别涉及一种适用于TBM的便携式电阻率法超前预报系统及其方法。
【背景技术】
[0002]全断面隧道掘进机(TBM)是一种集成式隧道施工装备。我国作为世界公认的隧道建筑规模和修建难度最大的国家于未来20年内规划建设引水隧道数百条，公路铁路隧道2000公里，其中绝大部分工程将采用TBM施工。而在TBM掘进过程中，穿越线路间中或出现的岩溶和富水地层，断层破碎带，软硬岩交替，溶洞暗河等情况往往诱发突水突泥、隧道塌方、卡机埋机等TBM施工安全事故，轻者延误工期，重者机毁人亡。故而，在施工过程中对于掌子面前方不良地质体位置、形态、赋水情况的超前探测，对于此类事故的防控预警尤为重要。
[0003]然而，与钻爆法隧道不同，TBM施工隧道的超前地质预报环境极为恶劣，主要存在以下问题:
[0004]1、空间上，近掌子面处可用探测空间全部被TBM刀盘占据，难以在不对TBM主体进行实质改造，不影响刀盘掘进功能的基础上搭载超前预报设备；
[0005]2、时间上，TBM施工隧道往往施工难度大，任务重，工期紧，一方面要保证探测时间短，可在立拱、喷浆、换步维保间隙完成，另一方面要实现探测时间灵活，准备工作简易，工程需要时实现即停即探，灵活实用；
[0006]3、原理上，TBM作为一个巨大金属体占据隧道空间，电磁场干扰巨大，导致地质雷达法、瞬变电磁法等基于电磁原理的超前地质预报技术探测效果极不理想。
[0007]故而，目前世界范围内仅有德国的BEAM(Bore-Tunnelling Electrical AheadMonitoring)系统与 ISIS (Integrated Seismic Imaging System)系统两种 TBM 适用的超前地质预报技术。其中，BEAM系统仅是一和二维探测，定位依靠正演经验，探测距离短，测点布置有限，观测方式单一，定位精度差，无法进行不良地质体的三维形态刻画，对刀盘、滚刀需进行一定程度改造；ISIS系统全世界仅装备了 5台TBM且探测效果无公开报道，尚未成功推广。总体上目前国内外可用的超前探测系统需对TBM进行极大改造，占据刀盘盘面过大，影响滚刀排布与刀盘刚度进而影响TBM基本功能，且部分方案整个液压系统与自控装置要求远非目前TBM装备制造业能力之所及。
[0008]可见，目前在TBM隧道施工中亟需一种灵活、便捷、实用的不良地质灾害超前预报装置和方法。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种适用于TBM的便携式电阻率法超前预报系统及其方法，本发明的系统体积小巧，采用多路并行采集，单人可实现操作，探测全过程完成时间短，实现了在施工间隙进行，不影响正常施工；连接护盾供电作为屏蔽，实现电场的前向聚焦与后向屏蔽，摒除TBM电磁干扰，提高探距；利用地质体电阻率差异实现了断层破碎带、软硬分层地层、含水溶洞、地下暗河等不良地质体的探测。
[0010]为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0011]适用于TBM的便携式电阻率法超前预报系统，包括若干不极化电极、终端控制箱和电极线缆系；所述若干不极化电极与所述终端控制箱电连接，所述终端控制箱与所述电极线缆系电连接；所述不极化电极被设置成可以从TBM刀盘滚刀孔处伸出并与掌子面接触以探测前方地质信号；所述终端控制箱接收所述不极化电极采集的信号，并根据其对前方地质体进行预测；通过所述电极线缆减小和/或消除围岩体、护盾与所述终端控制箱之间的电位差。
[0012]通过将带有耦合电极的杆件装置从刀盘滚刀边沿既有空隙伸出继而与掌子面接触最为供电与测量电极的方式实现了在TBM零改造的基础上进行电阻率法前向地质预报，探测用刀口可根据地质条件所适应的排布方式灵活掌握；整个系统体积小巧，采用多路并行采集，单人可实现操作，探测全过程完成时间短，实现了在施工间隙进行，不影响正常施工。该方法利用地质体电阻率差异实现了断层破碎带、软硬分层地层、含水溶洞、地下暗河等不良地质体的探测。
[0013]所述不极化耦合电极由机玻璃制中空圆柱状电极筒与前端橡胶套管组成。前端橡胶套管由导电布封装泥状导电介质，泥状导电介质由膨润土、氯化钠、石墨粉、水按3:2:1:1调和而成，套管及其内部封装的导电介质整体为柔性，当挤压于掌子面时该柔性结构可随凹凸不平的掌子面形态变形，从而与掌子面良好耦合。电极筒前端为打有多个小圆孔的有机玻璃盖板，中部空腔内装盛硫酸铜溶液，所存硫酸铜溶液可经由盖板圆孔不断渗入套管内导电介质，保持柔性橡胶套管前段湿润，降低接地电阻。电极筒内自底部向上固定有螺旋状铜丝，铜丝浸润于硫酸铜溶液内，通过硫酸铜溶液与铜丝间的离子交换导电从而减小了极化电位差，满足了激发极化效应探测要求，铜丝于筒底出露连接外接线缆。电极筒底部设有卡槽用以与磁性支撑杆件设备联接。
[0014]所述不极化电极的后端连接支撑杆件，所述不极化电极的外接线缆穿过所述支撑杆件与所述终端控制箱连接。
[0015]所述支撑杆件的杆体上设有用以固定于TBM刀盘滚刀孔壁上的强磁吸附面，以及控制吸附面工作的磁路通断旋钮，强磁吸附面为一梯台状磁铁装置，上表面与杆体末端嵌套，下表面用以吸附刀盘滚刀孔壁，磁路通短旋钮用以控制吸附面磁力开关，为常规磁路控制技术。
[0016]所述支撑杆件使用完毕后收放至电极设备箱中，所述电极设备箱内设有与所述支撑杆件一一对应的用于存放所述支撑杆件的若干杆槽，所述电极设备箱的表面设有多针接头，所述多针接头的各针与若干所述不极化电极一一对应连接。
[0017]连接护盾供电极作为屏蔽，实现电场的前向聚焦与后向屏蔽，摒除TBM电磁干扰，提尚探距。
[0018]所述电极线缆系包括屏蔽电极线缆和远端电极线缆，所述屏蔽电极线缆的一端与所述终端控制箱连接，另一端与所述护盾连接；所述远端电极线缆的一端与所述终端控制箱连接，另一端与TBM附近处的所述围岩体连接；所述远端电极线缆的远端电极分为供电电极B和接收电极N。
[0019]所述终端控制箱包括设备主机、采集卡、电极转换箱和蓄电池组；所述设备主机用于控制供电与采集数据，储存并显示采集信号，对所采集的信号进行数据处理，实现对前方地质体的探测。
[0020]所述米集卡为多路独立米集通道，进行多路并行米集。
[0021]米集卡可进行多路并行米集，提尚探测时间。
[0022]所述采集卡的通道数与所述不极化电极的数目相同。
[0023]适用于TBM的便携式电阻率法超前预报方法，包括以下步骤:
[0024]步骤1:进行探测前置工作，通过供电控制实现电场的前向聚焦与后向屏蔽，摒除TBM电磁干扰；
[0025]步骤2:利用穿过TBM刀盘滚刀孔与掌子面接触的若干不极化电极采集前方地质体相关信号，终端控制箱中的主机接收所述信号并进行超前探测。
[0026]所述不极化电极根据需要选择合适的所述刀盘滚刀孔进行布置。
[0027]将所述不极化电极与所述掌子面的接触面调整至接触良好后，将所述支撑杆件上的强磁吸附面对向滚刀孔壁，旋开磁路旋钮将所述支撑杆件进行固定。
[0028]所述主机对前方地质体进行三维激发极化超前预报。
[0029]本发明的有益效果是:
[0030]1)本发明提出的TBM适用的便携式三维电阻率法超前预报系统及其方法，适应了TBM超前预报的复杂环境。探测即时求取正演曲线及时指导掘进工作；反演对掘进工作面前方30m内可能出现的不良地质体进行三维定位和形态刻画，全方位保证TBM健康高效掘进，对TBM隧道施工起到防控预警的关键作用。
[0031]2)本发明提出的TBM适用的三维电阻率法超前预报系统操作简单方便，其中电极设备箱与终端控制箱体积小巧，使用灵活，只需一名工作人员即