本發(fā)明涉及孤石探測(cè)，特別是涉及盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)搭載的超前三維電阻率跨孔CT孤石探測(cè)系統(tǒng)及探測(cè)方法。

背景技術(shù)：
我國(guó)作為一個(gè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大國(guó)，在城市地鐵工程建設(shè)中將會(huì)修建更多的隧道。目前，我國(guó)地鐵隧道建設(shè)中越來越多的采用盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)施工具有自動(dòng)化程度高、一次成洞、施工速度快、經(jīng)濟(jì)合理、不受氣候影響等優(yōu)點(diǎn)。然而，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)對(duì)復(fù)雜地層的適應(yīng)能力較差，在地鐵施工過程中發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)距離掘進(jìn)時(shí)易遇到孤石群。若不能提前探明這些孤石的空間位置和大小，則在施工過程中將面臨諸多可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，如刀盤被卡變形，甚至噴涌、塌方等。因此，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)前準(zhǔn)確的探明前方地層情況，特別是孤石群的賦存狀態(tài)，是保證掘進(jìn)過程安全的關(guān)鍵。目前用于孤石探查的方法主要有地質(zhì)鉆探法、二維微動(dòng)剖面法、跨孔電阻率CT法和跨孔地震CT法等，均以地表探測(cè)為主。其中，地質(zhì)鉆探法直接鉆取巖芯觀察，能夠直觀的揭露和判斷孤石有無，但具有“一孔之見”的局限性，容易遺漏孤石。二維微動(dòng)剖面法通過在地面布置臺(tái)站可進(jìn)行區(qū)域性探測(cè)，大大減小了鉆探的工程量，能夠較為可靠的判斷孤石的有無，但無法實(shí)現(xiàn)對(duì)孤石的準(zhǔn)確定位?？字刑綔y(cè)方法如跨孔電阻率CT和跨孔地震CT等由于探測(cè)元件(電極、檢波器)布置在鉆孔內(nèi)，更加接近孤石目標(biāo)體，屬于精細(xì)化探測(cè)方法，如《基于電阻率跨孔CT的地鐵盾構(gòu)區(qū)間孤石精細(xì)化探測(cè)方法》(專利號(hào)：ZL201410704377.5)中所述改進(jìn)跨孔電阻率CT法采集的數(shù)據(jù)量大，成像精度高，孤石探測(cè)效果較理想。但由于該方法仍為地表探測(cè)方法，在實(shí)施過程中難免會(huì)給地面上正常有序的生活帶來一定干擾，不僅如此，當(dāng)盾構(gòu)施工隧道穿越區(qū)間的上方地面建筑物密集時(shí)，由于地面不具備鉆孔條件而導(dǎo)致無法開展地面探測(cè)工作。因此，受地面建筑或構(gòu)筑物的影響，地表探測(cè)方法具有很大的局限性。針對(duì)電阻率跨孔CT方法而言，傳統(tǒng)的電阻率CT技術(shù)為二維探測(cè)方式，無法實(shí)現(xiàn)孤石異常體的三維定位和成像，難以適用實(shí)際工程需求?！稄?fù)雜地質(zhì)條件下地下工程高分辨率三維電阻率CT成像超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)和方法》(專利號(hào)：ZL201210269261.4)中改進(jìn)的電阻率CT技術(shù)雖然可以對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行三維空間電阻率反演解譯，但該方法僅適用于鉆爆法施工，在盾構(gòu)掘進(jìn)施工隧道中是不可行的。原因是，盾構(gòu)機(jī)刀盤一般不允許開孔，掌子面不具備布置鉆孔的條件。例如泥水盾構(gòu)、土壓平衡盾構(gòu)都是帶壓操作，若開孔卸壓則容易誘發(fā)塌方等地質(zhì)災(zāi)害。因此，亟需設(shè)計(jì)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)搭載的超前三維電阻率跨孔CT孤石探測(cè)系統(tǒng)，以解決盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)施工環(huán)境的超前探測(cè)難題。綜上所述，在當(dāng)前的技術(shù)水平下，孤石探測(cè)尚存在如下難題：(1)受地面建筑物的影響，地表孤石探測(cè)技術(shù)具有很大的局限性，部分段落難以實(shí)施地面探測(cè)工作，亟需研究并突破洞內(nèi)超前探測(cè)孤石的難題；(2)盾構(gòu)機(jī)刀盤上無法開孔，亟待設(shè)計(jì)一種合理可行的適用于盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)施工環(huán)境的超前鉆孔和孔中測(cè)線布置方案。(3)缺乏一個(gè)能有效利用現(xiàn)有裝置的孤石探測(cè)系統(tǒng)。針對(duì)以上難題，研究并提出了一種盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)搭載的超前三維電阻率鉆孔CT孤石探測(cè)系統(tǒng)和方法，為實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中高分辨率精確超前探測(cè)孤石群提供一條可行的途徑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供孤石探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一種能夠搭載到盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)上的超前鉆孔系統(tǒng)和探測(cè)電極耦合裝置，并提出一種適用于盾構(gòu)機(jī)環(huán)境的三維電阻率跨孔CT孤石探測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)掌子面前方一定范圍內(nèi)(30米)的孤石體或孤石群的三維精細(xì)化成像。為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)搭載的超前三維電阻率跨孔CT孤石探測(cè)系統(tǒng)，包括能在巖面鉆出至少四條鉆孔的超前鉆孔裝置，多條鉆孔構(gòu)成三維探測(cè)空間，超前鉆孔裝置包括鉆孔機(jī)，鉆孔機(jī)的底部活動(dòng)固定于護(hù)盾內(nèi)圓周的軌道內(nèi)，鉆孔機(jī)的鉆頭穿過護(hù)盾的超前注漿孔；還包括深入到鉆孔內(nèi)帶有多個(gè)電極的并釋放電解液至電極的探測(cè)電極耦合裝置，探測(cè)電極耦合裝置通過電纜與用于施加三維空間電場(chǎng)的主機(jī)連接；利用護(hù)盾的超前注漿孔進(jìn)行鉆孔，有效利用現(xiàn)有條件克服無法在盾構(gòu)刀盤上開孔的不足，電極與巖面接觸，探測(cè)電極耦合裝置向電極處釋放電解液后，實(shí)現(xiàn)不同電極距、不同電極排列方式的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，可以獲取大量數(shù)據(jù)。進(jìn)一步地，所述探測(cè)電極耦合裝置包括內(nèi)含有電解液的第三套管，第三套管設(shè)有多個(gè)電解液排出口，在第三套管外套有第二套管，第二套管外側(cè)固定一根電纜，電纜內(nèi)帶有多個(gè)依次相連的電極。進(jìn)一步地，在第二套管外設(shè)有第一套管，第二套管與電纜上每個(gè)電極之間固定有彈性件，彈性件在第二套管固定處設(shè)有與電解液排出口相通的孔洞，在第一套管內(nèi)設(shè)有用于電極伸出的開孔。進(jìn)一步地，在第二套管與第三套管靠近鉆孔開口處的端部各自設(shè)有一個(gè)用于帶動(dòng)第二套管與第三套管移動(dòng)的動(dòng)力源，在動(dòng)力源的帶動(dòng)下帶動(dòng)第二套管移動(dòng)使得電纜上的電極從開孔處突出與巖面接觸，有效保證測(cè)量的精度；第三套管的電解液排出口在原始狀態(tài)下與第二套管接觸使得其處于相對(duì)密封狀態(tài)，在動(dòng)力源的帶動(dòng)下帶動(dòng)第三套管移動(dòng)，從而帶動(dòng)電解液排出口與第二套管的孔洞相通，從而排出電解液至電極。多個(gè)所述電解液排出口非等間距設(shè)置，以使電解液依次從電解液排出口排出。進(jìn)一步地，在護(hù)盾上固定有用于固定電纜的盤線圈。進(jìn)一步地，所述鉆頭的軸線與護(hù)盾的圓周曲表面成設(shè)定的角度。進(jìn)一步地，所述軌道為兩側(cè)有彎折面的面板，鉆孔機(jī)的底部設(shè)有底座，底座底部的兩側(cè)設(shè)有與彎折面配合的折面，底座底部的中部與軌道的中部可通過緊固裝置緊固；在鉆孔機(jī)外周設(shè)有第一轉(zhuǎn)軸，第一轉(zhuǎn)軸與底座的側(cè)面緊固。進(jìn)一步地，在鉆孔機(jī)的外周還設(shè)有用于推動(dòng)鉆孔機(jī)微動(dòng)的第二轉(zhuǎn)軸。孤石探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)方法，具體步驟如下：1)將鉆孔機(jī)通過軌道運(yùn)至設(shè)定位置，將鉆孔機(jī)的底部與軌道緊固；2)利用鉆頭在巖面上鉆孔，兩條鉆孔在上兩條鉆孔在下，各條鉆孔均水平設(shè)置，取巖芯并通過巖芯測(cè)量巖體的電阻率；3)在鉆孔中設(shè)置探測(cè)電極耦合裝置；4)利用鉆頭或其他工具將電纜送入探測(cè)電極耦合裝置的電極處；5)推動(dòng)第二套管移動(dòng)，電纜上電極從第一套管突出并與巖面接觸；6)推動(dòng)第三套管移動(dòng)，第三套管內(nèi)的電解液從電解液出口排出與電極重合，使得電解液充分耦合；7)將主機(jī)采集到的數(shù)據(jù)提取形成一個(gè)序列，利用三維電阻率跨孔CT法對(duì)序列進(jìn)行綜合反演，形成測(cè)區(qū)范圍內(nèi)孤石電阻率高分辨率成像圖。所述步驟1)中通過第二轉(zhuǎn)軸使得鉆頭的軸線與護(hù)盾的曲表面成設(shè)定的角度。進(jìn)一步地，在所述步驟7)中綜合反演電極點(diǎn)的確定方法是：以鉆孔為斜邊，電極等距分布，通過取合適的網(wǎng)格使得電極點(diǎn)全部落于網(wǎng)格點(diǎn)上。本發(fā)明的工作原理是：在四條鉆孔的情況下，形成了四測(cè)線的三維棱臺(tái)測(cè)量方式，根據(jù)測(cè)線與護(hù)盾表面夾角以及同一測(cè)線上相鄰電極距離，選取合適的網(wǎng)格坐標(biāo)，使電極點(diǎn)均位于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上。采用多次覆蓋、全自動(dòng)的自由數(shù)據(jù)采集模式，實(shí)現(xiàn)不同電極距、不同電極排列方式的數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。使用時(shí)主機(jī)控制動(dòng)力源(電機(jī))，帶動(dòng)推動(dòng)桿推動(dòng)第二套管，使電極彈出。再轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)推動(dòng)桿推動(dòng)第三套管，使電解液依次流向各個(gè)電極。使其充分耦合。另外，利用鉆孔獲得的巖芯可測(cè)得巖體的電阻率，為后續(xù)三維電阻率CT反演成像提供邊界約束條件。所述主機(jī)控制實(shí)現(xiàn)三維空間電場(chǎng)的施加、電極轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集。將采集到的數(shù)據(jù)采用三維全空間電阻率CT反演方法進(jìn)行解譯處理，最終形成三維電阻率高分辨率成像圖，探測(cè)得到前方孤石的位置、大小和形態(tài)等，選擇爆破或盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)繼續(xù)前行30米進(jìn)行下一輪探測(cè)。另外，盾構(gòu)機(jī)護(hù)盾內(nèi)部為電阻率CT法提供水電以及鉆孔取芯也是可行的。本發(fā)明的有益效果是：(1)本發(fā)明提出的適用于盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)環(huán)境下的三維電阻率CT孤石精細(xì)化探測(cè)方法，不僅打破了地面探測(cè)方法受限于地面建筑物的瓶頸，而且解決了盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)超前探測(cè)的難題，實(shí)現(xiàn)了在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部開展洞內(nèi)超前探測(cè)孤石的目的，充分適應(yīng)了工程需求。(2)本發(fā)明提出的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)搭載的超前三維電阻率跨孔CT孤石探測(cè)系統(tǒng)，有效的解決了無法在盾構(gòu)機(jī)刀盤上開孔或無法在掌子面安裝鉆孔裝置的不足。在盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)護(hù)盾內(nèi)部安裝超前鉆孔裝置，利用盾構(gòu)機(jī)護(hù)盾上的超前注漿孔實(shí)現(xiàn)超前鉆孔，克服了現(xiàn)有技術(shù)的難點(diǎn)，且簡(jiǎn)單方便。(3)本發(fā)明提出了探測(cè)方法，通過巧妙的設(shè)計(jì)鉆孔與盾構(gòu)機(jī)護(hù)盾表面的角度以及合理的選取網(wǎng)格坐標(biāo)，使得各電極落在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上，解決了非平行超前鉆孔條件下三維電阻率CT建模和反演的難題。通過不同電極距、不同電極排列方式的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，可以獲取大量數(shù)據(jù)，提高探測(cè)精度。(4)本發(fā)明中鉆孔均平行于水平面，使得電解液推送至電極變得容易，電解液可使電極耦合效果更好，得到的數(shù)據(jù)更有效。附圖說明圖1(a)是本裝置整體示意圖俯視圖。圖1(b)是本裝置整體示意圖側(cè)視圖。圖2(a)為超前鉆孔裝置的打孔機(jī)設(shè)計(jì)圖。圖2(b)為超前鉆孔裝置的底座裝置設(shè)計(jì)圖。圖2(c)為超前鉆孔裝置的軌道設(shè)計(jì)圖。圖2(d)為超前鉆孔裝置的盤線圈設(shè)計(jì)圖。圖3為電纜遞送及探測(cè)電極快速耦合裝置設(shè)計(jì)圖。圖4為超前三維電阻率CT探測(cè)孤石流程圖。圖5(a)為非平行鉆孔的三維建模三維示意圖。圖5(b)為非平行鉆孔的三維建模二維俯視圖。圖6為盾構(gòu)超前三維電阻率CT探測(cè)孤石數(shù)值反演算例其中：1護(hù)盾，2鉆孔一，3鉆孔二，4鉆孔三，5轉(zhuǎn)軸一，6固定螺絲孔一，7鉆頭，8轉(zhuǎn)軸二，9固定螺絲孔二，10固定螺絲孔三，11凹槽，12固定螺絲孔四，13第一套管，14第二套管，15第三套管，16電解液排出口，17彈簧，18電極，19套管一開孔，20推動(dòng)桿，21電機(jī)，22盤線圈，23鉆機(jī)，24掌子面，25孤石。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。如圖1(a)、圖1(b)所示，利用超前鉆孔裝置在所述鉆頭的軸線與護(hù)盾的圓周曲表面成設(shè)定的角度(5°～15°)打入四條等深平行鉆孔，鉆孔均為水平鉆孔，圖1(a)和1(b)中可見三條(鉆孔一2、鉆孔二3、鉆孔三4)，根據(jù)鉆孔位置移動(dòng)鉆孔機(jī)相對(duì)于軌道的位置。圖2(a)～2(d)為超前鉆孔裝置，鉆孔機(jī)底部與底座相連，并設(shè)有轉(zhuǎn)軸(2個(gè)第一轉(zhuǎn)軸5、第二轉(zhuǎn)軸8)，底座與軌道相連，由凹槽11固定，可自由滑動(dòng)。使用時(shí)首先在軌道上將鉆孔機(jī)運(yùn)至規(guī)定位置，使得軌道上四個(gè)固定螺絲孔12與底座四個(gè)固定螺絲孔10重合，用螺絲固定。再轉(zhuǎn)動(dòng)第一轉(zhuǎn)軸5使鉆孔機(jī)機(jī)架水平，將固定螺絲孔一6與對(duì)應(yīng)固定螺絲孔二9插入螺絲或者采用螺栓螺母固定。最后轉(zhuǎn)動(dòng)第二轉(zhuǎn)軸8，使鉆頭7與護(hù)盾表面呈一定角度(5°～15°)。利用鉆頭打孔、取芯之后，將盤線圈22(圖2(d))上設(shè)有多個(gè)電極18的電纜固定在第二套管14上，利用鉆頭7將三個(gè)套管(第一套管13，第二套管14，第三套管15)與電纜運(yùn)送至鉆孔中。四鉆孔中布置探測(cè)電極耦合裝置，如圖3所示。該裝置包括第一套管13，第二套管14，第三套管15，帶有彈簧17的電極18，電解液，推動(dòng)桿20，電機(jī)21。其中，第一套管13，第二套管14，第三套管15依次嵌套，第一套管13管徑為11㎝，第二套管14管徑為6㎝，第三套管15管徑為4cm，第一套管13上留有等間距開孔19。間距為304㎝，開孔的孔徑為4㎝。電纜固定于第二套管14外側(cè)，與主機(jī)相連，在第二套管14外等間距裝有電極18，間距為304㎝，與第一套管開孔19一一對(duì)應(yīng)，電極18內(nèi)部空心，電極內(nèi)部設(shè)有彈簧17余第二套管14連接，使得常態(tài)下電極18藏于第一套管13內(nèi)，使用時(shí)電機(jī)21帶動(dòng)推動(dòng)桿20將第二套管14推至最前端，彈簧電極18與第一套管13的開孔19全部重合，并彈出與外巖接觸。第三套管15用于盛放電解液，不等間距的分布著與第二套管14等量的排出口16。初始時(shí)，所述排出口16從左到右依次與對(duì)應(yīng)絕緣套管1的開孔的距離為2,4,6,...,60cm。第二電機(jī)帶動(dòng)第二推動(dòng)桿推動(dòng)第三套管15實(shí)現(xiàn)步進(jìn)，每次推送2cm，可使第三套管15中電解液排出口16依次與電極18重合，釋放電解液至電極18與圍巖交界處，使其充分耦合。圖5為非平行鉆孔的三維棱臺(tái)觀測(cè)建模示意圖，在圖5所示情況下，鉆孔與護(hù)盾表面角度為9.46°，此時(shí)以鉆孔為斜邊，取兩直角邊比值為6:1，由于電極18等距分布，因此取合適網(wǎng)格，可使電極點(diǎn)全部落于網(wǎng)格點(diǎn)上。在以上建模方式的基礎(chǔ)上，即可進(jìn)行三維電阻率跨孔CT反演處理和解釋。由于所用反演方法為公知內(nèi)容，在此不再贅述。圖6為盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)搭載的超前三維電阻率CT探測(cè)孤石的一個(gè)數(shù)值模擬反演算例，可以看到，反演結(jié)果中共有兩處孤石高阻異常存在，值得說明的是，由于電阻率跨孔CT方法屬于孔中探測(cè)方法，探測(cè)電極深入圍巖，基本不會(huì)受到盾構(gòu)機(jī)本身電磁干擾的影響，因此將電阻率跨孔CT探測(cè)系統(tǒng)搭載的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)上進(jìn)行超前孤石探測(cè)是合理可行的。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。