一種tbm上三種超前地質(zhì)預(yù)報儀器的搭載裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種TBM上三種超前地質(zhì)預(yù)報儀器的搭載裝置，包括便于供電/測量電極、地震波激振器和地震波傳感器安置在TBM刀盤上的支撐傳動及減震裝置；便于斜向單孔地質(zhì)雷達發(fā)射與接收天線搭載在TBM后盾上方的伸縮傳動系統(tǒng)；在TBM掘進作業(yè)時起保護作用的儀器艙保護裝置，便于控制整體探測工作的儀器艙搭載在TBM后盾內(nèi)部。本發(fā)明實現(xiàn)了探測儀器與隧道掘進機的一體化，充分利用全斷面開挖隧道探測空間和探測時間，將儀器自動、快速地布置到隧道掘進機工作面并鉆設(shè)前進探查孔，成功搭載三種超前地質(zhì)預(yù)報儀器，提高了超前地質(zhì)預(yù)報的探測效率和自動化、快速化水平，顯著增強了TBM的超前地質(zhì)預(yù)報能力。
【專利說明】—種TBM上三種超前地質(zhì)預(yù)報儀器的搭載裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種全斷面隧道掘進機(TBM)上的搭載裝置，主要涉及三種超前地質(zhì)預(yù)報儀器在TBM上的專用搭載裝置，屬于TBM【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，世界上美國、日本、挪威、瑞士等隧道強國隧道施工中大多采用隧道掘進機施工方法，在我國隧道施工中也越來越多采用隧道掘進機施工方法。與傳統(tǒng)的鉆爆法施工項目，掘進機施工方法具有“施工速度快、開挖擾動小、安全環(huán)?！钡闹T多優(yōu)點，但隧道掘進機對地質(zhì)條件的適應(yīng)性較差。當TBM遭遇不良地質(zhì)情況時，經(jīng)常出現(xiàn)突涌水、塌方和大變形等地質(zhì)災(zāi)害，往往造成TBM機械被卡、被埋甚至機械報廢的嚴重事故。為了降低TBM施工中遭遇上述事故的風(fēng)險，最有效的解決方法就是采用超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)提前探明掌子面前方不良地質(zhì)情況，根據(jù)前方的地質(zhì)情況預(yù)先制定合理的處置措施和施工預(yù)案，規(guī)避和預(yù)防重大災(zāi)害事故的發(fā)生。
[0003]目前，傳統(tǒng)鉆爆法施工的隧道中超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)較為成熟，而掘進機施工隧道中超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)尚未突破，處于起步研究階段。與傳統(tǒng)鉆爆法施工環(huán)境相比，隧道掘進機體積龐大，占據(jù)了掌子面后方O-1OOm內(nèi)的絕大部分空間，導(dǎo)致電磁環(huán)境極為復(fù)雜，觀測空間極為狹小。掘進機施工隧道超前地質(zhì)預(yù)報大多照搬鉆爆法施工的超前預(yù)報技術(shù)或傳統(tǒng)地面地球物理探測技術(shù)，而傳統(tǒng)鉆爆法隧道超前預(yù)報技術(shù)和地面地球物理探測技術(shù)無法適用于隧道掘進機施工復(fù)雜環(huán)境，經(jīng)常導(dǎo)致誤報錯報，帶來嚴重后果。目前，國際上專用于掘進機施工超前預(yù)報的技術(shù)和儀器僅有兩類:一類是基于聚焦頻率域激發(fā)極化的BEAM技術(shù)(Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring), BEAM 技術(shù)屬于一維觀測方式，利用每次測量結(jié)果與隧道里程的曲線來推斷掘進面前方的含水情況，未采用層析成像探測，無法獲得TBM工作面前方地質(zhì)體的三維信息，探測距離小，也無法預(yù)報水量。另一類是地震波超前預(yù)報技術(shù)和儀器，由于在觀測模式和性能指標方面的缺陷，沒有得到認可和推廣。隧道掘進機施工不良地質(zhì)超前預(yù)報工作缺乏實用有效的專用地球物理探測技術(shù)。
[0004]針對隧道掘進機施工環(huán)境的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)難題，為了較好的探明掘進機掌子面前方的地質(zhì)情況，需要同時在掘進機上搭載幾種有效的地球物理儀器，通過全面探測和聯(lián)合解譯，實現(xiàn)降低多解性、提高探測效果的目標?？紤]到隧道掘進機裝備的復(fù)雜性，要求幾種地球物理儀器布置方便、高效探測，且地球物理探測方法的選擇應(yīng)少而精。山東大學(xué)在已有的研究基礎(chǔ)上，經(jīng)過國內(nèi)外調(diào)研、理論分析和試驗研究，提出了三種適用于掘進機復(fù)雜環(huán)境的新型地球物理探測方法及觀測模式:前向三維激發(fā)極化探測技術(shù)、極小偏移距彈性波探測技術(shù)和單孔雷達探測技術(shù)。針對上述三種技術(shù)開展了三種探測儀器系統(tǒng)的研發(fā)。這三種儀器均將數(shù)據(jù)采集觀測系統(tǒng)布置在掌子面上或鉆孔中，占用很小空間，不受電磁干擾的影響。三種儀器研發(fā)中面臨著一個關(guān)鍵的技術(shù)難題，就是如何將三種探測儀器(包括采集觀測系統(tǒng)、儀器主機和傳輸線纜等)搭載在隧道掘進機上。
[0005]隧道掘進機的特殊的施工環(huán)境和特點對地球物理探測儀器的搭載裝置提出了 “集成化、自動化、小型化”的技術(shù)要求。BEAM技術(shù)對刀頭進行改裝作為電極，而ISIS技術(shù)在掘進機刀盤上開孔安裝2-3個地震波激振器，在后盾上開孔安裝地震波傳感器。由于這兩種方法均是搭載單一探測儀器，搭載裝置較為簡單，不適用于多種探測儀器的搭載。前向三維激發(fā)極化、極小偏移距彈性波單孔雷達三種探測儀器的部件和單元要遠多于單一探測儀器，主要包括:供電/測量電極、地震波激振器、地震波傳感器、發(fā)射雷達天線、接收雷達天線，供電/傳輸電纜、儀器主機、電源等。其中，供電/測量電極、地震波激振器、地震波傳感器、鉆孔雷達發(fā)射和接收天線屬于激勵觀測單元，需要布置到掌子面上或鉆孔中，需要發(fā)明專門的裝置將這些觀測采集單元搭載到掘進機刀盤或后盾上；儀器主機是探測的控制指揮單元，對防震性能要求較高，可安裝在掘進機后方的盾體中，需要發(fā)明專門的抗震搭載裝置；供電/傳輸電纜主要功能是實現(xiàn)主機與觀測采集單元的電源供電、通信、指令發(fā)送和數(shù)據(jù)傳輸，由于觀測采集單元隨著單盤轉(zhuǎn)動，而主機是固定不動的，需要發(fā)明適應(yīng)轉(zhuǎn)動條件的供電/傳輸電纜的接線裝置。上述裝置(激勵觀測單元的支撐傳統(tǒng)裝置、主機的抗震搭載裝置和轉(zhuǎn)動電纜接線裝置)就構(gòu)成了隧道掘進機上三種超前地質(zhì)預(yù)報儀器的專用搭載裝置。隧道掘進機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，專門搭載裝置的設(shè)計發(fā)明需進行統(tǒng)籌規(guī)劃，要合理分配隧道掘進機內(nèi)部有限的儀器搭載空間。刀盤屬于關(guān)鍵部分，如何設(shè)計激勵觀測單元的支撐傳動裝置而又不影響刀盤掘進作業(yè)是一個難題；鉆孔雷達接收和發(fā)射天線須安放在鉆孔中，如何在掘進機后盾上設(shè)計遞送和傳統(tǒng)裝置是一個難題；隧道掘進機掘進作業(yè)時會產(chǎn)生較強的震動，如何對觀測采集單元和儀器主機等進行防震保護是一個難題；刀盤在作業(yè)時須繞主軸轉(zhuǎn)動，此時主機與觀測采集系統(tǒng)之間的電纜是斷開的，在刀盤停止轉(zhuǎn)動的條件下接通電纜并實施超前地質(zhì)預(yù)報探測工作，如何進行供電/傳輸電纜的快速準確接線也是一個難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種隧道掘進機上三種超前地質(zhì)預(yù)報儀器的專門搭載裝置。針對供電/測量電極、地震波激振器和地震波傳感器，設(shè)計發(fā)明了安裝在刀盤上的支撐傳動及其減震裝置，實現(xiàn)控制激勵管觀測系統(tǒng)的展開作業(yè)和收攏隱蔽；針對單孔雷達接收和發(fā)射天線，設(shè)計發(fā)明了安裝在后盾上的自適應(yīng)阻尼伸縮遞送裝置，可實現(xiàn)天線的自動遞送，并避免了卡孔等問題對天線的損壞；針對刀盤轉(zhuǎn)動狀態(tài)切換條件下供電/傳輸電纜，設(shè)計發(fā)明了一種快速準確接線盤，實現(xiàn)了電纜的自動斷開和接通；針對儀器主機，設(shè)計發(fā)明了一種減震儀器艙，在掘進機工作時起減震保護的作用。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0008]一種TBM上三種超前地質(zhì)預(yù)報儀器的搭載裝置，包括便于供電/測量電極、地震波激振器和地震波傳感器安置在TBM刀盤上的支撐傳動及減震裝置；便于斜向單孔地質(zhì)雷達發(fā)射與接收天線搭載在TBM后盾上方的伸縮傳動系統(tǒng)；在TBM掘進作業(yè)時起保護作用的儀器艙保護裝置，便于控制整體探測工作的儀器艙搭載在TBM后盾內(nèi)部；還可以包括適用于TBM回轉(zhuǎn)式開挖方式，用來保證供電供油線路正常工作的接線盤裝置。
[0009]所述支撐傳動及減震裝置，搭載的裝置包括供電/測量電極、地震波激振器和地震波傳感器的搭載裝置，分為兩部分:供電/測量電極作為聚焦三維激發(fā)極化探測單元；地震波激振器和地震波傳感器作為整體的極小偏移距彈性波探測單元，則聚焦三維激發(fā)極化探測單元和極小偏移距彈性波探測單元的搭載裝置與刀頭的排布應(yīng)按照下述原則進行:[0010]1.在保證刀頭排布按照破巖效率較高的原則的前提下，首要考慮的就是使儀器排布能夠?qū)崿F(xiàn)較為精確的測量效果，即前向聚焦三維激發(fā)極化探測單元呈間隔一定距離的三排排列，極小偏移距彈性波探測單元按照過刀盤中心點橫縱交叉的兩排排列。
[0011]2.在為儀器選擇位置時應(yīng)當盡量選擇距離刀頭較遠的位置，避免讓保護裝置承受較大的碎巖施加的壓力。在確定極小偏移距彈性波探測單元的橫縱兩排位置時應(yīng)選擇角度，使得刀頭盡可能多的排布在以刀盤中心為起始點所發(fā)射射線的兩側(cè)且距離較遠，而射線通過的刀頭數(shù)目很少。在安置聚焦三維激發(fā)極化探測單元時，應(yīng)與其中一排彈性波探測單元平行安放三排探測儀器，盡量選取刀盤空間較大的位置。在兩種探測單元安放的路線上，若刀頭占據(jù)了儀器的位置，應(yīng)在以刀頭為中心的一定范圍內(nèi)，選取空間較大且距離刀頭較遠的另一位置。
[0012]3.不能選擇刀盤結(jié)合縫的位置，因為接合位置內(nèi)部焊接構(gòu)造復(fù)雜，不利于搭載探測單元的固定與傳動裝置，否則會影響刀盤組裝的穩(wěn)定性。
[0013]所述支撐傳動及減震裝置包括:地震波激振器支撐傳動及減震裝置、供電/測量電極支撐傳動及減震裝置。
[0014]地震波激振器支撐傳動及減震裝置包括液壓泵、活塞、轉(zhuǎn)盤、壓力傳感器、固定裝置、螺旋卡槽、保護裝置和減震裝置；所述液壓泵對活塞兩側(cè)的油量進行控制，驅(qū)動活塞前進或后退，所述活塞的前端與能夠旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤固定連接，所述轉(zhuǎn)盤前端與地震波激振器配合，驅(qū)動地震波激振器旋轉(zhuǎn)前進或后退，所述轉(zhuǎn)盤和地震波激振器之間還設(shè)有壓力傳感器，用于反饋激發(fā)端頭碰觸掌子面后所受壓力的信息，所述地震波激振器的外壁上設(shè)有若干凸起，凸起與螺旋卡槽配合，便于地震波激振器旋轉(zhuǎn)前進或后退，所述螺旋卡槽通過固定裝置固定在刀盤上，所述地震波激振器支撐傳動及減震裝置還設(shè)有減震墊；所述保護裝置包括設(shè)置在刀盤上的卡扣，地震波激振器的激發(fā)端頭伸出時，卡扣分離，地震波激振器的激發(fā)端頭收回時，卡扣閉合。
[0015]所述供電/測量電極支撐傳動及減震裝置，包括液壓泵、活塞、壓力傳感器、固定裝置、卡槽、保護裝置和減震裝置；所述液壓泵對活塞兩側(cè)的油量進行控制，驅(qū)動活塞前進或后退，所述活塞的前端與供電/測量電極配合，驅(qū)動供電/測量電極在沿卡槽前進或后退，所述活塞前端和供電/測量電極之間還設(shè)有壓力傳感器，用于反饋電極頭碰觸掌子面后所受壓力的信息，所述卡槽通過固定裝置固定在刀盤上，所述供電/測量電極支撐傳動及減震裝置還設(shè)有減震墊；所述保護裝置包括設(shè)置在刀盤上的卡扣，供電/測量電極的電極頭伸出時，卡扣分離，供電/測量電極的電極頭收回時，卡扣閉合。
[0016]所述支撐傳動及減震裝置的原理是，包括液壓傳動系統(tǒng)及智能伸縮控制器兩部分，其中液壓泵作為液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件，通過動力元件液壓泵對活塞兩側(cè)油液量的控制實現(xiàn)前部供電/測量電極頭或超磁致伸縮換能器連同激振桿的伸縮；而在活塞推送裝置的前端構(gòu)造一個圓柱形腔體，并在探測單元一端添加一個片狀壓力傳感器，通過調(diào)查當?shù)厥┕さ牡刭|(zhì)條件，為控制器設(shè)置可接受的最大壓力值大小，由控制器自動控制探測單元前伸的位置。
[0017]所述地震波激振器支撐傳動及減震裝置包括保護裝置、固定裝置、激振器和液壓伸縮傳動裝置四個主要部分，同時因地震波激振器工作時激振作業(yè)的特殊性，還應(yīng)在內(nèi)部增設(shè)螺旋狀導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，保證激振過程中儀器軸向的穩(wěn)定，實現(xiàn)激發(fā)高質(zhì)量的彈性波。[0018]所述地震波激振器支撐傳動及減震裝置、供電/測量電極的支撐傳動及減震裝置均包括固定裝置和減震結(jié)構(gòu)兩部分，固定裝置由螺絲固定在刀盤內(nèi)側(cè)，并在探測儀器與刀盤內(nèi)表面間添加五片環(huán)狀橡膠墊片用作減震結(jié)構(gòu)，用來減弱TBM掘進工作時產(chǎn)生震動的影響。
[0019]所述伸縮傳動系統(tǒng)，便于斜向單孔地質(zhì)雷達發(fā)射與接收天線固定在TBM后盾上方，偶極發(fā)射天線與定向接收天線串接在小型鉆機后端，在鉆設(shè)前進探查孔的過程中，遞送裝置將發(fā)射天線與接收天線不斷前伸，直至要求位置。
[0020]所述伸縮傳動系統(tǒng)，包括空心伸縮桿和液壓傳動系統(tǒng)，液壓傳動系統(tǒng)驅(qū)動空心伸縮桿伸縮，空心伸縮桿搭載斜向單孔地質(zhì)雷達的發(fā)射與接收天線。
[0021]所述伸縮傳動系統(tǒng)還包括壓力傳感器和位于TBM后盾內(nèi)的反饋控制器，當遇到卡孔等問題使天線無法繼續(xù)伸縮遞送，則液壓傳動裝置自動泄壓，不會繼續(xù)向前遞送或向后收縮，以免導(dǎo)致天線損壞。
[0022]所述儀器艙保護裝置，包括懸架支柱、減振器、傳感器、電子控制裝置(E⑶)、阻尼閥和油泵；所述懸架支柱固定在TBM后盾與儀器艙之間，通過增加或減少懸架支柱中的油液，使懸架支柱伸長或壓縮，使得儀器艙上升或下降。減振器安裝在懸架支柱上，所述傳感器將接收的信號輸入電子控制裝置，電子控制裝置向阻尼閥發(fā)出指令，通過阻尼閥中電磁閥的開閉，調(diào)節(jié)減振器的阻尼力。所述阻尼閥安裝在儲壓器和懸架支柱之間，并通過油管與儲壓器和懸架支柱連接，儲壓器和減震器間設(shè)有油泵，阻尼閥根據(jù)控制指令調(diào)節(jié)減振器的阻尼力。所述電子控制裝置，根據(jù)震動狀況自動調(diào)節(jié)減振器阻尼力使儀器艙在TBM作業(yè)過程中受到的震動明顯減輕，在TBM掘進過程中，可以保證儀器的穩(wěn)定性，延長儀器設(shè)備在惡劣工作環(huán)境下的使用壽命。
[0023]本發(fā)明的有益效果是，
[0024]1.本發(fā)明針對TBM機械，提出了三種超前地質(zhì)預(yù)報儀器在TBM上搭載的一種裝置，其包含的主要部件有供電/測量電極、地震波激振器和地震波傳感器固定裝置，液壓伸縮控制裝置，斜向單孔地質(zhì)雷達發(fā)射與接收天線搭載裝置，TBM搭載儀器艙以及保證線路良好的接線盤結(jié)構(gòu)。這些都是在對TBM刀盤及主機內(nèi)部現(xiàn)有空間環(huán)境和裝置綜合考量下的設(shè)計，可令TBM的超前地質(zhì)預(yù)報能力進一步提高。
[0025]2.本發(fā)明提出了一種探測單元與刀頭的排布方式，在保證刀頭排布按照破巖效率較高的原則的前提下，合理安置探測單元，使得改造后的刀盤一方面不影響刀頭掘進作業(yè)，另一方面也保證了多種探測裝置高效工作，很好得解決了刀盤改裝空間有限的問題。
[0026]3.本發(fā)明提出了一種配合壓力傳感器使用的液壓推拉驅(qū)動裝置，通過對液壓伸縮系統(tǒng)與探測單元連接處驅(qū)動結(jié)構(gòu)的改造，為驅(qū)動裝置添加一個片狀壓力傳感器；可以在液壓伸縮傳動裝置推拉探測單元的同時，通過內(nèi)部壓力傳感器反饋的信號與探測單元端頭可承受的壓力大小作比較，使液壓裝置將探測單元前伸至與掌子面有效接觸的位置，自動傳動、快速布置探測單元，并在探測活動結(jié)束后回收儀器；同時為使探測儀器伸縮快速、平穩(wěn)，本發(fā)明還提出了一種螺旋凹槽穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，通過在固定裝置內(nèi)壁增設(shè)螺旋凹槽，在探測儀器外壁增加螺旋狀排列且與凹槽契合的半球結(jié)構(gòu)，使得液壓裝置在遞送或收回探測元件時更加穩(wěn)定；且在激振器工作時，螺旋凹槽結(jié)構(gòu)可以有效阻止探測單元在軸向的位移。
[0027]4.本發(fā)明提出了一種應(yīng)用在固定裝置上的減震結(jié)構(gòu)，通過五片墊片組合添加在固定裝置與刀盤內(nèi)表面之間，減少儀器艙在TBM掘進過程中受到的震動，延長儀器的使用壽命O
[0028]5.本發(fā)明提出了一種安置在TBM后盾上方的斜向單孔地質(zhì)雷達搭載裝置，包括安置在TBM后盾內(nèi)部的液壓傳動系統(tǒng)和用于支撐和遞送發(fā)射天線和接收天線的空心伸縮桿兩部分，通過雷達前端的小型鉆機鉆設(shè)前進探查孔，而后由液壓伸縮傳動裝置將雷達遞送至指定位置進行探測；同時設(shè)置保護反饋控制機制，在天線伸縮過程中遇到卡孔時，能夠通過阻尼器緩慢施加伸縮作用力，從而保護天線端頭不受損壞。
[0029]6.本發(fā)明提出了一種應(yīng)用于TBM儀器艙的自適應(yīng)阻尼控制懸架系統(tǒng)，能夠根據(jù)震動狀況自動調(diào)節(jié)減振器阻尼力使儀器艙TBM作業(yè)過程中受到的震動明顯減輕，在TBM掘進過程中，可以保證儀器工作的穩(wěn)定性，延長儀器設(shè)備在惡劣工作環(huán)境下的使用壽命。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明TBM上三種超前地質(zhì)預(yù)報儀器搭載裝置的整體結(jié)構(gòu)剖面圖。
[0031]圖2是本發(fā)明TBM刀盤改造整體排布示意圖。
[0032]圖3是本發(fā)明地震波激振器支撐傳動及減震裝置剖面圖。
[0033]圖4是本發(fā)明供電/測量電極支撐傳動及減震裝置剖面圖。
[0034]圖5是本發(fā)明激振器外壁半球形凸起結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖6是本發(fā)明螺旋卡槽結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖7是本發(fā)明減震結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖8是本發(fā)明探測儀器保護裝置剖面圖。
[0038]圖9是本發(fā)明伸縮傳動系統(tǒng)示意圖。
[0039]圖10是本發(fā)明儀器艙保護裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0040]其中，1.刀盤，2.發(fā)射與接收天線，3.儀器艙，4.地震波傳感器，5.供電/測量電極，6.地震波激振器，7.刀頭，8.激發(fā)端頭，9.固定裝置，10.凸起，11.螺旋卡槽，12.壓力傳感器，13.活塞，14.液壓泵，15.保護裝置，16.轉(zhuǎn)盤，17.電極頭，18.卡槽，19.減震結(jié)構(gòu)，20.卡扣，21.空心伸縮桿，22.液壓傳動系統(tǒng)，23.墊片，24.傳感器，25.電子控制裝置，26.阻尼閥，27.儲壓器，28.電磁閥，29.串聯(lián)式油泵，30.減震器，31.懸架支柱。
【具體實施方式】
[0041]下面通過具體實例和附圖對本發(fā)明進行進一步的闡述。
[0042]本發(fā)明所述的三種超前地質(zhì)預(yù)報儀器在TBM上的搭載裝置，如圖1所示主要包括三部分，分別是刀盤I上探測儀器的搭載裝置、TBM后盾上方斜向單孔地質(zhì)雷達發(fā)射與接收天線2的搭載機構(gòu)、地震波傳感器4的搭載機構(gòu)、儀器艙3以及主機后方前后盾連接處的接線盤。通過幾部分搭載設(shè)備的協(xié)同作用，共同完成三種儀器在TBM上的運作，構(gòu)成整個搭載裝置。首先介紹TBM刀盤上搭載供電/測量電極5和地震波激振器6的方法和裝置。
[0043]如圖2所示為TBM刀盤上刀頭7、供電/測量電極5和地震波激振器6的整體排布，他們在刀盤I上是按一定的數(shù)學(xué)和幾何規(guī)律布置的。刀頭7的布置使得TBM工作時盤形滾刀的破巖力對刀盤的作用力均勻，同時具有較高的破巖效率，類似的在布置供電/測量電極5和地震波激振器6時，首要考慮的就是使儀器排布能夠?qū)崿F(xiàn)較為精確的測量效果，即供電/測量電極5呈三排排列，地震波激振器6按照橫縱交叉兩排排列，同時為了方便探測過程中時分復(fù)用方法的實現(xiàn)，供電/測量電極5和地震波激振器6呈正交排布。
[0044]同時儀器的位置應(yīng)當距離刀頭7盡量遠，避免使保護裝置15承受較大的碎巖施加的壓力。圖2中，在為地震波激振器6選擇安放位置時，首先尋找相互正交于刀盤I中心且被刀頭7、集渣口等裝置占用較少的兩排位置，而且這兩排位置不能是刀盤I的結(jié)合縫。然后在與任意一排地震波激振器6平行的位置，選取三行空間較大的位置安置供電/測量電極5。
[0045]在兩種探測單元安放的路線上，若刀頭7或集渣口占據(jù)了儀器的位置，應(yīng)在以刀頭7為中心的一定范圍內(nèi)，選取空間較大且距離刀頭7較遠的另一位置代替。如圖2所示，刀頭7正好占用了兩個地震波激振器6的安放位置，于是選擇刀頭兩側(cè)稍稍偏離儀器排布路線的兩個合理且可行的位置替代，從而保證了 TBM工作效率同時也不會影響儀器測量的準確性。
[0046]圖3所示是地震波激振器6在TBM刀盤上的搭載設(shè)備，該設(shè)備主要包括:激發(fā)端頭8、固定裝置9、螺旋卡槽11、壓力傳感器12、活塞13、液壓泵14和保護裝置15、轉(zhuǎn)盤16。
[0047]在TBM掘進作業(yè)間歇，三種探測單元時分復(fù)用開始工作，當?shù)卣鸩ふ衿?開始工作時，保護裝置15開啟，液壓泵14推送地震波激振器6向前伸出TBM刀盤I盤面，在這個過程中，活塞13前部液壓油被抽出，后部輸入液壓油。地震波激振器6前伸動作并不是簡單的前后移動，而是旋轉(zhuǎn)行進的，這樣不僅保證地震波激振器6前后移動時的穩(wěn)定，更加重要的是在地震波激振器6前伸至作業(yè)位置后能夠保證它不會產(chǎn)生軸向的位移，使得激發(fā)彈性波的質(zhì)量較高，這主要依靠螺旋卡槽11來完成，如圖6。地震波激振器6的外壁在四個方向依次排列著半球形小凸起10，如圖5所示；與之相對的，螺旋卡槽11的內(nèi)壁也有螺旋狀的凹槽，如圖5所示，且這樣的凸起10和凹槽是相互契合的，他們之間添加潤滑油會使得地震波激振器6前后移動順暢，不會產(chǎn)生較大的滑動摩擦力。當液壓泵14對地震波激振器6施加推送力時，地震波激振器6會從液壓端方向順時針轉(zhuǎn)動前伸,這時壓力傳感器12與液壓推送端產(chǎn)生很嚴重的摩擦，損壞壓力傳感器12，因此在液壓推送端添加一個轉(zhuǎn)盤16，使之與地震波激振器6同步轉(zhuǎn)動。
[0048]當激發(fā)端頭8碰觸到掌子面后，液壓泵14繼續(xù)推送地震波激振器6，使得壓力傳感器12的受力增大，當壓力傳感器12輸出的信號大于根據(jù)地質(zhì)條件設(shè)定的一個數(shù)值時，位于儀器艙3的控制器會作出回應(yīng)，向液壓泵14發(fā)出一個停止繼續(xù)推送的信號，從而使地震波激振器6的激發(fā)端頭8與掌子面接觸密實而又不會損壞儀器。
[0049]圖4所示為供電/測量電極支撐傳動及減震裝置整體結(jié)構(gòu)圖，該設(shè)備包括:電極頭17、卡槽18以及和地震波激振器6 —樣的固定裝置9、壓力傳感器12、液壓泵14和保護裝置15。這跟地震波激振器6相比沒有轉(zhuǎn)盤16結(jié)構(gòu)，因為聚焦三維激發(fā)極化探測單元不同于極小偏移距彈性波探測單元，對于裝置整體的穩(wěn)定性要求并不高。供電/測量電極支撐傳動及減震裝置的主要功能是實現(xiàn)液壓泵14對探測單元的推進和回拉，通過一個空心桶狀結(jié)構(gòu)完成，當液壓推送端與壓力傳感器12接觸時可以驅(qū)使探測單元前伸，而當液壓推送端回收時，由于推送端頭被包裹起來，可以拉回探測單元。其他部分由于供電/測量電極5與地震波激振器6的工作過程基本一致，所以結(jié)構(gòu)相同，不再贅述。
[0050]供電/測量電極5和地震波激振器6固定在TBM刀盤I的內(nèi)側(cè)，當TBM掘進時難免要承受較強的震動和掌子面碎巖對刀盤的沖擊，這時候需要減震結(jié)構(gòu)19，圖7中，在大小五個圓環(huán)標識的位置添加五張塑膠墊片23可以有效減弱TBM掘進產(chǎn)生的震動對探測裝置本身的影響；而圖8中的保護裝置15由兩個卡扣20構(gòu)成，當TBM掘進作業(yè)時，艙門關(guān)閉，保護儀器不受碎巖沖擊；在探測工作開始時，艙門打開，使探測單元自由伸縮。
[0051]下面介紹TBM后盾上方斜向單孔地質(zhì)雷達發(fā)射與接收天線2的搭載裝置和主機內(nèi)部搭載的儀器艙3。
[0052]本發(fā)明所述的斜向單孔地質(zhì)雷達發(fā)射與接收天線2的搭載裝置包括空心伸縮桿21和液壓傳動系統(tǒng)22,如圖9所不,安置在TBM后盾內(nèi)的液壓傳動系統(tǒng)22推送空心伸縮桿21拉伸，斜向單孔地質(zhì)雷達前部鉆機與掌子面接觸，鉆設(shè)前進探查孔，直至抵達指定位置；探測活動結(jié)束后，空心伸縮桿21縮回，帶動斜向單孔地質(zhì)雷達前部發(fā)射與接收天線2收回；通過保護反饋控制單元應(yīng)對雷達天線因外部因素不能自由伸縮的問題，當雷達天線遇到卡孔等問題不能自由伸縮，則通過天線端頭的壓力傳感器提示，伸縮遞送改為阻尼控制方式，緩慢增加作用力，從而保證雷達天線不受損壞。
[0053]在TBM后盾與儀器艙3之間加入電子控制懸架，自適應(yīng)阻尼控制懸架系統(tǒng)，ADS將橫向傳感器、縱向傳感器等傳感，24接收的信號輸入電子控制裝置25，并根據(jù)震動狀況自動調(diào)節(jié)減振器24阻尼力使儀器艙3在TBM作業(yè)過程中受到的震動明顯減輕。該系統(tǒng)主要有減振器30、傳感器24、電子控制裝置25 (E⑶)、阻尼閥26和串聯(lián)式油泵29組成，如圖10所示。
[0054]減振器30安裝在懸架支柱31上，油液的阻尼作用產(chǎn)生在一個電磁閥內(nèi)，電磁閥28通過高壓油管與懸架支柱31連接。而5個傳感器分別用來檢測儀器艙3的垂直加速度、前后向移動的速度、側(cè)向滑動和儀器艙3的負荷等信息，并將信號輸入ECU，ECU處理傳感器24信號后，確定保持儀器艙3穩(wěn)定所需的最佳減振阻尼力，向電磁閥28發(fā)出控制信號調(diào)節(jié)減振器30的阻尼力。ECU通過計算加速度傳感器、前后向速度傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器等輸入的信號，然后與ECU存儲的數(shù)值進行比較，向阻尼閥26發(fā)出指令，通過阻尼閥26中電磁閥28的開閉，調(diào)節(jié)減振器30的阻尼力。阻尼閥26安裝在儲壓器27和懸架支柱31之間，并通過油管與儲壓器27和懸架支柱31連接，根據(jù)控制指令調(diào)節(jié)減振器26的阻尼力。動力轉(zhuǎn)向油泵與油泵安裝在一起，形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)。其中葉片泵向動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供油，徑向活塞泵向系統(tǒng)供油，串聯(lián)式油泵29由皮帶通過一根軸驅(qū)動。通過增加或減少懸架支柱31中的油液，使懸架支柱31伸長或壓縮，使得儀器艙3上升或下降。由于前懸架支柱31油封承受負載較大，支柱油封分低壓油封和高壓油封兩種，從高壓油封泄漏的油液通過回油管流回油箱。
【權(quán)利要求】
1.一種TBM上三種超前地質(zhì)預(yù)報儀器的搭載裝置，其特征是，包括便于供電/測量電極、地震波激振器和地震波傳感器安置在TBM刀盤上的支撐傳動及減震裝置；便于斜向單孔地質(zhì)雷達發(fā)射與接收天線搭載在TBM后盾上方的伸縮傳動系統(tǒng)；在TBM掘進作業(yè)時起保護作用的儀器艙保護裝置，便于控制整體探測工作的儀器艙搭載在TBM后盾內(nèi)部。
2.如權(quán)利要求1所述的TBM上三種超前地質(zhì)預(yù)報儀器的搭載裝置，其特征是，所述支撐傳動及減震裝置，所述供電/測量電極間隔得三排排列于刀盤上，所述地震波激振器和地震波傳感器按照過刀盤中心點橫縱交叉得兩排排列。
3.如權(quán)利要求1所述的TBM上三種超前地質(zhì)預(yù)報儀器的搭載裝置，其特征是，所述支撐傳動及減震裝置包括:地震波激振器支撐傳動及減震裝置、供電/測量電極支撐傳動及減震裝直； 地震波激振器支撐傳動及減震裝置，包括液壓泵、活塞、轉(zhuǎn)盤、壓力傳感器、固定裝置、螺旋卡槽、減震裝置；所述液壓泵對活塞兩側(cè)的油量進行控制，驅(qū)動活塞前進或后退，所述活塞的前端與能夠旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤固定連接，所述轉(zhuǎn)盤前端與地震波激振器配合，驅(qū)動地震波激振器旋轉(zhuǎn)前進或后退，所述轉(zhuǎn)盤和地震波激振器之間還設(shè)有壓力傳感器，用于反饋激發(fā)端頭碰觸掌子面后所受壓力的信息，所述地震波激振器的外壁上設(shè)有若干凸起，凸起與螺旋卡槽配合，便于地震波激振器旋轉(zhuǎn)前進或后退，所述螺旋卡槽通過固定裝置固定在刀盤上，所述地震波激振器支撐傳動及減震裝置還設(shè)有減震墊； 所述供電/測量電極支撐傳動及減震裝置，包括液壓泵、活塞、壓力傳感器、固定裝置、卡槽、保護裝置和減震裝置；所述液壓泵對活塞兩側(cè)的油量進行控制，驅(qū)動活塞前進或后退，所述活塞的前端與供電/測量電極配合，驅(qū)動供電/測量電極在沿卡槽前進或后退，所述活塞前端和供電/測量電極之間還設(shè)有壓力傳感器，用于反饋電極頭碰觸掌子面后所受壓力的信息，所述卡槽通過固定裝置固定在刀盤上，所述供電/測量電極支撐傳動及減震裝置還設(shè)有減震墊。
4.如權(quán)利要求3所述的TBM上三種超前地質(zhì)預(yù)報儀器的搭載裝置，其特征是，所述地震波激振器支撐傳動及減震裝置還包括保護裝置，保護裝置包括設(shè)置在刀盤上的卡扣，地震波激振器的激發(fā)端頭伸出時，卡扣分離，地震波激振器的激發(fā)端頭收回時，卡扣閉合。
5.如權(quán)利要求3所述的TBM上三種超前地質(zhì)預(yù)報儀器的搭載裝置，其特征是，所述供電/測量電極支撐傳動及減震裝置還包括保護裝置，所述保護裝置包括設(shè)置在刀盤上的卡扣，供電/測量電極的電極頭伸出時，卡扣分離，供電/測量電極的電極頭收回時，卡扣閉合。
6.如權(quán)利要求1所述的TBM上三種超前地質(zhì)預(yù)報儀器的搭載裝置，其特征是，所述伸縮傳動系統(tǒng)，包括空心伸縮桿和液壓傳動系統(tǒng)，液壓傳動系統(tǒng)驅(qū)動空心伸縮桿伸縮，空心伸縮桿搭載斜向單孔地質(zhì)雷達的發(fā)射與接收天線。
7.如權(quán)利要求6所述的TBM上三種超前地質(zhì)預(yù)報儀器的搭載裝置，其特征是，所述伸縮傳動系統(tǒng)還包括壓力傳感器和位于TBM后盾內(nèi)的反饋控制器，當遇到卡孔等問題使天線無法繼續(xù)伸縮遞送時，液壓傳動裝置自動泄壓，不會繼續(xù)向前遞送或向后收縮，以免導(dǎo)致天線損壞。
8.如權(quán)利要求1所述的TBM上三種超前地質(zhì)預(yù)報儀器的搭載裝置，其特征是，所述儀器艙保護裝置，包括懸架支柱、減振器、傳感器、電子控制裝置、阻尼閥和油泵；所述懸架支柱固定在TBM后盾與儀器艙之間，通過增加或減少懸架支柱中的油液，使懸架支柱伸長或壓縮，使得儀器艙上升或下降；減振器安裝在懸架支柱上，所述傳感器將接收的信號輸入電子控制裝置，電子控制裝置向阻 尼閥發(fā)出指令，通過阻尼閥中電磁閥的開閉，調(diào)節(jié)減振器的阻尼力；所述阻尼閥安裝在儲壓器和懸架支柱之間，并通過油管與儲壓器和懸架支柱連接，儲壓器和減震器間設(shè)有油泵，阻尼閥根據(jù)控制指令調(diào)節(jié)減振器的阻尼力。
【文檔編號】G01V1/20GK103698806SQ201410006857
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2014年1月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月7日
【發(fā)明者】劉斌, 王世睿, 李術(shù)才, 聶利超, 馬翔雪, 林春金, 李堯, 孫懷鳳, 楊磊, 張波, 宋杰, 劉征宇, 王傳武, 陳磊 申請人:山東大學(xué)