本發(fā)明涉及隧道不良地質(zhì)體探測的實(shí)時超前探測領(lǐng)域，尤其涉及一種用于TBM的滾動接觸式電法實(shí)時超前探測搭載裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著各大城市地鐵建設(shè)力度的不斷加大，跨江越海隧道工程不斷增加，國家的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，如長距離供水、水下交通、西氣東輸?shù)裙こ潭紝⑸婕暗酱┰浇拥膯栴}；鐵路、公路、市政、供水、供氣、防洪、水電等隧道工程的建設(shè)。這些都會使隧道(隧洞)的數(shù)量大幅度增多。TBM施工是主流的隧道開挖方法，TBM(Tunnel Boring Machine)主要是利用機(jī)械壓力對巖石土地進(jìn)行切削、破碎，是高度機(jī)械化和自動化的大型地下隧道開挖設(shè)備，具有高效、快速、優(yōu)質(zhì)、安全等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，TBM掘進(jìn)技術(shù)已相當(dāng)成熟，但是TBM施工對地質(zhì)狀況非常敏感,在深埋長大隧洞TBM施工中,經(jīng)常遇到不良地質(zhì)體,如大規(guī)模塌方、涌水,巖爆等,都會嚴(yán)重影響TBM正常的掘進(jìn)施工。為保證TBM施工安全,需要實(shí)時對不良地質(zhì)體進(jìn)行超前地質(zhì)探測和超前地質(zhì)預(yù)報(bào),判斷可能發(fā)生施工地質(zhì)災(zāi)害的相對位置、規(guī)模和嚴(yán)重程度等,以便提前做好技術(shù)準(zhǔn)備,指導(dǎo)TBM施工。然而TBM裝置十分復(fù)雜，刀盤改裝空間和超前預(yù)報(bào)時間十分有限，使用現(xiàn)有的電法探測方式費(fèi)時費(fèi)力，無法在TBM上有效搭載，難以滿足TBM施工快速、準(zhǔn)確的探測前方的不良地質(zhì)體的要求。

為了實(shí)現(xiàn)探測系統(tǒng)與TBM的一體化集成化，亟需研制用于TBM電法超前探測的搭載裝置，在掘進(jìn)機(jī)施工條件下實(shí)現(xiàn)實(shí)時的探測，提高探測效率。然而由于TBM的機(jī)械構(gòu)造和特有的施工形式，電法探測裝置搭載在TBM上面臨著諸多問題，主要如下：

①允許探測周期短。TBM僅有較短的時間不工作停機(jī)保養(yǎng)，而探測需在該時間范圍內(nèi)快速高效的完成?？焖偻瓿晒╇婋姌O和測量電極快速布置，是提高TBM搭載電法探測效率需解決的首要問題。

②刀盤電極易損毀。電法探測裝置采用接觸式電極，與掌子面接觸耦合。在TBM掘進(jìn)或刀盤維修時，需要轉(zhuǎn)動刀盤。轉(zhuǎn)動的過程中會破壞電極及推出裝置，影響超前地質(zhì)探測。采用新型的不易損壞的接觸式電極是一個亟需解決的重要問題。

③TBM施工過程中，刀盤相對于TBM主體結(jié)構(gòu)不停轉(zhuǎn)動，為實(shí)現(xiàn)兩者之間的有效安全連接，亟需提出一種回轉(zhuǎn)接線裝置。能夠在TBM刀盤轉(zhuǎn)動的同時順利實(shí)現(xiàn)電纜的回轉(zhuǎn)以及刀盤電極用水和液壓油的回轉(zhuǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對于現(xiàn)有TBM電法搭載裝置存在的技術(shù)問題，提出了一種用于TBM的滾動接觸式電法實(shí)時超前探測搭載裝置及方法，為TBM的安全施工提供技術(shù)支撐。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種用于TBM的滾動接觸式電法實(shí)時超前探測的搭載裝置，包括：滾動液壓電極、回轉(zhuǎn)接線設(shè)備、合并管路和固定電極；所述滾動液壓電極與所述回轉(zhuǎn)接線設(shè)備通過合并管路完成刀盤與TBM主體之間電性信號以及油液管路連接；回轉(zhuǎn)接線設(shè)備和固定電極分別與電法探測的主機(jī)系統(tǒng)連接；

所述回轉(zhuǎn)接線設(shè)備包括：電法回轉(zhuǎn)接線設(shè)備外環(huán)、電法回轉(zhuǎn)接線設(shè)備內(nèi)環(huán)、TBM回轉(zhuǎn)接線設(shè)備外環(huán)以及TBM回轉(zhuǎn)接線設(shè)備內(nèi)環(huán)；

所述TBM回轉(zhuǎn)接線設(shè)備內(nèi)環(huán)與TBM主體連接并保持靜止，所述電法回轉(zhuǎn)接線設(shè)備外環(huán)通過電刷與電法回轉(zhuǎn)接線設(shè)備內(nèi)環(huán)連接，所述電法回轉(zhuǎn)接線設(shè)備內(nèi)環(huán)與TBM回轉(zhuǎn)接線設(shè)備內(nèi)環(huán)連接，所述TBM回轉(zhuǎn)接線設(shè)備內(nèi)環(huán)連接電法探測的主機(jī)系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，所述滾動液壓電極包括滾動液壓供電電極和滾動液壓測量電極；固定電極包括進(jìn)行供電的固定供電電極B和進(jìn)行測量的固定測量電極N。

進(jìn)一步地，

所述滾動液壓供電電極安裝在刀盤的大半徑上，構(gòu)成多個相同極性的供電電極；

所述滾動液壓測量電極安裝在刀盤的小半徑上，構(gòu)成陣列式測量電極系。

進(jìn)一步地，所述主機(jī)系統(tǒng)分別通過回轉(zhuǎn)接線設(shè)備為滾動液壓供電電極和固定供電電極B供電，同時通過回轉(zhuǎn)接線設(shè)備采集滾動液壓測量電極和固定測量電極N的數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，進(jìn)行探測時，所述主機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的油液加壓指令通過回轉(zhuǎn)接線設(shè)備傳送至刀盤滾動液壓電極內(nèi)部的液壓油泵，液壓油泵加壓后將電極伸出至接觸掌子面，完成探測的電路布置。

進(jìn)一步地，所述滾動液壓電極還包括：絕緣層，耐磨保護(hù)套和液壓油缸；

所述滾動液壓電極與液壓油缸連接，所述液壓油缸固定在刀盤前面板上，所述液壓油缸由纜線連接回轉(zhuǎn)接線設(shè)備；所述滾動液壓電極的外部由絕緣層包裹，所述耐磨保護(hù)套是電極的框架外殼。

進(jìn)一步地，所述合并管路包括：液壓供油管、多芯電纜和供水水管；

所述液壓供油管和供水水管分別在刀盤內(nèi)產(chǎn)生分路，分別為作為每個滾動電極的供油和供水管道；所述多芯線纜包括與液壓供油管和供水水管所產(chǎn)生的分路相匹配的單芯線纜，作為每個滾動電極的供電通道。

一種TBM，所述TBM上設(shè)置有用于TBM的滾動接觸式電法實(shí)時超前探測搭載裝置；所述滾動液壓電極分別安裝在TBM刀盤的工作面和護(hù)盾上并隨刀盤旋轉(zhuǎn)，所述固定電極在TBM后配套拖車處固定布設(shè)。

一種用于TBM的滾動接觸式電法實(shí)時超前探測搭載裝置的工作方法，包括：

(1)在TBM上安裝回轉(zhuǎn)接線設(shè)備并鋪設(shè)電纜，電纜一端連接所述刀盤上的滾動液壓電極，另一端連接回轉(zhuǎn)接線設(shè)備，回轉(zhuǎn)接線設(shè)備經(jīng)電纜與主機(jī)系統(tǒng)連接；護(hù)盾上滾動液壓電極經(jīng)電纜與主機(jī)系統(tǒng)連接，TBM后配套拖車處的固定供電電極B和固定測量電極N經(jīng)電纜與主機(jī)系統(tǒng)連接；

(2)探測時，由主機(jī)系統(tǒng)發(fā)出加壓指令，油液通過合并管路加壓傳送至刀盤滾動電極內(nèi)部的液壓油泵，液壓油泵加壓后將電極伸出至接觸掌子面，同時油液通過液壓管路使護(hù)盾上滾動液壓電極推出至圍巖，完成探測的電極布置；

(3)主機(jī)系統(tǒng)設(shè)定電流，對所述滾動液壓供電電極和固定電極B進(jìn)行供電，同時獲取滾動液壓測量電極和固定電極N的數(shù)據(jù)，完成測量數(shù)據(jù)采集；

(4)隨著所述TBM的刀盤在掌子面的推進(jìn)，依次選擇下一工作面進(jìn)行探測，重復(fù)所述步驟(3)，實(shí)現(xiàn)探測數(shù)據(jù)的實(shí)時采集。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明在TBM的制造過程中在刀盤上安裝供電電極和測量電極，同時，將固定供電電極和固定測量電極固定安裝于TBM的盾尾處；僅在刀盤上安裝電極系可有效避免后方金屬物的干擾，提高對前方的超前探測能力，更為重要的是克服了刀盤與掌子面空間極為狹小的問題。

2、本發(fā)明提出的滾動電極在伸出狀態(tài)后可以保證在TBM掘進(jìn)或刀盤維修時電極與掌子面接觸耦合。同時滾動電極可以隨著刀盤旋轉(zhuǎn)保證了電極在TBM掘進(jìn)探測時電極與掌子面接觸。

3、本發(fā)明提出的回轉(zhuǎn)接線設(shè)備在TBM施工過程順利實(shí)現(xiàn)多芯電纜的回轉(zhuǎn)以及刀盤電極用水和液壓油的回轉(zhuǎn)需求，實(shí)現(xiàn)探測裝置的實(shí)時自動化探測。

4、本發(fā)明提出的搭載裝置能夠滿足TBM快速化施工的需求，實(shí)現(xiàn)TBM施工過程中不停機(jī)超前探測的實(shí)時自動化探測。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的探測裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例滾動液壓電極的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例回轉(zhuǎn)接線設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例主機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例管路合并及布置示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例電極在刀盤的布置圖；

其中，1.滾動液壓供電電極，2.滾動液壓測量電極，3.回轉(zhuǎn)接線設(shè)備，4.滾動電極，5.絕緣層,6.耐磨保護(hù)套,7.刀盤前面板,8.液壓油缸,9.電法回轉(zhuǎn)接線設(shè)備外環(huán),10.電刷,11.電法回轉(zhuǎn)接線設(shè)備內(nèi)環(huán),12.固定支架,13.TBM回轉(zhuǎn)接線設(shè)備外環(huán),14.TBM回轉(zhuǎn)接線設(shè)備內(nèi)環(huán)，15.供電電極連接系統(tǒng)，16.多路供電裝置，17.控制主機(jī)，18.測量電極連接系統(tǒng),19.多路采集接收裝置,20.A/D轉(zhuǎn)換器，21.主機(jī)系統(tǒng)，22.固定電極，23.合并管路，24.液壓供油管，25.多芯電纜，26.供水水管，27.單芯電纜。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。應(yīng)該說明的是，下述說明僅是為了解釋本發(fā)明，并不對其內(nèi)容進(jìn)行限定。

如圖1所示，一種搭載于TBM的滾動接觸式電法實(shí)時超前探測裝置，包括：滾動液壓電極、回轉(zhuǎn)接線設(shè)備3、合并管路23和固定電極22；滾動液壓電極通過合并管路23與回轉(zhuǎn)接線設(shè)備3完成刀盤與TBM主體之間電性信號以及油液管路連接，主機(jī)系統(tǒng)21與回轉(zhuǎn)接線設(shè)備3和固定電極22分別連接。

電性連接實(shí)現(xiàn)對滾動液壓電極的供電和測量的通路，油液連接實(shí)現(xiàn)對滾動液壓電極的推送和回收，合并管路23集成電性連接和油液連接的纜線，實(shí)現(xiàn)整體統(tǒng)一鋪設(shè)。

其中，滾動液壓電極包括四個滾動液壓供電電極1和八個滾動液壓測量電極2，固定電極22包括一個固定供電電極B和一個固定測量電極N；

主機(jī)系統(tǒng)21的結(jié)構(gòu)原理如圖4所示，主機(jī)系統(tǒng)21包括供電電極連接系統(tǒng)15，多路供電裝置16，控制主機(jī)17，測量電極連接系統(tǒng)18，多路采集接收裝置19，A/D轉(zhuǎn)換器20；

主機(jī)系統(tǒng)21控制多路供電裝置16，多路供電裝置16由主機(jī)系統(tǒng)21設(shè)定測量電流和供電時間后發(fā)出相應(yīng)的電信號，通過回轉(zhuǎn)接線設(shè)備3接入滾動液壓供電電極1和固定供電電極進(jìn)行供電。測量電流指的是滾動液壓測量電極2和固定測量電極的電流。

滾動液壓電極的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括滾動電極4，絕緣層5，耐磨保護(hù)套6，刀盤前面板7，液壓油缸8，滾動電極4的外部由絕緣層5包裹，防止電極安裝后因長時間工作而腐蝕影響性能并保持和金屬絕緣。耐磨保護(hù)套6是電極的框架外殼，液壓油缸8由纜線連接回轉(zhuǎn)接線設(shè)備3。

同時，為發(fā)揮聚焦電法的優(yōu)勢，將四個供電電極布置在刀盤的大半徑上，實(shí)現(xiàn)多路電流的輸出，將測量電極布置在刀盤的小半徑上，實(shí)現(xiàn)陣列的測量電極采集，可提高探測深度與壓制干擾，從而也為三維反演成像提供數(shù)據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)刀盤上的滾動液壓電極旋轉(zhuǎn)而后方的主機(jī)系統(tǒng)21不轉(zhuǎn)的情況下電流與測量信號的實(shí)時傳輸，滾動液壓電極和主機(jī)系統(tǒng)21之間設(shè)有回轉(zhuǎn)接線設(shè)備3。

回轉(zhuǎn)接線設(shè)備3的結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括電法回轉(zhuǎn)接線設(shè)備外環(huán)9，電法回轉(zhuǎn)接線設(shè)備內(nèi)環(huán)11，電刷10，固定支架12，TBM回轉(zhuǎn)接線設(shè)備外環(huán)13，TBM回轉(zhuǎn)接線設(shè)備內(nèi)環(huán)14。TBM回轉(zhuǎn)接線設(shè)備內(nèi)環(huán)14與TBM主體連接并保持靜止，電法回轉(zhuǎn)接線設(shè)備外環(huán)9通過電刷10與電法回轉(zhuǎn)接線設(shè)備內(nèi)環(huán)11連接，電法回轉(zhuǎn)接線設(shè)備內(nèi)環(huán)11與TBM回轉(zhuǎn)接線設(shè)備內(nèi)環(huán)14連接；TBM回轉(zhuǎn)接線設(shè)備內(nèi)環(huán)14連接主機(jī)系統(tǒng)21，電法回轉(zhuǎn)接線設(shè)備外環(huán)9連接合并管路23，合并管路23連接滾動液壓電極。

合并管路23的示意圖如圖5所示，合并管路23包括液壓供油管24、多芯電纜25和供水水管26。液壓供油管24、供水水管26在刀盤內(nèi)產(chǎn)生分路，與多芯電纜25內(nèi)一一對應(yīng)的單芯電纜27匹對并共同組成對應(yīng)每個滾動電極4的油、水、電供送管道。液壓供油管24、多芯電纜25和供水水管26的另一端連接回轉(zhuǎn)接線設(shè)備3。

本實(shí)施例的一種TBM，包括前面提到的滾動接觸式電法實(shí)時超前探測裝置，如圖1所示，滾動液壓測量電極2安裝在TBM刀盤的工作面上并隨刀盤旋轉(zhuǎn)，固定電極22在TBM的尾處固定布設(shè)。

滾動液壓測量電極2在刀盤上的布置如圖6所示，滾動液壓電極包括四個滾動液壓供電電極1和八個滾動液壓測量電極2，滾動液壓供電電極1安裝在刀盤的大半徑上，構(gòu)成多個相同極性的供電電極；而滾動液壓測量電極2安裝在刀盤的小半徑上，構(gòu)成陣列式測量電極系。

上述用于TBM的滾動接觸式電法實(shí)時超前探測搭載裝置，其具體布置和工作方法為：

步驟(1)：在TBM的制造過程中在刀盤上安裝滾動供電電極和滾動測量電極，供電電極和測量電極分別在刀盤的工作面上呈圓環(huán)狀分布，供電電極套置在測量電極所構(gòu)成的圓環(huán)的外側(cè)(即：供電電極安裝在刀盤的大半徑上，測量電極安裝在刀盤的小半徑上)，多個供電電極的極性相同，多個測量電極構(gòu)成陣列式測量電極系；同時，將固定供電電極和固定測量電極固定安裝于TBM的TBM后配套拖車處。通常情況下，電極包括四個供電電極和八個測量電極，固定電極22包括一個供電電極和一個測量電極。

步驟(2)：在TBM上安裝回轉(zhuǎn)接線設(shè)備3并鋪設(shè)電纜，電纜一端連接刀盤上的電極，電纜的另一端依次連接回轉(zhuǎn)接線設(shè)備3；電纜連接回轉(zhuǎn)接線設(shè)備3與供電與測量裝置之間，同時采用電纜分別連接固定供電電極和固定測量電極到供電與測量裝置，主機(jī)系統(tǒng)21連接電極和供電與測量裝置，完成電法實(shí)時超前探測裝置的連接。

步驟(3)：探測時，由主機(jī)系統(tǒng)21發(fā)出指令通過回轉(zhuǎn)設(shè)備的連接，將油液加壓傳送至刀盤滾動電極4內(nèi)部的液壓油泵，液壓油泵加壓后將電極伸出至接觸掌子面，將油液加壓傳送至護(hù)盾滾動電極1內(nèi)部的液壓油泵，使護(hù)盾上滾動液壓電極推出至圍巖，完成探測的電極布置。

步驟(4)：利用主機(jī)系統(tǒng)21設(shè)定電流，對供電電極和固定供電電極進(jìn)行供電，供電與測量裝置獲取各測量電極和固定測量電極的數(shù)據(jù)，傳輸?shù)街鳈C(jī)系統(tǒng)21，完成測量數(shù)據(jù)工作。

步驟(5)：隨著TBM的刀盤在掌子面的推進(jìn)，依次選擇下一工作面進(jìn)行探測，重復(fù)所述步驟(4)，實(shí)現(xiàn)探測數(shù)據(jù)的實(shí)時采集。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。