本發(fā)明涉及隧道不良地質(zhì)體探測(cè)的實(shí)時(shí)超前探測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于TBM的滾動(dòng)接觸式電法實(shí)時(shí)超前探測(cè)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(guó)家的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，如長(zhǎng)距離供水、水下交通、西氣東輸?shù)裙こ潭紝⑸婕暗酱┰浇拥膯?wèn)題；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(huì)使隧道(隧洞)的數(shù)量大幅度增多。TBM施工是主流的隧道開(kāi)挖方法，TBM(Tunnel Boring Machine)主要是利用機(jī)械壓力對(duì)巖石土地進(jìn)行切削、破碎，是高度機(jī)械化和自動(dòng)化的大型地下隧道開(kāi)挖設(shè)備，具有高效、快速、優(yōu)質(zhì)、安全等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)半個(gè)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(duì)地質(zhì)狀況非常敏感,在深埋長(zhǎng)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(huì)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(shí)對(duì)不良地質(zhì)體進(jìn)行超前地質(zhì)探測(cè)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(duì)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(pán)改裝空間和超前預(yù)報(bào)時(shí)間十分有限，使用現(xiàn)有的電法探測(cè)方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，無(wú)法在TBM上有效搭載，難以滿(mǎn)足TBM施工快速、準(zhǔn)確的探測(cè)前方的不良地質(zhì)體的要求。

為了實(shí)現(xiàn)探測(cè)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(cè)的搭載裝置，在掘進(jìn)機(jī)施工條件下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的探測(cè)，提高探測(cè)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(cè)裝置搭載在TBM上面臨著諸多問(wèn)題，主要如下：

①允許探測(cè)周期短。TBM僅有較短的時(shí)間不工作停機(jī)保養(yǎng)，而探測(cè)需在該時(shí)間范圍內(nèi)快速高效的完成。快速完成供電電極和測(cè)量電極快速布置，是提高TBM搭載電法探測(cè)效率需解決的首要問(wèn)題。

②刀盤(pán)電極易損毀。電法探測(cè)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(pán)維修時(shí)，需要轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)。轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)破壞電極及推出裝置，影響超前地質(zhì)探測(cè)。采用新型的不易損壞的接觸式電極是一個(gè)亟需解決的重要問(wèn)題。

③TBM施工過(guò)程中，刀盤(pán)相對(duì)于TBM主體結(jié)構(gòu)不停轉(zhuǎn)動(dòng)，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(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)順利實(shí)現(xiàn)電纜的回轉(zhuǎn)以及刀盤(pán)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(duì)于現(xiàn)有TBM電法搭載裝置存在的技術(shù)問(wèn)題，提出了一種用于TBM的滾動(dòng)接觸式電法實(shí)時(shí)超前探測(cè)搭載裝置及方法，為T(mén)BM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(dòng)接觸式電法實(shí)時(shí)超前探測(cè)的搭載裝置，包括：滾動(dòng)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(dòng)液壓電極與所述回轉(zhuǎn)接線設(shè)備通過(guò)合并管路完成刀盤(pán)與TBM主體之間電性信號(hào)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(cè)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(guò)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(cè)的主機(jī)系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，所述滾動(dòng)液壓電極包括滾動(dòng)液壓供電電極和滾動(dòng)液壓測(cè)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(cè)量的固定測(cè)量電極N。

進(jìn)一步地，

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

所述滾動(dòng)液壓測(cè)量電極安裝在刀盤(pán)的小半徑上，構(gòu)成陣列式測(cè)量電極系。

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

進(jìn)一步地，進(jìn)行探測(cè)時(shí)，所述主機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的油液加壓指令通過(guò)回轉(zhuǎn)接線設(shè)備傳送至刀盤(pán)滾動(dòng)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(cè)的電路布置。

進(jìn)一步地，所述滾動(dòng)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(dòng)液壓電極與液壓油缸連接，所述液壓油缸固定在刀盤(pán)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(dòng)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(pán)內(nèi)產(chǎn)生分路，分別為作為每個(gè)滾動(dòng)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(gè)滾動(dòng)電極的供電通道。

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

一種用于TBM的滾動(dòng)接觸式電法實(shí)時(shí)超前探測(cè)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(pán)上的滾動(dòng)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(dòng)液壓電極經(jīng)電纜與主機(jī)系統(tǒng)連接，TBM后配套拖車(chē)處的固定供電電極B和固定測(cè)量電極N經(jīng)電纜與主機(jī)系統(tǒng)連接；

(2)探測(cè)時(shí)，由主機(jī)系統(tǒng)發(fā)出加壓指令，油液通過(guò)合并管路加壓傳送至刀盤(pán)滾動(dòng)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(shí)油液通過(guò)液壓管路使護(hù)盾上滾動(dòng)液壓電極推出至圍巖，完成探測(cè)的電極布置；

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

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

本發(fā)明的有益效果是：

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

2、本發(fā)明提出的滾動(dòng)電極在伸出狀態(tài)后可以保證在TBM掘進(jìn)或刀盤(pán)維修時(shí)電極與掌子面接觸耦合。同時(shí)滾動(dòng)電極可以隨著刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)保證了電極在TBM掘進(jìn)探測(cè)時(shí)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(guò)程順利實(shí)現(xiàn)多芯電纜的回轉(zhuǎn)以及刀盤(pán)電極用水和液壓油的回轉(zhuǎn)需求，實(shí)現(xiàn)探測(cè)裝置的實(shí)時(shí)自動(dòng)化探測(cè)。

4、本發(fā)明提出的搭載裝置能夠滿(mǎn)足TBM快速化施工的需求，實(shí)現(xiàn)TBM施工過(guò)程中不停機(jī)超前探測(cè)的實(shí)時(shí)自動(dòng)化探測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的探測(cè)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(dòng)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(pán)的布置圖；

其中，1.滾動(dòng)液壓供電電極，2.滾動(dòng)液壓測(cè)量電極，3.回轉(zhuǎn)接線設(shè)備，4.滾動(dòng)電極，5.絕緣層,6.耐磨保護(hù)套,7.刀盤(pán)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(cè)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(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。應(yīng)該說(shuō)明的是，下述說(shuō)明僅是為了解釋本發(fā)明，并不對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行限定。

如圖1所示，一種搭載于TBM的滾動(dòng)接觸式電法實(shí)時(shí)超前探測(cè)裝置，包括：滾動(dòng)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(dòng)液壓電極通過(guò)合并管路23與回轉(zhuǎn)接線設(shè)備3完成刀盤(pán)與TBM主體之間電性信號(hào)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(duì)滾動(dòng)液壓電極的供電和測(cè)量的通路，油液連接實(shí)現(xiàn)對(duì)滾動(dòng)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(dòng)液壓電極包括四個(gè)滾動(dòng)液壓供電電極1和八個(gè)滾動(dòng)液壓測(cè)量電極2，固定電極22包括一個(gè)固定供電電極B和一個(gè)固定測(cè)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(cè)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(cè)量電流和供電時(shí)間后發(fā)出相應(yīng)的電信號(hào)，通過(guò)回轉(zhuǎn)接線設(shè)備3接入滾動(dòng)液壓供電電極1和固定供電電極進(jìn)行供電。測(cè)量電流指的是滾動(dòng)液壓測(cè)量電極2和固定測(cè)量電極的電流。

滾動(dòng)液壓電極的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括滾動(dòng)電極4，絕緣層5，耐磨保護(hù)套6，刀盤(pán)前面板7，液壓油缸8，滾動(dòng)電極4的外部由絕緣層5包裹，防止電極安裝后因長(zhǎng)時(shí)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(shí)，為發(fā)揮聚焦電法的優(yōu)勢(shì)，將四個(gè)供電電極布置在刀盤(pán)的大半徑上，實(shí)現(xiàn)多路電流的輸出，將測(cè)量電極布置在刀盤(pán)的小半徑上，實(shí)現(xiàn)陣列的測(cè)量電極采集，可提高探測(cè)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(pán)上的滾動(dòng)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(cè)量信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸，滾動(dòng)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(guò)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(dòng)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(pán)內(nèi)產(chǎn)生分路，與多芯電纜25內(nèi)一一對(duì)應(yīng)的單芯電纜27匹對(duì)并共同組成對(duì)應(yīng)每個(gè)滾動(dòng)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(dòng)接觸式電法實(shí)時(shí)超前探測(cè)裝置，如圖1所示，滾動(dòng)液壓測(cè)量電極2安裝在TBM刀盤(pán)的工作面上并隨刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)，固定電極22在TBM的尾處固定布設(shè)。

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

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

步驟(1)：在TBM的制造過(guò)程中在刀盤(pán)上安裝滾動(dòng)供電電極和滾動(dòng)測(cè)量電極，供電電極和測(cè)量電極分別在刀盤(pán)的工作面上呈圓環(huán)狀分布，供電電極套置在測(cè)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(pán)的大半徑上，測(cè)量電極安裝在刀盤(pán)的小半徑上)，多個(gè)供電電極的極性相同，多個(gè)測(cè)量電極構(gòu)成陣列式測(cè)量電極系；同時(shí)，將固定供電電極和固定測(cè)量電極固定安裝于TBM的TBM后配套拖車(chē)處。通常情況下，電極包括四個(gè)供電電極和八個(gè)測(cè)量電極，固定電極22包括一個(gè)供電電極和一個(gè)測(cè)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(pán)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(cè)量裝置之間，同時(shí)采用電纜分別連接固定供電電極和固定測(cè)量電極到供電與測(cè)量裝置，主機(jī)系統(tǒng)21連接電極和供電與測(cè)量裝置，完成電法實(shí)時(shí)超前探測(cè)裝置的連接。

步驟(3)：探測(cè)時(shí)，由主機(jī)系統(tǒng)21發(fā)出指令通過(guò)回轉(zhuǎn)設(shè)備的連接，將油液加壓傳送至刀盤(pán)滾動(dòng)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(dòng)電極1內(nèi)部的液壓油泵，使護(hù)盾上滾動(dòng)液壓電極推出至圍巖，完成探測(cè)的電極布置。

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

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

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)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(dòng)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?xún)?nèi)。