一種基于光纖電流傳感器的隧道超前探測(cè)裝置及其探測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于隧道工程地質(zhì)前探應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于光纖電流傳感器的隧道超前探測(cè)裝置及其探測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]2002年，德國(guó)GEO公司研發(fā)出基于聚焦電流法的隧道超前探測(cè)系統(tǒng)(Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring，BEAM)，其工作原理是利用刀盤(pán)向掌子面前方施加探測(cè)電流，通過(guò)測(cè)量地質(zhì)體的視電阻的方式來(lái)分析前方的地質(zhì)構(gòu)造，同時(shí)為了提高探測(cè)精度和方向性，在全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine，TBM)的護(hù)盾上通以同相的屏蔽電流，利用同性相斥的特點(diǎn)“擠壓”探測(cè)電流，使其更加向掌子面前方集中。但是該方法在應(yīng)用前需將TBM的刀盤(pán)和護(hù)盾進(jìn)行絕緣，由于護(hù)盾和刀盤(pán)體積巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且承受著巨大的作用力，進(jìn)行絕緣非常困難，而且在掘進(jìn)過(guò)程中地質(zhì)情況復(fù)雜多變，絕緣隨時(shí)有可能失效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于光纖電流傳感器的隧道超前探測(cè)裝置及相應(yīng)的探測(cè)方法，該裝置能夠在不對(duì)TBM的刀盤(pán)和護(hù)盾進(jìn)行絕緣的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)體視電阻的測(cè)量。
[0004]本發(fā)明提供了一種基于光纖電流傳感器的隧道超前探測(cè)裝置，包括光纖、電壓表、激光光源、光纖電流傳感器、恒流源以及錨桿，其中:
[0005]所述光纖在護(hù)盾與刀盤(pán)之間繞行一圈或多圈，光纖的一端與激光光源相連，另一端與光纖電流傳感器相連，電壓表和恒流源的正極與護(hù)盾相連，電壓表和恒流源的負(fù)極與位于遠(yuǎn)端的插進(jìn)巖層中的錨桿相連。
[0006]按照本發(fā)明的另一方面，還提供了一種基于上述基于光纖電流傳感器的隧道超前探測(cè)裝置的探測(cè)方法，包括:
[0007]利用激光光源發(fā)出線(xiàn)偏振光通過(guò)護(hù)盾與刀盤(pán)之間的光纖進(jìn)入到光纖電流傳感器中，通過(guò)光纖電流傳感器測(cè)量偏轉(zhuǎn)角度的大小，算出電流I1的大小；
[0008]利用電壓表測(cè)量護(hù)盾上的電壓U ；
[0009]利用此電流I1和電壓U計(jì)算出掌子面前方的視電阻R U/I 10
[0010]進(jìn)一步地，在TBM后方保護(hù)設(shè)備的外圍纏繞一圈或多圈光纖，所述光纖的一端與所述激光光源相連，另一端與所述光纖電流傳感器相連。
[0011]按照本發(fā)明的另一方面，還提供了一種基于上述基于光纖電流傳感器的隧道超前探測(cè)裝置的探測(cè)方法，包括:
[0012]利用激光光源發(fā)出線(xiàn)偏振光通過(guò)護(hù)盾與刀盤(pán)之間的光纖進(jìn)入到光纖電流傳感器中，通過(guò)光纖電流傳感器測(cè)量偏轉(zhuǎn)角度的大小，算出電流I1的大小；
[0013]利用激光光源發(fā)出線(xiàn)偏振光通過(guò)TBM后方保護(hù)設(shè)備外圍的光纖進(jìn)入到光纖電流傳感器中，通過(guò)光纖電流傳感器測(cè)量偏轉(zhuǎn)角度的大小，算出電流I2的大小；
[0014]利用電壓表測(cè)量護(hù)盾上的電壓U ;
[0015]計(jì)算護(hù)盾上流向地質(zhì)體的電流I3I3= I (1-11-12,其中Ιο為恒流源中提供的恒定電流；
[0016]計(jì)算護(hù)盾周?chē)刭|(zhì)體的視電阻R3= U/I 30
[0017]本方法具有以下特點(diǎn):
[0018]1.完全不需要護(hù)盾和刀盤(pán)間的預(yù)絕緣工作，在BEAM綜合法中，探測(cè)電流和保護(hù)電流是人為地通過(guò)絕緣工作來(lái)實(shí)現(xiàn)分離的，而本方法簡(jiǎn)單施加一個(gè)電流，即可以通過(guò)光纖電流傳感器來(lái)測(cè)量出探測(cè)電流I1和保護(hù)電流13的具體數(shù)值，并不需要進(jìn)行絕緣。
[0019]2.在傳統(tǒng)聚焦電流法中，刀盤(pán)電壓和護(hù)盾電壓是需要分別測(cè)量的，刀盤(pán)處在不間斷的轉(zhuǎn)動(dòng)中，連續(xù)測(cè)量其電壓值有一定的難度，在本方法中，無(wú)絕緣情況下的刀盤(pán)電壓等于護(hù)盾電壓，因此僅測(cè)量護(hù)盾電壓便可達(dá)到分析要求，繞過(guò)了刀盤(pán)電壓不間斷測(cè)量的難題。
[0020]3.將光纖電流傳感器用于TBM設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大直徑復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)械的斷面電流測(cè)量，是本發(fā)明的創(chuàng)新之處，該測(cè)量手段是一種非接觸式測(cè)量，不需要對(duì)原有的設(shè)備進(jìn)行改動(dòng)。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為本發(fā)明中基于光纖電流傳感器的隧道超前探測(cè)具體實(shí)施的電流分析；
[0022]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中一種基于光纖電流傳感器的隧道超前探測(cè)裝置示意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明發(fā)明實(shí)施例中另一種基于光纖電流傳感器的隧道超前探測(cè)裝置示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0025]首先對(duì)本發(fā)明裝置的原理進(jìn)行說(shuō)明，本發(fā)明基于光纖電流傳感器的隧道超前探測(cè)裝置包括恒流源、電壓表、激光光源、光纖電流傳感器和錨桿組成。其中，恒流源對(duì)TBM的護(hù)盾部分通以電流Itl，光纖分別在刀盤(pán)與護(hù)盾，護(hù)盾與后方保障設(shè)備之間繞行一圈或多圈，并用電壓表測(cè)量護(hù)盾上的電壓值，恒流源和電壓表的負(fù)極連接至數(shù)百米外的錨桿上。
[0026]光纖電流傳感器是自主研發(fā)的設(shè)備，其理論基礎(chǔ)是磁致旋光效應(yīng)，通過(guò)測(cè)量線(xiàn)偏振光在磁場(chǎng)內(nèi)的偏轉(zhuǎn)角，可以算出TBM表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度，根據(jù)安培環(huán)路定理，能夠計(jì)算出光纖電流傳感器的光纖繞行環(huán)內(nèi)部流經(jīng)電流。
[0027]本發(fā)明方法不需要預(yù)絕緣工作，在實(shí)際工程應(yīng)用中，如圖1所示，護(hù)盾上用恒流源通以大小為Itl的恒定電流，該電流會(huì)分成三部分分別流向刀盤(pán)、護(hù)盾和TBM后方保障設(shè)備。將光纖電流傳感器的光纖沿刀盤(pán)與護(hù)盾之間繞行一圈或多圈，即可測(cè)量出由護(hù)盾流向刀盤(pán)的電流數(shù)值1:。將另一個(gè)光纖電流傳感器的光纖沿護(hù)盾和TBM后方保障設(shè)備之間繞行一圈或多圈，即可測(cè)量出由護(hù)盾流向刀盤(pán)的電流數(shù)值12。根據(jù)基爾霍夫電流定律，護(hù)盾上流向地質(zhì)體的電流I3可以通過(guò)計(jì)算得出，I 3= I (Τ?ι_Ι2。
[0028]為了說(shuō)明其原理，在圖1中將該方法簡(jiǎn)化，僅在護(hù)盾與刀盤(pán)之間的連接部分繞行一圈光纖，此光纖電流傳感器測(cè)量出的電流I1為探測(cè)電流。測(cè)量護(hù)盾上的電壓U，由于護(hù)盾刀盤(pán)之間沒(méi)有絕緣，因此刀盤(pán)電壓等于護(hù)盾電壓，并且該電壓受地質(zhì)體視電阻和探測(cè)電流大小的綜合影響。計(jì)算地質(zhì)體的視電阻R1= UA1，即可判別出前方的地質(zhì)狀況，一般來(lái)說(shuō)，R1如果增大，則前方有較大可能出現(xiàn)堅(jiān)硬巖石，R i如果減小，則前方地質(zhì)體富水率高。
[0029]如圖2所示，本發(fā)明提供了一種基于光纖電流傳感器的隧道超前探測(cè)裝置，所述裝置包括光纖、電壓表、激光光源、光纖電流傳感器、恒流源以及錨桿，其中:
[0030]使用光纖在護(hù)盾與刀盤(pán)之間繞行一圈，光纖的一端與激光光源相連，另一端與光纖電流傳感器相連，電壓表和恒流源的正極與護(hù)盾相連，電壓表和恒流源的負(fù)極與位于遠(yuǎn)端的插進(jìn)巖層中的錨桿相連(例如，所述錨桿位于數(shù)百米之外)。
[0031]由于刀盤(pán)與護(hù)盾之間沒(méi)有絕緣，因此恒流源的電流一部分會(huì)流向刀盤(pán)，此部分電流必定全部穿過(guò)光纖繞成的環(huán)。激光光源所發(fā)出的線(xiàn)偏振光通過(guò)光纖進(jìn)入到光纖電流傳感器中，在此部分電流的影響下，線(xiàn)偏振光的偏轉(zhuǎn)角度會(huì)發(fā)生改變，通過(guò)光纖電流傳感器測(cè)量偏轉(zhuǎn)角度的大小，即能夠計(jì)算出電流的大小。電壓表用于測(cè)量護(hù)盾上的電壓。利用此電流和電壓即可計(jì)算出掌子面前方的視電阻率，用于判斷異常體的距離和屬性。
[0032]進(jìn)一步地，如圖3所示，在TBM后方保護(hù)設(shè)備的外圍纏繞一圈光纖，所述光纖的一端與所述激光光源相連，另一端與所述光纖電流傳感器相連。
[0033]在測(cè)得流向各部分的電流后，測(cè)量護(hù)盾電壓U，即可得出掌子面前方的視電阻率R1=UA1和護(hù)盾周?chē)刭|(zhì)體的視電阻R3= U/13，用R1判斷掌子面前方異常體的距離和屬性，用R3判斷護(hù)盾周?chē)惓ｓw的分布狀況。
[0034]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于光纖電流傳感器的隧道超前探測(cè)裝置，其特征在于，所述裝置包括光纖、電壓表、激光光源、光纖電流傳感器、恒流源以及錨桿，其中: 所述光纖在護(hù)盾與刀盤(pán)之間繞行一圈或多圈，光纖的一端與激光光源相連，另一端與光纖電流傳感器相連，電壓表和恒流源的正極與護(hù)盾相連，電壓表和恒流源的負(fù)極與位于遠(yuǎn)端的插進(jìn)巖層中的錨桿相連。2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，在TBM后方保護(hù)設(shè)備的外圍纏繞一圈或多圈光纖，所述光纖的一端與所述激光光源相連，另一端與所述光纖電流傳感器相連。3.基于權(quán)利要求1或2所述的基于光纖電流傳感器的隧道超前探測(cè)裝置的探測(cè)方法，其特征在于，包括: 利用激光光源發(fā)出線(xiàn)偏振光通過(guò)護(hù)盾與刀盤(pán)之間的光纖進(jìn)入到光纖電流傳感器中，通過(guò)光纖電流傳感器測(cè)量偏轉(zhuǎn)角度的大小，測(cè)量出電流I1的大小； 利用電壓表測(cè)量護(hù)盾上的電壓U; 利用此電流I1和電壓U計(jì)算出掌子面前方的視電阻率R != U/I 104.基于權(quán)利要求2所述的基于光纖電流傳感器的隧道超前探測(cè)裝置的探測(cè)方法，其特征在于，包括: 利用激光光源發(fā)出線(xiàn)偏振光通過(guò)護(hù)盾與刀盤(pán)之間的光纖進(jìn)入到光纖電流傳感器中，通過(guò)光纖電流傳感器測(cè)量偏轉(zhuǎn)角度的大小，測(cè)量出電流I1的大??； 利用激光光源發(fā)出線(xiàn)偏振光通過(guò)TBM后方保護(hù)設(shè)備外圍的光纖進(jìn)入到光纖電流傳感器中，通過(guò)光纖電流傳感器測(cè)量偏轉(zhuǎn)角度的大小，測(cè)量出電流I2的大??； 利用電壓表測(cè)量護(hù)盾上的電壓U ; 計(jì)算護(hù)盾上流向地質(zhì)體的電流I3 I3= I (TH，其中1(1為恒流源中提供的恒定電流； 計(jì)算護(hù)盾周?chē)刭|(zhì)體的視電阻R3= U/13°
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于光纖電流傳感器的隧道超前探測(cè)裝置及探測(cè)方法，該系統(tǒng)由恒流源、電壓表、激光光源、光纖電流傳感器和錨桿構(gòu)成。在全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine，TBM)的掘進(jìn)部分通以恒定的電流I，分別在刀盤(pán)的后方和護(hù)盾的后方使用光纖纏繞一圈，利用光纖電流傳感器可以獲知刀盤(pán)、護(hù)盾、TBM后方保障裝備上的電流大小，再進(jìn)一步測(cè)量護(hù)盾上的電壓計(jì)算地質(zhì)體的視電阻，來(lái)判斷地質(zhì)體的含水量和巖石類(lèi)別。與傳統(tǒng)隧道電流超前探測(cè)方法相比，省去了大量的預(yù)絕緣工作。
【IPC分類(lèi)】G01V3/00
【公開(kāi)號(hào)】CN104932023
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510349349
【發(fā)明人】趙斌, 高昕星
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年9月23日
【申請(qǐng)日】2015年6月23日