[发明专利]TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统和方法

权利要求书

1.一种TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统，其特征是，它包括：安装在TBM机械主体内部、TBM刀盘后方的机械伸缩旋进装置，它由多级伸缩元件构成；机械伸缩旋进装置前端采用可拆卸结构与钻头或可扩展式多级串联雷达天线固定套管连接，并在机械伸缩旋进装置控制器控制下在TBM主体前方的围岩内钻两个深度相同的钻孔并布设套管，然后分别在两个钻孔内布置雷达发射天线和雷达接收天线；所述雷达发射天线和雷达接收天线与多通道雷达主机及计算机连接，进行跨孔雷达探测。

2.如权利要求1所述的TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统，其特征是，所述机械伸缩旋进装置有两套，分别安装在TBM刀盘后端中轴线上方和下方位置。

3.如权利要求1所述的TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统，其特征是，所述多级伸缩元件采用多级伸缩油缸，完成顺时针和逆时针的旋进和旋出。

4.如权利要求1所述的TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统，其特征是，所述机械伸缩旋进装置前端与钻头可拆卸连接，钻头前端外沿设有卡齿，套管设有套管端部，在套管端部内壁设有与钻头卡齿相配合的卡槽，钻头逆时针旋进时与套管端部卡合，顺时针旋退时与套管端部分离。

5.如权利要求1所述的TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统，其特征是，所述可扩展式多级串联雷达天线固定套管带有外螺纹，所述套管内壁设有内螺纹，两者间螺纹连接，雷达天线固定套管随机械伸缩旋进装置顺时针旋转时向钻孔内部递送雷达天线固定套管，逆时针旋转向钻孔外取出雷达天线固定套管；雷达天线固定套管两端还设有连接端，连接端与连接杆螺纹连接，相邻雷达天线固定套管通过连接杆彼此连接雷达发射天线或雷达接收天线安装在雷达天线固定套管内。

6.如权利要求1或5所述的TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统，其特征是，所述套管和雷达天线固定套管均是由绝缘材料PVC制成。

7.如权利要求1所述的TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统的预报方法，其特征是，具体步骤如下：

步骤一：预打钻孔及套管施做；在隧道掘进面上部和下部，分别打入两个深度为s，孔径为d的钻孔，s>0，d>0，同时在钻孔内进行套管施做；

步骤二：制定探测方案；根据隧道施工的要求与现场的实际情况，初步制定雷达预测方案，确定雷达发射天线、雷达接收天线分别在两个钻孔内每次发射、接收雷达波信号之间的间距；

步骤三：把可扩展式多级串联发射天线和接收天线递送到钻孔内，并依次对各个预设测点进行雷达数据的采集；

步骤四：对采集到的每个探测剖面的雷达数据进行预处理；

步骤五：利用跨孔雷达透射成像原理，对采集到的每个探测剖面的雷达数据进行层析成像反演计算，从而确定隧道掘进面前方的异常体。

8.如权利要求7所述的预报方法，其特征是，所述步骤三的过程为：

（3-1）首先把雷达发射天线递送至钻孔深度为a的位置并且固定，然后再把雷达接收天线递送至钻孔深度为a的位置，从钻孔外至钻孔深部，分别记雷达发射天线和雷达接收天线的位置为T1、T2、T3、T4、R1、R2、R3、R4，进行第一次雷达数据采集；

（3-2）然后把雷达发射天线递送至T4的位置并固定，同样再把雷达接收天线递送至R4的位置，进行第二次的雷达数据采集，第二次雷达发射天线和雷达接收天线的位置分别为：T4、T5、T6、T7、R4、R5、R6、R7；然后以此类推，再进行第三次、第四次……第N次的雷达探测，直至全钻孔的雷达数据采集结束。

9.如权利要求7所述的预报方法，其特征是，所述步骤四的过程为：

（4-1）对步骤三采集到的原始雷达数据进行数据编辑，其中步骤包括：数据合并、废道剔除、测线方向一致化、漂移处理；

（4-2）然后对雷达数据进行滤波处理、增益处理与平滑处理。

10.如权利要求7所述的预报方法，其特征是，所述步骤五的过程为：

对预处理后的雷达数据进行反演计算，依次把每次雷达探测的测线剖面雷达图像建立网格，对于第n条射线上的第j个网格，每次反演迭代的慢度修正量c_nj由下式计算得到：

Σj=1Manjcnj=Δtn]]>

suject toΣj=1M(cnj-cnj-1)2→0]]>

其中，M是第n条射线所经过的网格的数量，其中a_nj表示第n条射线在第j个网格中的射线长度，Δt_n表示实际观测时间值与理论时间估计值之差，c_nj-1表示第n条射线上的第j-1个网格的慢度修正量；表示第n条射线所经过的相邻网格的慢度之差的平方和趋于零，这就是粗糙度约束，利用该约束使得相邻网格之间的粗糙度最低，通过约束反演方程的计算得到该网格的慢度值，得到每个探测线剖面的速度分布图，从而知道隧道掘进面前方的地质情况。