[发明专利]隧道掘进机机载电阻率超前探测实时采集电极系统与方法

说明书

本发明公开了一种隧道掘进机机载电阻率法超前探测实时采集电极系统及方法，包括可变方向电极机构、弹性伸缩装置和变阻定位机构，可变方向电极机构包括接触电极件和变向传动件，接触电极件通过变向传动件绕其中心轴自由转动，将与岩面接触的滑动摩擦转化为滚动摩擦；弹性伸缩装置，保证电极的缩进与弹出；变阻定位机构包括滑动变阻器，以极坐标系为坐标轴进行定位，以刀盘中心为极坐标系的圆心，通过检测滑动变阻器的阻值的变化，确定刀盘所在的不同位置，以推算跟踪电极的位置。本发明可以有效实现刀盘掘进过程中进行探测。

技术领域

本发明涉及一种隧道掘进机机载电阻率法超前探测实时采集电极系统与方法。

背景技术

二十一世纪我国经济社会的迅速发展，推动着科学技术的突飞猛进。近年来，隧道工程建设取得了丰硕成果。其中隧道掘进机作为一种具有开挖速度快、施工安全性高、对地表扰动小、劳动力成本低、机械自动化程度高等诸多优势的隧道施工掘进装备被广泛应用于国内外各大隧道建设中，极大的提高了隧道施工机械化、自动化水平。

然而，由于掘进前方地质体不确定性，在隧道掘进机向前掘进的过程中往往会因为溶洞、导水通道、地下暗河、断层、破碎带等不良地质情况引发突水、突泥、卡机、塌方等事故，一旦事故发生，经济损失和人员伤亡难以避免。针对地下“黑箱”问题，采用超前地质预报手段提前探明不良地质体十分必要。隧道掘进机三维电阻率法超前地质预报技术是一种适用于隧道掘进机的超前地质预报方法。此种超前预报方法的具体实施方法为：在刀盘表面安装测量电极，四周安装屏蔽电极，并通过电缆将电极与主控室连接，电极与前方和周边围岩接触，采用聚焦扫描模式依次采集数据；在掌子面前方激建立激发电场，地质体中的含水体会产生二次极化电场，激发电场关闭后，通过测量极化电场的衰减时间和视电阻率来判断含水体的位置与水量，从而实现一种与以隧道掘进机为核心的掘进方法相适应的超前地质预报方法。目前此种方法仅适用于处于停机状态的隧道掘进机，可以利用隧道掘进机常规维护的时间进行探测，充分利用了空余时间，提高了掘进效率。

但是这种探测方式仍存在一些问题。在隧道掘进机停机维护时进行探测，探测到的是有限的距离，当隧道掘进机掘进至该长度时就必须停机，因为探测到的部分已经通过，前方又是一片未知的地质体，必须等待再次探测之后才能重新开始掘进，这样就导致掘进效率的降低，如果能够实现隧道掘进机掘进过程中实时采集数据就能避免上述问题，可提高探测效率和探测覆盖里程。然而如要实现掘进过程实时探测过程，隧道掘进机刀盘搭载的探测电极面临很多困难。

一方面，由于掌子面岩石可能破碎、粗糙度较大，刀盘在旋转掘进过程中会与此类岩面直接接触，同时现有电极装置为固定电极，不具备滚动能力。在刀盘旋转时，电极会与岩面产生滑动摩擦，导致电极头的磨损与毁坏，难以应用。

另一方面，电极伸出时往往会遇到会凹凸不平的岩面，由于目前电极仍为液压油缸控制伸缩，整体处于刚性不可随意伸缩设计，在面对此类岩面时很难随时回弹进刀盘，这种情况会严重影响勘探效果。例如，若电极经过岩面的凸起，突出的岩石会损坏电极，甚至有可能折断电极；若经过岩面的凹陷部位，则电极与岩面无法实现良好接触，影响探测效果。

再者，三维电阻率反演方法要求了在电极实时采集过程中，需要对应每组观测数据对应的采集电极位置，才能够获知监测岩面所采集数据的具体位置以及该位置的地质体数据信息，实现有效可用的监测和预报。由于刀盘在掘进过程中一直处于转动状态，因此在电极工作时难以实时定位电极位置，会导致采集数据的位置坐标无法精确定位，从而不能直观、准确地认识前方掌子面的地质状况。

发明内容