[发明专利]一种利用超声相控阵技术探测盾构前方孤石的系统和方法

说明书

本发明公开了一种利用超声相控阵技术探测盾构前方孤石的系统和方法，本系统包括在盾构机刀盘上下部位钻取两个孔通道，将装有压电晶片阵列的超声波发射探头、接收器压入孔道；给线性阵压电晶片通电，并通过设置使线性阵压电晶片产生延时效果，扇形波束对前方土层进行预探测；给矩形阵压电晶片通电，底部的接收器布设多通道接收，并将接收到的信号通过无线传输输送到盾构机机舱内部的处理器上，处理器通过预探测存储的数据推导计算出强度大、硬度高的孤石所在的位置，以及孤石粒径大小；本发明方法操作简单，孤石探测所需时间短，成像效果更好，判断孤石位置更加精确，探测成本低，能有效解决现有盾构法施工中所采用孤石探测方法的不足。

技术领域

本发明涉及一种利用超声相控阵技术探测盾构前方孤石的系统和方法，应用于隧道盾构掘进时对前方土层中是否存在孤石及孤石距盾构机的位置的探查及测量，属于岩土工程领域。

背景技术

我国正处于经济快速发展阶段，城市地铁建设飞速发展，地下隧道挖掘多采用盾构掘进机进行施工。然而在盾构机掘进过程中常常遇到不规则分布的孤石，这些孤石多为花岗岩分化的产物，致密坚硬，产状各异，常常造成盾构机的刀刃磨损，刀盘使用寿命缩短，若在掘进时将刀盘卡死或堵塞盾构机的出渣管道，则需要停机维修，严重影响掘进速度。若对孤石处理不当，还容易引发喷涌、塌方等工程事故，造成严重的经济损失。因此，需要在盾构机掘进前探测出前方孤石的位置及粒径大小，并且快速有效地进行处理，以保证盾构机安全高效地施工。

当前已有很多孤石探测的方法，如地震波CT法、电阻率CT法等利用CT法成像，在盾构机前方钻取探测孔，将探测设备放置于探测孔内，更接近探测地层。这两种方法都属于地表跨孔方法，分辨率高，但需要多次钻孔，操作繁杂。除这两种方法之外，还有重力勘探、二维微动剖面法、地质钻探等探测孤石的方法。其中，重力勘探只有当孤石足够大引起较大的质量盈余时才能探测到，对于粒径较小的孤石则无法探测；而地质钻探由于成本较高，受场地条件限制较大，一般很少使用；二维微动剖面法一般常用于钻探无法实现的地段，受场地条件限制较小，但是在探测孤石位置和大小方面精度不够。因此，总结各类方法中存在的不足，解决场地条件限制带来的不便，精简操作程序，降低施工成本，是当前盾构机掘进孤石探测方法研究所需要解决的难题。

综上所述，针对以上几种方法的局限性，开展一种利用超声相控阵技术的孤石探测方法，有效解决场地条件、施工繁杂、经济成本高、确定孤石位置大小精度不高等难题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的探测技术存在的缺陷，提供一种利用超声相控阵技术探测盾构前方孤石的系统和方法，使探测孤石的距离更加精确，成像精度更高，并且操作简单、探测时间短，成本更低。

为达到上述目的，本发明提供的具体方案是：

一种利用超声相控阵技术探测盾构前方孤石的系统和方法，包括伸入前方隧道土层顶部及底部的探杆、探杆内部的超声波发射系统、探杆内部的超声波采集系统、探杆内部的无线数据传感器和计算机，所述超声波发射系统、采集系统与无线数据传感器设备均用螺栓固定于探杆内部，超声波采集系统与无线数据传感器间用电缆线连接并固定于探杆内部，无线传感器与计算机之间通过无线电信号发射器与接收器联系；所述在盾构机处将探杆钻入盾构前方土层，利用超声相控阵超声波发射系统发射超声波，超声波经孤石后成衰减后超声波，由采集系统将反射后的超声波进行采集信息，传至探杆内部的无线传感器，由传感器将信息传至计算机；所述与该探测系统与计算机采用无线连接，计算机设有超声波数据处理系统、将前方孤石形状大小通过二次波成像系统呈现出来。

进一步，所述超声相控阵超声波发射系统包括红外线感应开关、低压电源和超声相控阵列压电晶片，所述低压电源与红外线感应开关、超声相控阵列压电晶片间通过电缆线路相连接；所述红外线感应开关即在电源外部安装红外线感应装置，通过红外线感应遥控低压电源内的电路系统，通过红外感应开关控制激发超声波；所述的超声相控阵列压电晶片阵列为二维矩形阵列，每一块压电晶片都与低压电源相连，通过红外线开关遥控低压电源的开闭时序，可实现线性阵列和矩形阵列的转换。