用于隧道超前地质探测的瞬变电磁同步可移动式偶极定位装置

摘要

本发明公开了一种用于隧道超前地质探测的瞬变电磁同步可移动式偶极定位装置，包括用于放置于隧道内、且独立设置的发射线圈和接收线圈，发射线圈和接收线圈沿隧道走向间隔设置，且两线圈相平行，其中，接收线圈位于靠近掌子面侧；还包括底部辅助装置，底部辅助装置均包括圆盘，各圆盘的上壁面上设置有两个对称区，两个对称区以圆点为对称中心；沿两个对称区的边缘均间隔开设有多个刻槽，两个对称区内的刻槽位置相对应，位于同一直径的两端的两个刻槽为一组，各组刻槽均用于卡持对应的发射线圈和接收线圈。发射线圈和接收线圈同时按同一角度对掌子面前方进行三维探测，从而实现对隧道掌子面前方含水体位置和形态的准确定位。

说明书

技术领域

本发明属于隧道超前地质探测技术领域，具体涉及用于隧道超前地质探 测的瞬变电磁同步可移动式偶极定位装置。

背景技术

由于西部山区地形复杂，大跨度特长隧道日益增多，其施工技术难度大， 安全风险高，特别是隧道穿越深埋岩溶发育区、松散围岩破碎带、地下暗河 风险区等地段时，极易出现涌水、突泥、坍塌等地质灾害。因此，利用隧道 超前探测技术预测掌子面前方富水破碎带成为必要手段。

瞬变电磁法因其良好的含水体识别特性而成为隧道超前探测技术中最 常用的一种方法。一套完整的瞬变电磁设备包括发射线圈、接收线圈、发射 机、接收机以及连接电缆。瞬变电磁设备装置类型，即隧道超前探测作业中 发射线圈和接收线圈的位置关系，直接影响其适用的工程范围和预报结果的 准确度，比如重叠回线装置，体形较大，不易携带，适用于地表探测，并且 接收线圈和发射线圈在电流通过时存在很强的互感效应，不适用于隧道超前 地质探测；中心回线装置，存在较强的互感效应，对掌子面含水体形态的识 别能力较差；掌子面-钻孔装置和固源直线接收偶极装置，需要贴近隧道掌 子面操作，作业人员面临隧道掌子面掉块、涌突、溜塌等突发性地质灾害的 威胁，可推广性较差。为了避免上述装置的缺点，保障作业人员的安全，提 高隧道超前探测作业效率，提高掌子面含水体位置和形态的探测效果，提高 探测精度，本发明提出了一种新的同步可移动式偶极定位装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种用 于隧道超前地质探测的瞬变电磁同步可移动式偶极定位装置，能适应隧道不 同的施工环境，发射线圈和接收线圈同时按同一角度对掌子面前方进行三维 探测，从而实现对隧道掌子面前方含水体位置和形态的准确定位。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种用于隧道超前地 质探测的瞬变电磁同步可移动式偶极定位装置，包括用于放置于隧道内、且 独立设置的发射线圈和接收线圈，发射线圈和接收线圈沿隧道走向间隔设 置，且两线圈相平行，其中，接收线圈位于靠近掌子面侧；

还包括底部辅助装置，底部辅助装置均包括圆盘，各圆盘的上壁面上设 置有两个对称区，两个对称区以圆点为对称中心；

沿两个对称区的边缘均间隔开设有多个刻槽，各刻槽的走向与其所在位 置的圆盘的直径相一致，两个对称区内的刻槽位置相对应，位于同一直径的 两端的两个刻槽为一组，各组刻槽均用于卡持对应的发射线圈和接收线圈；

在各组刻槽内，发射线圈和接收线圈可以各对应底边为中心轴，同时朝 向或者远离掌子面转动。在各组刻槽内，在各转动角度下，发射线圈均间隔 向掌子面前方含水体发射一次脉冲磁场，经含水体不同深度处反射后为二次 脉冲磁场，二次脉冲磁场反射至接收线圈，得到不同探测深度的各二次脉冲 磁场。

进一步地，各对称区内，刻槽的个数为7个，且相邻刻槽间的夹角为15°； 定义如下：一组刻槽与掌子面间的夹角为水平角；当一组刻槽与掌子面相平 行时，定义水平角为0°；延长一组刻槽所在位置的直径，其延长线与掌子面 相交时，该组刻槽与掌子面间的夹角为负值，其延长线不与掌子面相交时， 该组刻槽与掌子面间的夹角为正值。

进一步地，在各组刻槽内，发射线圈和接收线圈转动的角度为仰角45°～ 俯角45°；其中，定义如下：发射线圈和接收线圈垂直于圆盘时，角度为0°， 发射线圈和接收线圈远离掌子面转动时，与掌子面间的夹角为俯角，发射线 圈和接收线圈朝向掌子面转动时，与掌子面间的夹角为仰角。

进一步地，两个圆盘中心的距离不小于6m，接收线圈处的圆盘的中心 距离掌子面的距离不小于4m。

进一步地，该发射线圈和接收线圈均为正方形，在发射线圈和接收线圈 内交叉、且垂直设置有横向支撑和竖向支撑，横向支撑和竖向支撑的端部与 线圈对应边垂直连接。

进一步地，该竖向支撑的上段的两侧壁面上、且沿其轴向均开设有滑槽， 沿滑槽的轴向设置有刻度线，在滑槽内设置有滑块，滑块上可拆卸连接有可 伸缩撑杆，撑杆的端部设置于圆盘上，滑动滑块，用于调节发射线圈和接收 线圈与掌子面间的俯角或仰角的大小。

进一步地，在圆盘的上壁面上、且位于外边缘处绕其一周设置有环形的 凸起，凸起的内侧用于支撑撑杆的端部。

进一步地，在圆盘的上壁面上设置有掌子面朝向标志，掌子面朝向标志 为一端部带箭头的直线。

进一步地，各圆盘分别同轴设置于对应的方形板上，在方形板的底部、 且位于四个角处安装有调平用螺栓。

本发明还公开了一种隧道超前地质探测的方法，使用上述的一种用于隧 道超前地质探测的瞬变电磁同步可移动式偶极定位装置，具体如下：

步骤一、在隧道内、且位于掌子面后方放置发射线圈和接收线圈，且所 述接收线圈位于靠近掌子面侧；所述发射线圈和接收线圈相平行；

步骤二、在水平角为α时，在转动角β下均各进行一次探测，所述发射 线圈间隔向掌子面前方含水体发射一次脉冲磁场，经含水体不同深度处反射 后为二次脉冲磁场，所述二次脉冲磁场反射至所述接收线圈，得到不同探测 深度的各二次脉冲磁场；由各探测点及二次脉冲磁场的强度确定出含水体的 位置及形态；其中α的取值范围为-45°～45°；β的取值范围为仰角45°～俯 角45°。

本发明一种用于隧道超前地质探测的瞬变电磁同步可移动式偶极定位 装置具有如下优点：1、保证了发射线圈和接收线圈的最小距离，消除了发 射线圈和接收线圈间的互感效应。

2、线圈底部辅助装置上设置有角度刻槽，撑杆及线圈上设置有刻度， 方便快速、精确确定线圈平面在空间中与掌子面的夹角。

3、可以做到发射线圈、接收线圈在水平方向和竖直方向上与掌子面的 夹角相同，减少了人为误差。

4、本发明实现了三维精确探测，可以快速确定掌子面前方含水体的位 置和形态，提高了探测精度和探测效率。

附图说明

图1为本发明中的超前探测现场实施示意图；

图2为本发明中的各线圈的结构示意图；

图3为本发明中的圆盘示意图；

其中：1.发射线圈，2.接收线圈，3/4.底部辅助装置，5/6.撑杆，7.横向 支撑，8.竖向支撑，9.滑块，10方形板，11.圆盘，12.刻槽，13.凸起，14.调 平螺栓，15.调平气泡，16.陀螺仪平台，a.线圈中心轴线；b.掌子面；c.含水 体。

具体实施方式

本发明一种用于隧道超前地质探测的瞬变电磁同步可移动式偶极定位 装置，如图1所示，包括用于放置于隧道内、且独立设置的发射线圈1和接 收线圈2，发射线圈1和接收线圈2沿隧道走向间隔设置，且两线圈相平行， 其中，接收线圈2位于靠近掌子面b侧；

还包括底部辅助装置3/4，底部辅助装置3/4均包括圆盘11，各圆盘11 的上壁面上设置有两个对称区，两对称区以圆点为对称中心。

沿两个对称区的边缘均间隔开设有多个刻槽12，各刻槽12的走向与其 所在位置的直径相一致，两个对称区内的刻槽12位置相对应，位于同一直 径的两端的两个刻槽12为一组，各组刻槽12均用于卡持对应的发射线圈1 和接收线圈2；两圆盘11中心的距离不小于6m。各线圈均采用玻璃钢材质， 以减少互感效应。

在各组刻槽12内，在各组刻槽12内，发射线圈1和接收线圈2可以 各对应底边为中心轴，同时朝向或者远离掌子面b转动。在各组刻槽12内， 在各转动角度下，发射线圈1均间隔向掌子面b前方含水体c发射一次脉冲 磁场，经含水体c不同深度处反射后为二次脉冲磁场，所述二次脉冲磁场反 射至所述接收线圈2，得到不同探测深度的各二次脉冲磁场。不同的含水体 c吸收电磁场的强度不同，含水量越高，吸收的电磁场的强度越强，反射的 二次脉冲磁场强度弱。

各对称区内，刻槽12的个数为7个，且相邻刻槽12间的夹角为15°； 定义如下：一组刻槽12与掌子面b间的夹角为水平角；当一组刻槽12与掌 子面b相平行时，定义水平角为0°；延长一组刻槽12所在位置的直径，其 延长线与掌子面b相交时，该组刻槽12与掌子面b间的夹角为负值，其延 长线不与掌子面b相交时，该组刻槽12与掌子面b间的夹角为正值。水平 角的范围即是-45°～45°。

在各组刻槽12内，发射线圈1和接收线圈2转动的角度为仰角45°～俯 角45°；其中，定义如下：发射线圈1和接收线圈2垂直于圆盘11时，角度 为0°，发射线圈1和接收线圈2远离掌子面b转动时，与掌子面b间的夹角 为俯角，发射线圈1和接收线圈2朝向掌子面b转动时，与掌子面b间的夹 角为仰角。

发射线圈1和接收线圈2间的距离不小于4m。发射线圈1放置于掌子 面后方10m-15m的位置处。避免了发射线圈1和接收线圈2因距离较近产 生的互感效应，提高了对掌子面前方含水体位置和形态的探测精度。

如图2所示，发射线圈1和接收线圈2均为正方形，在发射线圈1和接 收线圈2内交叉、且垂直设置有横向支撑7和竖向支撑8，横向支撑7和竖 向支撑8的端部与线圈对应边垂直连接。

竖向支撑8的上段的两侧壁面上、且沿其轴向均开设有滑槽17，沿滑槽 17的轴向设置有刻度线，在滑槽17内设置有滑块9，滑块9上可拆卸连接 有可伸缩撑杆5/6，撑杆5/6的端部设置于圆盘11上，滑动滑块9，用于调 节发射线圈1和接收线圈2与掌子面b间的俯角或仰角的大小。刻度线间的 间隔是对应于15°的夹角的，滑块9移动一个刻度线，线圈转动15°。滑块9 可固定，在滑动至对应的刻度线时，即固定，固定方式可选择在滑块9的两 侧与滑槽17间增加垫块，其他任何能实现滑块9固定的方式均可以。

在圆盘11的上壁面上、且位于外边缘处绕其一周设置有环形的凸起13， 凸起13的内侧用于支撑撑杆5/6的端部。具体调整如下：滑块9滑动时，带 动撑杆5/6移动，滑块9滑动至所需位置时，调整撑杆5/6的长短，然后将 其端部低于凸起的内部，支撑对应的线圈，并保持线圈在对应的角度下。

如图3所示，在圆盘11的上壁面上设置有掌子面朝向标志，掌子面朝 向标志为一端部带箭头的直线。箭头指向圆盘11外边缘，该直线为圆盘的 直径。放置时，箭头朝向掌子面b。

各圆盘11分别同轴设置于对应的方形板10上，在方形板10的底部、 且位于四个角处安装有调平用螺栓14。圆盘11上还设置有陀螺仪平台16。 在圆盘11上设置有调平气泡15。分别形成了发射线圈底部辅助装置3和接 收线圈底部辅助装置4。发射线圈为2m*2m方形结构，其底部圆盘11为 2.2m*2.2m；接收线圈为0.6m*0.6m方形结构，其方形板10为0.8m*0.8m。 发射线圈匝数为64匝，接收线圈匝数为100匝。

本发明还公开了一种隧道超前地质探测的方法，使用上述的一种用于隧 道超前地质探测的瞬变电磁同步可移动式偶极定位装置，具体如下：

步骤一、在隧道内、且位于掌子面b后方放置发射线圈1和接收线圈2， 且接收线圈2位于靠近掌子面b侧；发射线圈1和接收线圈2在同一直线上；

步骤二、在水平角为α时，在转动角β下均各进行一次探测，所述发射 线圈1间隔向掌子面b前方含水体c发射一次脉冲磁场，经含水体c不同深 度处反射后为二次脉冲磁场，所述二次脉冲磁场反射至所述接收线圈2，得 到不同探测深度的各二次脉冲磁场；由各探测点及二次脉冲磁场的强度确定 出含水体c的位置及形态；其中α的取值范围为-45°～45°；β的取值范围为 仰角45°～俯角45°。磁场均沿其各线圈中心轴线a空间方向发射或接收。

先在水平角为-45°时探测：设置发射线圈1和接收线圈2的水平角为 -45°，在水平角下，转动发射线圈1和接收线圈2，使线圈仰角为45°，进行 一次探测，转动发射线圈1和接收线圈2，转动角度范围为仰角45°～俯角45°， 每次转动增量为15°，在各转动角度下，发射线圈1均间隔向掌子面b前方 含水体c发射一次脉冲磁场，经含水体c不同深度处反射后为二次脉冲磁场， 所述二次脉冲磁场反射至所述接收线圈2，得到不同探测深度的各二次脉冲 磁场。

然后在水平角-30°～45°范围内，转动角度范围为仰角45°～俯角45°， 每次角度增量为15°，发射线圈1均间隔向掌子面b前方含水体c发射一次 脉冲磁场，经含水体c不同深度处反射后为二次脉冲磁场，所述二次脉冲磁 场反射至所述接收线圈2，得到不同探测深度的各二次脉冲磁场。

实际探测时，具体实施步骤如下：

(1)确定发射线圈底部辅助装置3的位置；

首先将发射线圈底部辅助装置3放置于掌子面后方10m-15m的位置， 按圆盘掌子面朝向标志放置，箭头朝向掌子面b。调整调平螺栓14，使调平 气泡15居中。

将陀螺仪放置于发射线圈底部辅助装置3的陀螺仪平台16上，得到方 形板10的旋转角度，并记录。

(2)确定接收线圈底部辅助装置4的位置；

在接收线圈底部辅助装置4和掌子面b中间根据发射线圈底部辅助装置 3掌子面朝向标志大致放置接收线圈底部辅助装置4，保证两圆盘11的中心 距离超过6m，接收线圈底部圆盘11中心距离掌子面b距离超过4m，以保 证各线圈所在的区域，不容易发生岩土掉落，以保证人员安全。

根据发射线圈底部辅助装置3上陀螺仪角度数据，调整接收线圈底部辅 助装置4上的陀螺仪，使两者角度相一致，以得到接收线圈底部辅助装置4 的放置位置；调整调平螺栓14，使调平气泡15居中。完成后取走陀螺仪， 以防止对探测结果产生影响。

(3)水平角为-45°时的探测；

按照水平角为-45°的水平角标识分别在发射线圈底部辅助装置3和接收 线圈底部辅助装置4上放置发射线圈1、撑杆5与接收线圈2、撑杆6。

固定水平角为-45°，通过调整线圈系统的撑杆5/6和线圈滑块9，使线圈 仰角为45°并保持，进行一次探测；持续调整线圈系统的撑杆5/6和线圈滑 块9，使线圈从仰角30°开始，增量角为15°，摆动至俯角45°时各进行一次 探测。

这样便得到了水平角-45°下仰角45°～俯角45°、增量角为15°的7个监测 点系。每个采集的监测点系，产生一个文件，包括各点的空间坐标和磁场强 度。

(4)水平角-30°～45°、增量角为15°的6次探测；

按照水平角为-45°时的探测方法，调整线圈系统的撑杆5/6和线圈滑块 9，分别得到水平角为-30°、-15°、0°、15°、30°、45°下仰角45°～0°～俯角 45°、增量角为15°的7个监测点系，一共42个监测点系。

完成以上操作后，便得到了水平角-45°～45°、仰角45°～0°～俯角45°、 增量角为15°的49个监测点系，共同组成了掌子面前方含水体的三维数据体， 监测点围成的空间，即为含水体c的位置，并由二次脉冲磁场的强度，确定 含水体c的形态；实现了隧道掌子面前方地质体的三维探测，提高了掌子面 b前方含水体c位置和形态的探测精度。