TBM施工隧道前向三维激发极化法超前探测装置系统及方法

摘要

本发明公开了一种TBM施工隧道前向三维激发极化法超前探测装置系统及方法，充分利用全断面开挖隧道狭小的探测空间，通过控制器控制供电和测量电极舱、屏蔽电极舱舱门开启并控制相应液压递送装置将供电、测量和屏蔽电极系统自动快速地布置到TBM掘进工作面及其后方的边墙底板上，在屏蔽电流系统的作用下，层析探测供电电流指向工作面前方，利用这种前向三维激发极化探测方法可以获得工作面前方的三维地质信息，并可利用激发极化半衰时之差与水量的关系定量的预报含水体的水量大小，同时半衰时之差参数对于自由水和束缚水具有较强的区分能力。

说明书

技术领域

本发明涉及TBM施工隧道中进行前向三维激发极化法超前预报的领域，尤其涉及一种TBM施工隧道前向三维激发极化法超前探测装置系统及方法。

背景技术

近年来，隧道施工中采用全断面隧道掘进机（简称TBM）机械施工的比例越来越高，全断面隧道掘进机是利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械。在使用TBM掘进时，一个较为突出的问题就是TBM机械对地质条件变化的适应性较差，当遭遇断层、破碎带、岩性交界面、含水构造等不良地质情况时，往往造成TBM机械被卡、被埋甚至机械报废的严重事故。为了降低TBM施工中遭遇上述事故的风险，最为有效的解决方法就是采用超前地质预报技术提前探明掌子面前方不良地质情况，并根据前方的地质情况预先制定合理的处置措施和施工预案。

但是，国内外尚没有十分成熟有效的TBM施工隧道专用超前地质预报方法。对于超前地质预报装置和技术而言，TBM施工与钻爆法施工有着本质性的区别：①TBM机械是一个庞然大物，TBM机械占据了隧道掌子面后方的绝大部分空间，无法在隧道边墙布置常用的地震波法超前预报的激发炮点和接收系统，导致钻爆法隧道中常用的TSP、TGP、TRT等地震波超前预报技术无法应用在TBM施工隧道中；②TBM机械中存在大量的金属构件和供电电缆对电磁场干扰巨大，导致地质雷达法、瞬变电磁法和激发极化法等普通的基于电磁原理的超前地质预报技术探测效果极不理想，以至于无法用于TBM施工隧道中。③TBM施工时，每天大约有两个小时的机械检修时间，当机械检修时TBM刀盘后退2-5m，这个狭小的空间可被用于实施超前地质预报，其空间狭小且可用时间较短。

就目前TBM施工隧道中的地质超前预报技术而言，主要有以下两种方法：①一种是利用TBM机械配备的超前钻机进行水平钻探，这种钻机只能揭露钻孔周围的地质情况，对于不与钻孔相交的地质体无法探明，不能反映TBM工作面前方整个范围内的地质情况，极易遗漏不良地质，造成误报、错报及灾害隐患，且钻孔经济成本和时间成本较高。②另一种是利用德国研发的BEAM(Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring)系统，BEAM是一种一维聚焦类激发极化法，BEAM法的缺点一是测试设备安装复杂，测试时间长，严重影响施工进度；二是BEAM法利用每次测量结果与隧道里程的曲线来推断掘进面前方的含水情况，探测距离小，未采用层析成像探测，无法获得TBM工作面前方地质体的三维信息，也无法预报水量。此外，从BEAM法在我国几个隧道的应用情况来看，预报结果不理想，未得到推广，有待进行提高和完善。

可见，TBM施工隧道中由于探测空间狭小、电磁干扰巨大、可用时间较短等原因，导致目前尚没有十分有效实用的超前地质预报技术与装置。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种TBM施工隧道前向三维激发极化法超前探测装置系统及方法，其基本原理是在掌子面四周或边墙底板布置屏蔽电极系统，在掌子面上布置层析探测供电与测量系统，在屏蔽电流系统的作用下，层析探测供电电流指向掌子面前方，此时后方的TBM机械对探测的电磁干扰很小，可忽略；利用这种前向三维激发极化探测方法可以获得掌子面前方的三维地质信息，并可利用激发极化半衰时之差与水量的关系定量的预报含水体的水量大小。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种TBM施工隧道前向三维激发极化法超前探测装置系统，在TBM主体内设有主控室，主控室内设有控制器、前向三维激发极化发射机、前向三维激发极化接收机；在TBM主体的刀盘上设有至少一个供电和测量电极舱，其上安装多层岩石耦合集成电极及其支撑装置以及舱门，多层岩石耦合集成电极在工作面上形成相应的侧线；在TBM主体工作面后方底板设有供电电极B和接收电极N，岩石耦合集成电极分别通过导线与控制器、前向三维激发极化发射机、前向三维激发极化接收机连接，供电电极B和接收电极N分别与前向三维激发极化发射机、前向三维激发极化接收机连接；在TBM主体前端和四周还设有屏蔽电极舱及其递送装置，屏蔽电极舱安装屏蔽电极P；在供电和测量电极舱还设有视频监视装置，它与主控室连接。

所述供电和测量电极舱有沿TBM主体中心对称分布的左右两个，供电和测量电极舱的舱门分为上下两扇，其中一扇带有凸槽，另一扇带有凹槽；舱门启闭由控制器控制。

所述支撑装置包括平行的三个测线导杆，各测线导杆间通过竖直液压升降装置连接，在各测线导杆两端还设有水平液压扩展装置，中间位置的测线导杆与水平液压递送装置连接；岩石耦合集成电极安装在各测线导杆及两端水平液压扩展装置上；相邻测线导杆之间为1.5m-2.0m。

所述岩石耦合集成电极包括集成在一起的岩石耦合供电电极A和岩石耦合接收电极M两部分，其中岩石耦合供电电极A包括金属电极，金属电极置于PVC外壳内，金属电极顶端为岩石耦合材料，底端与导线连接；岩石耦合接收电极M包括不极化电极，它置于另一PVC外壳内，其顶端是电极帽，底端与导线连接。

所述视频监视装置由前置摄像机和多视窗显示器构成，前置摄像机安装在供电和测量电极舱内，且带有照明灯，并将画面传输到显示器，显示器安设在TBM主控室内，前置摄像机由控制器控制。

所述屏蔽电极舱及其递送装置包括屏蔽电极舱、屏蔽电极P、液压递送装置，并根据安装位置分工作面屏蔽电极组和护盾屏蔽电极组，工作面屏蔽电极组分布在TBM主体刀盘的轮廓线周圈，在TBM主体前端后方2-3m的位置布置一圈护盾屏蔽电极组；屏蔽电极P包括金属电极，金属电极置于PVC外壳内，金属电极顶端为岩石耦合材料，底端与导线连接，屏蔽电极安装在液压递送装置前端，液压递送装置安装在屏蔽电极舱内，屏蔽电极舱设有舱门，舱门启闭由控制器控制。

所述TBM主体工作面后方底板上的供电电极B和接收电极N距离TBM工作面100-150m。

一种利用TBM施工隧道前向三维激发极化法超前探测装置系统的超前探测方法，利用TBM施工隧道前向三维激发极化法超前探测装置系统在工作面轮廓线上布置一圈屏蔽电极P，在掘进工作面后方2-3m的边墙底板上布置一圈屏蔽电极，在工作面上布置多条岩石耦合集成电极形成的平行测线；在工作面后方100-150m的底板上设供电电极和接收电极；

将供电电极与屏蔽电极供入同向的电流，分别测试多层岩石耦合集成电极与底板接收电极的电势差和半衰时，并改变电流大小测试不同电流下的多层岩石耦合集成电极与底板接收电极的电势差和半衰时；利用测得的电势差数据进行反演，得到工作面前方地质体的三维电阻率图像，实现含水体的三维定位；用测得的半衰时绘出半衰时之差数据与水平距离的关系坐标图，计算半衰时之差与横坐标轴的包络面积，绘制出包络面积的二维剖面图，实现工作面前方水量的估算。

对工作面上的各岩石耦合供电电极A供入正电流I₀，底板上的供电电极B供入负电流-I₀，工作面轮廓线上和工作面后方围岩上的所有屏蔽电极P供入与工作面上岩石耦合供电电极A同向的正电流，采集工作面上的岩石耦合接收电极M同底板上接收电极N之间的电势差U和半衰时t；

各条测线按照上述供电和测量方法采集完数据之后，对工作面上的各单个岩石耦合供电电极A供入正电流2I₀，对底板上的供电电极B供入负电流-I₀，重复上述采集数据的步骤。

数据采集完备后，进行含水构造的三维反演成像定位，采用基于障碍函数法不等式约束反演迭代等处理，上述步骤测得的电势差数据U进行反演，得到工作面前方地质体的三维电阻率图像，实现含水体的三维定位；采用半衰时数据t进行工作面前方水量估算，将上述步骤中测得的半衰时数据t，大小两次电流供电时相同点位的两个半衰时数据做差，分别绘出半衰时之差数据与水平距离的关系坐标图，计算半衰时之差与横坐标轴的包络面积St，根据包络面积St与水量的大小V成线性正相关关系，正值部分为水量的响应，由正值部分的面积估算水量的大小，进而实现对地质灾害源水量的估算。

本发明具有以下有益效果：

1>本发明对TBM机械进行了改造设计，提出了一种TBM机械上装配的隧道前向三维激发极化法超前探测装置，其包含的主要部件有供电和测量电极舱及其自动支撑装置、屏蔽电极舱及其递送装置、前向三维激发极化发射机、前向三维激发极化接收机、视频监视装置和控制器，均是在对TBM现有内部空间环境和装置系统综合考量下的增加和改进，可与TBM良好兼容。

2>本发明提出了一种供电和测量电极舱及其自动支撑装置和屏蔽电极舱及其递送装置，能够在控制器的控制下自动快速地完成供电电极系统、测量电极系统和屏蔽电极系统的布置工作，突破了全断面开挖隧道地质超前预报探测空间狭小的难题，并且极大地提高了地质超前预报的工作效率，节约了时间成本和经济成本。

3>本发明提出了一种TBM施工隧道前向三维激发极化法超前探测方法，采用了前向探测方式，与现有的BEAM法相比，具有更好的超前探测指向性，解决了以往旁侧干扰严重的难题，有效地提高了预报距离；采用层析的方法逐层采集数据，能够探测获得TBM掘进工作面前方地质体的三维信息，并且预报含水量、区分自由水和束缚水，解决了以往三维含水体定位和水量预报的难题。

附图说明

图1是本发明超前探测装置整体安装结构示意图。

图2是本发明TBM掘进工作面电极系统布置示意图。

图3是本发明TBM刀盘结构示意图。

图4是本发明电极舱舱门结构剖面图。

图5是本发明供电和测量电极舱右舱内部结构示意图。

图6是本发明供电和测量电极舱右舱舱门打开结构示意图。

图7是本发明屏蔽电极舱舱门打开结构示意图。

图8是本发明供电和测量电极舱及其自动支撑装置、屏蔽电极舱及其递送装置（包括工作面屏蔽电极组和护盾屏蔽电极组）地质超前预报工作状态示意图。

图9是本发明岩石耦合集成电极剖面图。

图10是本发明三维有限元反演网格模型示意图。

图11(a)是本发明半衰时之差数据与探测水平距离关系坐标折线图（已知水量水体1）。

图11(b)是本发明半衰时之差数据与探测水平距离关系坐标折线图（已知水量水体2）。

图11(c)是本发明两次探测已知水量水体所得水量与包络面积关系曲线。

图12是本发明实际地质超前预报测得的半衰时之差数据与水平距离关系曲线。

图13是经过水量-激电参数数据库修正得到的水量与包络面积关系曲线。

其中，1.TBM掘进工作面，2.围岩，3.工作面前方不良地质体，4.TBM主体，5.刀盘，6.控制器，7.前向三维激发极化发射机，8.前向三维激发极化接收机，9.主控室，10.支撑装置，11.液压递送装置，12.工作面屏蔽电极组，13.岩石耦合集成电极，14.滚刀，15.供电和测量电极舱左舱，16.供电和测量电极舱右舱，17.屏蔽电极舱，18.电极舱上扇凸槽结构，19.电极舱下扇凹槽结构，20.测线导杆，21.水平液压递送装置，22.竖直液压升降装置，23.水平液压扩展装置，24.前置摄像头，25.护盾屏蔽电极组，26.不极化电极，27.金属电极，28.导线，29.电极帽，30.岩石耦合材料，31.PVC外壳

另外，图1中字母含义分别为A（岩石耦合供电电极）、B（供电电极）、M（岩石耦合接收电极）、N（接收电极）、P（屏蔽电极）。

具体实施方式

下面通过具体实例和附图对本发明进行进一步的阐述。

本发明所述的一切工作均在TBM主控室9内实现。首先介绍TBM掘进工作面供电和测量电极系统的布置过程。

如图1、2所示，TBM主体4向前掘进时，控制器6控制刀盘5上的供电和测量电极舱左舱15和供电和测量电极舱右舱16的舱门处于关闭状态，以保护舱室内部的三层岩石耦合集成电极及其支撑装置10不受磨损。当TBM主体4停止掘进后，开始地质超前预报工作前，控制器6控制供电和测量电极舱左舱15和供电和测量电极舱右舱16的舱门同时开启，并控制各水平液压递送装置21将嵌有岩石耦合集成电极13的平行的三个测线导杆20推向掘进工作面1。舱门为上下双扇，电极舱上扇凸槽结构18带有凸槽，电极舱下扇凹槽结构19带有凹槽，闭合时严丝合缝，密闭性好。

在接近工作面1时，控制器6暂停水平液压递送装置21，启动竖直液压升降装置22，将上、下两侧线导杆20分别向上、向下等距离推送1.5m-2.0m。推至预定距离后，控制器6停止竖直液压升降装置22，启动水平液压扩展装置23，将各测线导杆20分别向两侧延伸，尽可能地保证测线导杆20的长度能够达到整个掘进工作面的断面尺寸。控制器6停止水平液压扩展装置23，启动水平液压递送装置21，继续将平行的三个测线导杆20推送至TBM掘进工作面1，使各测线导杆20上的所有岩石耦合集成电极13完全与工作面1紧密接触。岩石耦合集成电极13是岩石耦合供电电极A和岩石耦合接收电极M的组合，如图9所示，其中岩石耦合供电电极A包括金属电极27，金属电极27置于PVC外壳31内，金属电极27顶端为岩石耦合材料30，底端与导线28连接；岩石耦合接收电极M包括不极化电极26，它置于另一PVC外壳31内，其顶端是电极帽29，底端与导线28连接。

当岩石耦合集成电极13与工作面1紧密接触时，金属电极27和不极化电极26就通过耦合材料30（一般为导电胶）与岩石良好耦合，耦合材料30就储存在电极帽29内部，PVC外壳31的设计是为了与平行三测线导杆20之间绝缘，保证供电电流只传输到工作面1。将供电和测量电极舱左舱15和供电和测量电极舱右舱16中的平行三测线导杆20同时推至工作面1，完成工作面1上完整的三条平行测线布置。

前置摄像头24安装在供电和测量电极舱左舱15和/或供电和测量电极舱右舱16内部，设计为防尘、防水和防震动，且带有灯光照明功能，能够清晰地捕捉到电极系统在工作面上布置的过程，并将画面传输到主控室9内的多视窗显示器上。在距离工作面1无穷远处（如工作面后方100m-150m）底板上，布置一根岩石耦合供电电极B和一根岩石耦合接收电极N。

控制器6安装在主控室9内，主要控制供电和测量电极舱舱门的开启和关闭及其自动支撑装置的收放、控制屏蔽电极舱舱门的开启和关闭及其液压递送装置的收放，控制前置摄像机镜头的转动以捕捉电极系统布置的整个过程。

接下来，介绍屏蔽电极系统的布置过程。

屏蔽电极P分为工作面屏蔽电极组12和护盾屏蔽电极组25两部分，它们结构相同，如图7所示，均包括一个屏蔽电极舱17，其内设有液压递送装置11，液压递送装置11前端为屏蔽电极P。屏蔽电极P与岩石耦合供电电极A结构相同，包括金属电极27，金属电极27置于PVC外壳31内，金属电极27顶端为岩石耦合材料30，底端与导线28连接。

工作面屏蔽电极组12的安装位置靠近刀盘5轮廓线（在刀盘5上），护盾屏蔽电极组25的安装位置则是围绕护盾一圈（在护盾上，距离工作面1约2.0m-3.0m）。TBM主体4向前掘进时，控制器6控制屏蔽电极舱17舱门处于关闭状态，保护内部的屏蔽电极P和液压递送装置11不受磨损。当TBM主体4停止掘进后，开始地质超前预报工作前，控制器6控制所有屏蔽电极舱17舱门打开，并控制液压递送装置11将屏蔽电极P推送至工作面1或工作面1后方（2.0m-3.0m）围岩2上，直至所有屏蔽电极P与工作面1或工作面后方围岩2紧密接触。屏蔽电极P内只由一根金属电极27，没有不极化电极26，属于岩石耦合供电电极。

电极系统布置完成后，便开始数据采集的工作。所有供电电极和屏蔽电极P通过导线连接到前向三维激发极化发射机7上，所有接收电极通过导线连接到前向三维激发极化接收机8上。前向三维激发极化发射机7可同时发射多路供电电流，前向三维激发极化接收机8用于控制接收电极测量电势差U及半衰时t。数据采集完后，对数据进行解译处理，预报TBM掘进工作面1前方地质体的三维信息并预测含水量。处理结果可显示在主控室6内的多视窗显示器上。

下面，介绍前向三维激发极化法超前探测方法的实现过程。

①采用前向层析的方法逐层采集数据，首先对工作面上1的各岩石耦合供电电极A供入正电流I₀，底板上的供电电极B供入负电流-I₀，工作面1轮廓线上和工作面1后方围岩上的所有屏蔽电极P供入与工作面1上岩石耦合供电电极A同向的正电流，采集工作面1上的岩石耦合接收电极M同底板上接收电极N之间的电势差U和半衰时t。所有三条测线按照上述供电和测量方法采集完数据之后，对工作面1上的各单个岩石耦合供电电极A供入正电流2I₀，对底板上的供电电极B供入负电流-I₀，重复上述采集数据的步骤。

②数据采集完备后，进行含水构造的三维反演成像定位，采用基于障碍函数法不等式约束反演迭代进行处理，上述步骤测得的电势差数据U进行反演，得到工作面前方地质体的三维电阻率图像，实现含水体的三维定位。具体步骤如下：

综合考虑光滑约束和不等式约束，提出如下反演目标函数：

Φ＝(d_obs-d_m)^T(d_obs-d_m)+λ(Cm)^T(Cm)）

    subject to    ρmin_i≤m_i≤ρmax_i

式中，d_obs为实际观测数据，d_m为正演得到的理论观测数据，m为模型参数向量，C为光滑度矩阵，λ为拉格朗日常数，决定了光滑约束的权重，m_i为第i个网格的电阻率，ρmin_i和ρmax_i分别为第i个网格的电阻率的下限和上限。需要指出的是，电阻率的变化范围可以是根据一般常识获得的较为宽泛的一个范围，也可以是根据钻孔等方式获得的较为精确的一个范围。

求式(1)的极小值问题是一个典型的携带不等式约束的二次规划问题，对不等式约束的处理是求解该问题的关键。采用障碍函数法将不等式约束的信息嵌入到目标函数中，在式(1)的基础上构造增广目标函数，如式(2)：

$>{\Phi }^{\prime }=\Phi +\mathrm{\mu F}$>

$>=\Phi -2\mu \{\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\ln (\frac{m_i}{\rho {\min }_i}-1)+\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\ln (1-\frac{m_i}{\rho {\max }_i})\}---\left(2\right)$>

式中，μ恒大于零，为障碍因子，Φ′为增广目标函数，Φ为目标函数，F为不等式约束变量，M为网格电阻率参数个数。

采用牛顿法(Newton Method)求解增广目标函数的最优化问题，得到下式：

(A^TA+λC^TC+μ_kX^-2+μ_kY^-2)Δm

＝A^TΔd-λC^TCm+μ_k(X^-1-Y^-1)e

（3）

式中，A为偏导数矩阵，Δm为模型参数增量向量，Δd为观测数据，Δd＝d_obs-d_m，e＝(1，1,…1)^T，Y都是对角矩阵，X矩阵的对角线元素为m_i-ρmin_i(i＝1,2,M)，Y矩阵的对角线元素为ρmax_i-m_i(i＝1,2,M)，μ_k为μ在计算过程中所取的严格单调递减且趋于零的一个序列。

线性方程组(3)是含有不等式约束的反演成像方程，障碍函数的施加使得反演搜索范围被限定在可行域内，由于增加了不等式约束这种重要的先验信息，使得反演多解性得到改善，对提高反演效果具有积极作用。

进行反演成像时，首先建立三维有限元反演模型（如图10所示），设定网格电阻率的初值，确定网格电阻率的变化范围；然后，利用有限单元法进行数值正演，正演中大型线性方程组利用cholesky分解法求解，得到相应的理论观测数据d_m；进行反演收敛判断，若理论观测数据与实际观测数据之间的误差满足收敛判据(收敛判据为rus＜ε_inv，其中rus为观测数据d_obs与正演理论值d_m之间的均方误差，ε_inv为反演收敛的容许值)，将此时得到的模型参数作为反演结果输出。反之进行下一步计算；计算偏导数矩阵、光滑度矩阵以及矩阵X和Y，求解反演方程(3)，得到模型增量Δm；计算得到新一代模型参数，按照递减数列更新μ，执行第(2)步，进入下一循环。直至正演的理论观测数据与测量数据的方差小于设定值（根据用户所要求反演的精度不同，设定值不一样，反演精度高，则设定值较小，反之设定值较大），输出模型参数。从而反演得到工作面前方地质体的三维电阻率图像，实现含水体的三维定位。

③采用半衰时数据t进行工作面前方水量估算，将上述步骤中测得的半衰时数据t，大小两次电流供电时相同点位的两个半衰时数据做差，分别绘出半衰时之差数据与水平距离的关系坐标图，计算半衰时之差与横坐标轴的包络面积St，根据包络面积St与水量的大小V成线性正相关关系，正值部分为水量的响应，由正值部分的面积估算水量的大小，进而实现对地质灾害源水量的估算。

在具体的工程中应用时，步骤如下：

首先找到两个以上的已知水量水体，进行试验性探测，如图11(a)和图11(b)所示，获得探测结果，并测取实际开挖后的含水构造的水量，建立水量V与激电信息St（半衰时之差与横轴的包络面积）初步的数学线性关系表达式y＝ax+b，如图11(c)所示，将实测水量和半衰时之差数据放入水量-激电参数数据库。

在实际地质超前预报工作中，利用水量-激电参数数据库中得到的数学表达式y＝ax+b和实测半衰时之差数据（如图12所示）进行水量估算。

测取实际开挖后的含水体水量，并修正预测数据（如图13所示），将实测水量和半衰时之差数据放入水量-激电参数数据库，再根据数据库中的数据修正数学关系式，以便进行后续的水量预报工作。

同时，试验数据还表明，半衰时之差参数对于自由水和束缚水具有较强的区分能力，半衰时之差为正值时，反映的是自由水的水量；半衰时之差为负值时，反映的是束缚水的存在情况。

整个数据采集的过程中，供电电流和屏蔽电流的激发是通过主控室6内的前向三维激发极化发射机7实现的，电势差和半衰时采集和计算是通过主控室6内的前向三维激发极化接收机8实现的，经过反演得到的工作面前方地质体的三维电阻率图像以及半衰时之差数据与水平距离的关系坐标图将在操作台上的多屏显示器上显示。

本发明未详述内容均为现有技术，不再赘述。