土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统及探测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统及探测方法。
【背景技术】
[0002]土压平衡盾构是由刀盘旋转切削土体，切削后的泥土进入密封土舱，在密封土舱内泥水压力与开挖面泥土压力取得平衡的同时，由螺旋输送机进行连续出土的盾构。土压平衡盾构隧道施工技术在近年来的大量工程实践中业已日臻成熟，被广泛应用的同时更逐渐成为城市隧道施工的主要发展方向。
[0003]然而，隧道前方间或出现的地质灾害严重制约了盾构隧道工程的发展。土压平衡盾构施工过程中常见的灾害源主要有以下几种:
[0004]1.球状风化体，即所谓的孤石。掘进线路上未知的孤石会导致盾构刀盘磨损，盾构卡机等不良后果；
[0005]2.高水压砾层、砂卵石层。掘进线路上未知的富水砂砾层会导致盾构施工涌水，地表沉降等不良后果；
[0006]3.粉细砂层、软淤泥黏土层。类似土层极易发生扰动，盾构机在未知情况下掘进至该类土层难以控制保持土压平衡，且会引动前期沉降；
[0007]4.全断面硬岩。盾构掘进至未知全断面硬岩地层时将会受限于推进力和刀盘刚度难以继续掘进，极易卡机；
[0008]5.上软下硬地层。当掘进地层上下出现明显软硬分层时，盾构难以控制掘进方向和自身平衡；
[0009]6.不明潜埋物，未知地下管线，有毒含气层等。城市地下隧道施工中常常会在施工区域发现文物古墓、战后遗留爆炸物、既有城市管线、高层建筑深基础等未知埋藏物，在不明条件贸然掘进，则难免造成经济损失或安全事故。
[0010]一旦发生在开挖过程中遇到上述灾害源导致卡机，突涌水，地表沉降等工程事故，轻则造成盾构机械损毁，延迟工期，重则造成地层塌陷，导致重大安全事故。可见，土压平衡盾构上搭载能够有效且全面探测上述诸多危险源的超前预报装置是十分必要的。
[0011]—直以来，广大科研人员和工程人员在应用地质灾害超前预报手段于土压平衡盾构施工方面进行了诸多尝试:利用超前钻机水平钻探难以反映掌子面前方的综合地质情况，极易造成漏报、误报、错报从而形成安全隐患且费用较高；地震方法要求的震源发生方式难以在盾构隧道管片衬砌中有效应用；由于盾构隧道施工空间狭小，电磁干扰强烈，瞬变电磁和地质雷达的探测准确性难以保障，盾构机刀盘上安装地质雷达天线的尝试在刀盘改造和天线保护上遇到了较大的困难；钻孔物探的跨空高密度电法在盾构隧道超前预报方面取得了一定的成效但只对掌子面前方孤石的探测有明显的效果，且实际工程中频繁进行多次超前钻孔带来了极大地经济成本和时间成本；国外较常采用的一种一维聚焦激电法超前预报系统BEAM (Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring)系统，由于不能获得掌子面前方地质情况的三维信息且不能解决盾构金属体导电问题，探测距离短，使用耗时繁复，未能在我国盾构隧道工程中有效的推广。
[0012]故而，当前尚且没有任何一种超前预报手段能够快捷可靠地实现土压平衡盾构隧道施工中的不良地质灾害预报功能。这是由于土压平衡盾构施工隧道的超前探环境极其恶劣，超前探测过程中面临难以回避的困难:
[0013]1.空间上，土压平衡盾构刀盘时刻与掌子面土体紧贴且刀盘不可回退，刀盘后土仓内充满用以平衡土压的土体，相较于探测环境很差的全断面隧道掘进机(TBM)刀盘与掌子面间可实现的20cm左右的狭小探测空间，土压平衡盾构可以说根本不具备探测空间；
[0014]2.盾构本身与TBM —样具有强烈电磁干扰。对于在土压平衡盾构施工中应用电磁类探测方法而言，更为棘手的问题是盾构刀盘与护盾作为良导体与掌子面和土仓内土体紧密耦合，致使电法勘探所供电流难以流入掌子面前方，严重影响探测；
[0015]3.土压平衡盾构本身结构上，由于刀盘及前盾土仓构成一个封闭金属箱，掌子面前方各种物探信号均难以突破强屏蔽向外无线传输，而对于有线传输，由于盾构刀盘在掘进过程中不停旋转，同时护盾及前盾土仓、承压板固定不动，致使探测电极与测量主机之间的线缆难以布置。
[0016]4.时间上，相较于TBM每天四小时维保时间和较慢的掘进速度，土压平衡盾构掘进速度更快，维保时间更少，这也就要求在土压平衡盾构上搭载的超前探测系统具有探测速度快、探测过程自动化程度高的特点。
[0017]可见，目前在土压平衡盾构施工隧道施工中亟需一种高效可靠的不良地质灾害超前预报装置和方法。
【发明内容】
[0018]本发明为了解决上述问题，提出了一种土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统及探测方法，本系统搭载于土压平衡盾构上可克服盾构施工隧道超前探测空间小、电磁干扰强、时间短的难点，该方法可快捷且有效的实现上述各种盾构施工隧道地质灾害源的超前探测。
[0019]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0020]一种土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统，包括探测电极系统、分布式测量及供电系统、高阻材料注浆系统、探测信号传输系统以及三维激电探测控制系统，且五个系统均搭载于土压平衡盾构机上，利用刀盘上设置的推进设备的分布式测量及供电系统中克服土压平衡盾构没有探测空间的困难，刀盘上的高阻材料注浆系统向刀盘和盾构周边土体喷射高阻注浆材料，形成高阻屏障，利用屏蔽推进电极使探测电流前向分布，所述探测电极系统测量电极之间的电势差U和半衰时t，将其传输给三维激电探测控制系统，分布式测量及供电系统包括磁耦合谐振传输模块与电磁波无线传输模块，实现刀盘到主机的信号无线传输，三维激电探测控制系统接收其他系统传输的数据，控制其工作，实现掌子面前方地质情况的三维电阻率成像。
[0021 ] 所述探测电极系统包括测量/供电推进电极设备A/M、屏蔽推进电极设备P和远端固定电极设备，其中，远端固定电极设备包括远端固定供电电极B和远端固定测量电极N，其中测量/供电推进电极设备在刀盘上形成的“米”字型布置作为测量/供电推进电极设备A/M，刀盘边缘开孔处布置推进电极作为屏蔽电极P，盾尾边墙处布设的固定电极作为认为是无穷远处的测量电极N和供电电极B。
[0022]所述测量/供电推进电极设备包括多个推进电极设备，所述推进电极设备呈杆件状，用于超前探测中的供电和测量，所述推进电极设备前端为土体耦合电极，在油缸推动下破土进入土体，其后端为喇叭状弹性导电体，弹性导电体使电极与土体耦合，降低接地电阻，保证电信号的输出和采集，推进电极设备中部为伸缩液压油缸，油缸前端设防尘圈以防止异物进入油缸，油缸采用前端供油，油缸由节流阀进行调速，推进电极设备设有压力传感器控制减压，设有溢流阀判断电极贯入土体情况，油缸底部活塞设置磁环，用以检验活塞位置以判断电极是否贯入土体；油缸的推进杆空腔内有线缆连接土体耦合电极，油缸后部连接输油管，输油管和线缆自刀盘刀舱内走线，在中轴处汇集为一束，沿刀盘中轴空腔引出至盾构压力墙。
[0023]所述压力墙后端设有快速插头，掘进时线缆和油管快速插头打开，从而解决了刀盘旋转带来的拧线问题；推进电极设备末端设置底座，内含卷簧拉线装置，以防线缆在伸缩中缠绕。设备固定于盾构刀盘开口边沿处包裹于刀盘内且前后不超出刀盘面。
[0024]所述土体耦合电极前端的电极材料依需求采用铜电极或不极化电极。
[0025]所述屏蔽推进电极设备布置于刀盘最边沿开孔处，电极材料选用铜电极。
[0026]所述远端固定电极设备采用普通铜电极，于盾尾边墙处钻孔固定，在激电三极法测量中可认为位于无穷远处。
[0027]所述分布式测量及供电系统包括分布式采集装置、磁耦合谐振传输装置、电磁波无线传输装置及供电转换装置，其中，分布式采集装置集成于每套推进电极设备上，用以控制推进电极的电信号输出与采集，磁耦合谐振传输装置位于土仓后面板，电磁波无线传输装置分别位于三维激电探测控制系统与磁耦合谐振传输装置上，进行信号的无线传输，供电转换装置位于刀盘背板，用以控制刀盘各电极的供电切换。
[0028]所述分布式采集模块包括采集模块与集线模块，其中采集模块是与测量/供电电极系统的测量电极连接的采集端子与传输线，在每个采集端子上安装有隔离与滤波模块，对采集到的信号进行处理，传输线将处理后的信号传输给磁耦合谐振传输装置。
[0029]所述磁耦合谐振传输模块包括两个相同谐振频率的线圈，其中与刀盘相连接的线圈随着刀盘的转动而转动，不因刀盘的转动而使得分布式采集模块的传输线扭断，另一个线圈连接电磁波无线传输模块。
[0030]所述磁耦合谐振传输模块的线圈分别缠绕在不同的线圈板上，每个线圈板的两端分别通过一个固定装置固定在与刀盘的轴心水平的位置，线圈板端部卡套在固定装置内，与其活动连接。
[0031]所述电磁波无线传输模块包括发射端和接收端，接收端设置于三维激