基于护盾结构的TBM拱顶破碎精细探测装置与探测方法与流程

本发明涉及地质勘察，尤其涉及一种基于护盾结构的tbm拱顶破碎精细探测装置与探测方法。

背景技术：

1、随着经济技术的快速发展，基建逐渐开始向西部山区发展。交通隧道、引水隧洞、水电工程等一系列的地下工程开工建设。全断面隧道掘进机(tbm)凭借开挖快、安全、经济、扰动小等优点被广泛用于上述工程中。当下，基建工程的埋深不断增大，最大主应力方向由垂直变为水平，拱顶成为主应力集中区域，在应力和tbm的扰动下易出现拱顶局部破碎的情况。拱顶局部破碎一方面会要求施工现场被动提高支护措施，如全环钢拱架，提高施工成本；另一方面会对现场的施工进度有较大影响，如提高支护措施以及额外清渣造成的工序和工时的增加。

2、现有技术中的中国专利文献：202210458438.9中公开了一种bm施工中周边环境探测方法，包括：步骤一、隧道工程项目施工前，对地质进行勘察，并分析隧道开挖面围岩情况，获取勘察期隧道岩体力学参数；步骤二、tbm施工过程中，获取隧道掌子面前方围岩情况的施工期岩体力学参数；步骤三、采用卷积神经网络分别学习勘察期隧道岩体力学参数和施工期岩体力学参数，分别构建新的或更新原来的第一围岩预测数据库和第二围岩预测数据库；以及，步骤四、分别利用第一围岩预测数据库和第二围岩预测数据库对tbm施工过程的围岩情况进行预测，得到两个围岩预测结果，之后将两个围岩预测结果融合，得到tbm施工中的围岩实时情况。

3、虽然超前地质预报可以为现场施工提供掌子面前方的探测，但由于其探测尺度较大，并不能提供小尺度异常体或破碎体的信息。拱顶局部破碎的精细探测可以为现场施工提供指导，包括合理的拱架选型，工法优化等。由于护盾的钢制结构和探测方法与精度限制，拱顶的精细探测成为亟待解决的问题。

技术实现思路

1、鉴于以上技术问题，本公开提供了一种基于护盾结构的tbm拱顶破碎精细探测装置与探测方法，解决了现有技术中拱顶破碎造成工序和工时的增加，且超前地质预报不能提供小尺度异常体或破碎体的信息，同时由于护盾的钢制结构和探测方法与精度限制，无法实现拱顶精细探测的技术问题。

2、根据本公开的一个方面，提供一种基于护盾结构的tbm拱顶破碎精细探测装置，安装于护盾结构上，所述护盾结构为高分子复合非金属复合材料/pps非导电材质，其特征在于，

3、包括：设于护盾结构内侧的雷达行走导轨、和得以在所述雷达行走导轨上移动的自行式地质雷达天线盒；所述雷达行走导轨包括齿条，所述自行式地质雷达天线盒挂装在轴杆上，所述轴杆经行走齿轮抱箍式安装在齿条上，所述轴杆端部安装得以带动行走齿轮旋转的电机；所述自行式地质雷达天线盒电连接地质雷达数据采集器，以实现自行式地质雷达天线盒的供电和电磁波数据的传输，所述地质雷达数据采集器设于所述雷达行走导轨一端且远离掌子面的一侧，所述自行式地质雷达天线盒的控制输入端与所述地质雷达数据采集器的电磁波数据输出端电连接计算机控制与数据分析终端，所述计算机控制与数据分析终端放置于tbm主司机室。

4、所述行走导轨上设有齿形，所述电机与所述行走齿轮间设有传递动力源的传动齿轮，所述电机安装在齿轮盒上，所述传动齿轮安装在齿轮盒内，所述齿轮盒处于所述滑轨的两侧，所述传动齿轮与所述行走导轨上的齿形相啮合，中部安装轴杆，所述轴杆的下方重力吊装所述自行式地质雷达天线盒，所述轴杆与所述自行式地质雷达天线盒间间隙配合。

5、所述自行式地质雷达天线盒内设有至少一套高频发射接收天线和至少一套低频发射接收天线，所述高频发射接收天线的频率为100mhz，低频发射接收天线的频率为50mhz。

6、所述雷达行走导轨包括高分子复合非金属材料。

7、所述行走轮齿为塑料材质。

8、一种基于护盾结构的tbm拱顶破碎精细探测方法，包括如下步骤：

9、（1） 启动准备：在tbm开始掘进之前，将自行式地质雷达天线盒安装到护盾结构内侧的雷达行走导轨上；

10、（2） 位置确定：计算机控制与数据分析终端根据掌子面位置计算探测区域的里程；以指导雷达扫描的起始位置和扫描范围；

11、（3） 雷达扫描：自行式地质雷达天线盒执行计算机控制与数据分析终端的下达至少一次的雷达扫描指令，在雷达行走导轨上由起始端开始移动并进行扫描；首先，启用高频天线/低频天线进行扫描，当到达导轨另一端后，关闭高频天线/低频天线并启用低频天线/高频天线进行回程并扫描，完成回程扫描后，到达起始端，得到高频雷达和低频雷达的扫描结果；自行式地质雷达天线盒在行走过程中根据行走齿轮的轨迹记录环向位置；

12、（4） 数据处理与分析：地质雷达数据采集器收集自行式地质雷达天线盒的扫描数据，并将扫描数据传输给计算机控制与数据分析终端，计算机控制与数据分析终端对比不同频率的电磁波反射情况，判断基岩的位置以及拱顶的破碎情况，得到不同环向位置的破碎体深度的二维结果；

13、（5） 重复探测：随tbm不断向前掘进，重复执行所述步骤（3）~（4），并将二维结果按照里程排列形成三维探测结果。

14、所述步骤（3）还包括计算机控制与数据分析终端对扫描结果进行初判，并再次执行雷达扫描命令，将扫描结果进行叠加处理；以提高雷达数据信噪比。

15、本发明的有益效果在于：

16、基于护盾结构的tbm拱顶破碎精细探测装置，填补了tbm隧道拱顶探测的空白，可以对局部破碎进行探测，其探测精度可达分米级，具有较强的实用性，能够有效的指导支护参数和工法的选取，具备推广应用前景，能够在tbm掘进过程中提供及时、准确的地质信息，有助于提高隧道的成形质量和掘进效率；

17、高分子复合非金属材料的应用，使得护盾结构具有较高的强度和刚度，能够有效地抵御外部的冲击和压力，从而提高了tbm掘进的安全性和稳定性；

18、选用pps非导电材质，确保了护盾结构具有良好的绝缘性能，降低了因导电引起的安全隐患；

19、自行式地质雷达天线盒的设计，使得地质探测可以在tbm掘进过程中实时进行，避免了因掘进中断而影响探测效率的问题；

20、高频发射接收天线和低频发射接收天线的设置，可以获取更丰富的地质信息，包括破碎体的深度、地质结构等，为掘进提供了更准确的地质导向；

21、行走齿轮的设计，使得自行式地质雷达天线盒能够在雷达行走导轨上实现精确的移动，确保了探测的准确性和效率；

22、计算机控制与数据分析终端的设置，使得操作人员可以远程控制和监视地质探测过程，并对探测数据进行及时的分析和处理，从而提高了决策的及时性和准确性；

23、将计算机控制与数据分析终端放置于tbm主司机室，方便了操作人员随时掌握拱顶的破碎情况和地质结构，为掘进提供了更加可靠的地质支持；

24、行走轮的设计选用塑料材质，大大降低了运行过程中的噪音，并减少了对掌子面的磨损，有利于保护施工现场的环境，同时，塑料材质的轻量化设计也减轻了设备的整体重量，提高了设备的便携性，同时，绝缘效果好，有效降低雷达周边金属设备会对数据产生误差的隐患，同时，还能渐低自身质量，降低管片负重；

25、叠加处理可以提高雷达数据的可靠性和准确性，多次扫描可以增加数据的冗余性，减少随机噪声的影响，同时，通过叠加处理，可以进一步优化地质信息的提取和解析，为tbm掘进提供更准确的地质导向，其中，间隙配合保证其稳定性，形成一套高度方向有位移无摆动的设计，便于结果的精准测量；

26、机械结构的设计，使雷达检测设备的上方有多层保护设备，可以有效保护设备，防潮减震效果好，进一步的提高的数据的检测精度。