Tbm施工隧道前向跨孔雷達透射成像超前預(yù)報系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種TBM施工隧道前向跨孔雷達透射成像超前預(yù)報系統(tǒng)和方法，它包括：安裝在TBM機械主體內(nèi)部、TBM刀盤后方的機械伸縮旋進裝置，它由多級伸縮元件構(gòu)成；機械伸縮旋進裝置前端采用可拆卸結(jié)構(gòu)與鉆頭或可擴展式多級串聯(lián)雷達天線固定套管連接，并在機械伸縮旋進裝置控制器控制下在TBM主體前方的圍巖內(nèi)鉆兩個深度相同的鉆孔并布設(shè)套管，然后分別在兩個鉆孔內(nèi)布置雷達發(fā)射天線和雷達接收天線；所述雷達發(fā)射天線和雷達接收天線與多通道雷達主機及計算機連接，進行跨孔雷達探測，從而實現(xiàn)快速精確地實現(xiàn)隧道掘進面前方地質(zhì)情況的預(yù)報。
【專利說明】TBM施工隧道前向跨孔雷達透射成像超前預(yù)報系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種跨孔雷達透射成像超前預(yù)報系統(tǒng)和方法，尤其涉及一種TBM施工隧道前向跨孔雷達透射成像超前預(yù)報系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隧道開挖施工中，主要采用的方法有鉆爆法施工和TBM施工。近年來，隧道施工中采用全斷面隧道掘進機(簡稱TBM)機械施工的比例越來越高，全斷面隧道掘進機是利用回轉(zhuǎn)刀具開挖，同時破碎洞內(nèi)圍巖及掘進，形成整個隧道斷面的一種新型、先進的隧道施工機械。TBM施工與鉆爆法施工相比，其主要特點是機械化程度高，速度快，但對地質(zhì)條件變化適應(yīng)性較差，當(dāng)遭遇斷層、破碎帶、巖性交界面、含水構(gòu)造等不良地質(zhì)情況時，往往造成TBM機械被卡、被埋甚至機械報廢的嚴重事故，為了保證施工安全，TBM施工對地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)的要求比鉆爆法施工隧道的要求更加嚴格和迫切。
[0003]由于TBM施工環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，導(dǎo)致在TBM施工隧道實施超前地質(zhì)預(yù)報十分困難，TBM機械系統(tǒng)是龐然大物，占據(jù)了隧道掘進面后方大部分的空間，可用的探測空間狹小，同時形成了復(fù)雜的電磁環(huán)境，使得在鉆爆法中可用的超前地質(zhì)預(yù)報方法無法用于TBM環(huán)境。
[0004]就目前TBM施工隧道中的地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)而言，主要有以下兩種方法:①一種是利用TBM機械配備的超前鉆機進行水平鉆探，這種鉆機只能揭露鉆孔周圍的地質(zhì)情況，對于不與鉆孔相交的地質(zhì)體無法探明，不能反映TBM工作面前方整個范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，極易遺漏不良地質(zhì)，造成誤報、錯報及災(zāi)害隱患，且鉆孔經(jīng)濟成本和時間成本較高。②另一種是利用德國研發(fā)的 BEAM(Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring)系統(tǒng)，BEAM是一種一維聚焦類激發(fā)極化法，BEAM法的缺點一是測試設(shè)備安裝復(fù)雜，測試時間長，嚴重影響施工進度；二是BEAM法利用每次測量結(jié)果與隧道里程的曲線來推斷掘進面前方的含水情況，探測距離小，未采用層析成像探測，無法獲得TBM工作面前方地質(zhì)體的三維信息。此夕卜，從BEAM法在我國幾個隧道的應(yīng)用情況來看，預(yù)報結(jié)果不理想，未得到推廣，有待進行提高和完善。
[0005]可見，TBM施工隧道中由于探測空間狹小、電磁干擾嚴重、可用時間較短等原因，導(dǎo)致目前尚沒有十分有效實用的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)與裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是解決上述問題，提供一種TBM施工隧道前向跨孔雷達透射成像超前預(yù)報系統(tǒng)和方法，它具有抗干擾能力強，探測時間短，工作效率高的特點。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種TBM施工隧道前向跨孔雷達透射成像超前預(yù)報系統(tǒng)，它包括:安裝在TBM機械主體內(nèi)部、TBM刀盤后方的機械伸縮旋進裝置，它由多級伸縮元件構(gòu)成；機械伸縮旋進裝置前端采用可拆卸結(jié)構(gòu)與鉆頭或可擴展式多級串聯(lián)雷達天線固定套管連接，并在機械伸縮旋進裝置控制器控制下在TBM主體前方的圍巖內(nèi)鉆兩個深度相同的鉆孔并布設(shè)套管，然后分別在兩個鉆孔內(nèi)布置雷達發(fā)射天線和雷達接收天線；所述雷達發(fā)射天線和雷達接收天線與多通道雷達主機及計算機連接，進行跨孔雷達探測。
[0009]所述機械伸縮旋進裝置有兩套，分別安裝在TBM刀盤后端中軸線上方和下方位置。
[0010]所述多級伸縮元件采用多級伸縮油缸，完成順時針和逆時針的旋進和旋出。
[0011]所述機械伸縮旋進裝置前端與鉆頭可拆卸連接，鉆頭前端外沿設(shè)有卡齒，套管設(shè)有套管端部，在套管端部內(nèi)壁設(shè)有與鉆頭卡齒相配合的卡槽，鉆頭逆時針旋進時與套管端部卡合，順時針旋退時與套管端部分離。
[0012]所述可擴展式多級串聯(lián)雷達天線固定套管帶有外螺紋，所述套管內(nèi)壁設(shè)有內(nèi)螺紋，兩者間螺紋連接，雷達天線固定套管隨機械伸縮旋進裝置順時針旋轉(zhuǎn)時向鉆孔內(nèi)部遞送雷達天線固定套管，逆時針旋轉(zhuǎn)向鉆孔外取出雷達天線固定套管；雷達天線固定套管兩端還設(shè)有連接端，連接端與連接桿螺紋連接，相鄰雷達天線固定套管通過連接桿彼此連接雷達發(fā)射天線或雷達接收天線安裝在雷達天線固定套管內(nèi)。
[0013]所述套管和雷達天線固定套管均是由絕緣材料PVC制成。
[0014]一種TBM施工隧道前向跨孔雷達透射成像超前預(yù)報系統(tǒng)的預(yù)報方法，具體步驟如下:
[0015]步驟一:預(yù)打鉆孔及套管施做；在隧道掘進面上部和下部，分別打入兩個深度為S，孔徑為d的上、下鉆孔，s>0, d>0,同時在兩鉆孔內(nèi)進行套管施做；
[0016]步驟二:制定探測方案；根據(jù)隧道施工的要求與現(xiàn)場的實際情況，初步制定雷達預(yù)測方案，確定雷達發(fā)射天線、雷達接收天線分別在兩個鉆孔內(nèi)每次發(fā)射、接收雷達波信號之間的間距；
[0017]步驟三:把可擴展式多級串聯(lián)發(fā)射天線和接收天線遞送到鉆孔內(nèi)，并依次對各個預(yù)設(shè)測點進行雷達數(shù)據(jù)的采集；
[0018]步驟四:對采集到的每個探測剖面的雷達數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；
[0019]步驟五:利用跨孔雷達透射成像原理，對采集到的每個探測剖面的雷達數(shù)據(jù)進行層析成像反演計算，從而確定隧道掘進面前方的異常體。
[0020]所述步驟三的過程為:
[0021](3-1)首先把雷達發(fā)射天線遞送至鉆孔深度為a的位置并且固定，然后再把雷達接收天線遞送至鉆孔深度為a的位置，從鉆孔外至鉆孔深部，分別記雷達發(fā)射天線和雷達接收天線的位置為Tl、T2、T3、T4、Rl、R2、R3、R4，進行第一次雷達數(shù)據(jù)采集；
[0022](3-2)然后把雷達發(fā)射天線遞送至T4的位置并固定，同樣再把雷達接收天線遞送至R4的位置，進行第二次的雷達數(shù)據(jù)采集，第二次雷達發(fā)射天線和雷達接收天線的位置分別為:Τ4、Τ5、Τ6、Τ7、R4、R5、R6、R7 ;然后以此類推，再進行第三次、第四次……第N次的雷達探測，直至全鉆孔的雷達數(shù)據(jù)采集結(jié)束。
[0023]所述步驟四的過程為:
[0024](4-1)對步驟三采集到的原始雷達數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)編輯，其中步驟包括:數(shù)據(jù)合并、廢道剔除、測線方向一致化、漂移處理；
[0025](4-2)然后對雷達數(shù)據(jù)進行濾波處理、增益處理與平滑處理。[0026]所述步驟五的過程為:
[0027]對預(yù)處理后的雷達數(shù)據(jù)進行反演計算，依次把每次雷達探測的測線剖面雷達圖像建立網(wǎng)格，對于第η條射線上的第j個網(wǎng)格，每次反演迭代的慢度修正量Cnj由下式計算得到:
[0028]
【權(quán)利要求】
1.一種TBM施工隧道前向跨孔雷達透射成像超前預(yù)報系統(tǒng)，其特征是，它包括:安裝在TBM機械主體內(nèi)部、TBM刀盤后方的機械伸縮旋進裝置，它由多級伸縮元件構(gòu)成；機械伸縮旋進裝置前端采用可拆卸結(jié)構(gòu)與鉆頭或可擴展式多級串聯(lián)雷達天線固定套管連接，并在機械伸縮旋進裝置控制器控制下在TBM主體前方的圍巖內(nèi)鉆兩個深度相同的鉆孔并布設(shè)套管，然后分別在兩個鉆孔內(nèi)布置雷達發(fā)射天線和雷達接收天線；所述雷達發(fā)射天線和雷達接收天線與多通道雷達主機及計算機連接，進行跨孔雷達探測。
2.如權(quán)利要求1所述的TBM施工隧道前向跨孔雷達透射成像超前預(yù)報系統(tǒng)，其特征是，所述機械伸縮旋進裝置有兩套，分別安裝在TBM刀盤后端中軸線上方和下方位置。
3.如權(quán)利要求1所述的TBM施工隧道前向跨孔雷達透射成像超前預(yù)報系統(tǒng)，其特征是，所述多級伸縮元件采用多級伸縮油缸，完成順時針和逆時針的旋進和旋出。
4.如權(quán)利要求1所述的TBM施工隧道前向跨孔雷達透射成像超前預(yù)報系統(tǒng)，其特征是，所述機械伸縮旋進裝置前端與鉆頭可拆卸連接，鉆頭前端外沿設(shè)有卡齒，套管設(shè)有套管端部，在套管端部內(nèi)壁設(shè)有與鉆頭卡齒相配合的卡槽，鉆頭逆時針旋進時與套管端部卡合，順時針旋退時與套管端部分離。
5.如權(quán)利要求1所述的TBM施工隧道前向跨孔雷達透射成像超前預(yù)報系統(tǒng)，其特征是，所述可擴展式多級串聯(lián)雷達天線固定套管帶有外螺紋，所述套管內(nèi)壁設(shè)有內(nèi)螺紋，兩者間螺紋連接，雷達天線固定套管隨機械伸縮旋進裝置順時針旋轉(zhuǎn)時向鉆孔內(nèi)部遞送雷達天線固定套管，逆時針旋轉(zhuǎn)向鉆孔外取出雷達天線固定套管；雷達天線固定套管兩端還設(shè)有連接端，連接端與連接桿螺紋連接，相鄰雷達天線固定套管通過連接桿彼此連接雷達發(fā)射天線或雷達接收天線安裝在雷達天線固定套管內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1或5所述的TBM施工隧道前向跨孔雷達透射成像超前預(yù)報系統(tǒng)，其特征是，所述套管和雷達天線固定套管均是由絕緣材料PVC制成。
7.如權(quán)利要求1所述的TBM施工隧道前向跨孔雷達透射成像超前預(yù)報系統(tǒng)的預(yù)報方法，其特征是，具體步驟如下: 步驟一:預(yù)打鉆孔及套管施做；在隧道掘進面上部和下部，分別打入兩個深度為S，孔徑為d的鉆孔，s>0, d>0,同時在鉆孔內(nèi)進行套管施做； 步驟二:制定探測方案；根據(jù)隧道施工的要求與現(xiàn)場的實際情況，初步制定雷達預(yù)測方案，確定雷達發(fā)射天線、雷達接收天線分別在兩個鉆孔內(nèi)每次發(fā)射、接收雷達波信號之間的間距； 步驟三:把可擴展式多級串聯(lián)發(fā)射天線和接收天線遞送到鉆孔內(nèi)，并依次對各個預(yù)設(shè)測點進行雷達數(shù)據(jù)的采集； 步驟四:對采集到的每個探測剖面的雷達數(shù)據(jù)進行預(yù)處理； 步驟五:利用跨孔雷達透射成像原理，對采集到的每個探測剖面的雷達數(shù)據(jù)進行層析成像反演計算，從而確定隧道掘進面前方的異常體。
8.如權(quán)利要求7所述的預(yù)報方法，其特征是，所述步驟三的過程為: (3-1)首先把雷達發(fā)射天線遞送至鉆孔深度為a的位置并且固定，然后再把雷達接收天線遞送至鉆孔深度為a的位置，從鉆孔外至鉆孔深部，分別記雷達發(fā)射天線和雷達接收天線的位置為T1、T2、T3、T4、R1、R2、R3、R4，進行第一次雷達數(shù)據(jù)采集； (3-2)然后把雷達發(fā)射天線遞送至T4的位置并固定，同樣再把雷達接收天線遞送至R4的位置，進行第二次的雷達數(shù)據(jù)采集，第二次雷達發(fā)射天線和雷達接收天線的位置分別為:T4、T5、T6、T7、R4、R5、R6、R7 ;然后以此類推，再進行第三次、第四次……第N次的雷達探測，直至全鉆孔的雷達數(shù)據(jù)采集結(jié)束。
9.如權(quán)利要求7所述的預(yù)報方法，其特征是，所述步驟四的過程為: (4-1)對步驟三采集到的原始雷達數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)編輯，其中步驟包括:數(shù)據(jù)合并、廢道剔除、測線方向一致化、漂移處理； (4-2)然后對雷達數(shù)據(jù)進行濾波處理、增益處理與平滑處理。
10.如權(quán)利要求7所述的預(yù)報方法，其特征是，所述步驟五的過程為: 對預(yù)處理后的雷達數(shù)據(jù)進行反演計算，依次把每次雷達探測的測線剖面雷達圖像建立網(wǎng)格，對于第η條射線上的第j個網(wǎng)格，每次反演迭代的慢度修正量Cnj由下式計算得到:
【文檔編號】G01V9/00GK103728670SQ201410006623
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月7日
【發(fā)明者】劉斌, 徐磊, 李術(shù)才, 楊為民, 林春金, 馬翔雪, 李堯, 孫懷鳳, 聶利超, 劉征宇, 宋杰, 王傳武, 陳磊 申請人:山東大學(xué)