本發(fā)明涉及隧道超前探測領(lǐng)域，特別涉及一種隧道用瞬變電磁超前探測定點(diǎn)轉(zhuǎn)角度天線。

背景技術(shù)：

我國是世界上隧道數(shù)量最多、情況最復(fù)雜、發(fā)展最快的國家。在建隧道圍巖復(fù)雜多變，存在不良地質(zhì)及含水構(gòu)造，由于地調(diào)資料、勘察設(shè)計(jì)、現(xiàn)有技術(shù)手段的局限性，導(dǎo)致隧道地質(zhì)可靠性受限，造成了隧道施工的不確定性，進(jìn)而造成工期、安全、經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)。超前探測技術(shù)預(yù)測前方富水性及規(guī)模成為迫切需要。

瞬變電磁法是現(xiàn)有在隧道進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中常用的一種方法，其是采用電磁感應(yīng)原理，對水體等低阻體的不良地質(zhì)體具有獨(dú)到的優(yōu)勢。根據(jù)以往工程實(shí)例，瞬變電磁法進(jìn)行隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)能有效地預(yù)報(bào)預(yù)防低阻水體，從而減少隧道開掘過程的的突水突泥事故的發(fā)生。現(xiàn)有技術(shù)中，公開了一種用于物理模擬試驗(yàn)的隧道瞬變電磁超前探測陣列式天線(cn103050769a)的專利，其提到了一種陣列式天線的探測方法，但隧道開挖的掌子面的范圍有限，且天線本身具有一定的線圈大小和受金屬干擾明顯，以及其進(jìn)行陣列式布設(shè)方式的實(shí)施過程中的不方便性，急需一種方便操作，又可以提高對隧道掌子面低阻體探測效果的方法。而且，現(xiàn)有的瞬變電超前探測技術(shù)反映的主要是隧道掘進(jìn)正前方的地質(zhì)情況，對掘進(jìn)前方四周信息無法反饋，進(jìn)而造成隧道施工過程中四周出水的事故，影響施工安全。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種隧道用瞬變電磁超前探測定點(diǎn)轉(zhuǎn)角度天線及其探測方法，可按照不同角度進(jìn)行探測，實(shí)現(xiàn)隧道前方及四周地質(zhì)信息的探測，從而實(shí)現(xiàn)對含水異常體的空間位置準(zhǔn)確定位，進(jìn)而可有針對性地布設(shè)超前探、防水鉆孔，既節(jié)約了鉆探成本，又提高了掘進(jìn)工效，減少隧道掘進(jìn)事故。

本發(fā)明的一種隧道用瞬變電磁超前探測定點(diǎn)轉(zhuǎn)角度天線，包括天線單元和轉(zhuǎn)角度支架，天線單元包括中心軸線重合并形成重疊回線設(shè)置的發(fā)射天線和接收天線，轉(zhuǎn)角度支架包括豎直設(shè)置的支撐架和以可相對支撐架上下轉(zhuǎn)動的方式與支撐架配合設(shè)置的連接桿，天線單元以可相對連接桿左右擺動的方式連接于連接桿。

進(jìn)一步，發(fā)射天線包括發(fā)射線框和多匝纏繞在發(fā)射線框上設(shè)置的發(fā)射線圈；接收天線包括接收線框和多匝纏繞在發(fā)射線框上設(shè)置的接收線圈。

進(jìn)一步，發(fā)射天線與接收天線在線框軸向上的間距為2cm。

進(jìn)一步，發(fā)射線圈匝數(shù)為24匝，接收線圈匝數(shù)為64匝。

進(jìn)一步，發(fā)射線圈采用直徑為2mm的單股漆包線，接收線圈采用直徑1mm的單股漆包線。

進(jìn)一步，發(fā)射線圈和接收線圈為同一順序并行纏繞。

進(jìn)一步，連接桿與支撐架的連接處、天線單元與連接桿的連接處均設(shè)置有用于測量活動角度的角度測量裝置。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明的隧道用瞬變電磁超前探測定點(diǎn)轉(zhuǎn)角度天線，由于天線單元可相對連接桿左右擺動，連接桿可相對支撐架上下轉(zhuǎn)動，在探測使用時，發(fā)射天線和接收天線可同步按照不同角度對隧道前方及四周地質(zhì)信息的探測，即使得采集的數(shù)據(jù)可組成三維數(shù)據(jù)體，為進(jìn)一步的隧道超前方多方位三維成像實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；采用該定點(diǎn)轉(zhuǎn)角度天線探測的超前預(yù)報(bào)成果，可實(shí)現(xiàn)對含水異常體的空間位置準(zhǔn)確定位，進(jìn)而可有針對性地布設(shè)超前探、放水鉆孔，既節(jié)約了鉆探成本，又提高了掘進(jìn)工效，減少隧道掘進(jìn)事故。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

圖1為本發(fā)明中的定點(diǎn)轉(zhuǎn)角度天線的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中的定點(diǎn)轉(zhuǎn)角度天線的天線單元與連接桿結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明中的天線單元與連接桿的擺動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

圖1為本發(fā)明中的定點(diǎn)轉(zhuǎn)角度天線的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為本發(fā)明中的定點(diǎn)轉(zhuǎn)角度天線的天線單元與連接桿結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為本發(fā)明中的天線單元與連接桿的擺動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示：本實(shí)施例的隧道用瞬變電磁超前探測定點(diǎn)轉(zhuǎn)角度天線，包括天線單元和轉(zhuǎn)角度支架，天線單元包括中心軸線重合并形成重疊回線設(shè)置的發(fā)射天線1和接收天線2，轉(zhuǎn)角度支架包括豎直設(shè)置的支撐架3和以可相對支撐架3上下轉(zhuǎn)動的方式與支撐架3配合設(shè)置的連接桿4，天線單元以可相對連接桿4左右擺動的方式連接于連接桿4；其中，發(fā)射天線1和接收天線2的中心軸線重合是指兩者的中心位置在幾何上完全重合，從而具有強(qiáng)分層能力，在百米深度范圍內(nèi)具有較高的分辨率；接收天線2和發(fā)射天線1通過固定塊5連接，天線單元整體通過擺動機(jī)構(gòu)與連接桿4連接，擺動機(jī)構(gòu)包括與連接桿4固定連接的擺動球包7和以僅可左右擺動的方式與擺動球包7形成球鉸配合的擺動球體8，擺動機(jī)構(gòu)還包括與擺動球體8連接并與天線單元連接的固定桿6，固定桿6與天線單元上設(shè)置的固定塊5連接，擺動球包7的橫向兩側(cè)設(shè)置有擺動開口槽9，擺動球體8的橫向兩側(cè)分別設(shè)置有用于與對應(yīng)側(cè)擺動開口槽9滑動配合并形成擺動止端限位的擺動限位塊10；連接桿4通過轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)與支撐架3連接，轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)動球包11和以僅可上下轉(zhuǎn)動的方式與轉(zhuǎn)動球包11形成球鉸連接的轉(zhuǎn)動球體12，轉(zhuǎn)動球包11與支撐架3固定連接，轉(zhuǎn)動球體12與連接桿4固定連接，轉(zhuǎn)動球包11的上下兩側(cè)各設(shè)置有一個轉(zhuǎn)動開口槽13，轉(zhuǎn)動球體12的上下兩側(cè)分別設(shè)置有與對應(yīng)側(cè)轉(zhuǎn)動開口槽13滑動配合并形成轉(zhuǎn)動止端限位的轉(zhuǎn)動限位塊14；即天線單元通過擺動限位塊與擺動開口槽的配合實(shí)現(xiàn)左右擺動，并通過轉(zhuǎn)動限位塊14與轉(zhuǎn)動開口槽13的配合實(shí)現(xiàn)上下轉(zhuǎn)動，以實(shí)現(xiàn)不同角度的調(diào)節(jié)；本實(shí)現(xiàn)例中，天線單元的擺動角度為左45°-右45°，上下轉(zhuǎn)動角度范圍為上45°-下45°。

本實(shí)施例中，發(fā)射天線1包括發(fā)射線框和多匝纏繞在發(fā)射線框上設(shè)置的發(fā)射線圈；接收天線2包括接收線框和多匝纏繞在發(fā)射線框上設(shè)置的接收線圈；其中，發(fā)射線圈與發(fā)射機(jī)相連，接收線圈與接收機(jī)相連；在本實(shí)施例中，發(fā)射線框和接收線框均為正方形。

本實(shí)施例中，發(fā)射天線1與接收天線2在線框軸向上的間距l(xiāng)為2cm；發(fā)射線圈和接收線圈分別靠線框兩邊，二者留有一定間距，間距為2cm，以減少二者互感效應(yīng)。

本實(shí)施例中，發(fā)射線圈匝數(shù)為24匝，接收線圈匝數(shù)為64匝。

本實(shí)施例中，發(fā)射線圈采用直徑為2mm的單股漆包線，發(fā)射天線1電阻≦1×10^-2ω/m，接收線圈采用直徑1mm的單股漆包線，接收天線2電阻≧1^ω/m。

本實(shí)施例中，發(fā)射線圈和接收線圈為同一順序并行纏繞。

本實(shí)施例中，連接桿4與支撐架3的連接處、天線單元與連接桿4的連接處均設(shè)置有用于測量活動角度的角度測量裝置；即在擺動機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)處各設(shè)置一個角度測量裝置，以精確測量擺動角度和轉(zhuǎn)動角度，減少誤差，其中，角度測量裝置可采用角度儀或角度傳感器。

本發(fā)明的定點(diǎn)轉(zhuǎn)角度天線，在使用前先確定與隧道掌子面相垂直的基準(zhǔn)測線，然后將天線對正基準(zhǔn)測線設(shè)置，首先通過連接桿與支撐架的活動機(jī)構(gòu)固定天線仰俯角(如仰角40°)，再保持仰俯角不變的情況下，在水平方向，從左向右擺動動天線，范圍-40°～40°，角度差10°，共采集9個測點(diǎn)，之后再改變仰俯角(如30°)，保持該仰俯角不變，在水平方向，從左向右擺動天線，范圍-40°～40°，角度差10°，共采集9個測點(diǎn)，之后類推……，以基準(zhǔn)測線為原點(diǎn)，仰俯角的調(diào)整范圍為40°～-40°，仰俯角調(diào)整間隔角度為10°，這樣共測得有81個測點(diǎn)；每次水平左右擺動一次為一個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)有若干已知測道組成，每個測道在探測方向上可以用一個點(diǎn)p表示(p點(diǎn)為對應(yīng)某一已知仰俯角和水平角的不同測道的位置點(diǎn))，p點(diǎn)的約束條件有仰俯角、水平角和距探測點(diǎn)直線距離；我們通過極坐標(biāo)空間中的p點(diǎn)，通過已知的仰俯角、水平角，轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)中的x,y,z數(shù)據(jù)，再增加通過視電阻率計(jì)算得到的視電阻率數(shù)據(jù)p，得到三維數(shù)據(jù)體(x,y,z,p)，進(jìn)而進(jìn)行三維可視化出圖。通過這種定點(diǎn)轉(zhuǎn)角度天線進(jìn)行探測，不同角度的數(shù)據(jù)組成一個文件，可實(shí)現(xiàn)隧道前方及四周地質(zhì)信息的探測，采集的數(shù)據(jù)可組成三維數(shù)據(jù)體，為進(jìn)一步的隧道超前多方位三維成像實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。依據(jù)通過定點(diǎn)轉(zhuǎn)角度天線所獲得的超前預(yù)報(bào)成果，可實(shí)現(xiàn)對含水異常體的空間位置準(zhǔn)確定位，進(jìn)而可有針對性地布設(shè)超前探、放水鉆孔，既節(jié)約了鉆探成本，又提高了掘進(jìn)工效，減少隧道掘進(jìn)事故。

最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。