[发明专利]一种盾构机搭载的相控阵声波超前地质探测系统及方法

说明书

本发明公开了一种盾构机搭载的相控阵声波超前地质探测系统及方法，包括相控阵声波发射与接收装置、探头自动伸缩装置、自动保护清洁装置、信号处理与成像系统。本装置搭载于盾构机的刀盘上，通过液压推杆使得声波阵列探头接触掌子面，采用相控阵发射技术发射聚焦声波，并接收从掌子面前方反射回来带有前方地质信息的反射波信号。通过主机系统不断控制改变声波波束的扫描方向，在获取异常体疑似位置的前提下，利用聚焦技术精细化成像疑似位置，直至完成整个二维截面的扫描，然后转动刀盘，继续进行下一个二维截面扫描，最终实现掌子面前方的三维地质探测。本发明解决了隧道超前地质预报成像分辨率不高、声波能量衰减严重、自动化程度不高的问题。

技术领域

本发明涉及隧道掘进机施工过程中的超前地质预报领域，涉及一种盾构机搭载的相控阵声波超前地质预报探测系统及方法。

背景技术

21世纪是地下空间大发展的世纪，随着我国西部建设的全面开展，铁路、公路、水电、跨区域调水等领域会修建更多的长大隧道工程，隧道施工中的超前地质预报关系到工程的安全、质量和进度，因而备受关注。特别是在地质条件复杂的隧道工程中，十分有必要进行超前预报工作。我国西部为多山地区，地质条件复杂，隧道开挖中的坍塌、冒顶、突水突泥等地质灾害时有发生，给施工带来极大的困难，甚至出现严重的人员财产损失。因而在公路、铁路和水电工程的地下隧道施工中也逐渐开始了地质超前预报工作，以此保证施工安全，减少地质灾害损失。

现如今，盾构掘进机是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土渣、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，已广泛应用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程。

盾构机施工条件下的超前地质预报要解决的问题主要包括孤石、抛石等不良地质对象的位置、规模的判定。针对孤石、抛石等不良地质对象国内从20世纪50年代开始，先后采用超前地质导坑、水平超前钻探、地震跨孔CT等方法进行超前地质预报。上述方法对盾构机掘进施工干扰大、探测距离有限，不能满足隧道快速、科学施工的需要。为研究施工干扰小、探测距离远、预报准确的科学预报方法，人们开始探索施工新的地球物理的方法进行超前预报工作。例如，地质雷达、反射地震方法等方法。由于盾构机刀盘始终紧贴掌子面，导致高分辨率的地质雷达方法观测系统布置受限，其无法在掌子面进行扫描探测。

为顺应当下隧道工程建设中已广泛应用隧道掘进机的形势，满足高效、安全、经济的施工要求，发明人提出设计一种搭载于盾构机上的自动化探测的超前地质预报装置。由于盾构机施工环境的局限性和机械设备的复杂性，盾构机搭载的相控阵声波超前地质预报装置主要面临以下难题：

(1)反射波地震勘探预报距离远，但是地震波的频率较低，成像分辨率很难达到盾构精细化施工的尺度要求，尤其在判定孤石、抛石时，还存在较大的难度，易导致盾构机刀盘磨损、卡机问题；

(2)针对盾构机工作特点，刀盘外部被泥沙或泥水充填，适宜盾构机工作的地层一般为土质地层或者软岩地层，在常规方法下地震波衰减严重；

(3)隧道内可供观测的空间位置有限，观测系统的布置受到限制，很难大范围内接收有效反射波，且接收信号易受周围杂波的干扰，因而要准确地达到超前预报的要求难度大；

(4)相控阵声波换能器数目多，包含异常地质体信息的数据量巨大，如何充分利用盾构机特点提出高效的异常体成像方法，实现不良地质体的实时成像亟需解决。

发明内容