基于交替供电及全断面隧道掘进机的地质超前探测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于交替电流及全断面隧道掘进机的地质超前探测方法，其包括以下步骤：(1)提供一个地质超前探测系统，所述地质超前探测系统包括位于隧道内的隧道掘进机、恒流源、程控继电器及光纤电流传感器，所述隧道掘进机包括护盾、刀盘及连接所述护盾及所述刀盘的主驱动轴承；(2)以预定周期切换所述恒流源的电流施加位置，以使所述恒流源交替供电给所述护盾及所述刀盘，同时测量对应的电压(3)根据基尔霍夫电流定律及电压与电流的关系计算出所述隧道掘进机的侧向地质体及前方地质体的视电阻率，进而分别分析所述侧向地质体及所述前方地质体的地质状况。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于地质超前探测技术相关领域，更具体地，涉及一种基于交替供电及全断面隧道掘进机的地质超前探测方法。
技术介绍
电法探测是一种应用广泛的地质勘测方法，在地质体内通以强度一定、频率可调的电流，根据不同的地质体在电场下呈现的不同特征(电阻率和激发极化率)，以此来判断地质体的含水量或其他信息。德国GEO公司于2002年将该电法探测应用在隧道掘进机上，以所述隧道掘进机的刀盘和护盾作为探测电极向地质体内输送电流，用于预报掘进方向上的地质状况，为提高工程安全系数的研究提供了有利的数据支撑。在实际工程中，往往更关心掘进方向上的地质状况，因此需要对刀盘电流的强度进行测量，但隧道掘进机的刀盘和护盾是通过主驱动轴承连接在一起，常规手段无法进行绝缘和测量电流，为此采用了光纤电流传感器作为测量设备，将光纤电流传感器缠绕在主驱动轴承上，穿过主驱动轴承自护盾流向刀盘的电流即可被测量出来，测量结果以测量电压U的形式表示，其正比于穿过主驱动轴承的电流If，比例系数为k。U＝kIf(1)然而实际应用中，光纤电流传感器的测量比例系数k并不是一成不变的，其受温度、光纤状态、环境振动等多种因素共同影响，随时间发生漂变，使得通过测量电压U和比例系数k计算出的电流If误差增大，影响对地质状况的准确判断。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于交替供电及全断面隧道掘进机的地质超前探测方法，其基于基尔霍夫电流定律，针对地质超前探测方法进行了设计。所述地质超前探测方法采用恒流源交替供电给护盾及刀盘，光纤电流传感器分别测量出所述护盾对地的电压及所述刀盘对地的电压，依据基尔霍夫电流定律及测量得到的电压值分别计算出流经所述护盾的电压及流经所述刀盘的电压；继而，依据电压与电流的关系计算出隧道掘进机的侧向地质体及前方地质体的视电阻率，进而分析所述侧向地质体及所述前方地质体的地质状况，消除了光纤电流传感器的测量比例系数随时间的改变对测量结果造成的影响，提高了测量结果的可靠性及准确性。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于交替供电及全断面隧道掘进机的地质超前探测方法，其包括以下步骤：(1)提供一个地质超前探测系统，所述地质超前探测系统包括位于隧道内的隧道掘进机、恒流源、程控继电器及光纤电流传感器，所述隧道掘进机包括护盾、刀盘及连接所述护盾及所述刀盘的主驱动轴承；所述光纤电流传感器缠绕在所述主驱动轴承上，其测量结果以电压形式显示；所述恒流源连接于所述程控继电器，其通过所述程控继电器分为两路电流以分别为所述护盾及所述刀盘供电；(2)所述程控继电器以预定周期切换所述恒流源的电流施加位置，以使所述两路电流交替供电，即所述护盾及所述刀盘被交替供电；所述光纤电流传感器分别测量所述护盾对地的电压U及所述刀盘对地的电压U’；(3)根据基尔霍夫电流定律推导得出公式(a)，并根据公式(a)计算出流经所述护盾的电流I1及流经所述刀盘的电流I2；同时，根据电压与电流的关系计算出所述隧道掘进机的侧向地质体及前方地质体的视电阻率，进而分别分析所述侧向地质体及所述前方地质体的地质状况；式中，I为已知的所述恒流源的总输入电流。进一步的，所述恒流源的地端连接于锚杆上，所述锚杆位于所述隧道后方200米处。进一步的，所述预定周期为流经所述刀盘的电流周期的整数倍，且两者相位相同。进一步的，所述恒流源单独给所述护盾供电时，流经所述主驱动轴承的电流等于流经所述刀盘的电流；所述恒流源单独给所述刀盘供电时，流经所述护盾的电流等于流经所述主驱动轴承的电流。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的基于交替供电及全断面隧道掘进机的地质超前探测方法，其采用恒流源交替供电给护盾及刀盘，光纤电流传感器分别测量出所述护盾对地的电压及所述刀盘对地的电压，依据基尔霍夫电流定律及测量得到的电压值分别计算出流经所述护盾的电压及流经所述刀盘的电压；继而，依据电压与电流的关系计算出隧道掘进机的侧向地质体及前方地质体的视电阻率，进而分析所述侧向地质体及所述前方地质体的地质状况，消除了光纤电流传感器的测量比例系数随时间的改变对测量结果造成的影响，提高了测量结果的可靠性及准确性。附图说明图1是本专利技术较佳实施方式提供的基于交替供电及全断面隧道掘进机的地质超前探测方法的流程图。图2是图1中的基于交替供电及全断面隧道掘进机的地质超前探测方法涉及的地质超前探测系统的工作状态图。图3是图2中的地质超前探测系统的另一个工作状态图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-护盾，2-主驱动轴承，3-光纤电流传感器，4-刀盘。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。请参阅图1至图3，本专利技术较佳实施方式提供的基于交替供电及全断面掘进机的地质超前探测方法，其基于基尔霍夫电流定律，采用交替电流的供电方式来消除光纤电流传感器的测量比例系数随时间的漂移对测量结果的影响。本实施方式提供的基于交替供电及全断面掘进机的地质超前探测方法，其包括以下步骤：步骤一，提供一个地质超前探测系统，并将所述地质超前探测系统设置于待探测地质体内。具体地，所述地质超前探测系统包括位于隧道内的隧道掘进机、恒流源、程控继电器及光纤电流传感器3，所述隧道掘进机包括护盾1、刀盘4及连接所述护盾1及所述刀盘4的主驱动轴承2。所述光纤电流传感器3缠绕在所述主驱动轴承2上，其用于测量流经所述主驱动轴承2的电流值，并以电压形式显示。所述恒流源通过所述程控继电器分为两路电流，此两路电流分别为第一路电流及第二路电流，所述第一路电流及所述第二路电流分别施加在所述护盾1及所述刀盘4上。所述恒流源的地端连接于所述隧道后方200米处的锚杆上。步骤二，改变所述地质体超前探测系统施加电流的位置以使两路电流交替供电，并测量对应的电压。具体地，所述程控继电器用于以预定周期切换所述恒流源的电流施加位置，以使所述第一路电流及所述第二路电流交替供电，即所述护盾1及所述刀盘4被交替供电。所述恒流源的总输入电流为I，所述第一路电流及所述第二路电流分别供电时，所述护盾1对地的电压U及所述刀盘4对地的电压U’均可由所述光纤电流传感器3测量获得。步骤三，根据相关公式计算出电流，并根据所述电流与所述电压的关系计算出视电阻率，进而根据所述电阻率分析地质状况。具体地，依据所述电压U及所述电压U’即可计算出所述护盾1流向侧向地质体的电流I1和由所述刀盘4流向前方地质体的电流I2，进而可以计算出所述侧向地质体及所述前方地质体的视电阻率，所述侧向地质体的电阻率反映了所述侧向地质体的地质状况，所述前方地质体反映了所述前方地质体的地质状况。本实施方式中，流经所述护盾1的电流即为由所述护盾1流向所述侧向地质体的电流I1；流经所述刀盘4的电流即为所述刀盘4流向所述前方地质体的电流I2。所述视电阻率的具体推导过程如下：当所述恒流源的总输入电流I以所述第一路电流施加在所述护盾1上时，电流会分为两部分：流经所述护盾的电流为I1和流经所述刀盘4的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于交替供电及全断面隧道掘进机的地质超前探测方法，其包括以下步骤：(1)提供一个地质超前探测系统，所述地质超前探测系统包括位于隧道内的隧道掘进机、恒流源、程控继电器及光纤电流传感器，所述隧道掘进机包括护盾、刀盘及连接所述护盾及所述刀盘的主驱动轴承；所述光纤电流传感器缠绕在所述主驱动轴承上，其测量结果以电压形式显示；所述恒流源连接于所述程控继电器，其通过所述程控继电器分为两路电流以分别为所述护盾及所述刀盘供电；(2)所述程控继电器以预定周期切换所述恒流源的电流施加位置，以使所述两路电流交替供电，即所述护盾及所述刀盘被交替供电；所述光纤电流传感器分别测量所述护盾对地的电压U及所述刀盘对地的电压U’；(3)根据基尔霍夫电流定律推导得出公式(a)，并根据公式(a)计算出流经所述护盾的电流I1及流经所述刀盘的电流I2；同时，根据电压与电流的关系计算出所述隧道掘进机的侧向地质体及前方地质体的视电阻率，进而分别分析所述侧向地质体及所述前方地质体的地质状况；I1=U′IU+U′I2=UIU+U′---(a)]]>式中，I为已知的所述恒流源的总输入电流。

【技术特征摘要】
1.一种基于交替供电及全断面隧道掘进机的地质超前探测方法，其包括以下步骤：(1)提供一个地质超前探测系统，所述地质超前探测系统包括位于隧道内的隧道掘进机、恒流源、程控继电器及光纤电流传感器，所述隧道掘进机包括护盾、刀盘及连接所述护盾及所述刀盘的主驱动轴承；所述光纤电流传感器缠绕在所述主驱动轴承上，其测量结果以电压形式显示；所述恒流源连接于所述程控继电器，其通过所述程控继电器分为两路电流以分别为所述护盾及所述刀盘供电；(2)所述程控继电器以预定周期切换所述恒流源的电流施加位置，以使所述两路电流交替供电，即所述护盾及所述刀盘被交替供电；所述光纤电流传感器分别测量所述护盾对地的电压U及所述刀盘对地的电压U’；(3)根据基尔霍夫电流定律推导得出公式(a)，并根据公式(a)计算出流经所述护盾的电流I1及流经所述刀盘的电流I2；同时，根据电压与电流的关系计算出所述隧道...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵斌，高昕星，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42