本发明公开了一种TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统和方法，它包括：安装在TBM机械主体内部、TBM刀盘后方的机械伸缩旋进装置，它由多级伸缩元件构成；机械伸缩旋进装置前端采用可拆卸结构与钻头或可扩展式多级串联雷达天线固定套管连接，并在机械伸缩旋进装置控制器控制下在TBM主体前方的围岩内钻两个深度相同的钻孔并布设套管，然后分别在两个钻孔内布置雷达发射天线和雷达接收天线；所述雷达发射天线和雷达接收天线与多通道雷达主机及计算机连接，进行跨孔雷达探测，从而实现快速精确地实现隧道掘进面前方地质情况的预报。
1.一种TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统，其特征是，它包括：安装在TBM机械主体内部、TBM刀盘后方的机械伸缩旋进装置，它由多级伸缩元件构成；机械伸缩旋进装置前端采用可拆卸结构与钻头或可扩展式多级串联雷达天线固定套管连接，并在机械伸缩旋进装置控制器控制下在TBM主体前方的围岩内钻两个深度相同的钻孔并布设套管，然后分别在两个钻孔内布置雷达发射天线和雷达接收天线；所述雷达发射天线和雷达接收天线与多通道雷达主机及计算机连接，进行跨孔雷达探测；
所述机械伸缩旋进装置前端与钻头可拆卸连接，钻头前端外沿设有卡齿，套管设有套管端部，在套管端部内壁设有与钻头卡齿相配合的卡槽，钻头逆时针旋进时与套管端部卡合，顺时针旋退时与套管端部分离。
2.如权利要求1所述的TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统，其特征是，所述机械伸缩旋进装置有两套，分别安装在TBM刀盘后端中轴线上方和下方位置。
3.如权利要求1所述的TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统，其特征是，所述多级伸缩元件采用多级伸缩油缸，完成顺时针和逆时针的旋进和旋出。
4.如权利要求1所述的TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统，其特征是，所述可扩展式多级串联雷达天线固定套管带有外螺纹，所述套管内壁设有内螺纹，两者间螺纹连接，雷达天线固定套管随机械伸缩旋进装置顺时针旋转时向钻孔内部递送雷达天线固定套管，逆时针旋转向钻孔外取出雷达天线固定套管；雷达天线固定套管两端还设有连接端，连接端与连接杆螺纹连接，相邻雷达天线固定套管通过连接杆彼此连接雷达发射天线或雷达接收天线安装在雷达天线固定套管内。
5.如权利要求1或4所述的TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统，其特征是，所述套管和雷达天线固定套管均是由绝缘材料PVC制成。
6.如权利要求1所述的TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统的预报方法，其特征是，具体步骤如下：步骤一：预打钻孔及套管施做；在隧道掘进面上部和下部，分别打入两个深度为s，孔径为d的钻孔，s>0，d>0，同时在钻孔内进行套管施做；
步骤二：制定探测方案；根据隧道施工的要求与现场的实际情况，初步制定雷达预测方案，确定雷达发射天线、雷达接收天线分别在两个钻孔内每次发射、接收雷达波信号之间的间距；
步骤三：把可扩展式多级串联发射天线和接收天线递送到钻孔内，并依次对各个预设测点进行雷达数据的采集；
步骤四：对采集到的每个探测剖面的雷达数据进行预处理；
步骤五：利用跨孔雷达透射成像原理，对采集到的每个探测剖面的雷达数据进行层析成像反演计算，从而确定隧道掘进面前方的异常体。
7.如权利要求6所述的预报方法，其特征是，所述步骤三的过程为：
(3-1)首先把雷达发射天线递送至钻孔深度为a的位置并且固定，然后再把雷达接收天线递送至钻孔深度为a的位置，从钻孔外至钻孔深部，分别记雷达发射天线和雷达接收天线的位置为T1、T2、T3、T4、R1、R2、R3、R4，进行第一次雷达数据采集；
(3-2)然后把雷达发射天线递送至T4的位置并固定，同样再把雷达接收天线递送至R4的位置，进行第二次的雷达数据采集，第二次雷达发射天线和雷达接收天线的位置分别为：T4、T5、T6、T7、R4、R5、R6、R7；然后以此类推，再进行第三次、第四次……第N次的雷达探测，直至全钻孔的雷达数据采集结束。
8.如权利要求6所述的预报方法，其特征是，所述步骤四的过程为：
(4-1)对步骤三采集到的原始雷达数据进行数据编辑，其中步骤包括：数据合并、废道剔除、测线方向一致化、漂移处理；
(4-2)然后对雷达数据进行滤波处理、增益处理与平滑处理。
9.如权利要求6所述的预报方法，其特征是，所述步骤五的过程为：
对预处理后的雷达数据进行反演计算，依次把每次雷达探测的测线剖面雷达图像建立网格，对于第n条射线上的第j个网格，每次反演迭代的慢度修正量cnj可由下式计算得到：其中，M是第n条射线所经过的网格的数量，其中anj表示第n条射线在第j个网格中的射线长度，Δtn表示实际观测时间值与理论时间估计值之差，cnj-1表示第n条射线上的第j-1个网格的慢度修正量； 表示第n条射线所经过的相邻网格的慢度之差的平方和趋于零，这就是粗糙度约束，利用该约束使得相邻网格之间的粗糙度最低，有效改善原有反演方程病态程度，提高反演效果，这是本发明中反演方法的优势；通过约束反演方程的计算得到该网格的慢度值，得到每个探测线剖面的速度分布图，从而知道隧道掘进面前方的地质情况。
TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种跨孔雷达透射成像超前预报系统和方法，尤其涉及一种TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统和方法。
背景技术
[0002] 隧道开挖施工中，主要采用的方法有钻爆法施工和TBM施工。近年来，隧道施工中采用全断面隧道掘进机（简称TBM）机械施工的比例越来越高，全断面隧道掘进机是利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械。TBM施工与钻爆法施工相比，其主要特点是机械化程度高，速度快，但对地质条件变化适应性较差，当遭遇断层、破碎带、岩性交界面、含水构造等不良地质情况时，往往造成TBM机械被卡、被埋甚至机械报废的严重事故，为了保证施工安全，TBM施工对地质超前预报技术的要求比钻爆法施工隧道的要求更加严格和迫切。
[0003] 由于TBM施工环境的复杂性和特殊性，导致在TBM施工隧道实施超前地质预报十分困难，TBM机械系统是庞然大物，占据了隧道掘进面后方大部分的空间,可用的探测空间狭小，同时形成了复杂的电磁环境，使得在钻爆法中可用的超前地质预报方法无法用于TBM环境。
[0004] 就目前TBM施工隧道中的地质超前预报技术而言，主要有以下两种方法：①一种是利用TBM机械配备的超前钻机进行水平钻探，这种钻机只能揭露钻孔周围的地质情况，对于不与钻孔相交的地质体无法探明，不能反映TBM工作面前方整个范围内的地质情况，极易遗漏不良地质，造成误报、错报及灾害隐患，且钻孔经济成本和时间成本较高。②另一种是利用德国研发的BEAM(Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring)系统，BEAM是一种一维聚焦类激发极化法，BEAM法的缺点一是测试设备安装复杂，测试时间长，严重影响施工进度；二是BEAM法利用每次测量结果与隧道里程的曲线来推断掘进面前方的含水情况，探测距离小，未采用层析成像探测，无法获得TBM工作面前方地质体的三维信息。此外，从BEAM法在我国几个隧道的应用情况来看，预报结果不理想，未得到推广，有待进行提高和完善。
[0005] 可见，TBM施工隧道中由于探测空间狭小、电磁干扰严重、可用时间较短等原因，导致目前尚没有十分有效实用的超前地质预报技术与装置。
发明内容
[0006] 本发明的目的就是解决上述问题，提供一种TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统和方法，它具有抗干扰能力强，探测时间短，工作效率高的特点。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0008] 一种TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统，它包括：安装在TBM机械主体内部、TBM刀盘后方的机械伸缩旋进装置，它由多级伸缩元件构成；机械伸缩旋进装置前端采用可拆卸结构与钻头或可扩展式多级串联雷达天线固定套管连接，并在机械伸缩旋进装置控制器控制下在TBM主体前方的围岩内钻两个深度相同的钻孔并布设套管，然后分别在两个钻孔内布置雷达发射天线和雷达接收天线；所述雷达发射天线和雷达接收天线与多通道雷达主机及计算机连接，进行跨孔雷达探测。
[0009] 所述机械伸缩旋进装置有两套，分别安装在TBM刀盘后端中轴线上方和下方位置。
[0010] 所述多级伸缩元件采用多级伸缩油缸，完成顺时针和逆时针的旋进和旋出。
[0011] 所述机械伸缩旋进装置前端与钻头可拆卸连接，钻头前端外沿设有卡齿，套管设有套管端部，在套管端部内壁设有与钻头卡齿相配合的卡槽，钻头逆时针旋进时与套管端部卡合，顺时针旋退时与套管端部分离。
[0012] 所述可扩展式多级串联雷达天线固定套管带有外螺纹，所述套管内壁设有内螺纹，两者间螺纹连接，雷达天线固定套管随机械伸缩旋进装置顺时针旋转时向钻孔内部递送雷达天线固定套管，逆时针旋转向钻孔外取出雷达天线固定套管；雷达天线固定套管两端还设有连接端，连接端与连接杆螺纹连接，相邻雷达天线固定套管通过连接杆彼此连接雷达发射天线或雷达接收天线安装在雷达天线固定套管内。
[0013] 所述套管和雷达天线固定套管均是由绝缘材料PVC制成。
[0014] 一种TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像超前预报系统的预报方法，具体步骤如下：
[0015] 步骤一：预打钻孔及套管施做；在隧道掘进面上部和下部，分别打入两个深度为s，孔径为d的上、下钻孔，s>0，d>0，同时在两钻孔内进行套管施做；
[0016] 步骤二：制定探测方案；根据隧道施工的要求与现场的实际情况，初步制定雷达预测方案，确定雷达发射天线、雷达接收天线分别在两个钻孔内每次发射、接收雷达波信号之间的间距；
[0017] 步骤三：把可扩展式多级串联发射天线和接收天线递送到钻孔内，并依次对各个预设测点进行雷达数据的采集；
[0018] 步骤四：对采集到的每个探测剖面的雷达数据进行预处理；
[0019] 步骤五：利用跨孔雷达透射成像原理，对采集到的每个探测剖面的雷达数据进行层析成像反演计算，从而确定隧道掘进面前方的异常体。
[0020] 所述步骤三的过程为：
[0021] （3-1）首先把雷达发射天线递送至钻孔深度为a的位置并且固定，然后再把雷达接收天线递送至钻孔深度为a的位置，从钻孔外至钻孔深部，分别记雷达发射天线和雷达接收天线的位置为T1、T2、T3、T4、R1、R2、R3、R4，进行第一次雷达数据采集；
[0022] （3-2）然后把雷达发射天线递送至T4的位置并固定，同样再把雷达接收天线递送至R4的位置，进行第二次的雷达数据采集，第二次雷达发射天线和雷达接收天线的位置分别为：T4、T5、T6、T7、R4、R5、R6、R7；然后以此类推，再进行第三次、第四次……第N次的雷达探测，直至全钻孔的雷达数据采集结束。
[0023] 所述步骤四的过程为：
[0024] （4-1）对步骤三采集到的原始雷达数据进行数据编辑，其中步骤包括：数据合并、废道剔除、测线方向一致化、漂移处理；
[0025] （4-2）然后对雷达数据进行滤波处理、增益处理与平滑处理。
[0026] 所述步骤五的过程为：
[0027] 对预处理后的雷达数据进行反演计算，依次把每次雷达探测的测线剖面雷达图像建立网格，对于第n条射线上的第j个网格，每次反演迭代的慢度修正量cnj由下式计算得到：
[0028]
[0029]
[0030] 其中，M是第n条射线所经过的网格的数量，其中anj表示第n条射线在第j个网格中的射线长度，Δtn表示实际观测时间值与理论时间估计值之差，cnj-1表示第n条射线上的第j-1个网格的慢度修正量； 表示第n条射线所经过的相邻网格的慢度之差的平方和趋于零，这就是粗糙度约束，利用该约束使得相邻网格之间的粗糙度最低，通过约束反演方程的计算得到该网格的慢度值，得到每个探测线剖面的速度分布图，从而知道隧道掘进面前方的地质情况。
[0031] 本发明的有益效果：
[0032] 1.本发明提出了一种TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像快速超前预报系统和方法，解决了目前国内外尚没有十分成熟有效的TBM施工隧道专用超前地质预报方法的难题，由于雷达发射、接收天线都在钻孔内，TBM的金属机械本身对雷达天线探测的干扰大大减小，可用的雷达信号大大增强。
[0033] 2.本发明提出了一种快速高效的跨孔雷达透射成像探测方法，利用可扩展式多级串联雷达固定套管，实现了多个雷达发射天线和雷达接收天线同时在钻孔内进行探测的方法，这样相比于传统的一个雷达发射天线和一个雷达接收天线的探测方法，为实际施工节省了大量的探测时间。
[0034] 3.本发明提出了一种快速钻孔及套管施做装置，该装置是由机械伸缩旋进装置、钻头、套管端部以及套管组成，该装置在进行快速钻孔的同时可以完成套管的施做，而套管的作用则是用来保护在钻孔内进行探测的雷达天线，大大提高了雷达探测准备工作的效率。
[0035] 4.本发明提出了一种雷达天线自动递送装置，该装置是由机械伸缩旋进装置、雷达天线固定套管以及套管组成，该装置利用雷达天线固定套管和套管的螺纹设计，解决了可扩展式多级串联雷达发射天线和雷达接收天线在钻孔内探测的递送、固定以及取出的难题。
附图说明
[0036] 图1是本发明超前预报系统整体结构示意图；
[0037] 图2是本发明超前钻孔跨孔雷达透射成像探测三维示意图；
[0038] 图3是本发明掘进面钻孔分布图；
[0039] 图4是本发明快速钻孔及套管施做装置钻头及套管端部示意图；
[0040] 图5是本发明快速钻孔及套管施做装置钻头及套管端部剖面图；
[0041] 图6是本发明钻头及套管端部分解示意图；
[0042] 图7是本发明钻头及套管端部工作原理示意图；
[0043] 图8是本发明套管端部及套管示意图；
[0044] 图9是本发明机械伸缩旋进装置示意图；
[0045] 图10是本发明套管示意图；
[0046] 图11是本发明雷达天线固定套管示意图；
[0047] 图12是本发明多个雷达天线通过雷达天线固定套管连接后的示意图；
[0048] 图13是本发明跨孔雷达透射成像探测示意图；
[0049] 图14(a)(b)(c)分别是本发明跨孔雷达透射成像探测步骤示意图；
[0050] 其中，1.隧道掘进面，2.围岩，3.不良地质体，4.TBM机械主体，5.TBM刀盘，6.主控室，7.多通道雷达主机及计算机，8.机械伸缩旋进装置控制器，9.钻机及雷达天线机舱，10.上钻孔，11.下钻孔，12.雷达接收天线，13.雷达发射天线，14.钻头，15.套管端部，
16.套管，17.机械伸缩旋进装置，18.雷达天线固定套管，19.连接杆，20.卡齿，21.卡槽。
具体实施方式
[0051] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0052] 如图1、图2所示，一种TBM施工隧道前向跨孔雷达透射成像快速超前预报系统，它包括：多通道雷达主机及计算机7，机械伸缩旋进装置控制器8，钻机及雷达天线机舱9，上钻孔10，下钻孔11，雷达接收天线12和雷达发射天线13等，机械伸缩旋进装置17位于钻机及雷达天线机舱9内。
[0053] TBM机械主体4位于隧道掘进面1后方，多通道雷达主机及计算机7和机械伸缩旋进装置控制器8安装在主控室6内，主控室6位于TBM机械主体4中，利用TBM刀盘5进行向前开挖,开挖至需要做超前地质预报的里程时，打开钻机及雷达天线机舱9，利用机械伸缩旋进装置17在隧道掘进面1进行钻孔，在隧道掘进面上分别钻得上钻孔10和下钻孔11，同时在上、下钻孔内进行套管16的施做，然后使雷达接收天线12和雷达发射天线13分别在上钻孔10和下钻孔11中按照预定的探测方案进行跨孔雷达探测。
[0054] 多通道雷达主机及计算机7、机械伸缩旋进装置控制器8互相配合使用，用来控制快速钻孔及雷达天线的自动递送工作，完成雷达数据的采集和处理。
[0055] 钻机及雷达天线机舱9位于TBM刀盘5后端中轴线上方和下方位置，机械伸缩旋进装置17是由多级伸缩油缸组成的，可以完成顺时针和逆时针的旋进和旋出，其端部可以分别与钻头14和雷达天线固定套管18采用可拆卸方式连接。
[0056] 雷达接收天线12和雷达发射天线13采用可扩展式多级串联方式连接，通过多通道的多通道雷达主机及计算机7对雷达数据进行采集。且雷达发射天线13和雷达接收天线12均为杆状天线，它们在所述两钻孔内按预定探测方案进行跨孔雷达探测。
[0057] 机械伸缩旋进装置17的端部与钻头14可拆卸式连接，在套管16的前端设有套管端部15，套管端部15内壁有卡槽21，钻头14前端有卡齿20，钻头14凸出于套管端部15以便进行钻孔操作。
[0058] 机械伸缩旋进装置17逆时针向钻孔内部旋进的时候，钻头14前端的卡齿20通过旋转插入套管端部15前端的卡槽21内(如图7)，套管端部15和钻头14卡死后，利用机械伸缩旋进装置17提供前进的动力，进行钻孔以及套管16的施做。在钻孔以及套管16施做结束后，利用机械伸缩旋进装置17顺时针旋转钻头14，钻头14前端的卡齿20与套管端部15前端的卡槽21分离，然后利用机械伸缩旋进装置17向钻孔外取出钻头14。
[0059] 雷达天线固定套管18（如图12）外部带有螺纹，套管16内壁有内螺纹，两者相互配合，雷达天线固定套管18在内部安装雷达接收天线12或雷达发射天线13，在雷达天线固定套管18两端是连接端，连接端可以与连接杆19连接，从而实现雷达天线固定套管18长度扩展，已满足钻孔深度的要求。雷达天线固定套管18的作用是固定所述两种雷达天线，然后由机械伸缩旋进装置17向钻孔深部递送所述两种雷达天线，顺时针旋转向钻孔内部递送所述两种雷达天线，逆时针旋转向钻孔外取出所述两种雷达天线。
[0060] 连接杆19也可有不同的长度规格，适用于不同探测间距的雷达探测，而所述两种雷达天线在各自钻孔中的固定是通过雷达天线固定套管18表面和套管16内的螺纹实现的。
[0061] 套管16和雷达天线固定套管18均是由绝缘材料PVC制成，对地质雷达的电磁波探测没有干扰。
[0062] 上钻孔10和下钻孔11（如图3）1分别在隧道掘进面1中轴线的上方和下方进行钻孔而得的，上钻孔10和下钻孔11孔径和深度一样，但是不一定互相平行。
[0063] 测量前，首先把雷达发射天线13和雷达接收天线12固定到雷达天线固定套管18中；根据制定的雷达天线探测间距，选定适合长度规格的连接杆19，分别把多根雷达发射天线13和多根雷达接收天线12连接起来；雷达发射天线13和雷达接收天线12通过电缆与多通道雷达主机7连接，多通道雷达主机7通过电源线与电源连接，同时多通道雷达主机7通过通信电缆与电缆与多通道雷达主机7连接；确认钻头14、套管端部15、套管16等准备就绪。
[0064] 一种隧道TBM施工中，基于跨孔雷达透射成像技术的快速超前地质预报方法，其具体步骤如下：
[0065] 步骤一：预打钻孔及套管施做；在隧道掘进面1上部和下部，分别打入两个深度为s，孔径为d的上钻孔10、11（如图2），s>0，d>0，同时在所述两钻孔内进行套管16的施做；
[0066] 步骤二：制定探测方案；根据隧道施工的要求与现场的实际情况，初步制定雷达预测方案，确定雷达发射天线13、雷达接收天线12分别在所述两钻孔内每次发射、接收雷达波信号之间的间距；
[0067] 步骤三：把可扩展式多级串联雷达发射天线13和雷达接收天线12递送到相应钻孔内，并依次对各个预设测点进行雷达数据的采集（如图4）；
[0068] 步骤五：对采集到的每个探测剖面的雷达数据进行预处理；
[0069] 步骤六：利用跨孔雷达透射成像原理，对采集到的每个探测剖面的雷达数据进行层析成像反演计算，从而确定隧道掘进面前方的异常体。
[0070] 所述步骤三的具体步骤为：
[0071] （3-1）首先把雷达发射天线13递送至上钻孔10深度为a的位置并且固定，然后再把雷达接收天线12递送至下钻孔深度为a的位置，从钻孔外至钻孔深部，分别记雷达发射天线和雷达接收天线的位置为T1、T2、T3、T4、R1、R2、R3、R4，进行第一次雷达数据采集；
[0072] （3-2）然后把雷达发射天线13递送至T4的位置并固定，同样再把雷达接收天线12递送至R4的位置，进行第二次的雷达数据采集，第二次雷达发射天线13和雷达接收天线
12的位置分别为：T4、T5、T6、T7、R4、R5、R6、R7。然后以此类推，再进行第三次、第四次……第N次的雷达探测，直至全上、下钻孔10、11的雷达数据采集结束。
[0073] 所述步骤四的具体步骤为：
[0074] （4-1）对步骤四采集到的原始雷达数据进行数据编辑，其中步骤包括：数据合并、废道剔除、测线方向一致化、漂移处理；
[0075] （4-2）然后对雷达数据进行滤波处理、增益处理与平滑处理等步骤。
[0076] 所述步骤五的具体步骤为：
[0077] 对预处理后的雷达数据进行反演计算，依次把每次雷达探测的测线剖面雷达图像建立网格，对于第n条射线上的第j个网格，每次反演迭代的慢度修正量cnj可由下式计算得到：
[0078]
[0079]
[0080] 其中，M是第n条射线所经过的网格的数量，其中anj表示第n条射线在第j个网格中的射线长度，Δtn表示实际观测时间值与理论时间估计值之差，cnj-1表示第n条射线上的第j-1个网格的慢度修正量； 表示第n条射线所经过的相邻网格的慢度之差的平方和趋于零，这就是粗糙度约束，利用该约束使得相邻网格之间的粗糙度最低，有效改善原有反演方程病态程度，提高反演效果，这是本发明中反演方法的优势；通过约束反演方程的计算得到该网格的慢度值，得到每个探测线剖面的速度分布图，从而知道隧道掘进面前方的地质情况。
