基于角度旋转控制平台的隧道瞬变电磁三维自动探测装备研发与应用.pdf
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1、收稿日期:2022-12-06;修回日期:2023-06-01第一作者简介:陈钰(1979),男,云南昭通人,2010 毕业于西南科技大学,土木工程专业,本科,高级工程师,主要从事公路工程安全、质量管理及相关方法研究工作。E-mail:406297972 。通信作者:刘明伟,E-mail:277409748 。引用格式:陈钰,刘明伟,曾知法,等.基于角度旋转控制平台的隧道瞬变电磁三维自动探测装备研发与应用J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):289.CHEN Yu,LIU Mingwei,ZENG Zhifa,et al.Development and application o
2、f a three-dimensional automatic detection equipment for tunnel transient electromagnetic based on angle rotation control platformJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):289.基于角度旋转控制平台的隧道瞬变电磁三维自动探测装备研发与应用陈 钰1,刘明伟2,3,曾知法2,陈敦理2(1.昭通市交通建设工程质量安全监督局,云南 昭通 657000;2.招商局重庆公路工程检测中心有限公司,重庆 400067;3.重庆大学资源与安全学院,重庆 40
3、0044)摘要:为了实现隧道开挖前方及周边部位地下水情况的探测预报,提高瞬变电磁现场数据采集时角度控制精度、降低现场数据采集的安全风险,提高瞬变电磁探测结果出图的时效性,开展隧道瞬变电磁三维智能预报设备和系统的研发。该装备以瞬变电磁定点转角度三维探测技术为基础,通过无线 WIFI 或者蓝牙通讯,实现远程控制数据的自动采集、自动出图等,提高了瞬变电磁探测成果资料提交的时效性,降低了探测过程中的安全隐患。通过在渝黔某高铁隧道现场探测应用,揭露结果与实际对应较好,验证该装备具有较好的实用价值。关键词:隧道;地质预报;三维瞬变电磁;定点转角度;设备研发;自动角度控制;智能出图DOI:10.3973/j
4、.issn.2096-4498.2023.S1.033中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0289-09D De ev ve el lo op pm me en nt t a an nd d A Ap pp pl li ic ca at ti io on n o of f a a T Th hr re ee e-D Di im me en ns si io on na al l A Au ut to om ma at ti ic c D De et te ec ct ti io on n E Eq qu ui ip pm me en nt t f
5、 fo or r T Tu un nn ne el l T Tr ra an ns si ie en nt t E El le ec ct tr ro om ma ag gn ne et ti ic c B Ba as se ed d o on n A An ng gl le e R Ro ot ta at ti io on n C Co on nt tr ro ol l P Pl la at tf fo or rm mCHEN Yu1,LIU Mingwei2,3,*,ZENG Zhifa2,CHEN Dunli2(1.Zhaotong Traffic Construction Engine
6、ering Quality and Safety Supervision Bureau,Zhaotong 657000,Yunnan,China;2.China Merchants Chongqing Highway Engineering Testing Center Co.,Ltd.,Chongqing 400067,China;3.School of Resources and Safety Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:To detect and pred
7、ict the groundwater conditions in front of and surround the tunnel face,improve the angle control accuracy of transient electromagnetic field data collection,reduce the safety risks of field data collection,and improve the timeliness of transient electromagnetic detection results,the development of
8、tunnel transient electromagnetic three-dimensional(3D)intelligent prediction equipment and system is conducted.Based on the 3D detection technology of fixpoint rotation angle in the tunnel,the equipment can realize remote control data automatic collection and automatic plotting through wireless WIFI
9、 or Bluetooth communication,improving the timeliness of submitting transient electromagnetic detection results and reducing the safety risks during detection.The application results of the equipment in a high-speed railway tunnel in Chongqing-Guizhou railway are good,validating its good practicabili
10、ty.K Ke ey yw wo or rd ds s:tunnel;geological prediction;three-dimensional transient electromagnetic;fixpoint rotation angle;equipment development;automatic angle control;intelligent plotting0 引言进入 21 世纪以来,随着经济的持续发展、综合国力的不断提升及高新技术的不断应用,我国隧道及地下工程得到了前所未有的迅速发展,我国已是世界上隧道建设(中英文)第 43 卷隧道及地下工程规模最大、数量最多、地质条
11、件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家1。为了确保隧道施工安全,超前地质预报工作已成为施工过程中的重要环节,目前隧道常用预报方法有地震波法、地质雷达法和瞬变电磁法2-4。瞬变电磁法是由地表瞬变电磁勘探方法演而来的一种超前地质预报方法,其对低阻体介质具有较高的敏感度,可以将其应用于对掌子面开挖前方含水不良地质体的预测预报5-6。李貅等7将瞬变电磁法应用于隧道超前地质预报。薛国强等研究了以二次电导微分参数为特征量建立瞬变电磁隧道超前预报成像系统,结果表明对隧道掌子面前方水体病害预报效果明显。苏茂鑫等研究了隧道地质预报中瞬变电磁视纵向电导解释方法和三维曲面延拓成像方法。孙怀凤等通过三维数值模
12、拟研究了隧道含水构造三维瞬变电磁场响应特征,为三维探测提供了研究基础。刘明伟8通过在隧道超前探测中台车干扰进行研究,计算出了不同位置台车的校正剔除技术研究。范涛等9对矿井瞬变电磁多匝回线电感影响消除及曲线偏移研究,为小相框的自感、互感影响剔除了方法。孙胜利10对小线圈瞬变电磁法(TEM)探测深度正反演与应用,解决了小线框的探测深度问题。在实际应用方面,余东俊等在广陕高速公路明月峡隧道应用瞬变电磁法进行了超前地质预报。段铮等利用瞬变电磁法在垫邻高速公路铜锣山隧道开展了超前地质预报,并总结了瞬变电磁法超前地质预报的优缺点。赵文轲等11通过对三维瞬变电磁转角超前地质预报探测技术应用研究,对瞬变电磁的
13、理论研究、三维角度控制、装备探索进行了分析,为本文的研究的自动探测,自动出图及成套装备研发提供的基础。近 10 年,瞬变电磁超前地质预报方法法已被广泛应用,截至目前,瞬变电磁超前地质预报多点阵列式探测方式在理论研究方面也取得了较大的进展,但用于实际工程的主要以单测线、单方位探测方式为主,少见多测线、多方位探测方式。随着分析三维空间下地下水的水力联系和过水通道的需要,开展三维瞬变电磁探测预报成为一项重要的工作。由传统二维测线方式发展的多测线的阵列式三维探测方式,通过在掌子面进行线框平移实现探测,再通过多测线组合获取掌子面正前方的地质信息,该种三维探测方法虽然能获取掌子面正前方的三维地下水信息,但
14、对掌子面前方隧道开挖轮廓线周边的地质和地下水信息获取有限,且当线圈靠近隧道周边的金属的钢架时会产生较大影响,同时现场探测需要人员靠近掌子面采集,现场作业人员安全风险较高。因此研究一种更大探测范围,能对隧道前方及周边地下水信息探测的三维技术;并开发一种能实现远程控制自动采集的瞬变电磁智能预报设备和系统非常必要。本文将系统的介绍定点转角度瞬变电磁三维探测技术,以及以此技术为基础开发的隧道瞬变电磁三维智能预报设备和系统。并将该系统运用于重庆某高铁隧道的地下水探测中,通过实际的运用和现场验证,证明了该设备和系统的技术优势和实用价值。1 瞬变电磁探水基本原理瞬变电磁(简称 TEM)是一种时间域的电磁探测
15、方法,其数学物理基础都是基于导电介质在阶跃变化的激励磁场激发下引起的涡流场的问题。假设在导电率为、导磁率为 的均匀各向同性大地表面敷设面积为 S 的矩形发射回线装置,同时在回线中供以阶跃脉冲电流。I(t)=I,t0;0,t0。(1)在脉冲电流断开前,发射电流在回线周围的大地和空间中建立起一个稳定的一次磁场。然后突然关闭回路电流,此时发射电流所引发的磁场立即消失,如果前方遇到地下良导体,将在良导体内部激发产生感应电流(涡流),其感应电流将随时间缓慢衰减,因此感应电流周围就会产电磁场,此即二次场。二次场的衰减特性与产生二次场的目标体的电阻率特性存在明显关系,表现为电导率越低、接收到的电磁感应强度就
16、越小、涡流能量衰减越快、瞬变响应延迟时间就越短;电导率越高的地质体,瞬变电磁场的强度就越大、涡流衰减越慢、瞬变响应延迟时间就越长。瞬变电磁就是通过对二次场的分析处理来实现对前方富水岩溶、含水断层的低阻异常体的探测预报。2 定点转角度瞬变电磁三维探测技术传统的阵列式探测是通过在掌子面进行线框平移实现探测,获取掌子面正前方的地质信息,如图 1 所示。该种探测方式只能获取到掌子面正前方的二维信息,但是对隧道周围的探测信息获取有限。图 1 瞬变电磁二维探测测线布置示意图Fig.1 Schematic of 2D detection line layout of transient electromag
17、netic method实际的地质体是三维形态,在隧道水害探测及处治过程需要获取隧道前方的三维空间信息。随着隧道预报需求的不断提高和技术的持续进步,隧道瞬变电磁三维探测研究应用也逐步深入。传统三维探测技术是在探测线框中加密小线框,形成三维数据体获取掌子面正前方的三维地质信息,如图 2 所示。092增刊 1陈 钰,等:基于角度旋转控制平台的隧道瞬变电磁三维自动探测装备研发与应用图 2 传统瞬变电磁三维探测测线布置示意图Fig.2 Schematic of 3D detection line layout of transient electromagnetic method传统三维技术虽然获得了
18、前方的三维信息,但是无法对前方隧道开挖轮廓线周边的情况进行探测分析。因此为了探测前方及其周边的地质和富水等相关信息,有学者提出了转角度方式进行三维探测2,12-14,有定点转角度、多点转角度平移混合方式。考虑现场的实际操作性和探测目的,本次隧道瞬变电磁三维智能预报系统研发采用定点转角度的方式实现三维探测。该方法以调整探测线框的水平、竖向角度为基础进行三维数据探测,其探测方式如图 3 所示,最终获得视电阻率切面和三维空间显示成果如图4 所示。(a)(b)图 3 瞬变电磁定点转角度三维探测技术示意图Fig.3Schematic of fixpoint rotation angle prospect
19、ing of 3D transient electromagnetic method(a)(b)图 4 瞬变电磁定点转角度三维探测技术成果图Fig.4 Results of fixpoint rotation angle prospecting of 3D transient electromagnetic method瞬变电磁隧道超前预报采用定点转角度三维技术能最大范围的探测隧道前方和周边的地下水情况。但是该种方法也存在一定的技术难点,比如现场采集时候的角度准确控制、三维成果快速显示等;现场探测时人员需要靠近掌子面操作设备,也存在一定的人员安全问题。因此,研制一种能自动准确控制采集角度,并能
20、实现远程控制、快速成果输出的设备和系统具有十分重要的研究意义和使用价值。3 瞬变电磁三维智能预报系统研发3.1 角度旋转控制平台瞬变电磁定点转角度三维探测技术要实现准确的三维空间定位,就需要准确知道现场探测时每道信号探测的水平角度和竖向角度。通常的方式是通过人工手动调节,但是现场人工手动调节角度很难准确控制。探测时候需要多次调整角度采集数据,现场数据采集时间会加长,一定程度上增加了现场探测人员的掌子面作业安全风险。为了准确、快速地按照设定的角度完成现场数据采集,也为了降低现场数据采集的安全风险,自主研制了角度旋转控制平台,其能实现角度自动调整、数据自动采集,该平台通过无线信号与操控端192隧道
21、建设(中英文)第 43 卷连接,现场操作人员可以在较远的距离进行操作,降低现场操作人员的安全风险(角度旋转控制平台的操作流程图如图 5 所示,平台的模型及实物如图 6 所示);另外,该平台采用的是碳纤维管和赛钢等较轻材质,既降低了平台重量,又保证了整个旋转机构的牢固性和稳定性,各个部件均采用卡扣链接,便于拆卸、组装和携带,提高了现场适用性。图 5 角度旋转控制平台操控流程图Fig.5 Control flowchart of angle rotation control platform(a)角度旋转控制平台模型(b)角度旋转控制平台实物图 6 角度旋转控制平台模型图及实物照片Fig.6Mod
22、el diagram and photograph of angle rotation control platform3.2 集成智能主机系统为了实现了探测装备轻巧化、集中化,提高设备的适用性,研发建成了集三维数据自动采集、自动数据处理、探测成果图自动生成等功能的集成主机系统。该主体采用防爆平板电脑,通过 WIFI 或蓝牙与采集主机连接。整个系统主要部件包括:平板电脑、采集控制主机系统和角度旋转控制平台,其中采集控制主机系统又包括电机、电源管(用于内置发射电源)、发射管(内置发射电路板)、采集站(内置接收电路板)及电源等,系统的工作原理如图 7 所示。图 7 集成智能主机系统工作原理图Fig
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