本發(fā)明涉及隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無線控傳加速度傳感器的隧道超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

我國是世界上隧道和地下工程最多、發(fā)展速度最快、地質(zhì)及結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜的國家。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展公路、鐵路建設(shè)的重點(diǎn)已轉(zhuǎn)移到山嶺重丘地區(qū)，隧道工程繁多，隧道施工中的施工地質(zhì)預(yù)報(bào)關(guān)系到工程的安全、質(zhì)量和進(jìn)度。特別是在地質(zhì)條件復(fù)雜的隧道工程中，有必要進(jìn)行施工地質(zhì)預(yù)報(bào)工作在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的地區(qū)，如斷層帶、褶皺、節(jié)理裂隙發(fā)育、地下水豐富等圍巖狀態(tài)下進(jìn)行隧道掘進(jìn)施工，存在著極大地安全隱患。為保證在地質(zhì)條件復(fù)雜條件下的隧道施工質(zhì)量和施工安全，尤其是對些一些重大、超長隧道及輸水隧洞等重點(diǎn)控制工程而言，隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作就顯得尤為重要。隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)可以及時(shí)掌握和反饋隧道地質(zhì)條件信息，調(diào)整和優(yōu)化隧道設(shè)計(jì)參數(shù)、防護(hù)措施，為優(yōu)化隧道施工組織、制定施工安全應(yīng)急預(yù)案提供依據(jù)。

隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)通常包括常規(guī)地質(zhì)分析法、物探法、超前鉆探、超前導(dǎo)坑和工程類比法等。宏觀地質(zhì)分析法，可預(yù)報(bào)斷層、巖溶等不良地質(zhì)體的賦存范圍，為物探方法選擇提供依據(jù)，但預(yù)報(bào)精度和準(zhǔn)確性有限；然而，以地震波反射法為代表的物探方法(隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)方法)由于具有預(yù)報(bào)距離遠(yuǎn)(100～200m)、測量精度高、施工干擾小及連續(xù)性的無損探測等特點(diǎn)，已成為隧道掘進(jìn)前方工程地質(zhì)條件的主要預(yù)報(bào)方法。但是該相關(guān)核心技術(shù)均掌握在國外相關(guān)企業(yè)，對于國內(nèi)的隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)起到了制約作用。

因此，開展基于地震波反射法的隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，對于推動(dòng)隧道信息化施工，確保隧道安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供了一種無線控傳加速度傳感器的隧道超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)及方法，該方法利用該系統(tǒng)進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)，簡單易操作，且穩(wěn)定可靠。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明上述目的所采取的技術(shù)方案為：

一種無線控傳加速度傳感器的隧道超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)，包括mems加速度檢波器、無線數(shù)據(jù)采集傳輸終端、無線觸發(fā)終端、觸發(fā)裝置、人工震源擊錘、無線數(shù)據(jù)接收控制終端和上位機(jī)，人工震源擊錘、觸發(fā)裝置和無線觸發(fā)終端依次連接，mems加速度檢波器有多對，無線數(shù)據(jù)采集傳輸終端與mems加速度檢波器的個(gè)數(shù)相同，每個(gè)mems加速度檢波器連接一個(gè)無線數(shù)據(jù)采集傳輸終端，無線數(shù)據(jù)接收控制終端與上位機(jī)連接，無線觸發(fā)終端分別與各無線數(shù)據(jù)采集傳輸終端無線連接，無線觸發(fā)終端與無線數(shù)據(jù)接收控制終端無線連接，各無線數(shù)據(jù)采集傳輸終端與無線數(shù)據(jù)接收控制終端無線連接。

一種基于無線控傳加速度傳感器的隧道超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)的隧道超前預(yù)報(bào)方法，包括如下步驟：

1、在隧道內(nèi)等間距布設(shè)多個(gè)斷面，在各斷面的兩側(cè)對稱布設(shè)一對mems加速度檢波器，在隧道靠近掌子面的兩側(cè)等間距對稱布設(shè)多對震源；

2、將各mems加速度檢波器上固定一個(gè)無線數(shù)據(jù)采集傳輸終端，并將各mems加速度檢波器與固定在其上的無線數(shù)據(jù)采集傳輸終端連接，將人工震源擊錘、觸發(fā)裝置和無線觸發(fā)終端依次連接，并將觸發(fā)裝置和無線觸發(fā)終端固定在人工震源擊錘上，將無線數(shù)據(jù)接收控制終端與上位機(jī)連接，并將上位機(jī)和無線數(shù)據(jù)接收控制終端置于隧道內(nèi)相應(yīng)位置處；

3、操作上位機(jī)通過數(shù)據(jù)接收控制終端向觸發(fā)終端和數(shù)據(jù)采集傳輸終端無線發(fā)布工作指令，觸發(fā)終端和數(shù)據(jù)采集傳輸終端收到工作指令后，將自動(dòng)從“待機(jī)狀態(tài)”轉(zhuǎn)為“工作狀態(tài)”；

4、用人工震源擊錘激發(fā)其中的一個(gè)震源產(chǎn)生地震波，激發(fā)地震波的同時(shí)，無線觸發(fā)終端在工作指令規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)，實(shí)時(shí)采集回路觸發(fā)裝置的當(dāng)前狀態(tài)，準(zhǔn)確獲取震源產(chǎn)生地震波時(shí)刻的觸發(fā)信號，將觸發(fā)信號無線發(fā)往各數(shù)據(jù)采集傳輸終端，各數(shù)據(jù)采集傳輸終端在工作指令規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)，實(shí)時(shí)采集記錄對應(yīng)的mems加速度檢波器獲得的地震波信號，數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，無線觸發(fā)終端自主開啟傳輸模式，將記錄的觸發(fā)數(shù)據(jù)打包無線傳輸給數(shù)據(jù)接收控制終端，各無線數(shù)據(jù)采集傳輸自主開啟傳輸模式，將記錄的觸發(fā)數(shù)據(jù)打包無線傳輸給數(shù)據(jù)接收控制終端，數(shù)據(jù)接收控制終端在線接收各無線觸發(fā)終端無線傳輸來的觸發(fā)信號、各數(shù)據(jù)采集傳輸終端無線傳輸來的地震波數(shù)據(jù)，自動(dòng)存儲(chǔ)于上位機(jī)的數(shù)據(jù)管理軟件的內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中；

5、重復(fù)步驟2.3-2.4，進(jìn)行激發(fā)下一個(gè)震源產(chǎn)生地震波的測量工作；

6、全部測量工作結(jié)束后，測量人員在上位機(jī)上通過數(shù)據(jù)管理軟件導(dǎo)出全部數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析，直接讀取成果數(shù)據(jù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與有益效果在于：

1、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了觸發(fā)、數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)娜珶o線模式。

2、本發(fā)明隧道定位方法簡便，以掌子面為參照，僅需要測量相對坐標(biāo)。

3、利用該方法進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)，不僅簡單易操作，而且預(yù)報(bào)結(jié)果科學(xué)、準(zhǔn)確可靠。

附圖說明

圖1為無線控傳加速度傳感器的隧道超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)工作流程示意圖。

圖2為無線控傳加速度傳感器的隧道超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)及震源在隧道內(nèi)的布設(shè)示意圖。

圖3為某隧道利用本發(fā)明的隧道超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)及方法進(jìn)行預(yù)報(bào)的成果圖。

圖4為某隧道實(shí)際開挖的現(xiàn)場圖。

1-人工震源擊錘、2-觸發(fā)裝置(脈沖激勵(lì)模塊)、3-無線觸發(fā)終端(bm100b模塊)、4-無線數(shù)據(jù)采集傳輸終端(zm5161p2-2czigbee模塊)、5-mems加速度檢波器(adxl355加速度傳感器)、6-無線數(shù)據(jù)接收控制終端(zigbee3.0–targethwplatforms)、7-上位機(jī)、8-震源、9-掌子面、10-隧道。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的無線控傳加速度傳感器的隧道超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明提供的無線控傳加速度傳感器的隧道超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)包括mems加速度檢波器5、無線數(shù)據(jù)采集傳輸終端4、無線觸發(fā)終端3、觸發(fā)裝置2、人工震源擊錘1、無線數(shù)據(jù)接收控制終端6和上位機(jī)，mems加速度檢波器5有多對，無線數(shù)據(jù)采集傳輸終端4與mems加速度檢波器5的個(gè)數(shù)相同，如圖1所示，人工震源擊錘1、觸發(fā)裝置2和無線觸發(fā)終端3依次連接，每個(gè)mems加速度檢波器5連接一個(gè)無線數(shù)據(jù)采集傳輸終端6，無線數(shù)據(jù)接收控制終端6與上位機(jī)7連接，無線觸發(fā)終端分別與各無線數(shù)據(jù)采集傳輸終端無線連接，無線觸發(fā)終端與無線數(shù)據(jù)接收控制終端無線連接，各無線數(shù)據(jù)采集傳輸終端與無線數(shù)據(jù)接收控制終端無線連接。

下面結(jié)合上述的隧道超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)對本發(fā)明的無線控傳加速度傳感器的隧道超前預(yù)報(bào)方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

一種無線控傳加速度傳感器的隧道超前預(yù)報(bào)方法，其步驟是：

1、如圖2所示，在隧道10內(nèi)等間距布設(shè)多個(gè)斷面，在各斷面的兩側(cè)對稱布設(shè)一對mems加速度檢波器5，在隧道靠近掌子面9的兩側(cè)等間距對稱布設(shè)多對震源8；

2、將各mems加速度檢波器上固定一個(gè)無線數(shù)據(jù)采集傳輸終端，并將各mems加速度檢波器與固定在其上的無線數(shù)據(jù)采集傳輸終端連接，將人工震源擊錘、觸發(fā)裝置和無線觸發(fā)終端依次連接，并將觸發(fā)裝置和無線觸發(fā)終端固定在人工震源擊錘上，將無線數(shù)據(jù)接收控制終端與上位機(jī)連接，并將上位機(jī)和無線數(shù)據(jù)接收控制終端置于隧道內(nèi)相應(yīng)位置處；

3、操作上位機(jī)通過數(shù)據(jù)接收控制終端向觸發(fā)終端和數(shù)據(jù)采集傳輸終端無線發(fā)布工作指令，觸發(fā)終端和數(shù)據(jù)采集傳輸終端收到工作指令后，將自動(dòng)從“待機(jī)狀態(tài)”轉(zhuǎn)為“工作狀態(tài)”；

4、用人工震源擊錘激發(fā)離掌子面最近的一對震源中的一震源產(chǎn)生地震波，激發(fā)地震波的同時(shí)，無線觸發(fā)終端在工作指令規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)，實(shí)時(shí)采集回路觸發(fā)裝置的當(dāng)前狀態(tài)，準(zhǔn)確獲取震源產(chǎn)生地震波時(shí)刻的觸發(fā)信號，將觸發(fā)信號無線發(fā)往各數(shù)據(jù)采集傳輸終端，各數(shù)據(jù)采集傳輸終端在工作指令規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)，實(shí)時(shí)采集記錄對應(yīng)的mems加速度檢波器獲得的地震波信號，數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，無線觸發(fā)終端自主開啟傳輸模式，將記錄的觸發(fā)數(shù)據(jù)打包無線傳輸給數(shù)據(jù)接收控制終端，各無線數(shù)據(jù)采集傳輸自主開啟傳輸模式，將記錄的地震波數(shù)據(jù)打包無線傳輸給數(shù)據(jù)接收控制終端，數(shù)據(jù)接收控制終端在線接收觸發(fā)終端無線傳輸來的觸發(fā)信號、各數(shù)據(jù)采集傳輸終端無線傳輸來的地震波數(shù)據(jù)，自動(dòng)存儲(chǔ)于上位機(jī)的數(shù)據(jù)管理軟件的內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中；

5、重復(fù)步驟3-4，進(jìn)行激發(fā)離掌子面最近的一對震源中的另一震源產(chǎn)生地震波的測量工作；

6、重復(fù)步驟5，進(jìn)行激發(fā)下一對震源(以掌子面為基準(zhǔn)，從掌子面到洞口的方向依次激發(fā)各對震源)產(chǎn)生地震波的測量工作；

7、全部測量工作結(jié)束后，測量人員在上位機(jī)上通過數(shù)據(jù)采集軟件將全部數(shù)據(jù)導(dǎo)出上位機(jī)界面，以seg-y格式導(dǎo)出全部數(shù)據(jù)；

8、將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析，直接讀取成果數(shù)據(jù)。

具體應(yīng)用實(shí)例：

某隧道右線里程yk61+850～yk61+750段圍巖按照上述方法進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)，結(jié)果如下：

該段圍巖按照上述方法進(jìn)行探測預(yù)報(bào)，其結(jié)果如圖3所示，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查推斷，綜合推測yk61+850～yk61+750段圍巖地質(zhì)情況如下：

1、yk61+850～yk61+800段，長50m，推測該段圍巖為薄～厚層狀中風(fēng)化灰?guī)r，圍巖縱波速度為3.96～4.34km/s，波速較高，變化較大，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，巖溶發(fā)育，該段存在巖溶管道，推測其在yk61+850～yk61+840段與隧道近于平行，沿隧道左側(cè)輪廓線附近一帶發(fā)育，并在yk61+840～yk61+820段與隧道斜交，受巖溶發(fā)育影響，圍巖較破碎，地下水較發(fā)育，水量受降雨控制，暴雨后會(huì)出現(xiàn)涌水；圍巖自穩(wěn)能力較差，隧道開挖拱部易掉塊，綜合判斷，該段圍巖級別為ⅳ級偏弱。

2、yk61+800～yk61+750段，長50m，推測該段圍巖為薄～厚層狀微風(fēng)化灰?guī)r，圍巖縱波速度為3.76～4.24km/s，波速較高，變化較大，推測該段裂隙、溶隙(穴)較發(fā)育，巖體較破碎；地下水較發(fā)育，洞室滲水或滴水；圍巖自穩(wěn)能力較差，隧道開挖拱部極易掉塊，綜合判斷，該段圍巖級別為ⅳ級。

隨后，該隧道從大里程向小里程方向掘進(jìn)至yk61+850，掌子面圍巖地質(zhì)情況如下：

該段圍巖實(shí)際開挖后，其地質(zhì)情況如圖4所示，根據(jù)圖4可以看出：

該段圍巖為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組(t1j)薄～中厚層狀中風(fēng)化灰?guī)r，巖層較陡，層理較發(fā)育，層間結(jié)合較差，巖層產(chǎn)狀為345°∠45°；節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，呈裂隙塊狀結(jié)構(gòu)；巖溶發(fā)育，掌子面左下腳(右拱腳)發(fā)育一條巖溶管道，管道呈狹長型，洞口處寬約2m，高約4m，洞底填充碎(礫)粘土，管道底低于隧道上臺(tái)階底約2.5m，可見長約15m，盡頭處沿管道壁見地下水流，且向前方管道呈漸高和漸寬趨勢。

由上述可知，預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際開挖情況吻合。