CN103278843A - 岩石隧道施工过程中岩爆实时预报技术装置 - Google Patents

Abstract

一种应用于岩石隧道掘进领域中的岩石隧道掘进过程中岩爆实时预报技术装置，包括声波接收传感器、信号放大器、数据采集器、数据服务器、工业电脑、数据连接线、隧道围岩、隧道施工设备、判断模型输入信号、神经单元、阈值、预警数据输出，声波接收传感器通过数据连接线连接在信号放大器上，信号放大器与数据采集器连接，数据采集器与数据服务器连接，数据服务器内置由神经单元和阈值组成的判断模型，声波接收传感器得到的信号作为判断模型输入信号输入至神经单元，神经单元与阈值连接。该装置将声波数据与计算机后台建立的基于神经网络岩爆预测模型进行对比分析，所得到的结果可以实现对隧道围岩岩爆可能性进行实时预测的目的。

Description

岩石隧道施工过程中岩爆实时预报技术装置

技术领域

本发明涉及隧道施工领域中的一种岩石隧道施工过程中岩爆实时预报技术装置。

背景技术

岩爆是岩石隧道施工中一种常见的地质灾害，能够对施工设备和已完成的隧道结构造成巨大损坏，更严重的是对施工人员造成损伤及产生心理影响。岩爆对隧道施工的影响是多方面的，因此需要在岩石隧道掘进施工过程中实时对隧道围岩发生岩爆可能性做出预测和判断，并制定必要的防治措施，从而保证安全高效的施工。

声发射(Acoustic Emission, 简称AE)是材料中由局部应力集中源的能量迅速释放而产生的瞬时弹性波，有时也称为应力波发射。岩爆是隧道围岩所受的应力超过岩体的破坏强度时, 应变能突然释放, 岩体发生猛烈脆性失稳破坏，并出现声发射现象。岩爆的产生需要积蓄能量，而能量的积蓄则需要一定时间的声发射平静期。因此，需要根据隧道围岩岩爆倾向性与加载过程中声发射特征的函数关联，建立了不同岩爆倾向的岩石加载过程中声发射累积数与应变的定量关系，从而确定岩爆激发预测判断理论基础。

神经网络能够充分逼近任意复杂的非线性关系，能够学习与适应严重不确定性系统的动态特性，可以让决策判断系统根据目标值动态的调整结构，从而得到可行的最优结果。声发射现象与造成围岩岩爆的地质压力、隧道结构、岩石性质等其他因素作为神经元输入，通过神经网络的权值自我学习修正，平衡声发射信号与其他岩爆形成因素之间复杂的非线性关系，客观地对隧道围岩发生岩爆的可能性进行预测。因此，研制开发一种岩石隧道施工过程中岩爆实时预报技术装置一直是急待解决的新课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种岩石隧道施工过程中岩爆实时预报技术装置，是基于声发射和岩爆发生原理基础上，在隧道岩壁上安装一种能够接收围岩压力应变时所产生的声波并将其转化成为数字量的一种技术装置，这个装置可以将声波数据与计算机后台建立的基于神经网络岩爆预测模型进行对比分析，所得到的结果可以实现对隧道围岩岩爆可能性进行实时预测的目的。

本发明的目的是这样实现的：一种岩石隧道掘进过程中岩爆实时预报技术装置，包括声波接收传感器、信号放大器、数据采集器、数据服务器、工业电脑、数据连接线、隧道围岩、隧道施工设备、判断模型输入信号、神经单元、阈值、预警数据输出，声波接收传感器通过数据连接线连接在信号放大器上，信号放大器与数据采集器连接，数据采集器与数据服务器连接，数据服务器内置由神经单元和阈值组成的判断模型，声波接收传感器得到的信号作为判断模型输入信号输入至神经单元，神经单元与阈值连接，通过阈值得到预警数据输出，预警数据输出通过数据服务器与工业电脑的连接，传输至工业电脑；声波接收传感器安装在隧道施工设备上，位置是沿着隧道围岩横截面进行布置；其工作原理及操作方法，基于声发射和岩爆发生原理基础上，岩石隧道掘进施工后形成圆形截面隧道，由于地质压力和岩体自身结构变化会导致隧道围岩受压变形、产生应力集中，这个过程中产生声波的幅度、频率会被声波接收传感器接收，然后由数据连接线将接收的微弱模拟信号传输到信号放大器，经由信号放大器按照函数关系将其放大至标准输出模拟信号后，数据采集器按照函数关系将模拟信号转变成数字信号，然后传输至数据服务器中进行存储，这些数据在存储的同时，作为后台数据库模型的输入信号作为一个输入神经单元的输入，与已经在数据服务器中建立的数据库中的数值，按照神经信号输出进行阈值变化后，得到岩爆预警数据输出；该装置可以监测15米内的隧道围岩岩爆的发生可能性，数据采集频率为50kHz；声波接收传感器在隧道围岩横截面3点钟、9点钟、12点钟方向各自布置1个，其余声波接收传感器会根据隧道直径大小、沿隧道围岩横截面3点钟、6点钟、9点钟、12点之间等分角度进行声波接收传感器布置；一般情况下，隧道直径在5米～8米，3点钟、6点钟、9点钟、12点之间按照45°角等分布置声波接收传感器；隧道直径在8米～12米，3点钟、6点钟、9点钟、12点之间按照30°角等分布置声波接收传感器；隧道直径在12米～16米，3点钟、6点钟、9点钟、12点之间按照15°角等分布置声波接收传感器；声波接收传感器沿隧道纵断面安装距离根据铁路隧道围岩等级以及岩石发育程度进行布置：                                                

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类围岩、发育情况下，间隔3米布置；、

类围岩、不发育情况下，间隔5米布置；在后台计算机采用神经网络原理建立数据对比分析模型，除了声波信号作为岩爆激发因素外，还有地质压力、隧道结构、岩石性质3项岩爆发生因素作为神经元输入信号，与后台建立的基于神经网络数学模型数据库进行比对分析后,根据相应的数据信号处理模式，最终在终端显示上可以提供岩爆倾向性百分值、岩爆程度百分值、岩爆发生时间、岩爆发生范围4项技术指标显示，对隧道围岩发生岩爆的可能性进行预测，为岩石隧道的安全掘进、高效施工建立预警机制。

本发明的要点在于它的结构及工作原理。其工作原理及操作方法，基于声发射和岩爆发生原理基础上，岩石隧道掘进施工后形成圆形截面隧道，由于地质压力和岩体自身结构变化会导致隧道围岩受压变形、产生应力集中，这个过程中产生声波的幅度、频率会被声波接收传感器接收，然后由数据连接线将接收的微弱模拟信号传输到信号放大器，经由信号放大器按照函数关系将其放大至标准输出模拟信号后，数据采集器按照函数关系将模拟信号转变成数字信号，然后传输至数据服务器中进行存储，这些数据在存储的同时，作为后台数据库模型的输入信号作为一个输入神经单元的输入，与已经在数据服务器中建立的数据库中的数值，按照神经信号输出进行阈值变化后，得到岩爆预警数据输出；该装置可以监测15米内的隧道围岩岩爆的发生可能性，数据采集频率为50kHz；声波接收传感器在隧道围岩横截面3点钟、9点钟、12点钟方向各自布置1个，其余声波接收传感器会根据隧道直径大小、沿隧道围岩横截面3点钟、6点钟、9点钟、12点之间等分角度进行声波接收传感器布置；一般情况下，隧道直径在5米～8米，3点钟、6点钟、9点钟、12点之间按照45°角等分布置声波接收传感器；隧道直径在8米～12米，3点钟、6点钟、9点钟、12点之间按照30°角等分布置声波接收传感器；隧道直径在12米～16米，3点钟、6点钟、9点钟、12点之间按照15°角等分布置声波接收传感器；声波接收传感器沿隧道纵断面安装距离根据铁路隧道围岩等级以及岩石发育程度进行布置：

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类围岩、发育情况下，间隔3米布置；

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类围岩、不发育情况下，间隔5米布置；在后台计算机采用神经网络原理建立数据对比分析模型，除了声波信号作为岩爆激发因素外，还有地质压力、隧道结构、岩石性质3项岩爆发生因素作为神经元输入信号，与后台建立的基于神经网络数学模型数据库进行比对分析后,根据相应的数据信号处理模式，最终在终端显示上可以提供岩爆倾向性百分值、岩爆程度百分值、岩爆发生时间、岩爆发生范围4项技术指标显示，对隧道围岩发生岩爆的可能性进行预测，为岩石隧道的安全掘进、高效施工建立预警机制。

岩石隧道掘进过程中岩爆实时预报技术装置与现有技术相比，具有基于声发射和岩爆发生原理基础，在隧道岩壁上安装一种能够接收围岩压力应变时所产生的声波并将其转化成为数字量的一种技术装置，这个装置可以将声波数据与计算机后台建立的基于神经网络岩爆预测模型进行对比分析，所得到的结果可以实现对隧道围岩岩爆可能性进行实时预测的目的等优点，将广泛的应用于岩石隧道掘进领域中。

附图说明                                                                        

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

图1是岩石隧道掘进施工过程中岩爆实时预测技术装置的系统原理图。

图2是本发明中传感器隧道横向截面现场安装位置示意图。

图3是本发明中传感器隧道纵向截面现场安装位置示意图。

图4是基于神经网络岩爆预测模糊判断结构示意图。

参照附图，一种岩石隧道掘进过程中岩爆实时预报技术装置，包括声波接收传感器1、信号放大器2、数据采集器3、数据服务器4、工业电脑5、数据连接线6、隧道围岩7、隧道施工设备8、判断模型输入信号9、神经单元10、阈值11、预警数据输出12，声波接收传感器1通过数据连接线6连接在信号放大器2上，信号放大器2与数据采集器3连接，数据采集器3与数据服务器4连接，数据服务器4内置由神经单元10和阈值11组成的判断模型，声波接收传感器1得到的信号作为判断模型输入信号9输入至神经单元10，神经单元10与阈值11连接，通过阈值11得到预警数据输出12，预警数据输出12通过数据服务器4与工业电脑5的连接，传输至工业电脑5；声波接收传感器1安装在隧道施工设备8上，位置是沿着隧道围岩7横截面进行布置。其工作原理及操作方法，基于声发射和岩爆发生原理基础上，岩石隧道掘进施工后形成圆形截面隧道，由于地质压力和岩体自身结构变化会导致隧道围岩7受压变形、产生应力集中，这个过程中产生声波的幅度、频率会被声波接收传感器1接收，然后由数据连接线6将接收的微弱模拟信号传输到信号放大器2，经由信号放大器2按照函数关系将其放大至标准输出模拟信号后，数据采集器3按照函数关系将模拟信号转变成数字信号，然后传输至数据服务器4中进行存储，这些数据在存储的同时，作为后台数据库模型的输入信号9作为一个输入神经单元10的输入，与已经在数据服务器4中建立的数据库中的数值，按照神经信号输出进行阈值11变化后，得到岩爆预警数据输出12；该装置可以监测15米内的隧道围岩岩爆的发生可能性，数据采集频率为50kHz；声波接收传感器1在隧道围岩7横截面3点钟、9点钟、12点钟方向各自布置1个，其余声波接收传感器1会根据隧道直径大小、沿隧道围岩7横截面3点钟、6点钟、9点钟、12点之间等分角度进行声波接收传感器布置；一般情况下，隧道直径在5米～8米，3点钟、6点钟、9点钟、12点之间按照45°角等分布置声波接收传感器1；隧道直径在8米～12米，3点钟、6点钟、9点钟、12点之间按照30°角等分布置声波接收传感器1；隧道直径在12米～16米，3点钟、6点钟、9点钟、12点之间按照15°角等分布置声波接收传感器1；声波接收传感器1沿隧道纵断面安装距离根据铁路隧道围岩等级以及岩石发育程度进行布置：

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类围岩、发育情况下，间隔3米布置；

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类围岩、不发育情况下，间隔5米布置；在后台计算机采用神经网络原理建立数据对比分析模型，除了声波信号作为岩爆激发因素外，还有地质压力、隧道结构、岩石性质3项岩爆发生因素作为神经元输入信号，与后台建立的基于神经网络数学模型数据库进行比对分析后,根据相应的数据信号处理模式，最终在终端显示上可以提供岩爆倾向性百分值、岩爆程度百分值、岩爆发生时间、岩爆发生范围4项技术指标显示，对隧道围岩发生岩爆的可能性进行预测，为岩石隧道的安全掘进、高效施工建立预警机制。

Claims (2)

1.一种岩石隧道掘进过程中岩爆实时预报技术装置，包括声波接收传感器、信号放大器、数据采集器、数据服务器、工业电脑、数据连接线、隧道围岩、隧道施工设备、判断模型输入信号、神经单元、阈值、预警数据输出，其特征在于：声波接收传感器通过数据连接线连接在信号放大器上，信号放大器与数据采集器连接，数据采集器与数据服务器连接，数据服务器内置由神经单元和阈值组成的判断模型，声波接收传感器得到的信号作为判断模型输入信号输入至神经单元，神经单元与阈值连接，通过阈值得到预警数据输出，预警数据输出通过数据服务器与工业电脑的连接，传输至工业电脑；声波接收传感器安装在隧道施工设备上，位置是沿着隧道围岩横截面进行布置。

2.根据权利要求1所述的一种岩石隧道施工过程中岩爆实时预报技术装置，其特征在于：其工作原理及操作方法，基于声发射和岩爆发生原理基础上，岩石隧道掘进施工后形成圆形截面隧道，由于地质压力和岩体自身结构变化会导致隧道围岩受压变形、产生应力集中，这个过程中产生声波的幅度、频率会被声波接收传感器接收，然后由数据连接线将接收的微弱模拟信号传输到信号放大器，经由信号放大器按照函数关系将其放大至标准输出模拟信号后，数据采集器按照函数关系将模拟信号转变成数字信号，然后传输至数据服务器中进行存储，这些数据在存储的同时，作为后台数据库模型的输入信号作为一个输入神经单元的输入，与已经在数据服务器中建立的数据库中的数值，按照神经信号输出进行阈值变化后，得到岩爆预警数据输出；该装置可以监测15米内的隧道围岩岩爆的发生可能性，数据采集频率为50kHz；声波接收传感器在隧道围岩横截面3点钟、9点钟、12点钟方向各自布置1个，其余声波接收传感器会根据隧道直径大小、沿隧道围岩横截面3点钟、6点钟、9点钟、12点之间等分角度进行声波接收传感器布置；一般情况下，隧道直径在5米～8米，3点钟、6点钟、9点钟、12点之间按照45°角等分布置声波接收传感器；隧道直径在8米～12米，3点钟、6点钟、9点钟、12点之间按照30°角等分布置声波接收传感器；隧道直径在12米～16米，3点钟、6点钟、9点钟、12点之间按照15°角等分布置声波接收传感器；声波接收传感器沿隧道纵断面安装距离根据铁路隧道围岩等级以及岩石发育程度进行布置：                                                

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类围岩、发育情况下，间隔3米布置；

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类围岩、不发育情况下，间隔5米布置；在后台计算机采用神经网络原理建立数据对比分析模型，除了声波信号作为岩爆激发因素外，还有地质压力、隧道结构、岩石性质3项岩爆发生因素作为神经元输入信号，与后台建立的基于神经网络数学模型数据库进行比对分析后,根据相应的数据信号处理模式，最终在终端显示上可以提供岩爆倾向性百分值、岩爆程度百分值、岩爆发生时间、岩爆发生范围4项技术指标显示，对隧道围岩发生岩爆的可能性进行预测，为岩石隧道的安全掘进、高效施工建立预警机制。

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