CN108107467A - 一种隧道超前地质预报自动监测系统 - Google Patents

一种隧道超前地质预报自动监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种隧道超前地质预报的自动监测系统，包括数据采集系统、数据传输系统和控制及数据分析系统；数据采集系统由三个高度集成的智能三分量检波器组成，数据传输系统由同步通讯器和信号线组成，控制与数据分析系统由主机与控制分析程序组成。系统的操作过程包括开启主机、设置采集参数、启动系统等待采集、掌子面放炮掘进、触发采集、数据采集存储、数据传输和数据查看八个步骤，从而实现超前地质预报。本发明的优点在于：极大的改善了工作条件，减小了人员风险；对洞室进行自动、连续的超前地质预报；降低了劳动强度，加快了施工进度，减小作业风险。本发明可广泛应用于交通、水利、矿山行业地下洞室开挖的不良地质体超前地质预报。

Description

一种隧道超前地质预报自动监测系统
技术领域
本发明涉及一种人工地震波的采集和处理技术领域，更具体涉及一种以掌子面放炮为震源的隧道施工超前地质预报方法，同时还涉及一种以掌子面放炮为震源的隧道施工超前地质预报的自动监测装置，适用于交通、水利、矿山行业地下洞室开挖的不良地质体超前地质预报。
背景技术
二十一世纪是隧道和地下空间大发展的时代，随着隧道工程长度及规模的扩张，其遇到的地质条件复杂性和多变性也在加剧。前期探测手段力度不足会给隧道施工安全带来较大的威胁，往往会出现预料不到的涌水、塌方、突泥、涌沙等事故。因此，在施工期超前地质预报技术，及时发现异常情况，预报掌子面前方不良地质体的产状、位置及其围岩结构的完整性与含水突泥的可能性，为合理工程选址、正确的施工方法、支护设计参数和优化施工方案提供依据。目前国内外对人工地震法地质预报已有较系统的研究，但在以下几方面还存在不足：
(1)传感器布置方式
超前地质预报中的传感器用于接收激发的人工地震波及其反射波。当前，国内外最常用的方法是瑞士Amberg Technologies提出的TSP(Tunnel Seismic Prediction)系列和国内北京市水电物探研究所研制的TGP(Tunnel Geological Prediction)系列设备，这两种设备的传感器一般是两个，分别布置在隧道壁的左右两侧钻孔中。两个传感器单独记录地震波，给出预报结果并相互验证。但在实际的应用两个传感器经常给出相反的结论，对使用者造成较大干扰。
(2)同步信号触发方式
TGP设备激发同步信号的拾取是采用记时回线炸断的方法，即将乳化炸药用回线缠绕，利用炸药炸断电线激发采集，TSP设备采用启爆器脉冲触发仪器采集的方式即启动起爆器是系统开始计时采集。然而在激发雷管和炸药炸断导线时往往会有1～2ms的时间延迟，不能做到精确触发，导致预报的距离会存在较大误差。
经检索有一种以掌子面放炮为震源的隧道超前地质预报方法及装置被公开，专利申请号为：CN201310124601.9，其技术方案是将传感器布置在隧道壁的两侧钻孔中，触发回路铜导线缠绕在炸药卷上放入掌子面炮孔中，掌子面放炮炸断铜导线触发信号采集记录爆炸时间点。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述目前的人工地震法地质预报的准确性不佳的技术缺陷，提供了一种隧道超前地质预报的自动监测系统来解决上述问题。
本发明为解决其技术问题，提供了一种隧道超前地质预报的自动监测系统，其特征在于，包括三个部分：数据采集系统、数据传输系统、控制及数据分析系统；数据采集系统由第一三分量检波器3a、第二三分量检波器3b和第三三分量检波器3c组成；数据传输系统由同步通讯器10和具有屏蔽特性的信号线9组成；控制与数据分析系统由主机11与控制分析程序组成；
所述第一三分量检波器3a、第二三分量检波器3b和第三三分量检波器3c分别埋设在洞室1内同一侧壁4上开设的第一钻孔2a、第二钻孔2b和第三钻孔2c中，第一钻孔2a、第二钻孔2b和第三钻孔2c与洞室1的底板平行且与洞室1的走向垂直；
所述第一三分量检波器3a、第二三分量检波器3b和第三三分量检波器3c设置于洞室同侧壁的钻孔中，三个三分量检波器的x、y、z分量方向与隧道的方位关系是：x分量方向与隧道轴线方向一致并指向掌子面方向，y分量的方向在水平面上与隧道轴线垂直，z分量的方向在铅垂面上与隧道轴线垂直；三个三分量检波器之间通过信号线9相连，同步通讯器10通过信号线9与三个三分量检波器分别相连，主机11与同步通讯器10通过有线或无线的方式连接。
进一步的，所述的第一三分量检波器3a、第二三分量检波器3b和第三三分量检波器 3c是一种高度集成化的智能三分量检波器，该三分量传感器在采样上可以实现自动采集、数模转换、数据存储、数据传输、独立供电功能。
进一步的，第一三分量检波器3a的埋设入钻孔2a，先在钻孔2a内部填充黄油作为第一三分量检波器3a和钻孔2a的耦合剂，调整三分量检波器3a的位置，使三分量检波器3a的x分量方向与隧道轴线方向一致并指向掌子面方向，y分量的方向在水平面上与隧道轴线垂直，z分量的方向在铅垂面上与隧道轴线垂直，用力按压使得两个第一三分量检波器3a与钻孔2a紧贴相连，黄油填充量以保证第一三分量检波器3a与钻孔2a紧贴无空隙，充满钻孔2a；第二三分量检波器3b、第三三分量检波器3c的埋设入钻孔2b、2c方法与第一三分量检波器3a的埋设方法相同。
进一步的，所述的数据采集系统的三个检波器设计为独立工作。
进一步的，主机11通过数据传输系统，设置各元件参数及发布指令，并显示、记录数据，设置专有的数据处理程序对采集的数据进行分析处理。
一种隧道超前地质预报的自动监测系统的使用方法，用于对所述的隧道超前地质预报的自动监测装置进行使用，其特征在于，包含：
S1、主机11对各个串口进行初始化设置；
S2、通过主机11设置数据采集参数，操作员在控制与数据分析系统的系统操作软件中设置采集参数，包括采样长度、采样率、采样触发条件，软件将自动保存所设置参数并作为缺省参数，控制与数据分析系统通过移动通信网络发送采集参数给数据采集系统，数据采集系统中的处理器进行设置采集参数；
S3、启动系统等待触发采集，控制与数据分析系统通过移动通信网络发送给数据采集系统，数据采集系统中处理器开启触发通道，随时准备按照预先设置好的参数进行采集，并回传预备信息到系统操作软件，提示操作员已准备完毕；
S4、隧道掌子面5掘进炮第一炮激发，产生人工地震波6，产生的人工地震波6在掌子面前方传播，岩性改变，人工地震波在地质界面8产生反射，形成反射地震波7，三个三分量检波器3a、3b、3c分别接收到反射地震波信号7；
S5、触发采集，当每个三分量检波器接收到的信号强度达到设定值时，每个三分量检波器开始按照提前设定的采样率和采样长度进行采集；
S6、每个三分量检波器将数据按照预设的格式保存为本地文件；
S7、采集并保存完毕当前数据后，三分量检波器通过信号线将数据传递到置于洞口的同步通讯器，同步通讯器10通过移动通信网络将数据传给远端的电脑或手机等终端设备，并以曲线的形式在电脑或手机终端上显示；
S8、主机11监控数据资料，通过预设的数据处理程序，分析已经记录的数据，也可以对比软件下载数据采集系统的历史数据，输出最终结果数据，使操作员分析数据的资料，对下次采集做出判断，预测掌子面5前方地质情况。
进一步的，当掌子面5每一次放炮掘进时，都进行一次采集和接收，实现对地震记录的不间断自动采集。
进一步的，步骤S5所述的数据采集系统触发采集工作模式为当传感器信号输入达到设定值时，数据采集通道开始按照提前设定采样率开始采集，采集长度根据实际测试需求进行设定，采集的数据以一定的格式保存在三分量检波器的存储模块中。
进一步的，三个三分量检波器之间的信号线进行同步触发，具体设计为：每个三分量检波器内部集成同步收发模块，当任意一个三分量检波器触发时，立刻通过信号线9向洞口的同步通讯器10发出信号，同步通讯器10收到信号后通过移动通信网络传送给远端的主机11，主机向三个三分量检波器发出同步触发信号，从而确保三个三分量检波器之间同步采集。
本发明的优点在于：本发明的一种隧道超前地质预报的自动监测系统，操作人员仅需要一人即可，操作人员在洞室外的控制室内进行远程操作，不需要进入隧道内部，极大的改善了工作条件，减小了人员风险。本发明的一种隧道超前地质预报的自动监测系统，在洞室每一次爆破掘进时就可以自动进行一次信号采集，可以真正实现对洞室进行自动、连续的超前地质预报。人工地震波震源的产生方法和以往相比，免去了以往专门在隧道侧壁钻孔、埋设炸药的工作，不再占用洞室施工时间，降低了劳动强度，加快了施工进度，减小作业风险。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的一种隧道超前地质预报的自动监测系统原理图；
图2是本发明的一种隧道超前地质预报的自动监测系统截面示意图；
图3是本发明的一种隧道超前地质预报方法的数据采集流程图；
图4是本发明的自动监测装置功能图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1、图2所示，一种隧道超前地质预报方法，其步骤是：
(1)在隧道1内同侧壁4上打三个钻孔2a、2b、2c，钻孔2a、2b、2c与洞室底板平行与洞室走向垂直，钻孔间距5～10m，距洞室地板高度为1.5m，孔径为6cm，深2m；
(2)在钻孔2a底部放置适量黄油作为耦合剂，将一种高度集成化的智能三分量检波器3a埋设在钻孔2a的底部，调整三分量检波器3a的位置，使三分量检波器3a的x、y方向的分量水平放置，x分量方向与隧道轴线方向一致并指向掌子面方向，y分量的方向在水平面上与隧道轴线垂直，z分量的方向在铅垂面上与隧道轴线垂直。
(3)用力按压三分量检波器3a，将钻孔2a内的黄油挤压到三分量检波器3a与钻孔2a的缝隙中，耦合剂可根据实际情况增减，确保三分量检波器3a与钻孔2a紧密、牢靠的贴合在一起。
(4)重复上述的(2)、(3)步骤，以同样的方法将三分量检波器3b、3c分别安装于钻孔2b、2c中。
(5)人工地震法地质预报装置开机，根据图3所示的数据采集流程图进行采集的设置工作，具体是：开机后设定相应采集参数，启动系统等待触发，准备采集信号；
(6)隧道掌子面5掘进炮第一炮激发，产生人工地震波6，产生的人工地震波6在掌子面前方传播，岩性改变，人工地震波在地质界面8产生反射，形成反射地震波7；
(7)三分量检波器3a、3b、3c分别接收到反射地震波信号7；
(8)当三分量检波器接收到的信号强度达到设定值时，三分量检波器开始按照提前设定的采样率和采样长度进行采集，并将数据按照规定的格式保存为本地文件；
(9)采集并保存完毕当前数据后，检波器通过信号线9将数据传递到置于洞口的同步通讯器10，同步通讯器10通过移动通信网络将数据传给远端的电脑或手机等终端设备，并以曲线的形式在电脑等终端上显示；
(10)当掌子面5下一次放炮掘进时，进行下一次采集和接收，实现对地震记录的不间断自动采集；
(11)通过主机11内已经安装的数据处理程序，对已经记录的数据进行分析，预测掌子面5前方地质情况，实现人工地震法地质预报。
设计一种隧道超前地质预报的自动监测系统，它包括三个部分：数据采集系统、数据传输系统、控制及数据分析系统。数据采集系统由三个高度集成的智能三分量检波器(3a、3b、3c)组成；数据传输系统由同步通讯器10和信号线9(具有屏蔽特性)组成，控制与数据分析系统由主机11与控制分析程序组成。
所述的第一三分量检波器3a、第二三分量检波器3b和第三三分量检波器3c分别埋设在洞室1内同侧壁4的第一钻孔2a、第二钻孔2b和第三钻孔2c中，第一钻孔2a、第二钻孔2b和第三钻孔2c与洞室1的底板平行且与洞室1的走向垂直，三个钻孔深度都为2m，距洞室地板高度1.5m，直径为6cm。
第一三分量检波器3a的埋设入钻孔2a方法是：先在钻孔2a内部填充黄油作为第一三分量检波器3a和钻孔2a的耦合剂，调整三分量检波器3a的位置，使三分量检波器3a的x分量方向与隧道轴线方向一致并指向掌子面方向，y分量的方向在水平面上与隧道轴线垂直，z分量的方向在铅垂面上与隧道轴线垂直。用力按压使得第一三分量检波器3a与钻孔2a相连(紧贴)，黄油填充量以保证第一三分量检波器3a与钻孔2a紧贴无空隙，充满钻孔 2a为宜。
第二三分量检波器3b、第三三分量检波器3c的埋设入钻孔2b、2c方法与第一三分量检波器3a的埋设方法相同，这里不再赘述。
所述3个三分量检波器设置于洞室同侧壁的钻孔中，通过黄油耦合剂与钻孔相接(紧贴)，良好耦合。所述的三分量检波器通过信号线相连；同步通讯器10通过接口与三分量检波器相连。
所述的三分量检波器3a、3b、3c通过信号线9相连，同步通讯器10通过信号线10与检波器3c相连。
所述的三分量检波器3a、3b、3c是一种高度集成化的智能三分量检波器，该三分量传感器在采样上可以实现自动采集、数模转换、数据存储、数据传输、独立供电等功能。
结合图3的数据采集流程，对本发明的一种隧道超前地质预报的自动监测系统的操作方法作进一步说明：
S1、打开主机11，对各个串口进行初始化设置；
S2、通过主机11设置数据采集参数，操作员在控制与数据分析系统的系统操作软件中设置采集参数，包括采样长度、采样率、采样触发条件，软件将自动保存所设置参数并作为缺省参数，控制与数据分析系统通过移动通信网络发送采集参数给数据采集系统，数据采集系统中的处理器进行设置采集参数；
S3、启动系统等待触发采集，操作员在控制与数据分析系统的系统操作软件中启动触发等待，再由控制与数据分析系统通过移动通信网络发送给数据采集系统，数据采集系统中处理器开启触发通道，随时准备按照预先设置好的参数进行采集，并回传预备信息到系统操作软件，提示操作员已准备完毕；
S4、隧道掌子面5掘进炮第一炮激发，产生人工地震波6，产生的人工地震波6在掌子面前方传播，岩性改变，人工地震波在地质界面8产生反射，形成反射地震波7，三个三分量检波器3a、3b、3c分别接收到反射地震波信号7；
S5、触发采集，当每个三分量检波器接收到的信号强度达到设定值时，每个三分量检波器开始按照提前设定的采样率和采样长度进行采集；
S6、每个三分量检波器将数据按照预设的格式保存为本地文件；
S7、采集并保存完毕当前数据后，三分量检波器通过信号线9将数据传递到置于洞口 1的同步通讯器10，同步通讯器10通过移动通信网络将数据传给远端的电脑或手机等终端设备，并以曲线的形式在电脑等终端上显示；
S8、监控数据资料，通过主机11内预设的数据处理程序，分析已经记录的数据，也可以通过对比软件下载数据采集系统的历史数据，使操作员分析数据的资料，对下次采集做出判断，预测掌子面5前方地质情况。
所述的数据采集系统触发采集工作模式为当传感器信号输入达到设定值时，数据采集通道开始按照提前设定采样率开始采集，采集长度根据实际测试需求进行设定，采集的数据以一定的格式保存在三分量检波器的存储模块中。
当人工地震波分别传至三分量检波器3a、3b、3c，三分量检波器3a、3b、3c分别记录地震波的初至时刻t1、t2、t3，利用三个检波器的时间间隔和距离可以算出地震波在岩层中传播的初始速度，再利用隧道至三个检波器的距离，可以计算掌子面放炮的时刻。
所述的数据采集系统的三分量检波器设计为独立工作，三个三分量检波器之间不分主次关系。隧道内检波器采集的数据传输、三分量检波器采集控制指令收发、两个三分量检波器之间的同步均通过交流照明线路(380V)来实现；隧道外部数据传输、控制指令收发由同步通讯器(置于洞口)通过移动通信网络与远端服务器和后台计算机通讯完成。具体功能结构图如图4所示。
三个三分量检波器之间信号线进行同步触发，具体设计为：每个三分量检波器内部集成同步收发模块，当任意一个三分量检波器触发时，立刻通过信号线向洞口的同步通讯器 10发出信号，同步通讯器10收到信号后通过移动通信网络传送给远端的主机11，主机11 向三个三分量检波器发出同步触发信号，从而确保三个三分量检波器之间同步采集。
所述的数据采集控制和数据传输均采用“洞内有线+洞外无线”的方式进行，主机11 通过数据传输系统，设置各元件参数及发布指令，并显示、记录数据。专有的数据处理程序对采集的数据进行分析处理。具体实现方式如下：数据采集控制在远端后台计算机上通过控制软件进行，各种采集参数信息指令通过互联网发送至洞口的同步通讯器10，同步通讯器10再通过洞内的信号线传送至检波器。数据传输采用洞内的交流照明线路(380V)传送至洞口的同步通讯器，同步通讯器10通过移动通信网络将采集数据上传到特定服务器或者云端服务器。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种隧道超前地质预报的自动监测系统，其特征在于，包括三个部分：数据采集系统、数据传输系统、控制及数据分析系统；数据采集系统由第一三分量检波器(3a)、第二三分量检波器(3b)和第三三分量检波器(3c)组成；数据传输系统由同步通讯器(10)和具有屏蔽特性的信号线(9)组成；控制与数据分析系统由主机(11)与控制分析程序组成；
所述第一三分量检波器(3a)、第二三分量检波器(3b)和第三三分量检波器(3c)分别埋设在洞室(1)内同一侧壁(4)上开设的第一钻孔(2a)、第二钻孔(2b)和第三钻孔(2c)中，第一钻孔(2a)、第二钻孔(2b)和第三钻孔(2c)与洞室(1)的底板平行且与洞室(1)的走向垂直；
所述第一三分量检波器(3a)、第二三分量检波器(3b)和第三三分量检波器(3c)设置于洞室同侧壁的钻孔中，三个三分量检波器的x、y、z分量方向与隧道的方位关系是：x分量方向与隧道轴线方向一致并指向掌子面方向，y分量的方向在水平面上与隧道轴线垂直，z分量的方向在铅垂面上与隧道轴线垂直；三个三分量检波器通过黄油耦合剂与钻孔紧贴相接，良好耦合；三个三分量检波器之间通过信号线(9)相连；同步通讯器(10)通过信号线(9)与三个三分量检波器分别相连，主机(11)与同步通讯器(10)通过有线或无线的方式连接。
2.根据权利要求1所述的一种隧道超前地质预报的自动监测系统，其特征在于，所述的第一三分量检波器(3a)、第二三分量检波器(3b)和第三三分量检波器(3c)是一种高度集成化的智能三分量检波器，该三分量传感器在采样上可以实现自动采集、数模转换、数据存储、数据传输、独立供电功能。
3.根据权利要求1所述的一种隧道超前地质预报的自动监测系统，其特征在于，第一三分量检波器(3a)的埋设入钻孔(2a)，先在钻孔(2a)内部填充黄油作为第一三分量检波器(3a)和钻孔(2a)的耦合剂，调整三分量检波器(3a)的位置，使三分量检波器(3a)的x分量方向与隧道轴线方向一致并指向掌子面方向，y分量的方向在水平面上与隧道轴线垂直，z分量的方向在铅垂面上与隧道轴线垂直，用力按压使得两个第一三分量检波器(3a)与钻孔(2a)紧贴相连，黄油填充量以保证第一三分量检波器(3a)与钻孔(2a)紧贴无空隙，充满钻孔(2a)；第二三分量检波器(3b)、第三三分量检波器(3c)的埋设入钻孔(2b)、(2c)方法与第一三分量检波器(3a)的埋设方法相同。
4.根据权利要求1所述的一种隧道超前地质预报的自动监测系统，其特征在于，所述的数据采集系统的三个检波器设计为独立工作。
5.根据权利要求1所述的一种隧道超前地质预报的自动监测系统，其特征在于，主机(11)通过数据传输系统，设置各元件参数及发布指令，并显示、记录数据，设置专有的数据处理程序对采集的数据进行分析处理。
6.一种隧道超前地质预报的自动监测系统的使用方法，用于对权利要求1所述的隧道超前地质预报的自动监测装置进行使用，其特征在于，包含：
S1、主机(11)对各个串口进行初始化设置；
S2、通过主机(11)设置数据采集参数，操作员在控制与数据分析系统的系统操作软件中设置采集参数，包括采样长度、采样率、采样触发条件，软件将自动保存所设置参数并作为缺省参数，控制与数据分析系统通过移动通信网络发送采集参数给数据采集系统，数据采集系统中的处理器进行设置采集参数；
S3、启动系统等待触发采集，控制与数据分析系统通过移动通信网络发送给数据采集系统，数据采集系统中处理器开启触发通道，随时准备按照预先设置好的参数进行采集，并回传预备信息到系统操作软件，提示操作员已准备完毕；
S4、隧道掌子面(5)掘进炮第一炮激发，产生人工地震波(6)，产生的人工地震波(6)在掌子面前方传播，岩性改变，人工地震波在地质界面(8)产生反射，形成反射地震波(7)，三个三分量检波器(3a)、(3b)、(3c)分别接收到反射地震波信号(7)；
S5、触发采集，当每个三分量检波器接收到的信号强度达到设定值时，每个三分量检波器开始按照提前设定的采样率和采样长度进行采集；
S6、每个三分量检波器将数据按照预设的格式保存为本地文件；
S7、采集并保存完毕当前数据后，三分量检波器通过信号线将数据传递到置于洞口的同步通讯器(10)，同步通讯器(10)通过移动通信网络将数据传给远端的电脑或手机等终端设备，并以曲线的形式在电脑或手机终端上显示；
S8、主机(11)监控数据资料，通过预设的数据处理程序，分析已经记录的数据，也可以对比软件下载数据采集系统的历史数据，输出最终结果数据，使操作员分析数据的资料，对下次采集做出判断，预测掌子面(5)前方地质情况。
7.根据权利要求6所述的一种隧道超前地质预报的自动监测系统，其特征在于，当掌子面(5)每一次放炮掘进时，都进行一次采集和接收，实现对地震记录的不间断自动采集。
8.根据权利要求6所述的一种隧道超前地质预报的自动监测系统，其特征在于，步骤S5所述的数据采集系统触发采集工作模式为当传感器信号输入达到设定值时，数据采集通道开始按照提前设定采样率开始采集，采集长度根据实际测试需求进行设定，采集的数据以一定的格式保存在三分量检波器的存储模块中。
9.根据权利要求6所述的一种隧道超前地质预报的自动监测系统，其特征在于，三个三分量检波器之间的信号线进行同步触发，具体设计为：每个三分量检波器内部集成同步收发模块，当任意一个三分量检波器触发时，立刻通过信号线(9)向洞口的同步通讯器(10)发出信号，同步通讯器(10)收到信号后通过移动通信网络传送给远端的主机(11)，主机向三个三分量检波器发出同步触发信号，从而确保三个三分量检波器之间同步采集。
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