本发明涉及一种用于地质构造三维定位的智能骨料及注浆系统和方法，属于无线通信领域。
背景技术
在国家现代化建设战略的指导下，一大批公路铁路工程、水利水电工程、跨海交通工程、矿山矿井工程及城市轨道工程等重大基础工程项目陆续提上建设日程，这类工程在建设过程中经常穿越岩层，其中岩层岩体内存在大量裂隙、节理等地质构造，这些地质构造是岩层中地下水存储和运移的通道，破坏了岩石的整体性，在工程扰动下易诱发渗漏水、突涌水等工程灾害。国家基础工程建设黄金期的到来，为隧道等地下工程建设科技的进步带来了宝贵的机遇。但与此同时，复杂的地质条件和频发的地质灾害成为地下工程施工期所面临的巨大挑战。
我国已成为世界上地下工程修建数量最多、规模最大、发展速度最快的国家。特别是随着水利水电工程与铁路公路工程的建设重心向复杂地形地质条件下的西部山区转移，涌现出一批具有“埋深大、洞线长、强岩溶发育、高水压、构造复杂、突水风险高、施工难度大”等显著特点的隧道。据统计，突水突泥灾害是隧道施工中的主要地质灾害之一，突涌水灾害隧道施工带来了巨大的经济损失、重大的人员伤亡和恶劣的社会影响，因此，含导水地质构造的探测与突涌水灾害的防治已经成为我国地下工程建设面临的关键科学技术难题。
目前所采用的探测方法主要包括钻探和物探两类方法，其中钻探法存在有效距离近，信息获取少，仅具备“一孔之见”的探测效果，而物探方法包括多种手段，由近及远，具有良好的前景，但目前三维成像理论与方法尚处于起步阶段，其准确性和精确度都仍有长远道路要走。在地下水灾害治理中，含导水地质构造的探测和注浆治理是地下工程灾害的两个主要组成部分，其中注浆是将诸如水泥浆液、水泥水玻璃浆液、化学浆液等液体材料注入不良地质构造包括裂隙含水岩体、软弱砂土体等，起到封堵涌水和加固地层的目的。在裂隙岩体中，由于含导水构造空间发育发达、展布范围较大，常规浆液往往有效封堵涌水构造，骨料作为注浆材料中的添加成分，主要为软质或硬质颗粒，包括木屑、黄豆及聚氨酯颗粒等遇水膨化物质，在含导水构造中，起到充填含导水构造，提高封堵及加固地层效率的作用。本发明引入传感器系统，将传感器内置入骨料中，能够有效反馈含导水构造空间特征，解决了传统物探精细度不足问题，能够有效指导地下工程含导水构造灾害治理问题。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明拟解决的技术问题是，提供一种用于地质构造三维定位的智能骨料及注浆系统和方法。该智能骨料中设有无线接收模块，能用于智能定位。该系统和方法将定位传感器引入注浆工程中，通过随浆液运动的传感器真实运动轨迹来定位含导水构造三维坐标，达到进一步指导地下工程治理的目的。本发明可以解决含导水构造等不良地质的坐标定量识别问题，对隧道等地下工程施工期突涌水灾害的防治具有重要的理论意义和重大的应用价值。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
一种用于地质构造三维定位的智能骨料，其特征在于该智能骨料中掺入骨料式微型定位传感器节点，所述骨料式微型定位传感器节点包括骨料式微型定位传感器节点腔体、无线信号收发模块、电源模块和微处理控制单元模块，骨料式微型定位传感器节点腔体的外表面设有防水防尘层，无线信号收发模块、电源模块和微处理控制单元模块均集成于同一ic电路芯片上，该电路芯片嵌入于骨料式微型定位传感器节点腔体的内部；电源模块为整个电路芯片供电，微处理控制单元模块分别连接无线信号收发模块、电源模块；无线信号收发模块与外部基站连接。
一种用于地质构造三维定位的智能骨料注浆系统，其特征在于，该系统采用上述的智能骨料，包括定位基站网络、服务器和数据处理终端平台；骨料式微型定位传感器节点通过无线与定位基站网络连接，定位基站网络同时与服务器和数据处理终端平台连接；服务器同时连接数据处理终端平台，数据处理终端平台设有显示屏，数据处理终端平台中加载有监测数据优化程序；所述定位基站网络中基站的数量不少于3个。
一种用于地质构造三维定位的智能骨料注浆方法，该方法采用上述的注浆系统，包括以下步骤：
步骤一：在注浆过程中以骨料的形式向其中添加多个骨料式微型定位传感器节点，并随浆液进入地下空间及导水构造中；
步骤二：远程激活全部骨料式微型定位传感器节点，以固定频率向外围基站网络主动发送无线脉冲信号，基站网络根据定位算法测算出各传感器节点的位置信息，并将各传感器节点位置信息的坐标数据上传至服务器；
步骤三：利用数据处理终端平台，根据上述坐标数据绘制各传感器节点在完整注浆过程中的运动路径直至浆液达到初凝，拟合全部传感器节点运动路径，获得完整的注浆浆液扩散网络。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出的微型定位传感器节点，其存在形式为骨料式，高度集成了无线信号收发模块、电源模块、微处理控制单元模块，封装成微型ic电路芯片，功能集中，功耗较低，满足注浆过程中定位任务的续航要求。且传感器节点体积较小与粗骨料粒径相当(如以球体为例，直径约为5mm～15mm，参考粗骨料粒径定义)，将智能骨料注入浆液中不影响注浆效果。无线信号收发模块可以采用室内无线定位技术，辅以优化算法，可以获得毫米级的定位信息，从而拟合出更加真实的地下空间含导水构造空间展布特征。
本发明注浆方法采用无线信号定位技术，将定位传感器嵌入为注浆骨料引入注浆工程中，能用于探查地下空间含导水构造的空间展布特征，突破地下空间实时精确定位技术，获得更加详备完善的地下空间含导水构造发育特征。
本发明注浆系统中以无线信号的方式进行数据的传输，便于在现场搭建系，也简化了人工操作，更加便捷智能。数据处理终端平台包括远程向传感器节点发送激活和修改指令，优化处理监测数据提高监测数据的精度，以及以可视化的方式展现浆液的扩散路径，最终形成完整的地下空间含导水构造空间展布特征。
附图说明
图1为本发明中的骨料式微型定位传感器节点结构示意图；
图2为本发明用于地质构造三维定位智能骨料注浆系统的结构示意图；
图3为本发明的用于地质构造三维定位智能骨料注浆方法的示意图；
图4为本发明中数据处理终端平台中监测数据优化程序的程序流程图；
图中，骨料式微型定位传感器节点腔体1、无线信号收发模块2、电源模块3和微处理控制单元模块4、骨料式微型定位传感器节点5、定位基站网络6、服务器7、数据处理终端平台8。
具体实施方式
下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
本发明用于地质构造三维定位的智能骨料，该智能骨料中掺入骨料式微型定位传感器节点，所述骨料式微型定位传感器节点包括骨料式微型定位传感器节点腔体1、无线信号收发模块2、电源模块3和微处理控制单元模块4，骨料式微型定位传感器节点腔体1的外表面设有工业级防水防尘层，无线信号收发模块2、电源模块3和微处理控制单元模块4均集成于同一ic电路芯片上，该电路芯片嵌入于骨料式微型定位传感器节点腔体1的内部；电源模块3为整个电路芯片供电，微处理控制单元模块4分别连接无线信号收发模块2、电源模块3；无线信号收发模块与外部基站连接。该智能骨料能随注浆浆液运动。
无线信号收发模块2用于接收基站发送的控制指令，并向基站发送脉冲信号；电源模块用于提供ic电路芯片在完整工作周期内所需的电能；微处理控制单元模块4用于处理基站发送的控制指令，同时管理ic电路的功耗和电路运行是否正常，接受传输信号是否异常等工作状态。
本发明中无线信号收发模块根据采用信号频段的不同可以为uwb的sku03模块或wifi的wg223模块或蓝牙的nordicnrf8001模块等；电源模块包括微型锂电池cg-320、tibq24050充电器以及相应的功率管理芯片；微处理控制单元模块为意法半导体的stm32l32或ti的msp430f5528等。传感器节点的封装尺寸视浆液中骨料的级配而定，一般为直径不超过15mm的球型骨料。
进一步地，上述骨料式微型定位传感器节点腔体1的材料为玻璃钢、聚碳酸脂、钛合金等强度高、导热系数低、无线信号穿透性强的材料。
进一步地，骨料式微型定位传感器节点中电源模块采用纽扣电池或超级电容等。选择纽扣电池优点在于一是体积小，方便控制骨料式微型定位传感器节点整体的体积；二是简化了电路设计，集成较为方便。
进一步地，骨料式微型定位传感器节点中无线信号收发模块采用的技术根据工程环境可以为超声波、超宽带、射频信号(wifi，zigbee)，确保信号穿透地层到达基站的强度。优选无线信号收发模块2采用超宽带(uwb)信号工作频段，确保了信号的穿透能力和传输距离。
本发明中骨料式微型定位传感器节点，形状设计无固定的限制，尺寸根据注浆地层地质条件确定，且腔体的封合过程不可逆。本发明中集成ic电路芯片嵌入于骨料式微型定位传感器节点腔体1的方式为螺钉固定。
本发明用于地质构造三维定位的智能骨料注浆系统，该系统采用上述的智能骨料，包括定位基站网络6、服务器7和数据处理终端平台8；骨料式微型定位传感器节点5通过无线与定位基站网络6连接，定位基站网络同时与服务器和数据处理终端平台连接；服务器同时连接数据处理终端平台，数据处理终端平台设有显示屏，数据处理终端平台中加载有监测数据优化程序；骨料式微型定位传感器节点5用于监测注浆浆液进入地下空间构造中的位置信息；定位基站网络，接收骨料式微型定位传感器节点发送的无线脉冲信号，测算出骨料式微型定位传感器节点所处位置的坐标数据，并上传至服务器，服务器只用于数据存储，不负责数据处理；数据处理终端平台，对监测数据进行后处理，对监测数据精度具有删选优化的功能，最终以可视化的方式展现地下空间含导水构造的空间展布特征。
进一步地，本发明中定位基站网络中基站的数量不少于3个，以保证坐标测算算法的实现。多个基站的布置方式并无严格的规定，根据不同工程的现场环境进行针对性的设计。上述数据处理终端平台8包括且不限于各类电脑终端：台式、笔记本、平板等。
在本实施例中，骨料式微型定位传感器节点5随注浆浆液进入地层结构中，定位基站网络6布设于施工外围空旷且不超过极限传输距离的范围内，定位基站网络中的各基站之间构成局域网络，经过定位计算的骨料式微型定位传感器节点的位置信息汇总于主基站(主基站除了作为基站实现定位的任务，还负责数据的上传和指令的接受及传递任务)中，通过移动通信网络上传至服务器7。原始监测数据在数据处理终端平台的软件程序进行优化处理，最终在数据处理终端平台8中显示，同时数据处理终端平台8还可以通过移动通信信号直接向主基站发送指令。
本发明中数据处理终端平台中监测数据优化程序的程序流程(参见图4)是：单个智能骨料式微型定位传感器节点定位，将单个骨料式微型定位传感器节点的位置信息上传至服务器存储，并将该信息在数据处理终端平台上显示，然后判断浆液是否胶凝固结，如果没有胶凝固结，则返回继续进行单个智能骨料式微型定位传感器节点定位，获得单个节点流动过程中的多个实时位置信息；如果出现胶凝固结，则将多个实时位置信息拟合出单个骨料式微型定位传感器节点定位的完整运动路径，再对单个骨料式微型定位传感器节点的运动路径进行优化，拟合出全部骨料式微型定位传感器节点的运动路径，形成完整的地下空间含导水构造空间展布特征。这里优化的目的是为了处理数据异常(例如缺失值、离群值等)和滤波，使拟合的轨迹更加平滑，优化的方法是相应的成熟的数值算法；拟合的方式是以注浆口(即激活传感器节点的位置)的坐标为基准点，以三维坐标绘图的方式展现传感器节点的后续坐标信息，并以此连接拟合成轨迹，该类方法是成熟且普遍的，例如根据gps不间断的定位信息可以拟合出跟踪对象的运动路径等。
本发明还保护一种用于地质构造三维定位的智能骨料注浆方法，包括以下步骤：
步骤一：在注浆过程中以骨料的形式向其中添加多个骨料式微型定位传感器节点，并随浆液进入地下空间及导水构造中；
步骤二：远程激活全部传感器节点，以固定频率向外围基站网络主动发送无线脉冲信号，基站网络根据定位算法测算出各传感器节点的位置信息，并将各传感器节点位置信息的坐标数据上传至服务器；
步骤三：利用数据处理终端平台，根据上述坐标数据绘制各传感器节点在完整注浆过程中的运动路径直至浆液达到初凝，拟合全部传感器节点运动路径，获得完整的注浆浆液扩散网络。
具体实施方法如图3所示：根据注浆方案在注入浆液的过程中向其中添加多个骨料式微型定位传感器节点5，随注浆浆液进入地下空间及导水构造中；通过数据处理终端平台8远程激活全部传感器节点，使其以固定频率向外围定位基站网络6主动发送无线脉冲信号，定位基站网络根据定位算法测算出各骨料式微型定位传感器节点的位置信息，并通过主基站将坐标数据上传至服务器7；数据处理终端平台8的监测数据优化程序，对上述坐标数据进行过滤优化，绘制出各传感器节点在完整注浆过程中的运动路径直至浆液胶凝固结，拟合全部传感器节点的运动路径获得完整的地下空间含导水构造的空间展布特征，并最终在数据处理终端平台8中显示。
本发明提出的方法通过在注浆施工过程中向浆液中注入多个骨料式微型定位传感器节点，与定位基站网络、服务器和数据处理终端平台构成完整的注浆系统，用于追踪注浆过程中浆液扩散的路径直至浆液胶凝固结，最终获得完整的地下空间含导水构造的空间展布特征，解决了地质物探技术无法准确获取大范围内地下空间含导水构造空间展布特征的问题。
本发明中注浆方案为现有技术。
在本实施例中，骨料式微型定位传感器节点的注入数量由联合地质资料初步探测的地质构造确定，综合考虑浆液的扩散范围和各传感器节点间的信号干扰。
另一方面，注浆开始时通过数据处理终端平台8远程激活全部骨料式微型定位传感器节点，并进行信号传输频率的设定。所述远程激活全部骨料式微型定位传感器节点的方式为通过定位基站网络向骨料式微型定位传感器节点发送无线激活指令，同时可修改传感器节点的信号传输频率。
本发明中所述定位基站网络根据骨料式微型定位传感器节点发送的无线信号测算其位置信息的算法是目前已有的技术，根据不同的信号工作频段选择最合适的算法，由使用的无线通信技术确定，包括时间到达法(toa)、时间到达差法(tdoa)、信号强度法(rssi)、到达角度法(aoa)和飞行时间法(tof)。本实施例中工作频段采用的是超宽带(uwb)，因此定位算法采用时间到达差法(tdoa)。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明的保护范围内。
本发明未述及之处适用于现有技术。