专利名称：网络化的隧道实时连续超前预报方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种网络化的隧道实时连续超前预报方法及装置，属于应用地球物理学电法探测技术领域，尤其涉及隧道掘进面前方及周边含水体或其他不良地质体的电法超前探测与预报技术。
背景技术：
隧道施工超前预报是隧道施工地质工作最主要的任务，隧道超前预报的主要内容包括破碎带、溶洞、地下水、煤系地层及其他不良地质体在掌子面前方和隧道周边的出露位置和对施工的影响。
现有超前预报方法主要有工程地质调查法、超前水平钻探法、超前导洞法和地球物理方法。工程地质调查法是隧道施工超前地质预报中使用最早的方法。该方法是通过调查与分析地表和隧道内的工程地质条件，了解隧道所处地段的地质结构特征，推断前方的地质情况。这种预报方法在隧道埋深较浅、构造不太复杂的情况下有很高的准确性，但是在构造比较复杂地区和隧道深埋较大的情况下，该方法工作难度较大，准确性较差。超前水平钻探法和超前导洞法是与隧道平行或沿隧道正洞轴线开挖超前导洞，直接探明前方的地质情况。这种方法准确率高，但费用昂贵。
地球物理方法中，用于隧道超前探测的方法主要有波法、温度场法和电阻率法[1][2]。波法中使用较多的是地震波法中的TSP法[3](隧道地震波超前预报)和电磁波法中的地质雷达法[4]。TSP法一次预报的距离较长，对断层破碎带构造预报准确度较高，但工作时需要占用施工时间，对含水体反映不灵敏，信号易受干扰。地质雷达法对断层破碎带预报有较高的准确性，对岩溶预报有一定的准确性，但在隧道超前预报时，需要占用施工时间，预测的距离较短，在隧道内不方便布置，影响因素多，多用于地表探测；电阻率法中的高密度电法对含水构造判定较好，能预报断层破碎带，但工作时需要布置多个电极，在隧道中受施工现场空间的限制，很少采用。
检索文献1“公路隧道施工超前地质预报技术方法研究现状综述”，原载杂志“公路交通科技”，2005，22(9)126～128，136；作者张志龙，王兰生，王跃飞。
2“隧道及地下工程超前地质预报技术”，原载杂志“隧道建设”，2005，25(3)9～11；作者齐传生。
3“TSP2003地质超前预报系统简介及其应用”，原载杂志“铁道工程学报”，2004，(4)27～30；作者史柏生。
4“地质雷达在公路隧道短期地质超前预报中的应用”，原载杂志“岩土力学”，2003，24(增1)154～157；作者吴俊，毛海和，应松等。
以上这些地球物理方法都是一种间断性的超前探测方法，无法现场获得探测前方的地质情况，信号分析难度大，结果存在多解性，常采用的措施是多种方法结合使用，但这样又大大增加了超前预报费用。
发明内容
本发明的目的是提出一种网络化的隧道实时连续超前预报方法及装置，通过这种方法，可以实时连续探测预报前方的地质情况，对含水体等危险地质体实时报警，并将检测结果通过网络实时上传到远程控制中心，实现远程监控和决策。
本发明的技术本发明的网络化的隧道实时连续超前预报方法包括电极探测数据的采集和处理，具体步骤如下(1)根据现场施工具体情况，采用隧道外、隧道内壁或工作面现场的金属件分别布置无穷远测量电极B、屏蔽电极A1和主电极A0，并用电缆与现场主机相连；
(2)现场主机通过屏蔽电极A1和主电极A0与无穷远测量电极B形成的回路以时间域或频率域工作模式同步发射不同电压同极性的脉冲电流，同时接收主电极的电信号，经处理和A/D转换为数字信号，输入到主机中央处理单元；(3)现场主机中央处理单元计算探测目标体的视电阻率和视激发极化率；(4)根据步骤(3)中计算的视电阻率和视激发极化率与预置的多种目标体的视电阻率和视激发极化率的数值范围相比较，以视电阻率和视激发极化率共同落入的范围区域来识别目标体对象并可视化显示和报警。
所述的网络化的隧道实时连续超前预报方法，由步骤(3)所得的视电阻率和视激发极化率计算视介电常数，与预置的多种目标体的视介电常数的数值范围相比较，确定初选目标体范围，然后在初选目标体范围内，按步骤(4)方法识别目标体对象。
所述的网络化的隧道实时连续超前预报方法，现场主机通过屏蔽电极和主电极同步发射脉冲电流的同时，通过主电极同步接收电信号，记录充电与放电的全过程。
所述的网络化的隧道实时连续超前预报方法，现场主机与远程监控中心通过网络接口传送数据和指令。
用于所述方法的网络化的隧道实时连续超前预报装置，包括电极系和现场主机，电极系包括屏蔽电极A1、主电极A0、无穷远测量电极B，三类电极均采用现场的金属件，主电极A0和屏蔽电极A1与无穷远测量电极B形成闭环电路，屏蔽电极与主电极的位置关系是，将电极垂直投影到探测方向平面上时，屏蔽电极包围主电极。
所述的网络化的隧道实时连续超前预报装置，屏蔽电极A1采用隧道内壁的钢拱或锚杆；主电极A0采用掘进机头、钻孔台车、钻杆或锚杆；无穷远测量电极B采用隧道外或隧道内的锚杆或金属杆件。
所述的网络化的隧道实时连续超前预报装置，现场主机包括与屏蔽电极连接的屏蔽电极脉冲电流发射模块、与主电极连接的主电极脉冲电流发射模块和主电极接收模块，同步电路的输出端与主电极脉冲电流发射模块和屏蔽电极脉冲电流发射模块的输入端及数据采集模块的控制输入端连接，同步电路的输入端经过接口电路与系统总线连接；主电极接收模块的输出端经过放大衰减电路和A/D转换模块与系统总线连接，系统总线与中央处理单元连接。
系统总线还与网络接口和显示与报警电路连接。
发明的有益效果应用本发明可以实现隧道实时连续超前探测和预报。相比于现有的超前预报设备，本发明的有益效果主要表现在(1)屏蔽电极、主电极和无穷远测量电极直接采用隧道内现有的材料，因此不需要任何激震和钻孔，不增加任何额外的工程量，简单易行；可灵活调整电极位置，改变探测范围和提高探测准确率；隧道掘进过程同时也是探测过程，可实现连续探测，同时逐步逼近探测预报的目标体，预报的准确性和可靠性可不断提高，并逐渐验证预报结果。
(2)设置屏蔽电极及其脉冲电流发射控制器、主电极及其脉冲电流发射控制器和接收控制器，可灵活调整屏蔽电极和主电极的发射电压和供电电流，提高测量电流聚焦效果和探测预报准确率；灵活调整发射频率，实现时间域工作模式或频率域工作模式。
(3)利用视电阻率、视激发极化率和视介电常数等三个参数综合判定探测目标体，可提高判定准确率。
(4)屏蔽电极脉冲电流发射控制模块和主电极脉冲电流发射控制模块同步工作，有利于测量电流的稳定和聚焦；同步接收主电极电信号，可以完整记录系统的充电过程和放电过程。
(5)通过网络和软件系统，将探测现场与远程监控中心的连接，可实现数据实时共享和远程专家诊断，有利于专家及时根据现场情况调整系统工作参数或工作模式，提高探测预报准确率；有利于决策者优化隧道掘进和支护措施，采取预防措施，提高安全性和工作效率，节约成本。
图1是本发明装置硬件系统逻辑框图。
图2是现场探测电极布置原理示意图。
图3系统工作过程流程图。
图4现场软件工作流程图。
具体实施例方式参照图1、图2、图3和图4，说明本发明实施例的系统组成、硬件逻辑和工作流程。
图1中，现场采集与报警系统主要由电极系1和现场主机2组成，电极系1包括屏蔽电极A1、主电极A0和无穷远测量电极B，根据现场支护方式和施工工艺的不同，屏蔽电极A1可以采用隧道内壁的钢拱或锚杆，主电极A0可采用掘进机头、钻孔台车、钻杆或锚杆，无穷远测量电极B可采用隧道外或隧道内的锚杆或金属杆件。
现场主机2包括内置的屏蔽电极脉冲电流发射控制模块3、主电极脉冲电流发射控制模块4、主电极接收模块5、电极地6、数据采集处理模块7、中央处理单元8和电源接口9。
中央处理单元8包括中央处理器，如高性能的单片机微处理器(MCU)、数字信号处理芯片(DSP)或中央控制器(CPU)等；中央处理器的输入端与系统总线连接，中央处理器的输出与存储器、键盘鼠标、显示与打印电路、网络接口等连接。
数据采集处理模块7包括同步电路、I/O接口电路、放大衰减电路和A/D转换模块，一路I/O接口电路连接同步电路和系统总线，同步电路输出端与屏蔽电极脉冲电流发射模块3和主电极脉冲电流发射模块4的输入端及数据采集模块的控制输入端连接，控制电极系同步发射脉冲电流和采集模块同步采集电信号，一路I/O接口电路连接放大衰减电路和系统总线，控制信号的放大和衰减。
主电极接收模块的输出端经过放大衰减电路和A/D转换模块与系统总线连接，系统总线与中央处理单元连接。
屏蔽电极A1通过电缆与屏蔽电极脉冲电流发射控制模块3连接，主电极A0通过电缆与主电极脉冲电流发射控制模块4连接，无穷远测量电极B与主机内的电极地6连接。
本实施例的电极布置示意图如图2，探测方向为掘进工作方向，主电极A0连接到现场掘进台车的掘进头，屏蔽电极A1连接到现场支护的钢拱架，无穷远测量电极B连接到隧道外的接地锚杆，屏蔽电极A1和主电极A0分别与无穷远测量电极B形成闭环电路，屏蔽电极与主电极的位置关系是，将电极垂直投影到探测方向平面上时，屏蔽电极包围主电极。屏蔽电极A1发射的屏蔽电流使由主电极A0发射的测量电流聚焦到探测面前方。
在现场主机的控制下，屏蔽电极脉冲电流发射模块3和主电极脉冲电流发射模块4以时间域方式同步发射不同电压同极性脉冲电流，主电极接收模块5接收电信号经放大/衰减后，由数据采集模块7同步转换为数字信号，输入到微机系统处理分析。测量分析结果实时存储在现场主机内。远程终端通过网络接口与现场主机1相连，实现远程信息共享和监控。
主电极可以布置在工作面上，以对工作面前方进行探测；也可以布置在隧道内侧壁上，对隧道两侧进行探测。根据探测范围和精度，可灵活调整电极的位置。
整个系统工作过程如图3所示，现场探测预报软件流程如图4所示。在进行现场测试前，根据现场施工具体情况，在隧道外侧、隧道内侧壁或工作面分别布置无穷远测量电极B、屏蔽电极A1和主电极A0，并将电缆与现场主机相连。测试时，首先获取该地质条件下的背景参数，通过系统调试设置系统工作参数，系统参数包括屏蔽电极A1和主电极A0的供电电压和供电电流，时间域工作模式下的供电时间和放电时间，频率域工作模式下的脉冲频率和脉冲宽度等，同步启动电流发射和信号采集，探测预报软件自动计算视电阻率、视激发极化率和视介电常数，将计算的视介电常数与预置的不同目标的视介电常数范围相比较，初步判定探测目标体的类型，然后将计算的视激发极化率和视电阻率与预置的不同目标的视激发极化率和视电阻率范围相比较，最后识别目标体。若探测前方有含水体则报警，有其他危险地质体则突出显示。在进入报警模块的同时，实时显示视电阻率、视激发极化率和视介电常数曲线，并在相应距离形象表示探测目标的性质。系统保存实测数据和分析结果。查询是否有网络指令，若有网络指令，则判定是上传数据指令还是继续探测指令，若继续探测，则判定是否需要改变工作模式或调整工作参数，并根据指令执行相应操作。
远程监控与分析系统首先查看现场工作状态，若为实时探测预报状态，则发送指令，获取现场实测数据，否则可读取已保存的数据，并图形显示。对实测数据可二次分析、保存或打印结果，也可根据远程决策者的会诊结果对现场工作进程实施控制。
权利要求
1.一种网络化的隧道实时连续超前预报方法，包括电极探测数据的采集和处理，其特征在于具体步骤如下(1)根据现场施工具体情况，采用隧道外、隧道内壁或工作面现场的金属件分别布置无穷远测量电极B、屏蔽电极A1和主电极A0，并用电缆与现场主机相连；(2)现场主机通过屏蔽电极A1和主电极A0与无穷远测量电极B形成的回路以时间域或频率域工作模式同步发射不同电压同极性的脉冲电流，同时接收主电极的电信号，经处理和A/D转换为数字信号，输入到主机中央处理单元；(3)现场主机中央处理单元计算探测目标体的视电阻率和视激发极化率；(4)根据(3)中计算的视电阻率和视激发极化率与预置的多种目标体的视电阻率和视激发极化率的数值范围相比较，以视电阻率和视激发极化率共同落入的范围区域来识别目标体对象并可视化显示和报警。
2.根据权利要求1所述的网络化的隧道实时连续超前预报方法，其特征在于由第(3)步所得的视电阻率和视激发极化率计算视介电常数，与预置的多种目标体的视介电常数的数值范围相比较，确定初选目标体范围，然后在初选目标体范围内，按第(4)步方法识别目标体对象。
3.根据权利要求1或2所述的网络化的隧道实时连续超前预报方法，其特征在于现场主机通过屏蔽电极和主电极同步发射脉冲电流的同时，通过主电极同步接收电信号，记录充电与放电的全过程。
4.根据权利要求1或2或3所述的网络化的隧道实时连续超前预报方法，其特征在于现场主机与远程监控中心通过网络接口传送数据和指令。
5.一种用于权利要求1所述方法的一种网络化的隧道实时连续超前预报装置，包括电极系和现场主机，其特征在于电极系包括屏蔽电极A1、主电极A0、无穷远测量电极B，三类电极均采用现场的金属件，主电极A0和屏蔽电极A1与无穷远测量电极B形成闭环电路，屏蔽电极与主电极的位置关系是，将电极垂直投影到探测方向平面上时，屏蔽电极包围主电极。
6.根据权利要求5所述的网络化的隧道实时连续超前预报装置，其特征在于屏蔽电极A1采用隧道内壁的钢拱或锚杆；主电极A0采用掘进机头、钻孔台车、钻杆或锚杆；无穷远测量电极B采用隧道外或隧道内的锚杆或金属杆件。
7.根据权利要求5或6所述的网络化的隧道实时连续超前预报装置，其特征在于现场主机包括与屏蔽电极连接的屏蔽电极脉冲电流发射模块、与主电极连接的主电极脉冲电流发射模块和主电极接收模块，同步电路的输出端与主电极脉冲电流发射模块和屏蔽电极脉冲电流发射模块的输入端及数据采集模块的控制输入端连接，同步电路的输入端经过接口电路与系统总线连接；主电极接收模块的输出端经过放大衰减电路和A/D转换模块与系统总线连接，系统总线与中央处理单元连接。
8.根据权利要求7所述的网络化的隧道实时连续超前预报装置，其特征在于系统总线与网络接口、显示与报警电路连接。
全文摘要
本发明公开一种网络化的隧道实时连续超前预报方法及装置，步骤如下(1)根据现场施工具体情况，采用隧道外、隧道内壁或工作面现场的金属件分别布置无穷远测量电极B、屏蔽电极A
文档编号G01V3/00GK1904644SQ20061001994
公开日2007年1月31日 申请日期2006年8月8日 优先权日2006年8月8日
发明者刘春生, 夏代林, 孟红霞, 刘小娟, 刘峻江 申请人:武汉长盛工程检测技术开发有限公司