一种无线控传加速度传感器的隧道超前预报系统及方法与流程

本发明涉及隧道地质超前预报技术领域，具体涉及一种无线控传加速度传感器的隧道超前预报系统及方法。

背景技术：

我国是世界上隧道和地下工程最多、发展速度最快、地质及结构形式最复杂的国家。随着经济的发展公路、铁路建设的重点已转移到山岭重丘地区，隧道工程繁多，隧道施工中的施工地质预报关系到工程的安全、质量和进度。特别是在地质条件复杂的隧道工程中，有必要进行施工地质预报工作在地质构造复杂的地区，如断层带、褶皱、节理裂隙发育、地下水丰富等围岩状态下进行隧道掘进施工，存在着极大地安全隐患。为保证在地质条件复杂条件下的隧道施工质量和施工安全，尤其是对些一些重大、超长隧道及输水隧洞等重点控制工程而言，隧道地质超前预报工作就显得尤为重要。隧道地质超前预报可以及时掌握和反馈隧道地质条件信息，调整和优化隧道设计参数、防护措施，为优化隧道施工组织、制定施工安全应急预案提供依据。

隧道地质超前预报通常包括常规地质分析法、物探法、超前钻探、超前导坑和工程类比法等。宏观地质分析法，可预报断层、岩溶等不良地质体的赋存范围，为物探方法选择提供依据，但预报精度和准确性有限；然而，以地震波反射法为代表的物探方法(隧道地质预报方法)由于具有预报距离远(100～200m)、测量精度高、施工干扰小及连续性的无损探测等特点，已成为隧道掘进前方工程地质条件的主要预报方法。但是该相关核心技术均掌握在国外相关企业，对于国内的隧道地质超前预报起到了制约作用。

因此，开展基于地震波反射法的隧道地质超前预报关键技术研发，对于推动隧道信息化施工，确保隧道安全生产具有十分重要的意义。

技术实现要素：

基于上述现有技术，本发明提供了一种无线控传加速度传感器的隧道超前预报系统及方法，该方法利用该系统进行地质预报，简单易操作，且稳定可靠。

实现本发明上述目的所采取的技术方案为：

一种无线控传加速度传感器的隧道超前预报系统，包括mems加速度检波器、无线数据采集传输终端、无线触发终端、触发装置、人工震源击锤、无线数据接收控制终端和上位机，人工震源击锤、触发装置和无线触发终端依次连接，mems加速度检波器有多对，无线数据采集传输终端与mems加速度检波器的个数相同，每个mems加速度检波器连接一个无线数据采集传输终端，无线数据接收控制终端与上位机连接，无线触发终端分别与各无线数据采集传输终端无线连接，无线触发终端与无线数据接收控制终端无线连接，各无线数据采集传输终端与无线数据接收控制终端无线连接。

一种基于无线控传加速度传感器的隧道超前预报系统的隧道超前预报方法，包括如下步骤：

1、在隧道内等间距布设多个断面，在各断面的两侧对称布设一对mems加速度检波器，在隧道靠近掌子面的两侧等间距对称布设多对震源；

2、将各mems加速度检波器上固定一个无线数据采集传输终端，并将各mems加速度检波器与固定在其上的无线数据采集传输终端连接，将人工震源击锤、触发装置和无线触发终端依次连接，并将触发装置和无线触发终端固定在人工震源击锤上，将无线数据接收控制终端与上位机连接，并将上位机和无线数据接收控制终端置于隧道内相应位置处；

3、操作上位机通过数据接收控制终端向触发终端和数据采集传输终端无线发布工作指令，触发终端和数据采集传输终端收到工作指令后，将自动从“待机状态”转为“工作状态”；

4、用人工震源击锤激发其中的一个震源产生地震波，激发地震波的同时，无线触发终端在工作指令规定的时间段内，实时采集回路触发装置的当前状态，准确获取震源产生地震波时刻的触发信号，将触发信号无线发往各数据采集传输终端，各数据采集传输终端在工作指令规定的时间段内，实时采集记录对应的mems加速度检波器获得的地震波信号，数据采集结束后，无线触发终端自主开启传输模式，将记录的触发数据打包无线传输给数据接收控制终端，各无线数据采集传输自主开启传输模式，将记录的触发数据打包无线传输给数据接收控制终端，数据接收控制终端在线接收各无线触发终端无线传输来的触发信号、各数据采集传输终端无线传输来的地震波数据，自动存储于上位机的数据管理软件的内部数据库中；

5、重复步骤2.3-2.4，进行激发下一个震源产生地震波的测量工作；

6、全部测量工作结束后，测量人员在上位机上通过数据管理软件导出全部数据，将数据导入数据分析软件，进行数据处理、分析，直接读取成果数据。

与现有技术相比，本发明的优点与有益效果在于：

1、本发明实现了触发、数据采集传输的全无线模式。

2、本发明隧道定位方法简便，以掌子面为参照，仅需要测量相对坐标。

3、利用该方法进行地质预报，不仅简单易操作，而且预报结果科学、准确可靠。

附图说明

图1为无线控传加速度传感器的隧道超前预报系统工作流程示意图。

图2为无线控传加速度传感器的隧道超前预报系统及震源在隧道内的布设示意图。

图3为某隧道利用本发明的隧道超前预报系统及方法进行预报的成果图。

图4为某隧道实际开挖的现场图。

1-人工震源击锤、2-触发装置(脉冲激励模块)、3-无线触发终端(bm100b模块)、4-无线数据采集传输终端(zm5161p2-2czigbee模块)、5-mems加速度检波器(adxl355加速度传感器)、6-无线数据接收控制终端(zigbee3.0–targethwplatforms)、7-上位机、8-震源、9-掌子面、10-隧道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的无线控传加速度传感器的隧道超前预报系统进行详细说明。

本发明提供的无线控传加速度传感器的隧道超前预报系统包括mems加速度检波器5、无线数据采集传输终端4、无线触发终端3、触发装置2、人工震源击锤1、无线数据接收控制终端6和上位机，mems加速度检波器5有多对，无线数据采集传输终端4与mems加速度检波器5的个数相同，如图1所示，人工震源击锤1、触发装置2和无线触发终端3依次连接，每个mems加速度检波器5连接一个无线数据采集传输终端6，无线数据接收控制终端6与上位机7连接，无线触发终端分别与各无线数据采集传输终端无线连接，无线触发终端与无线数据接收控制终端无线连接，各无线数据采集传输终端与无线数据接收控制终端无线连接。

下面结合上述的隧道超前预报系统对本发明的无线控传加速度传感器的隧道超前预报方法进行详细说明。

一种无线控传加速度传感器的隧道超前预报方法，其步骤是：

1、如图2所示，在隧道10内等间距布设多个断面，在各断面的两侧对称布设一对mems加速度检波器5，在隧道靠近掌子面9的两侧等间距对称布设多对震源8；

2、将各mems加速度检波器上固定一个无线数据采集传输终端，并将各mems加速度检波器与固定在其上的无线数据采集传输终端连接，将人工震源击锤、触发装置和无线触发终端依次连接，并将触发装置和无线触发终端固定在人工震源击锤上，将无线数据接收控制终端与上位机连接，并将上位机和无线数据接收控制终端置于隧道内相应位置处；

3、操作上位机通过数据接收控制终端向触发终端和数据采集传输终端无线发布工作指令，触发终端和数据采集传输终端收到工作指令后，将自动从“待机状态”转为“工作状态”；

4、用人工震源击锤激发离掌子面最近的一对震源中的一震源产生地震波，激发地震波的同时，无线触发终端在工作指令规定的时间段内，实时采集回路触发装置的当前状态，准确获取震源产生地震波时刻的触发信号，将触发信号无线发往各数据采集传输终端，各数据采集传输终端在工作指令规定的时间段内，实时采集记录对应的mems加速度检波器获得的地震波信号，数据采集结束后，无线触发终端自主开启传输模式，将记录的触发数据打包无线传输给数据接收控制终端，各无线数据采集传输自主开启传输模式，将记录的地震波数据打包无线传输给数据接收控制终端，数据接收控制终端在线接收触发终端无线传输来的触发信号、各数据采集传输终端无线传输来的地震波数据，自动存储于上位机的数据管理软件的内部数据库中；

5、重复步骤3-4，进行激发离掌子面最近的一对震源中的另一震源产生地震波的测量工作；

6、重复步骤5，进行激发下一对震源(以掌子面为基准，从掌子面到洞口的方向依次激发各对震源)产生地震波的测量工作；

7、全部测量工作结束后，测量人员在上位机上通过数据采集软件将全部数据导出上位机界面，以seg-y格式导出全部数据；

8、将数据导入数据分析软件，进行数据处理、分析，直接读取成果数据。

具体应用实例：

某隧道右线里程yk61+850～yk61+750段围岩按照上述方法进行地质预报，结果如下：

该段围岩按照上述方法进行探测预报，其结果如图3所示，结合现场地质调查推断，综合推测yk61+850～yk61+750段围岩地质情况如下：

1、yk61+850～yk61+800段，长50m，推测该段围岩为薄～厚层状中风化灰岩，围岩纵波速度为3.96～4.34km/s，波速较高，变化较大，节理、裂隙较发育，岩体较破碎，岩溶发育，该段存在岩溶管道，推测其在yk61+850～yk61+840段与隧道近于平行，沿隧道左侧轮廓线附近一带发育，并在yk61+840～yk61+820段与隧道斜交，受岩溶发育影响，围岩较破碎，地下水较发育，水量受降雨控制，暴雨后会出现涌水；围岩自稳能力较差，隧道开挖拱部易掉块，综合判断，该段围岩级别为ⅳ级偏弱。

2、yk61+800～yk61+750段，长50m，推测该段围岩为薄～厚层状微风化灰岩，围岩纵波速度为3.76～4.24km/s，波速较高，变化较大，推测该段裂隙、溶隙(穴)较发育，岩体较破碎；地下水较发育，洞室渗水或滴水；围岩自稳能力较差，隧道开挖拱部极易掉块，综合判断，该段围岩级别为ⅳ级。

随后，该隧道从大里程向小里程方向掘进至yk61+850，掌子面围岩地质情况如下：

该段围岩实际开挖后，其地质情况如图4所示，根据图4可以看出：

该段围岩为三叠系下统嘉陵江组(t1j)薄～中厚层状中风化灰岩，岩层较陡，层理较发育，层间结合较差，岩层产状为345°∠45°；节理、裂隙较发育，岩体较破碎，呈裂隙块状结构；岩溶发育，掌子面左下脚(右拱脚)发育一条岩溶管道，管道呈狭长型，洞口处宽约2m，高约4m，洞底填充碎(砾)粘土，管道底低于隧道上台阶底约2.5m，可见长约15m，尽头处沿管道壁见地下水流，且向前方管道呈渐高和渐宽趋势。

由上述可知，预报结果与实际开挖情况吻合。