超前地质预报传感器布设及耦合装置及方法与流程

本公开涉及一种超前地质预报传感器布设及耦合装置及方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在隧道与地下工程施工中需要运用地震波法、电磁波法和钻探等方法对掌子面前方围岩情况进行超前地质预报工作，并对其稳定性进行评价。

地下工程的超前地质预报工作是隧道施工的一项重要内容，它既是保证施工安全的必要手段，又是施工进度的重要保障，同时也是实现隧道与地下工程信息化施工不可缺少的环节。传统隧道与地下工程超前地质预报信息收集一般采用检波器收集方式，将检波器埋设到围岩中，然后进行数据的采集。传统方法存在一些共同的弊端，即受隧道与地下工程施工干扰较大，很容易造成施工阻碍。同时，检波器的布置安装以及检波器和围岩耦合与数据传输存在相当大的问题，检波器的布置困难且耗时长，检波器与围岩之间的相互耦合较差，对信号的采集效果有巨大的影响。如何完善和改进超前地质预报中检波器的布置方式和与围岩的相互耦合，是目前亟待解决的一个技术难题。

技术实现要素：

本公开为了解决上述问题，提出了一种超前地质预报传感器布设及耦合装置及方法，本公开能够完善和改进超前地质预报中检波器的布置方式和与围岩的相互耦合,解决了超前地质预报工作中检波器布置繁琐，检波器与围岩耦合性差的技术难题。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一种超前地质预报传感器布设及耦合装置，包括壳体，所述壳体上设置有：

静电吸附单元设置于壳体的边缘，通过静电吸附至岩石表面，使壳体固定于预设点上；

岩-器耦合单元被配置为设置有壳体中间，将数据采集定位传感器与围岩表面紧密耦合；

数据采集定位传感器，被配置为采集超前地质预报中所需要的信息数据，以及采集本装置在隧道及地下工程中的位置信息，并上传至数据无线传输单元；

数据无线传输单元，被配置为接收采集的检波器信息以及位置信息，将采集的信息进行通过无线传输技术传输至主机。

作为进一步的限定，所述静电吸附单元包括静电吸附控制器和静电吸盘，所述静电吸附控制器通过将直流电压经过增压及倍压处理，转化为高压静电形成静电磁场，通过静电吸盘对围岩进行静电吸附，所述静电吸盘为高频导体。

作为进一步的限定，所述静电吸盘的表面设置有薄膜，为氮化铝陶瓷覆膜或聚酰亚胺薄膜覆膜。

作为进一步的限定，所述静电吸盘为多个，圆周均匀设置于所述壳体的边沿。

作为进一步的限定，所述岩-器耦合单元，包括智能耦合器和耦合液存储仓，所述智能耦合器，通过压力感应模块控制数据采集定位传感器与围岩之间的压力使传感器和围岩紧紧贴合，所述耦合液存储仓，将耦合液均匀涂抹在传感器表面使传感器和围岩具有更好的耦合效果。

作为更进一步的限定，所述压力感应模块，包括表面压力计和弹簧压力塞，所述表面压力计，用来实时监测数据采集定位传感器表面与围岩之间的压力，表征传感器和围岩的耦合效果，所述弹簧压力塞布置在传感器后方，当表面压力计测量的压力小于预定值，启动弹簧压力塞给传感器贴合力使传感器和围岩表面紧紧贴合。

作为进一步的限定，所述数据无线传输单元，包括数据存储器和数据发射器，所述数据存储器收集采集传感器中的机械波信息和相对位置信息，并进行储存，所述数据发射器将数据存储器中收集到的机械波信息和相对位置信息通过无线传输技术将数据传输到主机中。

作为进一步的限定，所述数据采集定位传感器，包括加速度传感器和高精度gps定位传感器，所述加速度传感器与围岩表面紧密接触，并采集超前地质预报中所需要的机械波数据，所述高精度gps定位传感器采集本装置在隧道与地下工程中位置信息，提供超前地质预报数据处理中相对位置信息。

基于上述装置的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：使用时，将所述装置靠近掌子面固定点位，将开关打开，通过静电吸附单元固定在边墙；

步骤2：在边墙固定点位固定后，岩-器耦合单元自动启动，将数据采集定位传感器完全耦合到围岩表面；

步骤3：数据采集定位传感器完全耦合到围岩表面之后，控制无线传输系统发出指令，控制数据采集定位传感器开始采集相对位置数据和超前地质预报所需的波形数据；

步骤4：采集完所需数据后，通过无线传输系统将采集到的信息传输到主机；

步骤5：重复步骤1至步骤4，采集下一洞段数据。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开具有方便快捷、操作简单、实用有效的优点；

采用全自动静电吸附装置，具有全时全状态附岩功能，减少探测时传感器布设时间，提高了施工效率，在运行过程中数据采集定位系统可以实现实时高精度自动采集定位、数据无线传输存储。

本公开采用岩-器耦合装置，能够实现传感器和围岩表面的完美耦合，提高信号接收的有效性。以高精度数据采集定位传感器采集的数据为基础，对隧道前方不同的地质灾害进行实用有效的预报，指导隧道智能化高效安全施工。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本公开的的总体示意图；

其中，1.静电吸附单元，2.数据采集定位传感器，3.岩-器耦合单元，4.无线传输单元。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

正如背景技术所介绍的，传统方法存在一些共同的弊端，即受隧道与地下工程施工干扰较大，很容易造成施工阻碍。同时，检波器的布置安装以及检波器和围岩耦合与数据传输存在相当大的问题，检波器的布置困难且耗时长，检波器与围岩之间的相互耦合较差，对信号的采集效果有巨大的影响。为了解决上述问题，提出了一种适用于隧道与地下工程超前地质预报传感器布设及耦合装置及方法，本发明能够完善和改进超前地质预报中检波器的布置方式和与围岩的相互耦合,解决了超前地质预报工作中检波器布置繁琐，检波器与围岩耦合性差的技术难题。

该系统是根据隧道与地下工程监测信息化开发的一个全自动施工监测与信息管理系统，基于数据库管理系统运行，运用定位芯片感应自动测量技术为一体，具有专业自动预警功能。施工过程中该系统按相关频率要求自动进行数据采集、数据及时传输、服务器后台综合分析、自动进行预警，指导安全施工。本发明解决了隧道与地下工程监控量测人工测量时效性差，安全评价系统不规范的困难。

一种适用于隧道与地下工程超前地质预报传感器布设及耦合装置，包括数据采集定位传感器，数据无线传输单元，静电吸附单元和岩-器耦合单元，其中数据采集定位传感器被配置为采集超前地质预报中所需要的信息数据，以及采集本装置在隧道及地下工程中的位置信息，并上传至数据无线传输单元；数据无线传输单元被配置为接收采集的检波器信息以及位置信息，将采集的信息进行通过无线传输技术传输至主机；静电吸附单元被配置为将可以本装置在岩石表面固定，安装简单快捷，牢固可靠，并对围岩情况适应度高，适用范围较为广泛；岩-器耦合单元被配置为将数据采集定位传感器与围岩表面紧密耦合，改善数据采集中信号较弱，外部干扰较大等问题。

作为本发明的一种优选方案，所述数据采集定位传感器，包括加速度传感器和高精度gps定位传感器，所述加速度传感器与围岩表面紧密接触，并采集超前地质预报中所需要的机械波数据，所述高精度gps定位传感器采集本装置在隧道与地下工程中位置信息，提供超前地质预报数据处理中相对位置信息。

作为本发明的一种优选方案，所述数据无线传输单元，包括数据存储器和数据发射器，所述数据存储器收集采集传感器中的机械波信息和相对位置信息，并进行储存，所述数据发射器将数据存储器中收集到的机械波信息和相对位置信息通过无线传输技术将数据传输到主机中。

作为本发明的一种优选方案，所述静电吸附单元，包括静电吸附控制器和静电吸盘，所述静电吸附控制器通过将直流电压经过增压及倍压处理，转化为高压静电形成静电磁场，通过静电吸盘对围岩进行静电吸附，所述静电吸盘采用高频导体，表面采用特殊材质薄膜覆膜，保证输出稳定同时避免高压静电压尖锐击穿。

作为本发明的一种优选方案，所述静电吸盘表面薄膜材质为氮化铝陶瓷覆膜或聚酰亚胺薄膜覆膜。

作为本发明的一种优选方案，所述岩-器耦合单元，包括智能耦合器和耦合液存储仓，所述智能耦合器，通过压力感应模块控制传感器与围岩之间的压力使传感器和围岩紧紧贴合，所述耦合液存储仓，将耦合液均匀涂抹在传感器表面使传感器和围岩具有更好的耦合效果。

作为本发明的一种优选方案，所述压力感应模块，包括表面压力计和弹簧压力塞，所述表面压力计，用来实时监测传感器表面与围岩之间的压力，表征传感器和围岩的耦合效果，所述弹簧压力塞，布置在传感器后方，当表面压力计测量的压力小于预定值，启动弹簧压力塞给传感器贴合力使传感器和围岩表面紧紧贴合。

作为本发明的一种优选方案，测量时，所述传感器布设及耦合装置布置在预定点位，通过静电吸附装置将所述传感器固定在岩石表面，通过岩-器耦合单元将数据采集定位传感器固定耦合到围岩表面，进行数据的采集和隧道地下工程内相对位置的确定。

作为本发明的一种优选方案，测量完毕后，所述数据无线传输单元与据采集定位传感器联结通信，将测量数据存储并通过无线传输系统发送至主机。

作为本发明的一种优选方案，进一步的，静电吸盘分布在本装置底部，能够避免围岩凹凸不平致使吸附力不足导致传感器与围岩耦合效果不达标。

一种适用于隧道与地下工程超前地质预报传感器布设及耦合装置及方法，包括以下步骤：

步骤1：使用时，将所述装置靠近掌子面固定点位，将开关打开，通过(1)静电吸附装置固定在边墙；

步骤2：在边墙固定点位固定后，(2)岩-器耦合装置自动启动，将(3)传感器完全耦合到围岩表面；

步骤3：(3)传感器完全耦合到围岩表面之后，操作所述(4)无线传输系统发出指令，控制(3)数据采集定位传感器开始采集相对位置数据和超前地质预报所需的波形数据；

步骤4：采集完所需数据后，通过上述(4)无线传输系统将采集到的信息传输到主机；

步骤5：重复步骤1至步骤4，采集下一洞段数据。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。