專利名稱：網絡化的隧道實時連續超前預報方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種網絡化的隧道實時連續超前預報方法及裝置，屬于應用地球物理學電法探測技術領域，尤其涉及隧道掘進面前方及周邊含水體或其他不良地質體的電法超前探測與預報技術。
背景技術：
隧道施工超前預報是隧道施工地質工作最主要的任務，隧道超前預報的主要內容包括破碎帶、溶洞、地下水、煤系地層及其他不良地質體在掌子面前方和隧道周邊的出露位置和對施工的影響。
現有超前預報方法主要有工程地質調查法、超前水平鉆探法、超前導洞法和地球物理方法。工程地質調查法是隧道施工超前地質預報中使用最早的方法。該方法是通過調查與分析地表和隧道內的工程地質條件，了解隧道所處地段的地質結構特征，推斷前方的地質情況。這種預報方法在隧道埋深較淺、構造不太復雜的情況下有很高的準確性，但是在構造比較復雜地區和隧道深埋較大的情況下，該方法工作難度較大，準確性較差。超前水平鉆探法和超前導洞法是與隧道平行或沿隧道正洞軸線開挖超前導洞，直接探明前方的地質情況。這種方法準確率高，但費用昂貴。
地球物理方法中，用于隧道超前探測的方法主要有波法、溫度場法和電阻率法[1][2]。波法中使用較多的是地震波法中的TSP法[3](隧道地震波超前預報)和電磁波法中的地質雷達法[4]。TSP法一次預報的距離較長，對斷層破碎帶構造預報準確度較高，但工作時需要占用施工時間，對含水體反映不靈敏，信號易受干擾。地質雷達法對斷層破碎帶預報有較高的準確性，對巖溶預報有一定的準確性，但在隧道超前預報時，需要占用施工時間，預測的距離較短，在隧道內不方便布置，影響因素多，多用于地表探測；電阻率法中的高密度電法對含水構造判定較好，能預報斷層破碎帶，但工作時需要布置多個電極，在隧道中受施工現場空間的限制，很少采用。
檢索文獻1“公路隧道施工超前地質預報技術方法研究現狀綜述”，原載雜志“公路交通科技”，2005，22(9)126～128，136；作者張志龍，王蘭生，王躍飛。
2“隧道及地下工程超前地質預報技術”，原載雜志“隧道建設”，2005，25(3)9～11；作者齊傳生。
3“TSP2003地質超前預報系統簡介及其應用”，原載雜志“鐵道工程學報”，2004，(4)27～30；作者史柏生。
4“地質雷達在公路隧道短期地質超前預報中的應用”，原載雜志“巖土力學”，2003，24(增1)154～157；作者吳俊，毛海和，應松等。
以上這些地球物理方法都是一種間斷性的超前探測方法，無法現場獲得探測前方的地質情況，信號分析難度大，結果存在多解性，常采用的措施是多種方法結合使用，但這樣又大大增加了超前預報費用。
發明內容
本發明的目的是提出一種網絡化的隧道實時連續超前預報方法及裝置，通過這種方法，可以實時連續探測預報前方的地質情況，對含水體等危險地質體實時報警，并將檢測結果通過網絡實時上傳到遠程控制中心，實現遠程監控和決策。
本發明的技術本發明的網絡化的隧道實時連續超前預報方法包括電極探測數據的采集和處理，具體步驟如下(1)根據現場施工具體情況，采用隧道外、隧道內壁或工作面現場的金屬件分別布置無窮遠測量電極B、屏蔽電極A1和主電極A0，并用電纜與現場主機相連；
(2)現場主機通過屏蔽電極A1和主電極A0與無窮遠測量電極B形成的回路以時間域或頻率域工作模式同步發射不同電壓同極性的脈沖電流，同時接收主電極的電信號，經處理和A/D轉換為數字信號，輸入到主機中央處理單元；(3)現場主機中央處理單元計算探測目標體的視電阻率和視激發極化率；(4)根據步驟(3)中計算的視電阻率和視激發極化率與預置的多種目標體的視電阻率和視激發極化率的數值范圍相比較，以視電阻率和視激發極化率共同落入的范圍區域來識別目標體對象并可視化顯示和報警。
所述的網絡化的隧道實時連續超前預報方法，由步驟(3)所得的視電阻率和視激發極化率計算視介電常數，與預置的多種目標體的視介電常數的數值范圍相比較，確定初選目標體范圍，然后在初選目標體范圍內，按步驟(4)方法識別目標體對象。
所述的網絡化的隧道實時連續超前預報方法，現場主機通過屏蔽電極和主電極同步發射脈沖電流的同時，通過主電極同步接收電信號，記錄充電與放電的全過程。
所述的網絡化的隧道實時連續超前預報方法，現場主機與遠程監控中心通過網絡接口傳送數據和指令。
用于所述方法的網絡化的隧道實時連續超前預報裝置，包括電極系和現場主機，電極系包括屏蔽電極A1、主電極A0、無窮遠測量電極B，三類電極均采用現場的金屬件，主電極A0和屏蔽電極A1與無窮遠測量電極B形成閉環電路，屏蔽電極與主電極的位置關系是，將電極垂直投影到探測方向平面上時，屏蔽電極包圍主電極。
所述的網絡化的隧道實時連續超前預報裝置，屏蔽電極A1采用隧道內壁的鋼拱或錨桿；主電極A0采用掘進機頭、鉆孔臺車、鉆桿或錨桿；無窮遠測量電極B采用隧道外或隧道內的錨桿或金屬桿件。
所述的網絡化的隧道實時連續超前預報裝置，現場主機包括與屏蔽電極連接的屏蔽電極脈沖電流發射模塊、與主電極連接的主電極脈沖電流發射模塊和主電極接收模塊，同步電路的輸出端與主電極脈沖電流發射模塊和屏蔽電極脈沖電流發射模塊的輸入端及數據采集模塊的控制輸入端連接，同步電路的輸入端經過接口電路與系統總線連接；主電極接收模塊的輸出端經過放大衰減電路和A/D轉換模塊與系統總線連接，系統總線與中央處理單元連接。
系統總線還與網絡接口和顯示與報警電路連接。
發明的有益效果應用本發明可以實現隧道實時連續超前探測和預報。相比于現有的超前預報設備，本發明的有益效果主要表現在(1)屏蔽電極、主電極和無窮遠測量電極直接采用隧道內現有的材料，因此不需要任何激震和鉆孔，不增加任何額外的工程量，簡單易行；可靈活調整電極位置，改變探測范圍和提高探測準確率；隧道掘進過程同時也是探測過程，可實現連續探測，同時逐步逼近探測預報的目標體，預報的準確性和可靠性可不斷提高，并逐漸驗證預報結果。
(2)設置屏蔽電極及其脈沖電流發射控制器、主電極及其脈沖電流發射控制器和接收控制器，可靈活調整屏蔽電極和主電極的發射電壓和供電電流，提高測量電流聚焦效果和探測預報準確率；靈活調整發射頻率，實現時間域工作模式或頻率域工作模式。
(3)利用視電阻率、視激發極化率和視介電常數等三個參數綜合判定探測目標體，可提高判定準確率。
(4)屏蔽電極脈沖電流發射控制模塊和主電極脈沖電流發射控制模塊同步工作，有利于測量電流的穩定和聚焦；同步接收主電極電信號，可以完整記錄系統的充電過程和放電過程。
(5)通過網絡和軟件系統，將探測現場與遠程監控中心的連接，可實現數據實時共享和遠程專家診斷，有利于專家及時根據現場情況調整系統工作參數或工作模式，提高探測預報準確率；有利于決策者優化隧道掘進和支護措施，采取預防措施，提高安全性和工作效率，節約成本。
圖1是本發明裝置硬件系統邏輯框圖。
圖2是現場探測電極布置原理示意圖。
圖3系統工作過程流程圖。
圖4現場軟件工作流程圖。
具體實施例方式參照圖1、圖2、圖3和圖4，說明本發明實施例的系統組成、硬件邏輯和工作流程。
圖1中，現場采集與報警系統主要由電極系1和現場主機2組成，電極系1包括屏蔽電極A1、主電極A0和無窮遠測量電極B，根據現場支護方式和施工工藝的不同，屏蔽電極A1可以采用隧道內壁的鋼拱或錨桿，主電極A0可采用掘進機頭、鉆孔臺車、鉆桿或錨桿，無窮遠測量電極B可采用隧道外或隧道內的錨桿或金屬桿件。
現場主機2包括內置的屏蔽電極脈沖電流發射控制模塊3、主電極脈沖電流發射控制模塊4、主電極接收模塊5、電極地6、數據采集處理模塊7、中央處理單元8和電源接口9。
中央處理單元8包括中央處理器，如高性能的單片機微處理器(MCU)、數字信號處理芯片(DSP)或中央控制器(CPU)等；中央處理器的輸入端與系統總線連接，中央處理器的輸出與存儲器、鍵盤鼠標、顯示與打印電路、網絡接口等連接。
數據采集處理模塊7包括同步電路、I/O接口電路、放大衰減電路和A/D轉換模塊，一路I/O接口電路連接同步電路和系統總線，同步電路輸出端與屏蔽電極脈沖電流發射模塊3和主電極脈沖電流發射模塊4的輸入端及數據采集模塊的控制輸入端連接，控制電極系同步發射脈沖電流和采集模塊同步采集電信號，一路I/O接口電路連接放大衰減電路和系統總線，控制信號的放大和衰減。
主電極接收模塊的輸出端經過放大衰減電路和A/D轉換模塊與系統總線連接，系統總線與中央處理單元連接。
屏蔽電極A1通過電纜與屏蔽電極脈沖電流發射控制模塊3連接，主電極A0通過電纜與主電極脈沖電流發射控制模塊4連接，無窮遠測量電極B與主機內的電極地6連接。
本實施例的電極布置示意圖如圖2，探測方向為掘進工作方向，主電極A0連接到現場掘進臺車的掘進頭，屏蔽電極A1連接到現場支護的鋼拱架，無窮遠測量電極B連接到隧道外的接地錨桿，屏蔽電極A1和主電極A0分別與無窮遠測量電極B形成閉環電路，屏蔽電極與主電極的位置關系是，將電極垂直投影到探測方向平面上時，屏蔽電極包圍主電極。屏蔽電極A1發射的屏蔽電流使由主電極A0發射的測量電流聚焦到探測面前方。
在現場主機的控制下，屏蔽電極脈沖電流發射模塊3和主電極脈沖電流發射模塊4以時間域方式同步發射不同電壓同極性脈沖電流，主電極接收模塊5接收電信號經放大/衰減后，由數據采集模塊7同步轉換為數字信號，輸入到微機系統處理分析。測量分析結果實時存儲在現場主機內。遠程終端通過網絡接口與現場主機1相連，實現遠程信息共享和監控。
主電極可以布置在工作面上，以對工作面前方進行探測；也可以布置在隧道內側壁上，對隧道兩側進行探測。根據探測范圍和精度，可靈活調整電極的位置。
整個系統工作過程如圖3所示，現場探測預報軟件流程如圖4所示。在進行現場測試前，根據現場施工具體情況，在隧道外側、隧道內側壁或工作面分別布置無窮遠測量電極B、屏蔽電極A1和主電極A0，并將電纜與現場主機相連。測試時，首先獲取該地質條件下的背景參數，通過系統調試設置系統工作參數，系統參數包括屏蔽電極A1和主電極A0的供電電壓和供電電流，時間域工作模式下的供電時間和放電時間，頻率域工作模式下的脈沖頻率和脈沖寬度等，同步啟動電流發射和信號采集，探測預報軟件自動計算視電阻率、視激發極化率和視介電常數，將計算的視介電常數與預置的不同目標的視介電常數范圍相比較，初步判定探測目標體的類型，然后將計算的視激發極化率和視電阻率與預置的不同目標的視激發極化率和視電阻率范圍相比較，最后識別目標體。若探測前方有含水體則報警，有其他危險地質體則突出顯示。在進入報警模塊的同時，實時顯示視電阻率、視激發極化率和視介電常數曲線，并在相應距離形象表示探測目標的性質。系統保存實測數據和分析結果。查詢是否有網絡指令，若有網絡指令，則判定是上傳數據指令還是繼續探測指令，若繼續探測，則判定是否需要改變工作模式或調整工作參數，并根據指令執行相應操作。
遠程監控與分析系統首先查看現場工作狀態，若為實時探測預報狀態，則發送指令，獲取現場實測數據，否則可讀取已保存的數據，并圖形顯示。對實測數據可二次分析、保存或打印結果，也可根據遠程決策者的會診結果對現場工作進程實施控制。
權利要求
1.一種網絡化的隧道實時連續超前預報方法，包括電極探測數據的采集和處理，其特征在于具體步驟如下(1)根據現場施工具體情況，采用隧道外、隧道內壁或工作面現場的金屬件分別布置無窮遠測量電極B、屏蔽電極A1和主電極A0，并用電纜與現場主機相連；(2)現場主機通過屏蔽電極A1和主電極A0與無窮遠測量電極B形成的回路以時間域或頻率域工作模式同步發射不同電壓同極性的脈沖電流，同時接收主電極的電信號，經處理和A/D轉換為數字信號，輸入到主機中央處理單元；(3)現場主機中央處理單元計算探測目標體的視電阻率和視激發極化率；(4)根據(3)中計算的視電阻率和視激發極化率與預置的多種目標體的視電阻率和視激發極化率的數值范圍相比較，以視電阻率和視激發極化率共同落入的范圍區域來識別目標體對象并可視化顯示和報警。
2.根據權利要求1所述的網絡化的隧道實時連續超前預報方法，其特征在于由第(3)步所得的視電阻率和視激發極化率計算視介電常數，與預置的多種目標體的視介電常數的數值范圍相比較，確定初選目標體范圍，然后在初選目標體范圍內，按第(4)步方法識別目標體對象。
3.根據權利要求1或2所述的網絡化的隧道實時連續超前預報方法，其特征在于現場主機通過屏蔽電極和主電極同步發射脈沖電流的同時，通過主電極同步接收電信號，記錄充電與放電的全過程。
4.根據權利要求1或2或3所述的網絡化的隧道實時連續超前預報方法，其特征在于現場主機與遠程監控中心通過網絡接口傳送數據和指令。
5.一種用于權利要求1所述方法的一種網絡化的隧道實時連續超前預報裝置，包括電極系和現場主機，其特征在于電極系包括屏蔽電極A1、主電極A0、無窮遠測量電極B，三類電極均采用現場的金屬件，主電極A0和屏蔽電極A1與無窮遠測量電極B形成閉環電路，屏蔽電極與主電極的位置關系是，將電極垂直投影到探測方向平面上時，屏蔽電極包圍主電極。
6.根據權利要求5所述的網絡化的隧道實時連續超前預報裝置，其特征在于屏蔽電極A1采用隧道內壁的鋼拱或錨桿；主電極A0采用掘進機頭、鉆孔臺車、鉆桿或錨桿；無窮遠測量電極B采用隧道外或隧道內的錨桿或金屬桿件。
7.根據權利要求5或6所述的網絡化的隧道實時連續超前預報裝置，其特征在于現場主機包括與屏蔽電極連接的屏蔽電極脈沖電流發射模塊、與主電極連接的主電極脈沖電流發射模塊和主電極接收模塊，同步電路的輸出端與主電極脈沖電流發射模塊和屏蔽電極脈沖電流發射模塊的輸入端及數據采集模塊的控制輸入端連接，同步電路的輸入端經過接口電路與系統總線連接；主電極接收模塊的輸出端經過放大衰減電路和A/D轉換模塊與系統總線連接，系統總線與中央處理單元連接。
8.根據權利要求7所述的網絡化的隧道實時連續超前預報裝置，其特征在于系統總線與網絡接口、顯示與報警電路連接。
全文摘要
本發明公開一種網絡化的隧道實時連續超前預報方法及裝置，步驟如下(1)根據現場施工具體情況，采用隧道外、隧道內壁或工作面現場的金屬件分別布置無窮遠測量電極B、屏蔽電極A
文檔編號G01V3/00GK1904644SQ20061001994
公開日2007年1月31日 申請日期2006年8月8日 優先權日2006年8月8日
發明者劉春生, 夏代林, 孟紅霞, 劉小娟, 劉峻江 申請人:武漢長盛工程檢測技術開發有限公司