專利名稱：隧道突水超前預測裝置及預測方法
技術領域：
本發明涉及一種地球物理勘探儀器及探測方法，尤其利用核磁共振地下水探測裝置進行隧道突水超前預報。
背景技術：
在隧道工程施工過程中，例如公路、鐵路等隧道掘進中經常會遇到突水問題，輕則影響施工進度，重則造成隧道淹沒、設備損毀甚至人員傷亡。采取有效的探測方法和儀器， 對解決隧道突水問題能起到至關重要的作用。目前具有的隧道突水超前預報技術主要有地質觀測法根據隧道內外地質調查結果，分析確定隧道施工掌子面前方地質體導、儲水的可能性。該方法在相當程度上依賴于實施預報人員的經驗及其對隧道址區工程地質條件的掌握程度；探孔法是一種直接探水的方法，對于基巖裂隙水效果明顯。但對巖溶水、與地表水有直接聯系的導水性能極好的斷層破碎帶涌水有較大的鉆孔涌水危險；紅外探水法利用地下水體產生的紅外輻射場異常進行水體探測，對圍巖巖體是否含水有效，但不能確定含水量的大小，且受隧道內施工干擾影響大；視電阻率法利用水體和巖體電阻率差異，判斷是否可能有水和水體輪廓。但對于視電阻率參數與水差別不大的淤泥等地質體卻難以區分；瞬變電磁法向工作面前方發射一束脈沖電磁場(稱為一次場)，并在一次場間隙期間，利用接收探頭測量前方目標體感應的渦流場變化。這種變化主要取決于目標體的電阻率和極化率。這種方法同樣不能區分電阻率和極化率參數與水差別不大的淤泥等地質體；地震法利用地震探測設備激發一個人工地震波，波信號在隧道周圍巖體內傳播， 當遇到巖石波阻抗差異界面(巖石強度發生變化、地層層面、節理面)時，特別是斷層破碎帶界面和溶洞、暗河、巖溶、淤泥帶等不良地質界面時，一部分地震信號被反射回來，一部分信號透射進入前方介質，反射的地震信號將被探測設備的檢波器接收。根據返回信號數據的延遲時間、強度和方向，通過軟件處理，便可了解隧道工作面前方地質體的性質(軟性巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等)和位置及規模。由此推斷出有可能的含水構造。可見，這種方法是根據推算出的地質構造預測含水構造的，不能作出是否肯定含水的結論；聲波探測法利用掘進機械切割巖石所激發的聲波信號的同步信號檢測器，檢測工作面前方經巖體反射回來的反射聲波信號，經過分析計算，推斷前方的地質構造，判斷可能的含水構造。該方法也是一種間接判斷法，不能直接定位地下水體；溫差法一般情況下，隨著埋深的加大，地面以下巖體的溫度越來越高。但地下水體及其在巖體中的循環流動，會降低(常規水體)或提高(地下熱水流)水體周邊一定范圍的巖體的溫度。利用這一現象，通過測量隧道內溫度的變化，預測前方可能的含水體。但不能準確得到潛在水體的含水量大小等重要的參數。這些方法多數都是通過勘查含水構造及層位來對含水體是否存在進行判斷的，是間接的測量方法，不能準確得到潛在水體的含水量大小等重要的參數。而利用核磁共振方法探測地下水是一種直接的探測方法。潘玉玲、張昌達編著《地面核磁共振找水理論和方法》O000. 8，武漢，中國地質大學出版社ISBN 7-5625-1551-4)介紹了一種法國產的核磁共振找水儀，由發射系統、信號接收系統、微機控制與記錄系統等部分組成。其有益效果為可以直接探測150米深度以內的地下水。理論上，只要有水的存在，就會產生核磁共振信號。但是這種核磁共振信號能否被測到，取決于探測儀器的探測靈敏度高低。水體規模越大，距離越近，信號就越強，也就容易被探測到，而這樣的潛在水體也就容易對掘進工程構成損害。就目前可以達到的探測靈敏度而言，可以對工程造成上述影響規模和距離的水體是可以被測到的。
發明內容
本發明的目的就在于針對上述現有技術的不足提供一種隧道突水超前預測裝置及預測方法。本發明的目的通過以下技術方案實現的隧道突水超前預測裝置，是由計算機1經串口總線11、高壓電源4和發射橋路5 與多匝線圈10的一端連接，計算機1經串口總線12、STC89C54主控芯片2的P3. 0、P3. 1、 P4. 0、發射驅動電路3、發射橋路5和配諧電容9與多匝線圈10的另一端連接，主控芯片2 通過控制線16連接保護開關8，計算機1經串口總線連接放大電路6和保護開關8，保護開關8的兩端與收發一體多匝線圈10的兩端連接，放大電路6與采集電路7連接，計算機1 通過串口總線14與采集電路7連接構成。隧道突水超前預測方法，包括以下順序和步驟a、將收發一體多匝線圈10置于掌子面上；b、計算機1通過控制高壓電源4的電壓值來調整發射橋路5的激發電流；c、STC89C54主控制芯片2產生20ms-30ms，頻率為fC1的信號，其中頻率fQ = Y Β0/2 π = 0.04258XΒ。，其中B。為當地地磁場強度，γ為旋磁比，水的旋磁比值為、=( 2. 675221 士0. 00000081) X IOiV1T-1,通過發射驅動電路3對發射橋路5進行驅動；d、高壓電源4產生的輸出電壓對配諧電容9和收發一體多匝線圈10加入 20ms-30ms的發射電流，激發工作面前方的潛在水體；e、激發時，STC89CM主控芯片2控制保護開關8，使它處在斷開狀態，對放大電路 6進行保護，激發結束后，經過20ms-30ms的間隙時間，STC89C54主控芯片2控制保護開關 8，使它處在閉合狀態，將收發一體多匝線圈10中所感應的信號通過保護開關8送入放大器 6 ；f、放大電路6對微弱的核磁共振信號放大后送到采集電路7，主控芯片2控制采集電路7的開始采集時間和結束采集時間，采集電路7通過A/D轉換器將放大器6輸出的模擬信號轉換成數字信號后送至計算機1，對數據進行顯示和存儲；g、由計算機1對所存儲的數據進行濾波處理，然后利用核磁共振隧道突水超前預測反演軟件進行水文地質解釋，將所采集到的核磁共振信號的初始振幅、衰減時間解釋成含水率和孔隙度，將激發電流的大小解釋成探測深度，進而給出掌子面前方地質體的含水率及潛在水體的賦存狀態。有益效果本發明應用核磁共振地下水探測技術，采用收發一體多匝矩形或方形線圈，將線圈置于隧道施工掌子面，探測掌子面附近的潛在含水體。本發明相對于其它勘探方法直接有效，有效預報在隧道施工掘進過程中的突水等地質災害的發生。
附圖1是隧道突水超前預測裝置結構框圖。附圖2是附圖1中收發一體多匝線圈10的結構圖附圖3是隧道突水超前預測裝置在長松嶺隧道的實驗測試結果圖1計算機，2主控芯片，3發射驅動電路，4高壓電源，5發射橋路，6放大電路，7采集電路，8保護開關，9配諧電容，10收發一體多匝線圈，11、12、13、14為串口總線，15、16為控制線。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例作進一步的詳細說明隧道突水超前預測裝置，是由計算機1經串口總線11、高壓電源4和發射橋路5 與多匝線圈10的一端連接，計算機1經串口總線12、STC89C54主控芯片2的P3. 0、P3. 1、 P4. 0、發射驅動電路3、發射橋路5和配諧電容9與多匝線圈10的一端連接，發射橋路5與收發一體多匝線圈10的另一端連接，STC89C54主控芯片2通過控制線16連接保護開關8， 計算機1經串口總線連接放大電路6和保護開關8，保護開關8的兩端與收發一體多匝線圈 10的兩端連接，放大電路6與采集電路7連接，計算機1通過串口總線14與采集電路7連接構成。隧道突水超前預測方法，包括以下順序和步驟a、將收發一體多匝線圈10置于掌子面上；b、計算機1通過控制高壓電源4的電壓值來調整發射橋路5的激發電流；c、STC89C54主控制芯片2產生20ms-30ms，頻率為fQ的信號，其中頻率fQ= γ Β0/2 π =0.04258XΒ。，其中B。為當地地磁場強度，γ為旋磁比，水的旋磁比值為Y = (2. 67522128 士 0. 00000081) X IO8s-1T-1,通過發射驅動電路3對發射橋路5進行驅動；d、高壓電源4產生的輸出電壓對配諧電容9和收發一體多匝線圈10加入 20ms-30ms的發射電流，激發工作面前方的潛在水體；e、激發時，STC89CM主控芯片2控制保護開關8，使它處在斷開狀態，對放大電路 6進行保護，激發結束后，經過20ms-30ms的間隙時間，STC89C54主控芯片2控制保護開關 8，使它處在閉合狀態，將收發一體多匝線圈10中所感應的信號通過保護開關8送入放大器 6 ；f、放大器電路6對微弱的核磁共振信號放大后送到采集電路7，STC89C54主控芯片2控制采集電路7的開始采集時間和結束采集時間，采集電路7通過A/D轉換器將放大器6輸出的模擬信號轉換成數字信號后送至計算機1，對數據進行顯示和存儲；g、由計算機1對所存儲的數據進行濾波處理，然后利用核磁共振隧道突水超前預測反演軟件進行水文地質解釋，將所采集到的核磁共振信號的初始振幅、衰減時間解釋成含水率和孔隙度，將激發電流的大小解釋成探測深度，進而給出掌子面前方地質體的含水狀況及潛在水體的賦存狀態。發射通過計算機1將需要充電的電壓值輸出給高壓電源4，當高壓電源4的電源達到計算機1設定的電壓值時，充電完成。同時由高壓電源4傳輸給計算機1一個充電完成指令。STC89CM主控芯片2產生當地拉莫爾頻率的發射方波，發射方波經過發射驅動電路3驅動后控制發射橋路5，高壓電源4產生需要的電壓給發射橋路5進行供電。發射橋路5連接配諧電容9以及收發一體多匝線圈10。配諧電容9和收發一體多匝線圈10構成 LC串聯諧振，收發一體多匝線圈10上產生高壓交變電流，產生交變磁場，激發工作面前方的含水體。接收根據核磁共振探測原理，在激發含水體后撤去激發場，含水體中的氫質子會產生弛豫效應，收發一體多匝線圈10接收到一個呈衰減趨勢變化的電信號。收發一體多匝線圈10接收到的信號通過開關8進入到放大電路6，該放大電路包含對接收信號的調理。 信號經過濾波放大后進入到采集電路7，采集電路7將放大電路6輸出的模擬信號轉換為數字信號，然后傳輸給計算機1。實施例1 選擇探測工作面，將收發一體多匝線圈10借助于固定支架安置在掌子面上。計算機1控制高壓電源部分4，選擇輸出的電壓值。進而改變收發一體多匝線圈10的激發電流的大小。由于收發一體多匝線圈10內通入的電流可以產生一個激發的磁場，激發磁場的強度不同，所超前探測的深度就隨之改變，通過改變激發電流激發前方的潛在水體。STC89C54主控芯片2產生20毫秒的激發頻率信號，通過發射驅動電路3對發射橋路5進行驅動。高壓電源部分4產生的輸出電壓對配諧電容9和多匝發射/接收線圈10 加入20毫秒的發射電流，激發掌子面前方的潛在水體。在激發時，STC89C54主控芯片2控制保護開關8，使它處在斷開狀態，對放大電路6 進行保護。激發結束后，經過20毫秒，STC89CM主控芯片2控制保護開關8，使它處在閉合狀態，將多匝發射/接收線圈10中所產生的信號通過保護開關送入放大器電路6。放大電路6對微弱的信號放大后，將信號送到采集電路7，STC89CM主控芯片2控制采集電路7的開始采集時間與結束采集時間，采集電路2通過A/D轉換器將放大器6輸出的模擬信號轉換成數字信號，將轉換后得到的數據送至計算機1，對數據進行顯示和存儲。計算機1對所存儲的數據進行水文地質解釋。將存儲的核磁共振信號進行處理，然后對其進行數據解釋， 將所采集到的核磁共振信號的初始振幅解釋成含水率，將所采集到的核磁共振信號的衰減時間解釋成孔隙度，發射電流值與發射時間解釋成水體與掌子面的距離。進而給出掌子面前方地質體中潛在水體的含水量及其賦存狀態。實施例2 選擇探測工作面，將收發一體多匝線圈10借助于固定支架安置在掌子面上。計算機1控制高壓電源部分4，選擇輸出的電壓值。進而改變收發一體多匝線圈10的激發電流的大小。由于收發一體多匝線圈10內通入的電流可以產生一個激發的磁場，激發磁場的強度不同，所超前探測的深度就隨之改變，通過改變激發電流激發前方的潛在水體。STC89C54主控芯片2產生30毫秒的激發頻率信號，通過發射驅動電路3對發射橋路5進行驅動。高壓電源部分4產生的輸出電壓對配諧電容9和多匝發射/接收線圈10加入30毫秒的發射電流，激發掌子面前方的潛在水體。在激發時，STC89CM主控芯片2 控制保護開關8，使它處在斷開狀態，對放大電路6進行保護。激發結束后，經過30毫秒， STC89C54主控芯片2控制保護開關8，使它處在閉合狀態，將多匝發射/接收線圈10中所產生的信號通過保護開關送入放大器電路6。放大電路6對微弱的信號放大后，將信號送到采集電路7，STC89CM主控芯片2控制采集電路7的開始采集時間與結束采集時間，采集電路2通過A/D轉換器將放大器6輸出的模擬信號轉換成數字信號，將轉換后得到的數據送至計算機1，對數據進行顯示和存儲。計算機1對所存儲的數據進行水文地質解釋，將存儲的核磁共振信號進行處理，然后對其進行數據解釋，將所采集到的核磁共振信號的初始振幅解釋成含水率，將所采集到的核磁共振信號的衰減時間解釋成孔隙度，發射電流值與發射時間解釋成水體與掌子面的距離。進而給出掌子面前方地質體中潛在水體的含水量及其賦存狀態。
權利要求
1.一種隧道突水超前預測裝置，其特征在于，計算機(1)經串口總線(11)、高壓電源 ⑷和發射橋路(5)與多匝線圈(10)的一端連接，計算機⑴經串口總線(12)主控芯片 O)、發射驅動電路(3)、發射橋路(5)和配諧電容(9)與多匝線圈(10)的另一端連接，主控芯片⑵通過控制線(16)連接保護開關(8)，計算機⑴經串口總線(13)連接放大電路 (6)和保護開關(8)，保護開關(8)的兩端與收發一體多匝線圈(10)的兩端連接，放大電路 (6)與采集電路(7)連接，計算機⑴通過串口總線(14)與采集電路(7)連接構成。
2.按照權利要求1所述的隧道突水超前預測方法，其特征在于，包括以下順序和步驟a、將收發一體多匝線圈(10)置于掌子面上；b、計算機1通過控制高壓電源4的電壓值來調整發射橋路5的激發電流；C、主控制芯片⑵產生20ms-30ms，頻率為fQ的信號，其中頻率fQ= Y Β0/2 π = 0.04258XB。，其中B。為當地地磁場強度，、為旋磁比，水的旋磁比值為Y = (2. 67522128 士 0. 00000081) X Kffr1，通過發射驅動電路C3)對發射橋路( 進行驅動；d、高壓電源4產生的輸出電壓對配諧電容(9)和收發一體多匝線圈(10)加入 20ms-30ms的發射電流，激發工作面前方的潛在水體；e、激發時，主控制芯片(2)控制保護開關(8)，使它處在斷開狀態，對放大電路(6)進行保護，激發結束后，經過20ms-30ms的間隙時間，主控制芯片(2)控制保護開關(8)，使它處在閉合狀態，將收發一體多匝線圈(10)中所感應的信號通過保護開關(8)送入放大器 (6)；f、放大器電路(6)對微弱的核磁共振信號放大后送到采集電路(7)，主控芯片(2)控制采集電路(7)的開始采集時間和結束采集時間，采集電路(7)通過A/D轉換器將放大器 (6)輸出的模擬信號轉換成數字信號后送至計算機(1)，對數據進行顯示和存儲；g、由計算機1對所存儲的數據進行濾波處理，然后利用核磁共振隧道突水超前預測反演軟件進行水文地質解釋，將所采集到的核磁共振信號的初始振幅、衰減時間解釋成含水率和孔隙度，將激發電流的大小和時間解釋成探測深度，進而給出掌子面前方地質體的含水狀況及潛在水體的賦存狀態。
全文摘要
本發明涉及一種基于核磁共振地下水探測方法的隧道突水超前預測裝置及預測方法。收發一體多匝矩形或方形線圈，平行于掌子面布設，計算機控制高壓電源，主控芯片通過驅動電路驅動發射橋路，產生激發磁場。放大電路將核磁共振信號放大后送到采集電路，采集電路通過A/D轉換器將放大器輸出的模擬信號轉換成數字信號后送至計算機，對數據進行顯示和存儲和濾波處理，通過軟件進行水文地質解釋，將所采集到的核磁共振信號的初始振幅、衰減時間解釋成含水率和孔隙度，將激發電流的大小解釋成探測深度，進而給出掌子面前方地質體的含水率及潛在水體的賦存狀態。本發明相對于其它勘探方法更直接有效，能有效的預報在隧道施工過程中的突水等地質災害的發生。
文檔編號G01V3/14GK102262247SQ201110107100
公開日2011年11月30日 申請日期2011年4月28日 優先權日2011年4月28日
發明者孫淑琴, 龐博, 林君, 王應吉, 王建鵬, 蔣川東 申請人:吉林大學