基于爆破震源的隧道前方不良地质体超前预报系统及方法

摘要

本发明公开一种基于爆破震源的隧道前方不良地质体超前预报系统及方法，包括：采集装置，用于在预报循环中采集每个开挖循环内爆破震源处的地震波；传输装置，用于将地震波转换为数字信号后，由中继设备传输至无线覆盖区域，以在无线覆盖区域汇集各个爆破震源处的地震波数字信号，将地震波数字信号转换为模拟信号后传输至分析装置；分析装置，用于对地震波模拟信号基于临灾阀值辨识方法进行临灾判断，得到隧道前方不良地质体超前预报结果将掌子面爆破震源作为主动震源，通过无线检波器，采用相同检波器接收和多次激发进行采集的探测方式采集爆破地震波，通过无线传输将地震波传送到主机后进行地质灾害的临灾判识，达到地质灾害提前预警的目的。

权利要求

1.一种基于爆破震源的隧道前方不良地质体超前预报系统，其特征在于，包括：采集装置，用于在预报循环中采集每个开挖循环内爆破震源处的地震波；

传输装置，用于将地震波转换为数字信号后，由中继设备传输至无线覆盖区域，以在无线覆盖区域汇集各个爆破震源处的地震波数字信号，将地震波数字信号转换为模拟信号后传输至分析装置；

分析装置，用于对地震波模拟信号基于临灾阀值辨识方法进行临灾判断，得到隧道前方不良地质体超前预报结果；

其中，采用相同检波器接收和多次激发进行采集的探测方式采集爆破地震波；

所述采集装置包括无线耦合传感器，无线耦合传感器布设在掌子面后方；对所述无线耦合传感器利用高能电磁波穿透隧道结构进行蓄能；

所述传输装置包括MCU采集节点，在MCU采集节点处通过A/D转换器将地震波转换为数字信号，并传送给中继设备；

所述传输装置还包括无线远程基站，由无线远程基站将无线覆盖区域内的地震波数字信号进行汇集，并将地震波数字信号转换为地震波模拟信号；

在每个开挖循环内接收掏槽眼和周边眼时的爆破信号。

2.如权利要求1所述的一种基于爆破震源的隧道前方不良地质体超前预报系统，其特征在于，所述无线远程基站通过无线GPRS通讯技术将地震波模拟信号发送到分析装置。

3.如权利要求1所述的一种基于爆破震源的隧道前方不良地质体超前预报系统，其特征在于，在中继设备中设置通讯指示灯，通讯指示灯用于检验地震波数字信号是否正常传输。

4.如权利要求1所述的一种基于爆破震源的隧道前方不良地质体超前预报系统，其特征在于，在中继设备中设置上下行定向天线，用于增益传输信号的强度。

5.一种基于爆破震源的隧道前方不良地质体超前预报方法，基于如权利要求1‑4所述的一种基于爆破震源的隧道前方不良地质体超前预报系统，其特征在于，包括：在预报循环中采集每个开挖循环内爆破震源处的地震波；

将地震波转换为数字信号后，由中继设备传输至无线覆盖区域，以在无线覆盖区域汇集各个爆破震源处的地震波数字信号，将地震波数字信号转换为模拟信号后传输至分析装置；

对地震波模拟信号基于临灾阀值辨识方法进行临灾判断，得到隧道前方不良地质体超前预报结果。

说明书

基于爆破震源的隧道前方不良地质体超前预报系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及隧道开挖及超前地质预报技术领域，特别是涉及一种基于爆破震源的隧道前方不良地质体超前预报系统及方法。

背景技术

[0002] 本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

[0003] 隧道建设中突涌水、岩爆，塌方，大变形等事故频发，尤其在地质条件复杂的区域，往往造成严重的人员伤亡和财产损失。为了减少隧道开挖过程中的事故发生，保障隧道建设工程安全，因此提前探明隧道掌子面前方不良地质体的位置、形态、规模、性质，在灾害易发段进行重点监测并及时采取措施对于防灾减灾具有重要意义。

[0004] 目前，比较成熟的超前地质预报技术有TSP、SAP、HSP、TRT等。然而，传统的超前地质探测方法至少存在以下缺陷：传统探测方法需要占用施工过程中的单独一个环节，占用大量时间，且占据过多的隧道空间，严重耽误施工进程；传感器与主机之间多采用有线光缆连接，在深长隧道进行探测时，成本高昂；在进行探测装备布设时，需要大量的工作人员钻凿新的钻孔，难以保障施工人员的生命安全；仪器实用性不强且操作复杂，难以适用复杂的施工环境。

发明内容

[0005] 为了解决上述问题，本发明提出了一种基于爆破震源的隧道前方不良地质体超前预报系统及方法，将掌子面爆破震源作为主动震源，通过埋设在隧道边墙的无线检波器，采用相同检波器接收和多次激发进行采集的探测方式采集爆破地震波，通过无线传输技术将地震波传送到主机后进行地质灾害的临灾判识，达到地质灾害提前预警的目的。

[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0007] 第一方面，本发明提供一种基于爆破震源的隧道前方不良地质体超前预报系统，包括：

[0008] 采集装置，用于在预报循环中采集每个开挖循环内爆破震源处的地震波；

[0009] 传输装置，用于将地震波转换为数字信号后，由中继设备传输至无线覆盖区域，以在无线覆盖区域汇集各个爆破震源处的地震波数字信号，将地震波数字信号转换为模拟信号后传输至分析装置；

[0010] 分析装置，用于对地震波模拟信号基于临灾阀值辨识方法进行临灾判断，得到隧道前方不良地质体超前预报结果。

[0011] 第二方面，本发明提供一种基于爆破震源的隧道前方不良地质体超前预报方法，包括：

[0012] 在预报循环中采集每个开挖循环内爆破震源处的地震波；

[0013] 将地震波转换为数字信号后，由中继设备传输至无线覆盖区域，以在无线覆盖区域汇集各个爆破震源处的地震波数字信号，将地震波数字信号转换为模拟信号后传输至分析装置；

[0014] 对地震波模拟信号基于临灾阀值辨识方法进行临灾判断，得到隧道前方不良地质体超前预报结果。

[0015] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：

[0016] 本发明将爆破震源作为主动震源进行超前地质预报，实现施工‑探测一体化，不占用施工空间和工期，大大降低成本。

[0017] 本发明采用相同检波器接收和多次激发进行采集的探测方式，进一步提高探测效率。

[0018] 本发明利用远程无线传输技术实现数据的实时传输与远程传输，同时采用高能电磁波穿透隧道结构对无线传感器蓄能，实现隧道工程长寿命监测。

[0019] 本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0020] 构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

[0021] 图1为本发明实施例1提供的基于爆破震源的隧道前方不良地质体超前预报示意图；

[0022] 图2为本发明实施例1提供的预报循环示意图。具体实施方式：

[0023] 下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

[0024] 应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0025] 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发明的示例性实施方式。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，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

[0026] 在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

[0027] 实施例1

[0028] 如图1所示，本实施例提供一种基于爆破震源的隧道前方不良地质体超前预报系统，包括：

[0029] 采集装置，用于在预报循环中采集每个开挖循环内爆破震源处的地震波；

[0030] 传输装置，用于将地震波转换为数字信号后，由中继设备传输至无线覆盖区域，以在无线覆盖区域汇集各个爆破震源处的地震波数字信号，将地震波数字信号转换为模拟信号后传输至分析装置；

[0031] 分析装置，用于对地震波模拟信号基于临灾阀值辨识方法进行临灾判断，得到隧道前方不良地质体超前预报结果。

[0032] 在本实施例中，所述采集装置包括无线耦合传感器，布设在掌子面后方，可以同时监测位移、应力、应变等不同信息，以提高监测效率。

[0033] 在本实施例中，采用相同检波器接收和多次激发进行采集的探测方式，即利用相同的检波器接收每次激发后产生的地震波，在逐次爆破开挖循环中，探测不良地质体；具体为，如图2所示，在每个预报循环中包括50个开挖循环(100m)，在每个开挖循环中接收2次爆破信号，即掏槽眼和周边眼时的爆破信号，可以探测前方200m范围内的不良地质体。

[0034] 优选地，本实施例中将无线耦合传感器布设在掌子面后方50m处的隧道边墙上。

[0035] 优选地，考虑到隧道施工周期长，无线耦合传感器的待机时间应该尽可能长，故本实施例采用高能电磁波穿透隧道结构对无线耦合传感器蓄能，可实现无线耦合传感器长时间待机工作。

[0036] 优选地，高能电磁波穿透隧道结构对无线耦合传感器蓄能是指：采用无线补能的方式，利用高能电磁波穿过隧道混凝土衬砌结构，对埋在围岩里的传感器进行无线蓄能。

[0037] 在本实施例中，所述传输装置包括MCU采集节点、无线中继设备、无线远程基站；隧道掌子面爆破后，无线耦合传感器采集爆破产生的地震波信号，通过MCU采集节点将地震波转化为数字信号，并传送给无线中继设备；无线中继设备将地震波数字信号传输至有移动信号覆盖的无线覆盖区域，由无线远程基站将无线覆盖区域内的地震波数字信号进行汇集，利用转化器将地震波数字信号转换为地震波模拟信号。

[0038] 优选地，MCU采集节点工作过程为：由感知部件感知并获取前端采集装置的信息，由A/D转换器进行模数转换得到地震波数字信号，由微处理器对地震波数字信号进行存储、处理以及控制感知部件与通讯部件，由通讯部件将采集到的前兆信息以无线的方式传送到临近节点。

[0039] 由于远程无线传输是隧道突水突泥灾害远程监控预测预警系统的关键环节，隧道修建的地域、隧道埋藏在地下的隐蔽性、还有隧道施工过程中各种干扰等恶劣复杂工作环境决定了隧道洞内没有移动通讯信号的覆盖，这就限制传输过程无法像露天工程直接进行GPRS远程传输；所以，为了克服隧道特殊的监测环境难题，本实施例采用长短距离无线通信技术实现信号的实时远程无线传输；

[0040] 同时，隧道具有非直线、长距离、信号干扰多、无通讯信号覆盖等特点，在无法直接使用GPRS网关进行远程无线传输时，必须将采集到的地震波信息传输至有移动信号覆盖的地方，所以在保证信号强度、隧道复杂环境、传输距离等条件的制约下，本实施例增设中继设备负责信号的接收与转发。

[0041] 优选地，为了便于判断无线中继设备是否正常工作，在无线中继设备中设置通讯指示灯，当有数据发送的时候，通讯指示灯会进行闪烁，以此检验信号是否正常传输，同时增设上/下行定向天线增益传输信号的强度。

[0042] 优选地，基站是物联网远程无线传输层的核心部分，由iCivil‑M、防雨机箱、防雷、天线和配电等元件构成，其作用是完成数据的汇集和转发，即将隧道内传感器采集到的数据汇集起来，然后利用转化器将数字信号转换为模拟信号，最后基于无线GPRS通讯技术将地震波模拟信号发送到分析装置，即远程预警分析云平台中，最后由远程预警分析云平台基于临灾阀值辨识理论进行临灾判识，从而达到地质灾害提前预警的目的。

[0043] 在更多实施例中，还提供一种上述基于爆破震源的隧道前方不良地质体超前预报系统的预报方法，具体包括如下步骤：

[0044] 在预报循环中采集每个开挖循环内爆破震源处的地震波；

[0045] 将地震波转换为数字信号后，由中继设备传输至无线覆盖区域，以在无线覆盖区域汇集各个爆破震源处的地震波数字信号，将地震波数字信号转换为模拟信号后传输至分析装置；

[0046] 对地震波模拟信号基于临灾阀值辨识方法进行临灾判断，得到隧道前方不良地质体超前预报结果。

[0047] 将掌子面爆破震源作为主动震源，通过埋设在隧道边墙的无线检波器，采用相同检波器和接收多次激发进行采集的探测方式采集爆破地震波，以此进行临灾判识，从而达到地质灾害提前预警的目的。

[0048] 以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

[0049] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明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发明的保护范围以内。