一种用于地质构造三维定位的智能骨料及注浆系统和方法技术方案

技术编号:19445767 阅读:38 留言:0更新日期:2018-11-14 16:21
本发明专利技术为一种用于地质构造三维定位的智能骨料及注浆系统和方法,该智能骨料中掺入骨料式微型定位传感器节点,所述骨料式微型定位传感器节点包括骨料式微型定位传感器节点腔体、无线信号收发模块、电源模块和微处理控制单元模块,骨料式微型定位传感器节点腔体的外表面设有防水防尘层,无线信号收发模块、电源模块和微处理控制单元模块均集成于同一IC电路芯片上,该电路芯片嵌入于骨料式微型定位传感器节点腔体的内部;电源模块为整个电路芯片供电,微处理控制单元模块分别连接无线信号收发模块、电源模块。该系统和方法将定位传感器引入注浆工程中,通过随浆液运动的传感器真实运动轨迹来定位含导水构造三维坐标,进一步指导地下工程治理。

【技术实现步骤摘要】
一种用于地质构造三维定位的智能骨料及注浆系统和方法
本专利技术涉及一种用于地质构造三维定位的智能骨料及注浆系统和方法,属于无线通信领域。
技术介绍
在国家现代化建设战略的指导下,一大批公路铁路工程、水利水电工程、跨海交通工程、矿山矿井工程及城市轨道工程等重大基础工程项目陆续提上建设日程,这类工程在建设过程中经常穿越岩层,其中岩层岩体内存在大量裂隙、节理等地质构造,这些地质构造是岩层中地下水存储和运移的通道,破坏了岩石的整体性,在工程扰动下易诱发渗漏水、突涌水等工程灾害。国家基础工程建设黄金期的到来,为隧道等地下工程建设科技的进步带来了宝贵的机遇。但与此同时,复杂的地质条件和频发的地质灾害成为地下工程施工期所面临的巨大挑战。我国已成为世界上地下工程修建数量最多、规模最大、发展速度最快的国家。特别是随着水利水电工程与铁路公路工程的建设重心向复杂地形地质条件下的西部山区转移,涌现出一批具有“埋深大、洞线长、强岩溶发育、高水压、构造复杂、突水风险高、施工难度大”等显著特点的隧道。据统计,突水突泥灾害是隧道施工中的主要地质灾害之一,突涌水灾害隧道施工带来了巨大的经济损失、重大的人员伤亡和恶劣的社会影响,因此,含导水地质构造的探测与突涌水灾害的防治已经成为我国地下工程建设面临的关键科学技术难题。目前所采用的探测方法主要包括钻探和物探两类方法,其中钻探法存在有效距离近,信息获取少,仅具备“一孔之见”的探测效果,而物探方法包括多种手段,由近及远,具有良好的前景,但目前三维成像理论与方法尚处于起步阶段,其准确性和精确度都仍有长远道路要走。在地下水灾害治理中,含导水地质构造的探测和注浆治理是地下工程灾害的两个主要组成部分,其中注浆是将诸如水泥浆液、水泥水玻璃浆液、化学浆液等液体材料注入不良地质构造包括裂隙含水岩体、软弱砂土体等,起到封堵涌水和加固地层的目的。在裂隙岩体中,由于含导水构造空间发育发达、展布范围较大,常规浆液往往有效封堵涌水构造,骨料作为注浆材料中的添加成分,主要为软质或硬质颗粒,包括木屑、黄豆及聚氨酯颗粒等遇水膨化物质,在含导水构造中,起到充填含导水构造,提高封堵及加固地层效率的作用。本专利技术引入传感器系统,将传感器内置入骨料中,能够有效反馈含导水构造空间特征,解决了传统物探精细度不足问题,能够有效指导地下工程含导水构造灾害治理问题。
技术实现思路
针对上述问题,本专利技术拟解决的技术问题是,提供一种用于地质构造三维定位的智能骨料及注浆系统和方法。该智能骨料中设有无线接收模块,能用于智能定位。该系统和方法将定位传感器引入注浆工程中,通过随浆液运动的传感器真实运动轨迹来定位含导水构造三维坐标,达到进一步指导地下工程治理的目的。本专利技术可以解决含导水构造等不良地质的坐标定量识别问题,对隧道等地下工程施工期突涌水灾害的防治具有重要的理论意义和重大的应用价值。本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案是:一种用于地质构造三维定位的智能骨料,其特征在于该智能骨料中掺入骨料式微型定位传感器节点,所述骨料式微型定位传感器节点包括骨料式微型定位传感器节点腔体、无线信号收发模块、电源模块和微处理控制单元模块,骨料式微型定位传感器节点腔体的外表面设有防水防尘层,无线信号收发模块、电源模块和微处理控制单元模块均集成于同一IC电路芯片上,该电路芯片嵌入于骨料式微型定位传感器节点腔体的内部;电源模块为整个电路芯片供电,微处理控制单元模块分别连接无线信号收发模块、电源模块;无线信号收发模块与外部基站连接。一种用于地质构造三维定位的智能骨料注浆系统,其特征在于,该系统采用上述的智能骨料,包括定位基站网络、服务器和数据处理终端平台;骨料式微型定位传感器节点通过无线与定位基站网络连接,定位基站网络同时与服务器和数据处理终端平台连接;服务器同时连接数据处理终端平台,数据处理终端平台设有显示屏,数据处理终端平台中加载有监测数据优化程序;所述定位基站网络中基站的数量不少于3个。一种用于地质构造三维定位的智能骨料注浆方法,该方法采用上述的注浆系统,包括以下步骤:步骤一:在注浆过程中以骨料的形式向其中添加多个骨料式微型定位传感器节点,并随浆液进入地下空间及导水构造中;步骤二:远程激活全部骨料式微型定位传感器节点,以固定频率向外围基站网络主动发送无线脉冲信号,基站网络根据定位算法测算出各传感器节点的位置信息,并将各传感器节点位置信息的坐标数据上传至服务器;步骤三:利用数据处理终端平台,根据上述坐标数据绘制各传感器节点在完整注浆过程中的运动路径直至浆液达到初凝,拟合全部传感器节点运动路径,获得完整的注浆浆液扩散网络。与现有技术相比,本专利技术的有益效果为:本专利技术提出的微型定位传感器节点,其存在形式为骨料式,高度集成了无线信号收发模块、电源模块、微处理控制单元模块,封装成微型IC电路芯片,功能集中,功耗较低,满足注浆过程中定位任务的续航要求。且传感器节点体积较小与粗骨料粒径相当(如以球体为例,直径约为5mm~15mm,参考粗骨料粒径定义),将智能骨料注入浆液中不影响注浆效果。无线信号收发模块可以采用室内无线定位技术,辅以优化算法,可以获得毫米级的定位信息,从而拟合出更加真实的地下空间含导水构造空间展布特征。本专利技术注浆方法采用无线信号定位技术,将定位传感器嵌入为注浆骨料引入注浆工程中,能用于探查地下空间含导水构造的空间展布特征,突破地下空间实时精确定位技术,获得更加详备完善的地下空间含导水构造发育特征。本专利技术注浆系统中以无线信号的方式进行数据的传输,便于在现场搭建系,也简化了人工操作,更加便捷智能。数据处理终端平台包括远程向传感器节点发送激活和修改指令,优化处理监测数据提高监测数据的精度,以及以可视化的方式展现浆液的扩散路径,最终形成完整的地下空间含导水构造空间展布特征。附图说明图1为本专利技术中的骨料式微型定位传感器节点结构示意图;图2为本专利技术用于地质构造三维定位智能骨料注浆系统的结构示意图;图3为本专利技术的用于地质构造三维定位智能骨料注浆方法的示意图;图4为本专利技术中数据处理终端平台中监测数据优化程序的程序流程图;图中,骨料式微型定位传感器节点腔体1、无线信号收发模块2、电源模块3和微处理控制单元模块4、骨料式微型定位传感器节点5、定位基站网络6、服务器7、数据处理终端平台8。具体实施方式下面结合实施例及附图进一步解释本专利技术,但并不以此作为对本申请保护范围的限定。本专利技术用于地质构造三维定位的智能骨料,该智能骨料中掺入骨料式微型定位传感器节点,所述骨料式微型定位传感器节点包括骨料式微型定位传感器节点腔体1、无线信号收发模块2、电源模块3和微处理控制单元模块4,骨料式微型定位传感器节点腔体1的外表面设有工业级防水防尘层,无线信号收发模块2、电源模块3和微处理控制单元模块4均集成于同一IC电路芯片上,该电路芯片嵌入于骨料式微型定位传感器节点腔体1的内部;电源模块3为整个电路芯片供电,微处理控制单元模块4分别连接无线信号收发模块2、电源模块3;无线信号收发模块与外部基站连接。该智能骨料能随注浆浆液运动。无线信号收发模块2用于接收基站发送的控制指令,并向基站发送脉冲信号;电源模块用于提供IC电路芯片在完整工作周期内所需的电能;微处理控制单元模块4用于处理基站发送的控制指令,同时管理I本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种用于地质构造三维定位的智能骨料,其特征在于该智能骨料中掺入骨料式微型定位传感器节点,所述骨料式微型定位传感器节点包括骨料式微型定位传感器节点腔体、无线信号收发模块、电源模块和微处理控制单元模块,骨料式微型定位传感器节点腔体的外表面设有防水防尘层,无线信号收发模块、电源模块和微处理控制单元模块均集成于同一IC电路芯片上,该电路芯片嵌入于骨料式微型定位传感器节点腔体的内部;电源模块为整个电路芯片供电,微处理控制单元模块分别连接无线信号收发模块、电源模块;无线信号收发模块与外部基站连接。

【技术特征摘要】
1.一种用于地质构造三维定位的智能骨料,其特征在于该智能骨料中掺入骨料式微型定位传感器节点,所述骨料式微型定位传感器节点包括骨料式微型定位传感器节点腔体、无线信号收发模块、电源模块和微处理控制单元模块,骨料式微型定位传感器节点腔体的外表面设有防水防尘层,无线信号收发模块、电源模块和微处理控制单元模块均集成于同一IC电路芯片上,该电路芯片嵌入于骨料式微型定位传感器节点腔体的内部;电源模块为整个电路芯片供电,微处理控制单元模块分别连接无线信号收发模块、电源模块;无线信号收发模块与外部基站连接。2.根据权利要求1所述的用于地质构造三维定位的智能骨料,其特征在于,无线信号收发模块采用超声波、超宽带、射频信号工作频段,电源模块采用纽扣电池或超级电容。3.根据权利要求1所述的用于地质构造三维定位的智能骨料,其特征在于,无线信号收发模块为SKU03模块、WG223模块或NordicNRF8001模块;所述电源模块包括微型锂电池CG-320;微处理控制单元模块为意法半导体的STM32L32或TI的MSP430F5528。4.根据权利要求1所述的用于地质构造三维定位的智能骨料,其特征在于,传感器节点为直径不超过15mm的球型。5.根据权利要求1所述的用于地质构造三维定位的智能骨料,其特征在于,所述骨料式微型定位传感器节点腔体的材料为玻璃钢、聚碳酸脂或钛合金。6.一种用于地质构造三维定位的智能骨料注浆系统,其特征在于,该系统采用权利要求1-5任一所述的智能骨料,包括定位基站网络、服务器和数据处理终端平台;骨料式微型定位传感器节点通过无线与定位基站网络连接,定位基站网络同时与服务器和数据处理终端平台连接;服务器同时连接数据处理终端平台,数据处理终端平台设有显示屏,数据处理终端平台中加载有监测数据优化程序;所述定位...

【专利技术属性】
技术研发人员:马国伟孙子正董威闫晓张一鸣
申请(专利权)人:河北工业大学
类型:发明
国别省市:天津,12

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