1、 摘要 . 5 ABSTRACT. 6 第一章 绪论 . 8 1.1 研究背景 . 8 1.2 论文安排 . 9 第二章 超前地质预报技术 . 11 2.1 常用超前 地质预报方法 . 11 2.2 含水层探测技术 . 12 2.2.1 常用的含水层探测技术 . 12 2.2.2 激发极化法 . 13 2.3 激电效应的基本理论 . 15 2.3.1 双电层理论 . 16 2.3.2 离子导体激电效应的机理 薄膜极化 . 16 2.4 基于二电流激发极化法的探测仪实现方案 . 18 第三章 二电流激发极化法探测系统设计 . 18 3.1 C8051F020 简介 . 18 3.2 发射机 .
2、20 3.2.1 直流恒流电源设计 . 20 3.2.2 单片机控制模块 . 21 3.2.3 测量接地电阻 . 22 3.3 接收机 . 23 3.3.1 单 MCU 模式 . 23 3.3.2 PC+MCU 模式 . 25 第四章 优化技术 . 26 4.1 信号采集 . 26 4.1.1 输 入信号的前级处理 . 26 4.1.2 自适应增益放大 . 27 4.2 系统实时性 . 30 4.2.1 发射机实时性 . 30 4.2.2 接收机实时性 . 30 4.3 数据在 CF 卡中的文件存取 . 33 4.3.1 FAT 文件系统 . 33 4.3.2 单片机实现 CF 卡中的 fat
3、 文件存取 . 36 4.4 信号提纯技术 . 46 4.4.1 去除电磁干扰 . 46 4.4.2 PID 调零去除极化干扰 . 49 4.4.3 小波变换去噪 . 54 第五章模型试验及现场应用 . 62 5.1 模型试验 . 62 5.2 现场试验 . 65 第六章 总结和展望 . 67 6.1 总结 . 67 6.2 展望 . 68 参考文献 . 69 致谢 . 74 攻读硕士期间参与的工程项目和发表的论文 . 75 CHINESE ABSTRACT . 5 ENGLISH ABSTRACT . 6 Chapter 1 Introduction . 8 1.1 Research Bac
4、kground . 8 1.2 Frame of Paper . 9 Chapter 2 Geological Prediction Techniques . 11 2.1 Conventional Geological Prediction Techniques . 11 2.2 Aquifer Prediction Techniques . 12 2.2.1 Conventional Prediction Techniques. 12 2.2.2 Introduced Polarization Method . 13 2.3 Introduced Polarization Effect .
5、 15 2.3.1 Theory of Electric Double Layer . 16 2.3.2 Ionic Conductor IP Effect Mechanism Membrane Polarization . 16 2.4 The Implementation of Detector Based on Two-current IP . 18 Chapter 3 The design of Detector system based on Two-current IP. 18 3.1 C8051F020 Overview . 18 3.2 Transmitter . 20 3.2
6、.1 DC Constant Current Source Design . 20 3.2.2 SCM Control Module . 21 3.2.3 Earthing Resistance Measurement . 22 3.3 Receiver . 23 3.3.1 Single MCU Mode . 23 3.3.2 PC+MCU Mode . 25 Chapter 4 Optimization Technique . 26 4.1 Acquisition of signal . 26 4.1.1 Input Signal Preprocessing . 26 4.1.2 Self
7、-adapting Gain Amplifier. 27 4.2 System Real-Time . 30 4.2.1 Transmitter Real-Time . 30 4.2.2 Receiver Real-Time . 30 4.3 Data File Access in CF Card . 33 4.3.1 FAT Filesystem. 33 4.3.2 Accessing FAT Filesystem in CF Card Using SCM . 36 4.4 Signal Purification Techniques . 46 4.4.1 Removing Electrom
8、agnetic Interference . 46 4.4.2 PID Zeroing to Remove Polarization Interference . 49 4.4.3 Wavelet Transform De-noising . 54 Chapter 5 Model Test and Field Application . 62 5.1 Model Test. 62 5.2 Field Application. 65 Chapter 6 Conclusion and Prospect . 67 6.1 Conclusion . 67 6.2 Prospect . 68 Refer
9、ence . 69 Acknowledgement . 74 Projects and Papers . 75 摘要 随着经济的发展， 深埋长大隧道建设越来越多，隧道施工过程中出现的涌水等地质灾害 也 越来越多。 这些灾害不但 会延误工期，造成巨大的直接和间接经济损失，还可能 会造成人员伤亡 。 因此，寻找到一种 能够 有效 地 预测隧道前方溶岩 地 质的方法并制作基于该方法的仪器， 已经越来越重要 。 二电流激发极化法 是 根据 含水构造对激发极化效应的影响来预测隧道前方的含水构造的。利用这种方法可以预测含水构造的存在、位置，甚至可以预测出含水量 的 多少。 因为仪器测量精度等原因，在此之前
10、该方法多限于理论研究，应用于实际的情况很少。 本论文的主要内容是设计和实现基于该方法的 隧道 涌水超前探测仪，对关键环节进行深入研究，并采用优化技术。 首先 ， 介绍了激发极化效应的概念和 二电流激发极化法 的机理，从理论上分析探测仪设计的有效性 ；其次 ， 介绍基于该方法 的 探测仪系统 的 设计方案、组织结构和各部分的功能，提纲挈领 地 从整体上把握系统的设计思路 ；再次，分别从硬件设计和软件设计两个层面上，对信号采集、传输、存取和提纯等环节深入研究，提出优化设计方案，采用了两级 50Hz陷波 、自适应增益放大、全中断数据流、 CF 卡上的 FAT 文件存取、基于 PID 算法的 两级 调
11、零和小波变换去噪等技术，提高了系统的稳定性、精确性、实时 性和使用灵活性，满足科研和实际应用的双重需要 ；最后， 利用 设计完成的 探测仪 进行模型试验和现场试验 ，对 试验 结果进行分析，进而 在 实践中证明了 仪器和 方法的有效性。 关键词： 二电流激发极化 法 ；小波变换； FAT 文件系统；自适应增益放大； 全中断数据流 ABSTRACT As the development of economy, more and more deep seated long tunnels are being constructed， so water inrush and other geolog
12、ical disasters are also increasing during the tunnel construction. These disasters not only delay the schedule, resulting in huge direct and indirect economic losses, but also may cause casualties. Therefore, finding an effective method to predict Karst Geology in front of the tunnel and making the
13、equipment based on this method have become increasingly important. Two-current IP method predicts water bearing structure in front of the tunnel, based on the effect of water bearing structure upon induced polarization. Using this method, we can predict the presence of moisture structure, the locati
14、on, and even predict the water content. Because of the instrument measurement accuracy and other reasons, this method is mostly limited to theoretical studies before, rarely applied to the actual situation. This paper is aimed to design and implement the tunnel water inrush advanced detector based o
15、n this method and to make thorough research and optimization to several key links. First of all, the induced polarization effect and the mechanism of Two-current IP method are introduced to analyze the effectiveness of this detector system theoretically; Second, introduce the design, the structure a
16、nd their functions of the detector system based on this method, so we can grasp design ideas of the whole system in general; from the two levels of hardware design and software design, make thorough research to acquisition of signal, delivery, access and purification and other key links, and propose
17、 optimal design techniques， such as two-stage 50Hz notch filtering, self-adapting gain amplifier, all interrupt delivery mechanism of data stream, access to data file from FAT filesystem in CF card, two-stage zeroing based on PID algorithm, wavelet transform de-noising technique and so on, to improv
18、e system stability, accuracy, real-time and use flexibility, satisfying the research and practical requirements; Finally, put the instrumentation based on the design to model test and field test, analyze the measuring result, and then prove the validity of the instrument and the method from practice
19、. Key words: two-current IP method； wavelet transform； FAT filesystem； self-adapting gain amplifier； all interrupt data stream 第一章 绪论 1.1 研究背景 我国是建成隧道最长、数量最大的国家，也是隧道穿越各种水文地质条件最复杂的国家，同时是隧道发展建设最多、最快的国家。而且 深埋、长距离地下 隧道 工程越来越多。 这类隧道由于其埋深大、洞程长，因而勘探过程中会遇到一系列方法技术难题。隧道周围一定范围内的岩溶洞穴及断层构造，都将对隧道施工产生安全隐患，严重时会在 施工
20、中产生坍塌或涌水，如果不 采用准确、快速的探测手段，在隧道施工中 的 勘查阶段对施工地区一定深度范围内的溶洞、断层、地下水等地质构造的赋存状态进行超前宏观预测，不仅会严重影响工程进展 , 增加工程造价 , 有时甚至会发生重大安全事故，对施工人员的生命安全及施工机械造成严重威胁 123。 地下工程突水突泥等灾害频繁发生，如宜万铁路野三关隧道 2007年 8月 5日发生特大涌水，死亡 10人；马鹿箐隧道 2006年 1月发生涌水，死亡 11人。 日本旧丹那隧道 1918年开工后曾 6次遇到大的突水，导致隧道至 1934年才建成； 清水隧道曾遇及 1.584 104m3/d的突水；大清水隧道曾遇及
21、1.20384 105m3/d的突水；青函隧道曾 4次遇到 1.152 105m3/d的突水，前后共死亡 34人，伤残 1300余人，经 5个多月才控制，总工期较计划推迟 10年之久；瑞士与意大利之间的辛普伦 1号隧道为控制山体压力及地下水，比原计划多花 5倍资金，时间推迟了 1.5年。总之，隧道突水、突泥给施工安全带来了重大灾难和无法估计的经济损失 45。 这些灾害的发生，主要是不能提前预知隧道前方含水体及其大小。 因此，隧道地质超前预报是隧道施工过程中必不 可少的一道工序。目前，在隧道超前探测领域，使用较多的有地震波法、超前钻孔法、声波法、红外探测法 ，激电法 等等，这些方法都有各自的缺陷
22、 ，因此隧道施工中要综合运用多种探测方法，提高预测的准确性 。而且目前还没有哪种方法能对隧道前方水体预报进行准确定位，更无法进行涌水量的估算；在岩溶裂隙水等不良地质实时预报方面还缺乏先进的科学预报方法和设备。 激发极化是发生在地质介质中，因外电流而引起介质内部出现电荷分离，产生一个附加电位的一种物理化学现象。激电法，就是根据不同的地质介质和地质构造产生的附加电位大小不同，充放电特性不 同的特点，来预测未知地质成分和结构的。激电法在找水、找矿中的运用已经普遍，但是在隧道超前探测中的运用还处于探索阶段。基于激发极化原理，有些人提出了利用 二电流激发极化法 探测水源并确定含水量的理论，使用这种方法既
23、可以判断含水构造 的有无 ，还可以确定含水构造的位置，甚至可以推断出含水量的大小。 新技术的发展和新理论的 提出为很多探测理论的证明和应用创造了条件。随着 微电子技术的发展，越来越多的高性能、高精度芯片应用于仪器仪表制造领域，它们提高了信号的采样精度和处理速度 。 越来越多好的 去噪方法被提出，例如各种小波变化去噪技 术， 它 能够兼顾频域和时域的双重分辨率，从而能够满足 对 采集信号 进行 各种去噪 处理 的 要求。 这些都为超前预测方法的证明和应用创造了条件。 本课题源自 山东大学信息学院和岩土中心合作的一个 863 项目 ，要求设计一个基于 二电流激发极化法 的具有较高精度、较高稳定度且
24、能满足科研需要的隧道涌水超前探测 仪系统 。 该探测 仪 系统即能用于隧道施工现场，又能用于科研 领域，因此具有很高的市场价值 和科研价值 。 本系统研发过程中，进行了大量的实验，包括数值模拟仿真实验，室内 试验 ，物理模型内的 试 验，以及在青岛海底隧道 、 锦屏国家二级水电站引水隧洞 等地的 现场试验 。通过总结 试验 中出现的问题，不断提高系统的稳定 性，现已经达到了 实 用水平。 1.2 论文安排 本文的主要工作是基于 二电流激发极化法 提出一种隧道涌水超前探测系统的设计方案，着重 阐述 接收机系统的 一系列优化设计。论文共分为九章，各章的内容如下： 第一章介绍该探测系统的研究背景。 包括地质探测理论的现状， 探测仪制造技术和信号去噪技术的发展，介绍介质的激发极化现象 以及基于这种现象的物探方法。激发极化现象是 二电流激发极化法 提出的 现实 基础 。 第二章 介绍常用的超前探测方法，分析它们的优缺点，介绍 激发极化法及其 原理 ，提出 二电流激发极化法 及其 实现方案。 第三章 介绍该探测仪系统的设计方案，对发射机、接收机下位机和接收机上位机结构、功能进行剖析。介绍 该 系统的总体设计框架 。 第四章 是本文的重点 ，分别 从信号的采集、传输、存取和提纯几个方面详细介绍系统的实现。正是这些环节采用的一些优化技术提高了系统的稳定性、精确性、实时性和易用性。 第 五 章
