[發明專利]基于孔中攝像與單孔聲波的工程綜合測孔系統與方法

有效

• 申請號: 201610439801.7
• 申請日: 2016-06-16
• 公開（公告）號: CN106154350B
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發明（設計）人: 劉斌;陳磊;李術才;許新驥;宋杰;王瑞睿;李銘;劉征宇;王健
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01V11/00
• 分類號: G01V11/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司37221
• 代理人: 張勇

技術領域

本發明涉及一種基于孔中攝像與單孔聲波的工程綜合測孔系統與方法。

背景技術

由于國民經濟的快速發展，我國現在已經成為世界上隧道建設規模和難度最大的國家，在未來10年，鐵路公路領域將新建隧道上萬公里，在60多個重點水電工程和數十個調水工程中將修建數百條深長隧洞，交通網路也會由東部向西部縱深發展，表現出“標準高、線路長、規模大、橋隧比高、深長隧道多”的鮮明特點。有些隧道工程埋深上千米甚至超過2000m，加之斷層、溶洞、破碎巖體等不良地質體具有較強的隱蔽性，給地質勘察工作帶來巨大困難。由于施工前勘察設計精度的限制和地質條件的復雜性，難以準確查明隧道前方不良地質體的規模、范圍和性質。在隧道開挖過程中采用有效的超前地質預報方法，能夠保證施工快速、高效與安全的施工，其中地質鉆探技術是最為準確的探測方法。

現有的超前地質鉆探法使用超前地質鉆機在隧道斷面的若干個部位進行鉆探，依據鉆孔揭露的巖土結構、構造及水文地質情況判定前方巖體的性質。在工程地質、水文地質、地質找礦、巖土工程等工作中，大都需要通過采取巖芯來獲得較準確的地質資料。但若工程區遇到地質狀況較復雜情況時，則會難以取得完整巖芯，為解決此類問題，在利用鉆孔的基礎上，研究者們已研究并開發出了相應的鉆孔探測儀。現有的孔中探測技術中，較為成熟的方法主要有孔中電視儀(Borehole televiewer)、鉆孔彈模儀(Elasticity modulus of borehole)、鉆孔剪切儀(Borehole shear test)、鉆孔聲波儀(Sonic wave testing in borehole)等。同時，為縮短探測時間以及提高單一鉆孔探測效率，一批學者進行了綜合測孔儀器的研究。如《一種數字聲波和變密度綜合測井儀》200920034959.1提出了一種數字聲波和變密度綜合測井儀,其既可以進行聲波時差法測井,又可以對固井質量進行測井；《小口徑電磁流量綜合測井儀》201310175751.2公開了一種小口徑電磁流量綜合測井儀，包括井下電磁流量測井儀和地面測控系統等。但在隧洞掌子面前方地質探測時，主要是對掌子面前方巖體的質量情況進行探測，鉆孔聲波儀與孔中電視儀是隧道中常用且重要的兩種方法。中國科學院武漢巖土力學研究所提出了《巖體工程無線遙控綜合測孔機器人》，該技術方法可同時完成鉆孔攝像和聲波測試，采用無線控制機器人進行數據測量，但是由于無線電波在鉆孔中的傳播距離極為受限，會影響其機器人探測的距離，同時，未進行全孔充水則難以使聲波換能器較好的耦合，影響聲波探測的結果。除此以外，未見孔中電視與鉆孔聲波的綜合測孔技術。

孔中電視成像采用特殊光學成像技術，可對各類水平或垂直的管孔(如：抽心樁鉆孔、混凝土澆筑質量檢測孔、大壩質量檢測孔、大壩裂縫、滲漏檢測孔、灌漿孔等)、鉆孔壁進行360度全方位觀測，還可用于水下建筑物檢測。孔中聲波的原理是聲波在不同介質中傳播時，速度、幅度及頻率的變化等聲學特性也不相同。聲波測孔就是利用巖石的這些聲學性質來研究鉆孔的地質剖面，判斷巖體質量的一種測孔方法。若能夠將這兩種技術方法綜合起來，在實際探測工作中能夠大大提高探測的精度，縮短探測時間，保障工程施工安全。但是由于孔中電視與鉆孔聲波探測對探測環境及技術要求的特殊性，直接將兩種進行方法進行組合是不現實的，存在多個尚待解決的關鍵問題。經過對現有的測控儀器進行研究，主要有以下幾個問題：

(一)目前的孔中攝像儀與單孔聲波儀器都為單一的方法，在技術設備上暫未形成一個一體化的綜合測孔儀器，在探測過程中若要采用兩種方法分別進行測量時會占據大量的時間，影響項目的具體施工；為提高探測效率，并減少探測儀器設備數量，亟需提出一種適用于隧道施工現場環境的綜合測孔儀器；

(二)由于鉆孔聲波探測需要用水耦合，在綜合測孔中需充水。雖然現有的孔中電視系統全部擬采用密封及抽真空的方式進行探頭內部的處理，但隨著使用時間的增加，探頭內會進入的空氣，包含了大量的水蒸氣，在探測過程，通常孔中水體的溫度要遠遠低于綜合測孔儀器探頭內部的氣溫，造成探頭高強度透光玻璃的內表面產生大量霧氣，造成探測成像效果差，不能真實的再現孔壁的圖像。所以亟需一種能夠實時根據需求清理探頭透光玻璃霧氣的技術方法；