[发明专利]基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统与方法。

背景技术

由于国民经济的快速发展，我国现在已经成为世界上隧道建设规模和难度最大的国家，在未来10年，铁路公路领域将新建隧道上万公里，在60多个重点水电工程和数十个调水工程中将修建数百条深长隧洞，交通网路也会由东部向西部纵深发展，表现出“标准高、线路长、规模大、桥隧比高、深长隧道多”的鲜明特点。有些隧道工程埋深上千米甚至超过2000m，加之断层、溶洞、破碎岩体等不良地质体具有较强的隐蔽性，给地质勘察工作带来巨大困难。由于施工前勘察设计精度的限制和地质条件的复杂性，难以准确查明隧道前方不良地质体的规模、范围和性质。在隧道开挖过程中采用有效的超前地质预报方法，能够保证施工快速、高效与安全的施工，其中地质钻探技术是最为准确的探测方法。

现有的超前地质钻探法使用超前地质钻机在隧道断面的若干个部位进行钻探，依据钻孔揭露的岩土结构、构造及水文地质情况判定前方岩体的性质。在工程地质、水文地质、地质找矿、岩土工程等工作中，大都需要通过采取岩芯来获得较准确的地质资料。但若工程区遇到地质状况较复杂情况时，则会难以取得完整岩芯，为解决此类问题，在利用钻孔的基础上，研究者们已研究并开发出了相应的钻孔探测仪。现有的孔中探测技术中，较为成熟的方法主要有孔中电视仪(Borehole televiewer)、钻孔弹模仪(Elasticity modulus of borehole)、钻孔剪切仪(Borehole shear test)、钻孔声波仪(Sonic wave testing in borehole)等。同时，为缩短探测时间以及提高单一钻孔探测效率，一批学者进行了综合测孔仪器的研究。如《一种数字声波和变密度综合测井仪》200920034959.1提出了一种数字声波和变密度综合测井仪,其既可以进行声波时差法测井,又可以对固井质量进行测井；《小口径电磁流量综合测井仪》201310175751.2公开了一种小口径电磁流量综合测井仪，包括井下电磁流量测井仪和地面测控系统等。但在隧洞掌子面前方地质探测时，主要是对掌子面前方岩体的质量情况进行探测，钻孔声波仪与孔中电视仪是隧道中常用且重要的两种方法。中国科学院武汉岩土力学研究所提出了《岩体工程无线遥控综合测孔机器人》，该技术方法可同时完成钻孔摄像和声波测试，采用无线控制机器人进行数据测量，但是由于无线电波在钻孔中的传播距离极为受限，会影响其机器人探测的距离，同时，未进行全孔充水则难以使声波换能器较好的耦合，影响声波探测的结果。除此以外，未见孔中电视与钻孔声波的综合测孔技术。

孔中电视成像采用特殊光学成像技术，可对各类水平或垂直的管孔(如：抽心桩钻孔、混凝土浇筑质量检测孔、大坝质量检测孔、大坝裂缝、渗漏检测孔、灌浆孔等)、钻孔壁进行360度全方位观测，还可用于水下建筑物检测。孔中声波的原理是声波在不同介质中传播时，速度、幅度及频率的变化等声学特性也不相同。声波测孔就是利用岩石的这些声学性质来研究钻孔的地质剖面，判断岩体质量的一种测孔方法。若能够将这两种技术方法综合起来，在实际探测工作中能够大大提高探测的精度，缩短探测时间，保障工程施工安全。但是由于孔中电视与钻孔声波探测对探测环境及技术要求的特殊性，直接将两种进行方法进行组合是不现实的，存在多个尚待解决的关键问题。经过对现有的测控仪器进行研究，主要有以下几个问题：

(一)目前的孔中摄像仪与单孔声波仪器都为单一的方法，在技术设备上暂未形成一个一体化的综合测孔仪器，在探测过程中若要采用两种方法分别进行测量时会占据大量的时间，影响项目的具体施工；为提高探测效率，并减少探测仪器设备数量，亟需提出一种适用于隧道施工现场环境的综合测孔仪器；

(二)由于钻孔声波探测需要用水耦合，在综合测孔中需充水。虽然现有的孔中电视系统全部拟采用密封及抽真空的方式进行探头内部的处理，但随着使用时间的增加，探头内会进入的空气，包含了大量的水蒸气，在探测过程，通常孔中水体的温度要远远低于综合测孔仪器探头内部的气温，造成探头高强度透光玻璃的内表面产生大量雾气，造成探测成像效果差，不能真实的再现孔壁的图像。所以亟需一种能够实时根据需求清理探头透光玻璃雾气的技术方法；