干湿两用的弹性波孔底溶洞、地下空洞探测装置及方法与流程

本发明涉及孔底溶洞探测领域，具体的说是涉及一种干湿两用的弹性波孔底溶洞、地下空洞探测装置及方法。

背景技术：

根据《岩土工程勘察规范》等规程的要求，嵌岩灌注桩应判明桩端以下三倍桩径且不小于5m范围内无软弱夹层、断裂破碎带和洞穴分布，且在桩底应力范围内应无岩体临空面。单体单桩的大直径嵌岩桩，应视岩性检测孔底下3倍桩身直径或5m深度范围内有无土洞、溶洞、破碎带或软弱夹层等不良地质条件。

目前，工程上多采用桩底超前钻的方法来进行桩底溶洞探测，大直径桩需要打多个孔径。钻探的方法虽然最直接，但单个钻孔只能探明钻孔当前位置的情况，不能反应整个桩底下溶洞分布情况，容易造成遗漏溶洞；同时一桩多孔钻探成本高，工期长，影响整个工程进度。

现有技术中，专利名称为：一种桩底溶洞声纳探测装置及方法(专利申请号为201410276785.5)公开了桩底溶洞声纳探测装置及方法，它的三维电子罗盘的信号输出端连接单片机的罗盘信号输入端，声纳应力波驱动模块的信号输入端连接单片机的应力波信号输出端，声纳应力波驱动模块的应力波驱动信号输出端连接声纳应力波发射器，所述声纳应力波接收传感器通过声纳应力波信号处理模块连接单片机的声纳信号输入端，所述单片机的通信端通过通信电缆连接现场主机，所述声纳探测探头垂直与桩底。该发明将声纳探测探头放置于桩底中，可实现对桩底下方区域进行详细的溶洞或软弱岩体探测，并实现了桩底的全面积探测，不会出现钻孔探测的局限性和耽误施工进度问题，不会出现只有人工挖孔桩才能进行雷达和地震法的全面探测的问题。但是该发明中探测过程中，需要在桩底灌水，并将声呐探测探头浸泡在水层中，才能实现探测，使用具有局限性；同时探头探测过程未设置缓冲震动的结构，会影响探头探测数据的精确度。

本发明提供一种干湿两用的弹性波孔底溶洞、地下空洞探测装置，将探头设计成包括弹性波发射组件、分设在弹性波发射组件外周的多个接收换能器组件，在实现一个桩孔可以进行多点探测，同时记录每个测点的方位，可以准确地探明整个桩底的岩溶分布情况的同时，可适用于干湿不同的环境；与此同时，弹性波发射组件和分设在弹性波发射组件外周的多个接收换能器组件之间通过连接管连接并通过法兰固定，在法兰之间设置减震层，提高探头与探测面接触稳定性和信号可靠性，来实现检测准确性和精确度。

技术实现要素：

为解决上述背景技术中提出的问题，本发明的目的在于提供一种干湿两用的弹性波孔底溶洞、地下空洞探测装置及方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明提供了一种干湿两用的弹性波孔底溶洞、地下空洞探测装置，包括探头、主机以及连接主机与探头的电缆；所述探头包括弹性波发射组件、分设在弹性波发射组件外周的多个接收换能器组件及探头电路板组件；

所述弹性波发射组件包括弹性波辐射块、震源、连接腔体和电路板腔体；所述连接腔体下方安装震源，所述震源下方刚性连接弹性波辐射块，所述连接腔体上方安装电路板腔体，所述电路板腔体内设有探头电路板组件，所述震源与探头电路板组件的输出端电连接；

每个所述接收换能器组件均包括声波接收换能器、换能器高度调节器、以及与弹性波发射组件连接的连接管；每个所述连接管的一端同与之对应的换能器高度调节器通过两个法兰固定，两个法兰之间设有第一阻尼垫，每个所述连接管的另一端与连接腔体侧面固定，多个连接管均匀分设在连接腔体的外圆周；所述声波接收换能器设置在换能器高度调节器底部，所述声波接收换能器还与探头电路板组件的输入端电连接。

上述技术方案中，每个所述换能器高度调节器包括三腿支腿、滑动衬套、两个弹簧、一块固定板和两个导杆；所述三腿支腿包括套筒、横板和轴杆，所述横板的上、下端分别固定轴杆和套筒，与每个换能器高度调节器相对应的声波接收换能器安装在其三腿支腿的套筒底端，每个所述轴杆穿过一个与横板相配合的压板，并套接有滑动衬套，每个所述滑动衬套顶部均同与之相对应的固定板固定连接，每个所述滑动衬套的侧面均同与之相对应的连接管通过两个法兰固定连接，两个套有弹簧的导杆对称分设在与之相对应的滑动衬套两侧，且所述导杆一端穿过与之相对应的固定块的限位孔，另一端穿过与之相对应的的压板并固定在与压板相配合的横板上。

上述技术方案中，所述横板和压板之间设有多层第二阻尼垫，所述压板的四角上分别设有一个丝杠，每个所述丝杠均通过螺母固定在压板上，与每个丝杠所处位置相对应的横板、阻尼垫和压板上均设有一个的孔道，每个所述丝杠及与之相对应的孔道上穿设有一根麻绳，所述麻绳在横板下方和丝杠上方均设有绳结。

上述技术方案中，所述滑动衬套的侧面设有的三脚转接法兰与连接管一端设有的法兰盘固定，所述三脚转接法兰和法兰盘通过多个螺丝固定，每个所述螺丝上均套设一个t型阻尼垫。

上述技术方案中，所述震源为超磁致伸缩震源或电磁阀冲击震源。

上述技术方案中，所述接收换能器组件的个数为3个，且呈圆周均匀设置在连接腔体的外周。

上述技术方案中，所述探头电路板组件包括弹性波发射单元、信号预处理单元、模数转换单元、主控单元和探头姿态测量模块；所述主控单元通过rs485接口与主机通讯，所述主控单元的输出端与弹性波发射模块电连接，所述弹性波发射模块的输出端与震源电连接，并向震源输出高压脉冲，产生弹性波；

所述信号预处理单元的多路模拟信号输入接口分别同与之相对应的声波换能器电连接，用于接收并处理多个声波换能器接收到的模拟信号，所述信号预处理单元的模拟信号输出接口与所述模数转换单元电连接，所述数转换单元用于将经过信号滤波放大预处理的模拟信号转换成数字信号，输出给所述主控单元，所述主控单元还与探头姿态测量模块电连接，所述主控单元分别接收模数转换单元所得的数字信号，以及探头姿态测量模块测量获得的探头方位角和倾角数据，并通过rs485接口传输到主机。

上述技术方案中，所述电路板腔体顶部设有插接电缆的插头连接头，所述电路板腔体上还设有提手。

上述技术方案中，所述电缆包括用于地面下方空洞探测的连接主机与探头的短信号电缆、以及用于桩孔底部等深部空间下方的溶洞探测的连接主机与探头的长信号电缆；

还包括位于地面的孔口滑轮和升降探头的承重缆绳及盘绕承重缆绳的绞车。

本发明还提供了一种干湿两用的弹性波孔底溶洞、地下空洞探测方法，包括以下步骤：

步骤1、准备工作：1)当对地面下方空洞进行探测时，先对需要探测的区域，根据探测的密度和精度要求，划分测线和测点，并标注序号；然后将探头放置在第一个测点上，用短信号电缆连接主机和探头，打开主机电源，准备开始进行探测；2)当对桩孔底部等地下深部空间下方溶洞进行探测时，先将孔口滑轮安装在孔口，用长信号电缆连接主机与探头，然后将承重缆绳与探头紧固连接，将探头通过缆绳绞车下放到孔底，打开主机电源，准备开始进行探测；

步骤2、获取探头姿态数据：由主机向探头发送获取探头姿态数据指令，当探头的主控单元接收到指令后，按照设定的间隔时间，持续从探头姿态测量模块获取探头姿态数据，并向主机发送，主机接收到探头姿态数据并显示，此时测试人员可根据显示的信息调整探头位置和姿态，保证探头近似水平状态，即各接收换能器近似与测试面垂直；其中，探头姿态数据包括探头的倾斜角和探头通道所指向的方位角；

步骤3、参数设置：在主机上设置发射功率、信号预处理及采集等参数，即滤波、增益、采样间隔及采样点数等参数，然后由主机通过rs485接口将设定的参数传给探头的主控单元，主控单元启用接收到的参数，并等待采集指令；

步骤4、采集信号并传输至主机：在主机上启动信号采集，先由主机向探头主控单元发送启动指令，当主控单元接到启动指令时，同步启动弹性波发射单元输出高压脉冲和启动各路信号采集同步计时，然后通过信号预处理单元对各路声波接收换能器接收到的弹性波模拟信号进行滤波、增益放大等预处理，接着通过模数转换单元对接收到的弹性波模拟信号进行模数转换为数字信号，并发送给主控单元，待所有通道的信号采集完成后，探头的主控单元通过rs485将采集到的多路数据传输给主机，主机接收到所有数据后显示各道波形；

步骤5、保存或重新采集信号：根据显示的所有波形判定采集的信号质量是否符合要求，符合要求则保存数据；否则重复步骤3和步骤4，重新采集信号；

步骤6、探测下一测点：1)当对地面下方空洞进行探测时，将探头按测点顺序移到下一测点，重复步骤2至步骤5，直至所有测点测试完成；2)当对桩孔底部等地下深部空间下方溶洞进行探测时，将探头拉起离开孔底，调整探头位置及方位角，再下放到孔底，重复步骤2至步骤5测试3～5个测点，测试完成；

步骤7、判定地下空洞：1)当对地面下方空洞进行探测时，将每一个通道在所有测点上的波形组成一个剖面，观察三个剖面的波形图或影像图，判定地下是否存在空洞、空洞的深度位置及其在平面内的分布；2)当对桩孔底部等地下深部空间下方溶洞进行探测时，将所有通道的实测波形按方位角从小到大的顺序排列，从波形图上判定是否存在溶洞、溶洞的深度位置及其在平面内的分布。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用弹性波反射法来高效率地探明桩底溶洞的分布情况。一个桩孔可以进行多点探测，同时记录每个测点的方位，因而可以准确地探明整个桩底的岩溶分布情况：根据弹性波在岩溶等软弱地质体表面的反射强度和时间，可以准确地探明岩溶在桩底的埋藏深度。探测时无需复杂的准备工作，探测过程由设备控制，简单快捷。

(2)采用本发明，将探头放置于桩底中，可实现桩底溶洞和软弱岩层的探测，本发明适用于所有桩孔施工方式，探测速度快、探测结果准确，没有人为因素影响，不会耽误施工进度。

(3)本发明通过多个接收换能器组件、弹簧以及多层第二阻尼垫减震，保证声波接受换能器与探测面接触的稳定性和接收信号的可靠性；与此同时，接收换能器组件与弹性波发射组件之间通过连接法兰处设第一阻尼垫和t型阻尼垫减震，减少了弹性波发射组件震动传递到接收换能器组件，保证了接收信号的可靠性，从而提高溶洞检测的准确性。

(4)本发明得到的测量结果相比传统的钻孔溶洞探测方式得到的结果，具有更高的准确性，不会遗漏桩底的任何死角。

本发明的创新点在于：

(1)弹性波发射组件外周均匀分设多个接收换能器组件，一个桩孔可以进行多点探测，能准确地探明整个桩底的岩溶分布情况；同时，当探头提起时，在弹簧力的作用下，推动三腿支腿伸出，声波接收换能器端面高出弹性波发射组件的弹性波辐射块的端面；当探头完全落地时，在探头自重的作用下，弹簧被压紧，声波接收换能器端面与弹性波辐射块端面都完全着地，保证发射与接收均与地面完全良好接触，从而适应干湿不同的探测环境。

弹性波发射组件外周均匀分设多个接收换能器组件，适用于不同环境的孔底溶洞探测；

(2)分设的多个接收换能器组件，再加上多个接收换能器组件中的弹簧以及多层第二阻尼垫减震，保证声波接受换能器与探测面接触的稳定性和接受信号的可靠性；与此同时，接收换能器组件与弹性波发射组件之间通过连接法兰处设第一阻尼垫和t型阻尼垫减震，减少了弹性波发射组件震动传递到接收换能器组件，保证了接收信号的可靠性，从而提高溶洞检测的准确性。

附图说明

图1为本发明的应用实例示意图；

图2为本发明中探头的结构示意图；

图3为本发明中探头的俯视图；

图4为图2中a-a方向上的剖视图；

图5为换能器高度调节器的正视图；

图6为换能器高度调节器的右视图；

图7a为三脚支脚的立体图；

图7b为三脚支脚的仰视图；

图7c为图7b中b-b方向上的剖视图；

图8为t型阻尼垫的结构示意图；

图9为压板的结构示意图；

图10为第二阻尼垫的结构示意图；

图11a为丝杠的结构示意图；

图11b为图11a中c-c方向上的剖视图；

图12为第一阻尼垫的结构示意图；

图13为麻绳的结构示意图；

图14为探头电路板组件的结构示意图；

附图标记说明：

100、探头；200、主机；300、电缆；

1、弹性波发射组件；11、弹性波辐射块；12、震源；13、连接腔体；14、电路板腔体；141、插头连接头；142、提手；2、接收换能器组件；21、声波接收换能器；22、换能器高度调节器；221、三腿支腿；2211、套筒；2212、横板；2213、轴杆；222、滑动衬套；223、弹簧；224、固定板；225、导杆；226、压板；227、第二阻尼垫；228、丝杠；229、孔道；220、麻绳；2201、绳结；23、连接管；24、第一阻尼垫；251、三脚转接法兰；252、法兰盘；26、螺丝；27、t型阻尼垫；3、探头电路板组件；31、弹性波发射单元；32、信号预处理单元；33、模数转换单元；34、主控单元；35、探头姿态测量模块。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施方式，进一步阐述本发明是如何实施的。

如图1至图6所示，本发明提供了一种干湿两用的弹性波孔底溶洞、地下空洞探测装置，包括探头100、主机200以及连接主机200与探头100的电缆300；所述探头100包括弹性波发射组件1、分设在弹性波发射组件1外周的多个接收换能器组件2及探头电路板组件3；

所述弹性波发射组件1包括弹性波辐射块11、震源12、连接腔体13和电路板腔体14；所述连接腔体13下方安装震源12，所述震源12下方刚性连接弹性波辐射块11，所述连接腔体13上方安装电路板腔体14，所述电路板腔体14内设有探头电路板组件3，所述震源12与探头电路板组件3的输出端电连接；

每个所述接收换能器组件2均包括声波接收换能器21、换能器高度调节器22、以及与弹性波发射组件1连接的连接管23；每个所述连接管23一端同与之对应的换能器高度调节器22通过两个法兰固定，两个法兰之间设有第一阻尼垫24(见图12所示)，每个所述连接管23的另一端与连接腔体13侧面固定，多个连接管23均匀分设在连接腔体13的外圆周；所述声波接收换能器21设置在换能器高度调节器22底部，所述声波接收换能器21还与探头电路板组件3的输入端电连接。

如图5和图6所示，每个所述换能器高度调节器22包括三腿支腿221、滑动衬套222、两个弹簧223、一块固定板224和两个导杆225；如图7a、图7b和图7c所示，所述三腿支腿221包括套筒2211、横板2212和轴杆2213，横板2212的上、下端分别固定轴杆2213和套筒2211，与每个换能器高度调节器22相对应的声波接收换能器21安装在其三腿支腿221的套筒2211底端，每个所述轴杆2213穿过一个与横板2212相配合的压板226，并套接有滑动衬套222，每个所述滑动衬套222顶部均同与之相对应的固定板224固定连接，每个所述滑动衬套222的侧面均同与之相对应的连接管23通过两个法兰固定连接，两个套有弹簧223的导杆225对称分设在与之相对应的滑动衬套222两侧，且所述导杆225一端穿过固定块224的限位孔，导杆225另一端穿过与之相对应的的压板226并固定在与压板226相配合的横板2212上。

当探头100提起时，在弹簧力的作用下，推动三腿支腿221伸出，声波接收换能器21端面高出弹性波发射组件1的弹性波辐射块11的端面；当探头100完全落地时，在探头100自重的作用下，弹簧223被压紧，声波接收换能器21端面与弹性波辐射块11端面都完全着地，保证发射与接收均与地面完全良好接触，从而适应干湿不同的探测环境。

如图5、图9、图10、图11a和图11b所示，所述横板2212和压板226之间设有多层第二阻尼垫227，具体的，第二阻尼垫227的层数为6层；所述压板226的四角上分别设有一个丝杠228，每个所述丝杠228均通过螺母2281固定在压板226上，与每个丝杠228所处位置相对应的横板2212、第二阻尼垫227和压板226上均设有一个的孔道229，每个所述丝杠228及与之相对应的孔道229上穿设有一根麻绳220，如图13所示，所述麻绳220在横板2212下方和丝杠228上方均设有绳结2201。通过旋转丝杆228，带动麻绳4进行扭紧固定，再通过螺母2281固定丝杠228，防止丝杠228松动。其中，丝杠228可采用m12x35外六角螺丝代替，螺母2281可采用m12x10外六角螺母；所述压板226为304不锈钢压板。

如图2、图5和图8所示，滑动衬套222的侧面设有的三脚转接法兰251与连接管23一端设有的法兰盘252固定，所述三脚转接法兰251和法兰盘252通过多个螺丝26固定，每个螺丝上均套设一个t型阻尼垫27。

本发明中，所述第一阻尼垫24、第二阻尼垫227和t型阻尼垫27均含有丁基胶，且丁基胶含量在90％以上。

本发明中，所述震源12为超磁致伸缩震源或电磁阀冲击震源。

本发明中，所述接收换能器组件2的个数为3个，且呈圆周均匀设置在连接腔体13的外周。采用了三组接收换能器组件，保证声波接受换能器21与探测面接触的稳定性和可靠性。

如图14所示，所述探头电路板组件3包括弹性波发射单元31、信号预处理单元32、模数转换单元33、主控单元34和探头姿态测量模块35；弹性波发射单元31、信号预处理单元32、模数转换单元33、主控单元34和探头姿态测量模块35均为市场上常用的模块。所述主控单元34通过rs485接口与主机200通讯，所述主控单元34的输出端与弹性波发射模块31电连接，弹性波发射模块31的相应发射引脚上连接有震源12的两根电源线，并向震源12输出高压脉冲，产生弹性波；

多个声波接收换能器21的信号线穿过与之对应的连接管23接到电路板组件3的多路模拟的信号预处理单元32的对应模拟信号输入端上，所述信号预处理单元32用于接收并处理声波换能器21接收到的模拟信号，所述信号预处理单元32的模拟信号输出接口与模数转换单元33电连接，数转换单元33用于将经过信号滤波放大预处理的模拟信号转换成数字信号，输出给所述主控单元34，所述主控单元34还与模数转换单元33和探头姿态测量模块35电连接，主控单元34分别接收模数转换单元33所得的数字信号，以及探头姿态测量模块35测量获得的探头方位角和倾角数据，并通过rs485接口传输到主机200。

本发明中，所述电路板腔体14顶部设有插接电缆300的插头连接头141，所述插头连接头141为rs485接口，主控单元34通过插头连接头141、电缆300实现与主机200通讯；所述电路板腔体14上还设有提手142，用于固定承重缆绳，便于探头100的升降。

本发明中，所述电缆300包括用于地面下方空洞探测的连接主机200与探头100的短信号电缆、以及用于桩孔底部等深部空间下方的溶洞探测的连接主机200与探头100的长信号电缆；

还包括位于地面的孔口滑轮和升降探头的承重缆绳及盘绕承重缆绳的绞车(图中未示出)。

本发明还提供了一种干湿两用的弹性波孔底溶洞、地下空洞探测方法，包括以下步骤：

步骤1、准备工作：1)当对地面下方空洞进行探测时，先对需要探测的区域，根据探测的密度和精度要求，划分测线和测点，并标注序号；然后将探头放置在第一个测点上，用短信号电缆连接主机200和探头100，打开主机200电源，准备开始进行探测；2)当对桩孔底部等地下深部空间下方溶洞进行探测时，先将孔口滑轮安装在孔口，用长信号电缆连接主机200与探头100，然后将承重缆绳与探头100通过提手142紧固连接，将探头100通过缆绳绞车下放到孔底，打开主机200电源，准备开始进行探测；

步骤2、获取探头姿态数据：由主机200向探头100发送获取探头姿态数据指令，当探头100的主控单元34接收到指令后，按照设定的间隔时间，持续从探头姿态测量模块35获取探头姿态数据，并向主机200发送，主机200接收到探头姿态数据并显示，此时测试人员可根据显示的信息调整探头100位置和姿态，保证探头100近似水平状态，即各接收换能器近似与测试面垂直；其中，探头姿态数据包括探头的倾斜角和探头通道1所指向的方位角；

步骤3、参数设置：在主机200上设置发射功率、信号预处理及采集等参数，即滤波、增益、采样间隔及采样点数等参数，然后由主机200通过rs485接口将设定的参数传给探头的主控单元34，主控单元34启用接收到的参数，并等待采集指令；

步骤4、采集信号并传输至主机：在主机200上启动信号采集，先由主机200向探头的主控单元34发送启动指令，当主控单元34接到启动指令时，同步启动弹性波发射单元31输出高压脉冲和启动各路信号采集同步计时，然后通过信号预处理单元32对各路声波接收换能器21接收到的弹性波模拟信号进行滤波、增益放大等预处理，接着通过模数转换单元33对接收到的弹性波模拟信号进行模数转换为数字信号，并发送给主控单元34，待所有通道的信号采集完成后，探头的主控单元34通过rs485将采集到的多路数据传输给主机200，主机200接收到所有数据后显示各道波形；

步骤5、保存或重新采集信号：根据显示的所有波形判定采集的信号质量是否符合要求，符合要求则保存数据；否则重复步骤3和步骤4，重新采集信号；

步骤6、探测下一测点：1)当对地面下方空洞进行探测时，将探头100按测点顺序移到下一测点，重复步骤2至步骤5，直至所有测点测试完成；2)当对桩孔底部等地下深部空间下方溶洞进行探测时，将探头100拉起离开孔底，调整探头位置及方位角，再下放到孔底，重复步骤2至步骤5测试3～5个测点，测试完成；

步骤7、判定地下空洞：1)当对地面下方空洞进行探测时，将每一个通道在所有测点上的波形组成一个剖面，观察三个剖面的波形图或影像图，判定地下是否存在空洞、空洞的深度位置及其在平面内的分布；2)当对桩孔底部等地下深部空间下方溶洞进行探测时，将所有通道的实测波形按方位角从小到大的顺序排列，从波形图上判定是否存在溶洞、溶洞的深度位置及其在平面内的分布。

本发明的工作原理为：

孔底溶洞探测根据弹性波反射原理，探头内置大功率弹性波激发装置(震源12)和多路弹性波检波器(声波接收换能器21)，测试时将探头100放到孔底，主机启动指令激发弹性波；弹性波在往孔底岩层传播过程中，遇到溶洞、裂隙、软弱地层等结构时反射回来，弹性波检波器(声波接收换能器21)接收到反射信号，即可根据接收到的反射信号强度的变化和传播时间确定异常结构体的深度位置。通过调整探头100在孔底的不同位置，进行孔底不同方位的多点探测，实现孔底探测全覆盖，可以充分有效地探测到孔底溶洞的水平分布和深度。

本发明可用于灌注桩孔底溶洞探测、人工挖孔桩底部溶洞探测、以及适用于泥浆孔或干孔等各类型桩孔底部溶洞探测。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。