一种基于管波探测的隧道超前钻孔探测装置及其使用方法与流程

本发明隧道地质超前预报领域，具体涉及一种基于管波探测的隧道超前钻孔探测装置及其使用方法。

背景技术：

管波探测法作为一种新型的地质勘查孔内探测方法，主要利用“管波”这种弹性波作为工作媒介，通过发射换能器激发脉冲信号使孔液产生震动，并于孔壁上产生管波，由接受换能器接收并记录所产生的管波，从而实现探测孔旁一定范围内的地质体存在及分布情况。管波探测必须借助孔液作为耦合介质才能实现管波的激发和接收，孔内耦合介质补给不充足时难以保证信号的采集质量。现有的管波探测法通常是用于竖直钻孔进行探测，如中国专利cn1544934a公开了管波探测法，其中所探测的钻孔是竖直的，向竖直钻孔中加注孔液介质易于实现，但是对于超前钻孔的管波探测，由于超前钻孔是水平横向的，目前尚未解决孔液加注困难的问题，一直难以实现对这类钻孔的管波探测。在管波探测中，目前尚未发现针对超前钻孔孔液加注相关问题的解决方案。在超前钻探预报中引入管波探测，有利于扩大孔旁探测范围至2m以上，可提高对不良地质体的预测精度。

但是超前钻孔进行管波探测，往孔内加注孔液时，由于要考虑到连接管波换能器探头连接杆在钻孔内外移动，孔液容易从孔口连接杆位置溢出，导致孔液封堵的效果比较差，进而影响到管波探测的结果。因此，要想将管波探测法引入到超前钻探预报中提高预报精度，必须要解决孔液加注的封闭性问题，以及换能器在钻孔内移动的便捷性问题。

技术实现要素：

本发明克服了上述技术问题的缺点，提供了一种基于管波探测的隧道超前钻孔探测装置，其能有效解决管波探测超前钻孔时孔液加注的封闭性问题，以及换能器在超前钻孔内移动的便捷性问题；在不影响管波探测数据采集质量的前提下，提出一种解决隧道超前钻孔管波探测耦合介质不易封堵及探测作业难以实现等问题的方法，并据此开展隧道超前钻孔管波探测及数据解译分析工作，从而实现管波探测在隧道超前地质预报中的应用，以达到提高预报精度的效果。

本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：

一种基于管波探测的隧道超前钻孔探测装置，包括堵封组件、探测器推进与回缩组件、注水组件和排气组件；

所述堵封组件包括呈圆台筒体状的堵封器，所述堵封器设置在超前钻孔的孔口处，所述堵封器具有大口径端和小口径端；所述大口径端为开口，所述小口径端上设有堵水板，所述堵水板上开设有三个通孔，分别为连接孔、排水孔和排气孔；所述连接孔内设有中空且润滑的堵水橡胶塞；该堵水橡胶塞可在很大程度上控制孔液从堵水橡胶塞和连接杆的空隙流出，对孔液起到良好封堵作用，此外还可以减小连接杆的摩擦力，使之更易于推进和拉出；

所述探测器推进与回缩组件包括探测装置、电缆线和中空的连接杆；所述连接杆上设有刻度标识，所述连接杆穿设在所述堵水橡胶塞内并能沿所述堵水橡胶塞的轴向前后移动，所述探测装置包括发射换能器和接收换能器，所述发射换能器和接收换能器均设置在超前钻孔内，并且发射换能器和接收换能器均与所述连接杆的端头固定连接，所述发射换能器和接收换能器通过电缆线穿过中空的连接杆外接到所述记录仪中；

所述注水组件包括水泵、进水管和设置在所述进水管上的水阀，所述进水管的一端穿设在所述注水孔内，所述进水管的另一端连通所述水泵并向超前钻孔内输送孔液；管波探测的孔液一般用水来作为耦合剂，因此需要通过水泵和水管持续向孔内送孔液，保持孔液充满整个超前钻孔。

所述排气组件包括排气管和设置在所述排气管上的气阀，所述排气管为pvc排气管，所述排气管穿设在所述排气孔内并延伸至超前钻孔的孔底，用于维持钻孔内外压强平衡，使得孔液能注满整个钻孔。

其中，所述堵封器和堵水板采用钢材制成，所述连接杆和排气管均为分节式管体，便于根据超前钻孔孔深调节长度。所述堵水橡胶塞的长度为5-15cm，便于使用。

本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种基于管波探测的隧道超前钻孔探测装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将发射换能器和接收换能器固定于连接杆的端头，将电缆线穿入连接杆内，再将连接杆穿过固定在堵水板的堵水橡胶塞，根据所探测超前钻孔的深度，逐节搭接连接杆，直至探测装置能伸入到预定孔深；

步骤二：逐节搭接排气管伸至孔底，将排气管固定于堵水板的排气孔上，用锚固剂将排气管与排气孔之间的缝隙进行密封；

步骤三：将堵封器连同连接杆和探测装置伸入超前钻孔内，用防水锚固剂将堵封器固定在超前钻孔的孔口，填充好超前钻孔的孔口与堵封器的交界缝隙，保证超前钻孔的孔口具有良好的密封堵水性；

步骤四：将水泵与进水管连接，打开水阀开始向孔内注孔液，当排气管出口处有孔液流出时，证明孔内基本上已注满孔液，然后关闭排气管的气阀，此时控制水泵送水流量，始终保持注水量大于渗水量；

步骤五：配合前述所发明装置所做的关键工作，打开记录仪开始探测工作，进行管波信号采集时，首先通过润滑剂保证连接杆和堵水橡胶塞之间的润滑性，通过带有刻度标识的连接杆拉出发射换能器和接收换能器，拉出过程中，以每隔0.1m作为一个采样点进行一次数据采集作业，逐次进行数据采集，直至将探测仪拉至超前钻孔的孔口，结束探测作业；在数据采集过程中需维持注水量大于渗水量；保证孔液时刻充满钻孔，才能实现采集到高质量数据，否则孔液内有充满的钻孔部位就会确识采样信息，导致无法对该部位地质体情况进行预测。

步骤六：根据管波在超前钻孔中传播过程在波阻抗差异界面出产生反射的原理，通过解译采集到的管波探测数据，生成管波探测时间剖面图，结合超前钻探钻孔柱状图和管波探测时间剖面图对地质体进行联合解译，分析反射管波波幅特征，进而推断超前钻孔孔旁裂隙、溶洞、软弱夹层等不良地质体发育特征。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明基于管波探测的隧道超前钻孔探测装置及其使用方法首次应用于超前钻探地质领域，能够提高对不良地质体的预测精度。通过在超前钻孔孔口位置设置孔液堵封组件，利用圆台筒体状的堵封器、堵水板和堵水橡胶塞的阻隔作用，将孔液封堵在超前钻孔内部，保证超前钻孔内部充满孔液耦合介质。利用排气管保持超前钻孔内外压强平衡，保证孔液能够顺利注满超前钻孔。同时通过钢质中空的连接杆和润滑的堵水橡胶塞来推进或拉出换能器，通过进水管注满孔液以后，由于超前钻孔一般为水平孔和上倾孔，连接杆和堵水橡胶塞接触部位为本装置的关键部位，既可保证换能器的便捷式推进和拉出采集管波数据，又可封堵孔液的渗漏，同时通过水泵和进水管持续泵送孔液保证孔内介质时刻充满钻孔，以提高管波数据采集质量。

配合上述设计的装置，才能保证下一步超前钻孔管波探测信号采集工作的开展。进行管波信号采集时，首先通过润滑剂保证连接杆和堵水橡胶塞的润滑性，通过带有刻度的连接杆拉出发射换能器和接收换能器，拉出过程中，以每隔0.1m作为一个采样点进行一次采集作业，而后对所采集的数据生成管波探测时间剖面图，结合钻探钻孔柱状图和管波探测时间剖面图对地质体进行联合解译，从而实现基于管波探测的隧道超前钻探预报目的。

所述堵封器设计为圆台筒体状，使得该装置可适用于不同孔径的超前钻孔中，极大提高其适用性。

附图说明

图1是本发明种基于管波探测的隧道超前钻孔探测装置的结构示意图；

其中，附图中标记为：1-超前钻孔；2-堵封器；3-堵水板；4-堵水橡胶塞；5-电缆线；6-连接杆；7-发射换能器；8-接收换能器；9-记录仪；10-水泵；11-进水管；12-水阀；13-排气管；14-气阀；15-孔液。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。需要说明的是，本发明的具体实施例只是为了能更清楚的描述技术方案，而不能作为本发明保护范围的一种限制。

请参阅图1，一种基于管波探测的隧道超前钻孔探测装置，包括堵封组件、探测器推进与回缩组件、注水组件和排气组件；其中：

所述堵封组件包括呈圆台筒体状的堵封器2，所述堵封器2设置在超前钻孔1的孔口处，所述堵封器2具有大口径端和小口径端；所述大口径端为开口，所述小口径端上设有堵水板3，所述堵水板3上开设有三个通孔，分别为连接孔、排水孔和排气孔；所述连接孔内设有中空且润滑的堵水橡胶塞4；堵封器2与堵水板3为一体成型结构；

所述探测器推进与回缩组件包括探测装置、电缆线5和中空的连接杆6；所述连接杆6穿设在所述堵水橡胶塞4内并能沿所述堵水橡胶塞4的轴向前后移动，所述探测装置包括发射换能器7和接收换能器8，所述发射换能器7和接收换能器8均设置在超前钻孔1内，并且发射换能器7和接收换能器8均与所述连接杆6的端头固定连接，所述发射换能器7和接收换能器8通过电缆线5穿过中空的连接杆6外接到所述记录仪9中；记录仪9用于接收、记录、存储数据；

所述注水组件包括水泵10、进水管11和设置在所述进水管11上的水阀12，所述进水管11的一端穿设在所述注水孔内，所述进水管11的另一端连通所述水泵10并向超前钻孔1内输送孔液15；

所述排气组件包括排气管13和设置在所述排气管13上的气阀14，所述排气管13穿设在所述排气孔内并延伸至超前钻孔1的孔底。

作为本发明的进一步改进，所述连接杆6上设有刻度标识。

作为本发明的进一步改进，所述堵封器2和堵水板3采用钢材制成。

作为本发明的进一步改进，所述排气管13为pvc排气管13。

作为本发明的进一步改进，所述连接杆6和排气管13均为分节式管体。

作为本发明的进一步改进，所述堵水橡胶塞4的长度为5-15cm。

通过在超前钻孔1孔口位置设置孔液15堵封组件，利用圆台筒体状的堵封器2、堵水板3和堵水橡胶塞4的阻隔作用，将孔液15封堵在超前钻孔1内部，保证超前钻孔1内部充满孔液15耦合介质。利用排气管13保持超前钻孔1内外压强平衡，保证孔液15能够顺利注满超前钻孔1。同时通过钢质中空的连接杆6和润滑的堵水橡胶塞4来推进或拉出换能器，通过进水管11注满孔液15以后，由于超前钻孔1一般为水平孔和上倾孔，连接杆6和堵水橡胶塞4接触部位为本装置的关键部位，既可保证换能器的便捷式推进和拉出采集管波数据，又可封堵孔液15的渗漏，同时通过水泵10和进水管11持续泵送孔液15保证孔内介质时刻充满钻孔，以提高管波数据采集质量。

本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种基于管波探测的隧道超前钻孔探测装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将发射换能器7和接收换能器8固定于连接杆6的端头，将电缆线5穿入连接杆6内，再将连接杆6穿过固定在堵水板3的堵水橡胶塞4，根据所探测超前钻孔1的深度，逐节搭接连接杆6，直至探测装置能伸入到预定孔深；

步骤二：逐节搭接排气管13伸至孔底，将排气管13固定于堵水板3的排气孔上，用锚固剂将排气管13与排气孔之间的缝隙进行密封；

步骤三：将堵封器2连同连接杆6和探测装置伸入超前钻孔1内，用防水锚固剂将堵封器2固定在超前钻孔1的孔口，填充好超前钻孔1的孔口与堵封器2的交界缝隙，保证超前钻孔1的孔口具有良好的密封堵水性；

步骤四：将水泵10与进水管11连接，打开水阀12开始向孔内注孔液15，当排气管13出口处有孔液15流出时，证明孔内基本上已注满孔液15，然后关闭排气管13的气阀14，此时控制好水泵10送水流量，始终保持注水量大于渗水量；

步骤五：配合前述所发明装置所做的关键工作，打开记录仪7开始探测工作，进行管波信号采集时，首先通过润滑剂保证连接杆6和堵水橡胶塞4之间的润滑性，通过带有刻度标识的连接杆6拉出发射换能器7和接收换能器8，拉出过程中，以每隔0.1m作为一个采样点进行一次数据采集作业，逐次进行数据采集，直至将探测仪拉至超前钻孔1的孔口，结束探测作业；在数据采集过程中需维持注水量大于渗水量；保证孔液15时刻充满钻孔，才能实现采集到高质量数据，否则孔液15内有充满的钻孔部位就会确识采样信息，导致无法对该部位地质体情况进行预测。

步骤六：根据管波在超前钻孔1中传播过程在波阻抗差异界面出产生反射的原理，通过解译采集到的管波探测数据，生成管波探测时间剖面图，结合超前钻探钻孔柱状图和管波探测时间剖面图对地质体进行联合解译，分析反射管波波幅特征，进而推断超前钻孔1孔旁2米范围内裂隙、溶洞、软弱夹层等不良地质体发育特征。

进行管波信号采集时，首先通过润滑剂保证连接杆6和堵水橡胶塞4的润滑性，通过带有刻度的连接杆6拉出发射换能器7和接收换能器8，拉出过程中，以每隔0.1m作为一个采样点进行一次采集作业，而后对所采集的数据生成管波探测时间剖面图，结合钻探钻孔柱状图和管波探测时间剖面图对地质体进行联合解译，从而实现基于管波探测的隧道超前钻探预报目的。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。