CN102359982A

CN102359982A - 一种地下气体探测的多功能探头

Info

Publication number: CN102359982A
Application number: CN2011102013799A
Authority: CN
Inventors: 童立元; 刘松玉; 杜广印; 王强
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-07-19
Filing date: 2011-07-19
Publication date: 2012-02-22

Abstract

本发明公开了一种地下气体探测的多功能探头，该探头包括位于其前端的孔隙水压力测量模块（1），与孔隙水压力测量模块（1）相连的电阻率测量模块（2）；其中，孔隙水压力测量模块（1）用于在探头压入土体过程中，探测土体中不同深度孔隙水压力的大小及其变化情况；电阻率测量模块（2）用于测试土壤电阻率的变化；气体采集附加模块（3）用于采集土层中的气体。本发明既方便快捷，又不受周围电磁环境等复杂条件的干扰，使探测结果可靠准确。

Description

一种地下气体探测的多功能探头

技术领域

本发明涉及土木建筑、交通工程、环境工程领域，尤其涉及一种探测地下土体中原生或外来有毒有害气体的新型多功能探头。

背景技术

地下空间的开发是21世纪城市可持续发展的重要途径，地下交通系统（地铁隧道）、高层建筑地下室、地下市政基础设施、地下公共服务设施、防灾与生产储存设施等各类用途的地下空间已经在众多大城市中逐步得到开发与利用。由于城市地下施工环境复杂，特别是大规模线性延展的地下轨道交通系统往往会穿越各种长期受人类活动影响的复杂地层（如废弃厂矿区），在建筑深基坑、人工挖孔桩等各种类型的深开挖工程中可能会遇到含有大量原生或外来各种有毒有害气体的土体，主要包括甲烷（CH₄）、CO、CO₂、H₂S等，在突然揭露泄出的情况下，会对施工人员的安全造成威胁，少量吸入会造成头晕、眼花、恶心、呕吐等症状，大量吸入甚至会危害生命，特别是现在由于受到周边环境控制的严格要求，城市地下工程的施工多采用逆作法、浅埋暗挖法、盾构法等施工工法，施工空间往往是相对密闭的，若遇到含大量有毒有害气体的土层，在未采取任何保护措施的情况下，将加重危害，从而对施工安全提出了更高的要求。目前在我国经济较发达的沿海沿江城市（诸如上海、南京、杭州、宁波、苏州）的地铁工程勘察过程中均发现了地下浅层有害气体（以沼气为主），如武汉地铁二号线范汉区间盾构隧道穿越了瓦斯储气层、杭州地铁1号线遇到了浅层储气砂层,已成为地铁等地下工程建设中的一项新的危害，在实际地下工程施工中也出现了大量的此类安全事故。

人们对大气中有毒有害气体的探测已进行了大量研究，开发了各种气体采集与过滤装置，但是对于工程建设涉及到的土层剖面中有毒有害气体的研究报道很少，主要受到土体中气体探测手段的制约。通常，在工程勘察阶段的工作中往往不包括土层中气体探测，大多数情况下，是在施工阶段出现了有毒有害气体造成的安全事故后，才使用各种气体收集器收集工作空间中的气体进行室内分析，既延误预防时机，又不能对后续工程进行指导；或者在浅层开挖一个土壤剖面，安装气体采集探头，但深度有限，而且扰动严重，不能代表土层原位的实际情况，而且受限于时间与经费限制，难以大量布点，无法满足工程实际的需要。因此，迫切需要研发一种能够对土体中含有的有毒有害气体进行快速、有效地进行超前探测的新手段。

发明内容

技术问题：本发明的目的提供一种地下气体探测的多功能探头，能有效解决地下工程建设地层中有毒有害气体的探测及采集难题。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出一种地下气体探测的多功能探头，该探头包括位于其前端的孔隙水压力测量模块，与孔隙水压力测量模块相连的电阻率测量模块；其中，孔隙水压力测量模块用于在探头压入土体过程中，探测土体中不同深度孔隙水压力的大小及其变化情况；电阻率测量模块用于测试土壤电阻率的变化；气体采集附加模块用于采集土层中的气体。

优选的，所述孔隙水压力测量模块包括：位于探头最下端的锥尖，位于锥尖上方且与与锥尖相连的透水孔压元件，穿过透水孔压元件且与透水孔压元件相连的空心钢立柱，位于空心钢立柱上方且与空心钢立柱相连的孔压测试传感器，位于孔压测试传感器上方且与孔压测试传感器相连的电缆线，第一连接头，位于透水孔压元件上方的探头刚套筒及安装在刚套筒后端的密封圈；电缆线穿过空心的第一连接头，第一连接头与上端的电阻率测量模块相连。

优选的，电阻率测量模块包括：位于其下端的第二连接头，第二连接头下方与孔隙水压力测量模块相连，位于第二连接头上方且与第二连接头相连的绝缘塑料外套，安装在绝缘塑料外套上的供电电极、接地电极、测量电极第三连接头，该第三连接头与上部贯入的钻杆相连。

优选的，该探头包括位于其前端的孔隙水压力测量模块，与孔隙水压力测量模块相连的气体采集附加模块；其中，孔隙水压力测量模块用于在探头压入土体过程中，探测土体中不同深度孔隙水压力的大小及其变化情况；气体采集附加模块用于采集特定深度土层中有毒有害气体。

优选的，所述孔隙水压力测量模块包括：位于探头最下端的锥尖，位于锥尖上方且与锥尖相连的透水孔压元件，穿过透水孔压元件且与透水孔压元件相连的空心钢立柱，位于空心钢立柱上方且与空心钢立柱相连的孔压测试传感器，位于孔压测试传感器上方且与孔压测试传感器相连的电缆线，第一连接头，位于透水孔压元件上方的探头刚套筒及安装在刚套筒后端的密封圈；电缆线穿过空心的第一连接头，第一连接头与上端的气体采集附加模块相连。

优选的，气体采集附加模块包括：第四连接头，第四连接头下方与孔隙水压力测量模块相连；位于第四连接头上方且与第四连接头连接的气体捕获窗口；位于气体捕获窗口上方且与气体捕获窗口相连的气体储存腔室，与气体储存腔室相连的气体抽取通道，气体储存腔室上下端分别设有止回阀。

有益效果：本发明对地层中含有气体采用了孔压、电阻率及采样的综合判释，可靠性较高，同时由于利用了工程勘察单位普遍拥有的常规静探机进行现场探测，适应性强，能满足大规模不同深度剖面测试的要求，不需要事先埋入，操作方便快捷，特别适合于大规模工程场地气体探测任务。

附图说明

图1为多功能探头整体结构示意图；

图2为图1中孔隙水压力测试模块结构示意图；

图3为图1中电阻率测试模块结构示意图；

图4为附加的气体采集模块结构示意图；其中1－孔隙水压力测量模块；2－电阻率测量模块； 3－气体采集附加模块；4－锥尖；5-透水孔压元件；6-空心钢立柱；7-孔压测试传感器;8-钢套筒；9-电缆线；10-Ο型密封圈；11-第一连接头；12-第二连接头；13-绝缘塑料外套；14-供电电极；15-接地电极；16-测量电极；17-第三连接头；18-第四连接头；19-气体捕获窗口；20-气体储存腔室；21-止回阀；22-气体抽取通道。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。

以下将结合附图对发明的构想、具体结构及测试方法、产生的技术效果做进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

本发明提供的地下气体探测的多功能探头包括位于其前端的孔隙水压力测量模块1，与孔隙水压力测量模块1相连的电阻率测量模块2，可用于替换电阻率测量模块2的气体采集附加模块3；其中，孔隙水压力测量模块1用于在探头压入土体过程中，探测土体中不同深度孔隙水压力的大小及其变化情况；电阻率测量模块2用于测试土壤电阻率的变化；气体采集附加模块3用于采集土层中的气体。

所述孔隙水压力测量模块1包括：位于探头最下端的锥尖4，位于锥尖4上方且与与锥尖4相连的透水孔压元件5，穿过透水孔压元件5且与透水孔压元件5相连的空心钢立柱6，位于空心钢立柱6上方且与空心钢立柱相连的孔压测试传感器7，位于孔压测试传感器7上方且与孔压测试传感器相连的电缆线9，第一连接头11，位于透水孔压元件5上方的探头刚套筒8及安装在刚套筒8后端的密封圈10；电缆线9穿过空心的第一连接头11，第一连接头11与上端的电阻率测量模块2相连。

电阻率测量模块2包括：位于其下端的第二连接头12，第二连接头12下方与孔隙水压力测量模块1相连，位于第二连接头12上方且与第二连接头12相连的绝缘塑料外套13，安装在绝缘塑料外套13上的供电电极14、接地电极15、测量电极16，第三连接头17，该第三连接头17与上部贯入的钻杆相连。

该探头包括位于其前端的孔隙水压力测量模块1，与孔隙水压力测量模块1相连的气体采集附加模块3；其中，孔隙水压力测量模块1用于在探头压入土体过程中，探测土体中不同深度孔隙水压力的大小及其变化情况；气体采集附加模块3用于采集特定深度土层中有毒有害气体。

所述孔隙水压力测量模块1包括：位于探头最下端的锥尖4，位于锥尖4上方且与锥尖4相连的透水孔压元件5，穿过透水孔压元件5且与透水孔压元件5相连的空心钢立柱6，位于空心钢立柱6上方且与空心钢立柱相连的孔压测试传感器7，位于孔压测试传感器7上方且与孔压测试传感器相连的电缆线9，第一连接头11，位于透水孔压元件5上方的探头刚套筒8及安装在刚套筒8后端的密封圈10；电缆线9穿过空心的第一连接头11，第一连接头11与上端的气体采集附加模块3相连。

气体采集附加模块3包括：第四连接头18，第四连接头18下方与孔隙水压力测量模块1相连；位于第四连接头18上方且与第四连接头18连接的气体捕获窗口19；位于气体捕获窗口19上方且与气体捕获窗口19相连的气体储存腔室20，与气体储存腔室20相连的气体抽取通道22，气体储存腔室20上下端分别设有止回阀21。

本发明提供的地下气体探测的新型多功能探头，该探头包括3个功能模块：孔隙水压力测试模块、电阻率测试模块2和气体采集附加模块3。所述的三个模块对土层中有毒有害气体的探测原理各不相同，当单独使用一个模块时，测试结果可能具有多解性，但三个模块的有机结合，可实现对地层中有害气体的综合判释，提高探测的可靠性。

所述的多功能探头，可直接用在目前工程勘察单位现有的各种静力触探机上，如手推式、履带式、车载式静探机等，只要用所发明探头替代现有探头接在中空钻杆上即可，采用液压将探头匀速压入土层之中，压入过程中，同步记录孔隙水压力、电阻率的变化情况，或者，当根据孔压及电阻率变化判读到储气层时，可将探头拔出，换用气体采集模块，压入到预订深度进行气体采集。

所述的孔隙水压力测量模块1，其主要技术特点在于当土层中含大量有害气体或无气时，孔隙水压力表现出不同特征，或正或负，上升或下降趋势各异，据此对储气层的空间位置进行判断。

所述的电阻率测量模块2，其主要技术特点在于当土层中固液气三相组成比例及成分发生变化时，电阻率有较灵敏的反应，特别是含原生甲烷气体土层或受工业污染土层有较好反应，据此对储气层的空间位置进行判断，同时根据与室内各种含气土层电阻率试验资料的比对，判断可能的气体种类。

所述的气体采集附加模块3，其主要技术特点在于可连接在静探机钻杆上，快速贯入至任意采样深度，而且为原位采样，能反应土层真实储气情况，通过对采集气体的现场分析或封存送至实验室分析，对地下土层中气体的种类及浓度等进行细致分析。

如附图1-附图4所示，本发明包括：孔隙水气压力测量试模块1、电阻率测量模块2和气体采集附加模块3。整个测试系统中的各个装置进行了模块化设计，便于根据测试需要进行组合使用。

附图2所示孔隙水压力模块1主要包括：锥尖4，锥底直径35.7mm，锥角60⁰；透水孔压元件5，探头核心部件之一，直径与锥底相同，厚度5mm，采用聚丙烯材料，为使孔隙水压力有较短的反应时间，要求其渗透性在1~5×10^－5cm/s；空心钢立柱6，为液体运移通道；孔压测试传感器7，额定量程2Mpa,精度±1kPa；钢套筒8，长度133.7mm；电缆线9；Ο型密封圈10。当探头贯入土层之中时，孔隙水压力将通过透水孔压元件5及充满液体的空心钢立柱6通道传递到孔压测试传感器7，从而实现对土层中孔隙水压力的测试。

附图3所示电阻率测试模块2主要包括：绝缘塑料外套13,长约150mm；安装在绝缘塑料外套13上面的4个铜电极，各电极相互隔开，沿轴向并排设置，分别为供电电极14、接地电极15和测量电极16。土电阻率是通过测试恒定电流下两测量电极16间的电压降，并根据欧姆定律计算出土电阻率的大小。

附图4所示气体采集附加模块3主要包括：气体捕获窗口19,气体储存腔室20,止回阀21,气体采集管22。气体采集是将软管（厚壁硅胶管）通过中空的钻杆与气体采集管22相连接，软管的地表端连接一医用三通，三通一端连接小型吸气泵，需要采集气体时，通过采用小型吸气泵抽气形成负压，进而用连接在三通上的放置于地表的气体收集箱收集气体，并将气体用储气袋保存，以便于及时将气体封存送至实验室分析。

具体的土层中有害气体探测实施方式如下：

1．对地下工程建设场地进行试验前的调查工作，根据前期勘察资料、场地历史应用情况等，初判场地土层是否可能含有原生储气层或天然气管道泄漏等导致的外来气体，并圈定调查范围。

2．为确保孔压测试的可靠性，测试前采用真空抽吸法饱和透水孔压元件5，饱和液使用蒸馏水或甘油等(推荐使用甘油) ，将饱和后的透水孔压元件5放置于装满饱和液的容器之中，现场使用时才取出。现场安装时，首先用注射器将附图2中的过水通道空心钢立柱6充满饱和液，然后进行透水孔压元件5安装。

3．组装孔隙水压力测量模块1和电阻率测量模块2，形成多功能探头，然后将探头连接在常规静探机空心钻杆上，测试电缆通过钻杆引出，采用液压将探头按2-3cm/s匀速贯入某一预设深度，每贯入1m，停止贯入进行换接杆；在贯入过程中，沿土层深度剖面连续记录孔隙水压力及电阻率数据。首先在同一场地正常土层之中进行测试，获取土层孔压及电阻率的正常背景值，比便于对含气土层的判别；然后在第1项中预判的重点区域进行探测。

4．根据贯入过程中孔隙水压力及电阻率变化情况，对土层剖面中可能的储气层深度位置进行判断。一般情况下，在正常砂土层中，孔隙水压力等于静水压力，粘性土层中将产生超孔隙水压力；当土层中含有大量有害气体时（如甲烷等），土层为部分饱和状态，贯入到该层中时，孔压将变为负值，当停止贯入进行孔压消散时，负孔压将很快变为正值，并持续上升直到与静水压力平衡为止。对于含原生沼气或瓦斯的土层，电阻率值将比正常土层偏低，若含有大量自由气体，在电极周围出现“气穴”现象，也可能导致电阻率偏高很多。与正常土层的孔压及电阻率背景值进行对比，对可能的储气层进行综合判断。

5．为判断含气土层的空间展布范围，可以重点区域探测到的含气孔为中心，按放射状向外扩大探测，以寻找可能的储气土层边界范围。

6．选择孔压及电阻率异常变化显著的孔，用气体采集附加模块3替换电阻率测量模块2，进行地层剖面有害气体的采集工作，并封存送至实验室进行化学分析，对地层含有的气体进行进一步分析，确定其种类及浓度等，并结合步骤3、4和5的试验结果，实现对地层中有毒有害气体的综合探测。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims

1.一种地下气体探测的多功能探头，其特征在于：该探头包括位于其前端的孔隙水压力测量模块（1），与孔隙水压力测量模块（1）相连的电阻率测量模块（2）；其中，孔隙水压力测量模块（1）用于在探头压入土体过程中，探测土体中不同深度孔隙水压力的大小及其变化情况；电阻率测量模块（2）用于测试土壤电阻率的变化；气体采集附加模块（3）用于采集土层中的气体。

2.根据权利要求1所述的地下气体探测的多功能探头，其特征在于，所述孔隙水压力测量模块（1）包括：位于探头最下端的锥尖（4），位于锥尖（4）上方且与与锥尖（4）相连的透水孔压元件（5），穿过透水孔压元件（5）且与透水孔压元件（5）相连的空心钢立柱（6），位于空心钢立柱（6）上方且与空心钢立柱相连的孔压测试传感器（7），位于孔压测试传感器（7）上方且与孔压测试传感器相连的电缆线（9），第一连接头（11），位于透水孔压元件（5）上方的探头刚套筒（8）及安装在刚套筒（8）后端的密封圈（10）；电缆线（9）穿过空心的第一连接头（11），第一连接头（11）与上端的电阻率测量模块（2）相连。

3. 根据权利要求1所述的地下气体探测的多功能探头，其特征在于，电阻率测量模块（2）包括：位于其下端的第二连接头（12），第二连接头（12）下方与孔隙水压力测量模块（1）相连，位于第二连接头（12）上方且与第二连接头（12）相连的绝缘塑料外套（13），安装在绝缘塑料外套（13）上的供电电极（14）、接地电极（15）、测量电极（16）,第三连接头（17），该第三连接头（17）与上部贯入的钻杆相连。

4.一种地下气体探测的多功能探头，其特征在于，该探头包括位于其前端的孔隙水压力测量模块（1），与孔隙水压力测量模块（1）相连的气体采集附加模块（3）；其中，孔隙水压力测量模块（1）用于在探头压入土体过程中，探测土体中不同深度孔隙水压力的大小及其变化情况；气体采集附加模块（3）用于采集特定深度土层中有毒有害气体。

5. 根据权利要求4所述的地下气体探测的多功能探头，其特征在于，所述孔隙水压力测量模块（1）包括：位于探头最下端的锥尖（4），位于锥尖（4）上方且与锥尖（4）相连的透水孔压元件（5），穿过透水孔压元件（5）且与透水孔压元件（5）相连的空心钢立柱（6），位于空心钢立柱（6）上方且与空心钢立柱相连的孔压测试传感器（7），位于孔压测试传感器（7）上方且与孔压测试传感器相连的电缆线（9），第一连接头（11），位于透水孔压元件（5）上方的探头刚套筒（8）及安装在刚套筒（8）后端的密封圈（10）；电缆线（9）穿过空心的第一连接头（11），第一连接头（11）与上端的气体采集附加模块（3）相连。

6.根据权利要求4所述的地下气体探测的多功能探头，其特征在于，气体采集附加模块（3）包括：第四连接头（18），第四连接头（18）下方与孔隙水压力测量模块（1）相连；位于第四连接头（18）上方且与第四连接头（18）连接的气体捕获窗口（19）；位于气体捕获窗口（19）上方且与气体捕获窗口（19）相连的气体储存腔室（20），与气体储存腔室（20）相连的气体抽取通道（22），气体储存腔室（20）上下端分别设有止回阀（21）。