CN102749653B - 用于地下工程高分辨率三维电阻率ct成像的电极递送装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于地下工程高分辨率三维电阻率CT成像的电极递送装置，它包括：外套管，具有用于装导电胶的导电胶装载槽；可旋转内套管，包括能够旋转的套管，该套管旋转后能够具有连通导电胶装载槽与套管内部的空间，且该套管外端设有手柄，且可旋转内套管的内部穿过有多芯电缆；若干个伸缩式电极，每个伸缩式电极包括电极外壳，电极外壳内设有电极，所述电极与多芯电缆连接，还包括使电极向外弹出电极外壳的结构；所述电极在使用前抵住所述可旋转内套管内管壁；若干个伸缩式电极排列在可旋转套管内，与所述导电胶装载槽一一对应。其解决了深长钻孔中电极系统的递送及快速耦合的难题，为复杂地质条件下地下工程超前预报工作提供了方便。

Description

用于地下工程高分辨率三维电阻率CT成像的电极递送装置

技术领域

本发明涉及一种用于隧道或者坑道等地下工程复杂地质条件下基于电阻率CT技术的高分辨率成像超前地质预报的电极递送装置，具体地说是一种涉及在隧道或坑道中采用电阻率CT技术进行立体观测和三维覆盖式数据采集，并对探测结果进行三维全空间电阻率反演解译，实现对工作面前方地质情况精细探查的电极递送装置和快速耦合装置。 

背景技术

随着我国基础设施建设进程的加快，在交通、水利水电及矿产资源开发等领域将会修建更多的长大隧道、隧洞等地下工程。这些地下工程普遍具有埋深大、洞线长、水文地质条件复杂等显著特点，加之施工前期的地质勘查工作难以查清沿线的水文地质条件，导致在施工中将面临诸多地质灾害。其中突(涌)水、突(涌)泥灾害是主要地质灾害之一，在国内外地下工程特大事故中，突(涌)水、突(涌)泥灾害在死亡人数和发生次数上均居于前列。 

目前国内常用的隧道超前地质预报方法可分为地质分析法和地球物理方法，其中地质分析法包括超前导洞(坑)法、超前水平钻孔法、工程地质调查法等，而地球物理方法包括地震反射波探测法、地质雷达探测法、瞬变电磁法、红外超前探水法等。 

超前水平钻孔技术是在隧道掘进前方按一定位置和方向布置一定数目的钻孔探明地下水和工程地质情况，并提取出岩样进行分析，进而实现对前方地质情况探查的一种探测手段。但超前钻孔技术只能探测出钻孔小范围内的地质情况，并不能反映工作面前方整个范围内的地质情况，极易遗漏不良地质，造成误报、错报及灾害隐患，且钻孔经济成本和时间成本较高。 

地球物理探测方法可以对工作面前方整个范围进行地质探查。地震反射波方法是利用来自掌子面前方的纵波、横波、转换波的反射震相在隧道垂直地震剖面上所产生的负视速度同相轴来反演出界面的空间位置和产状。电磁类方法对水体异常响应敏感，也是隧道地质预报的常用方法之一。瞬变电磁法(TEM)和电磁剖面法(MT)都是利用阶跃波形电磁脉冲激发，利用不接地回线向地下发射一次场，测量由地下介质产生的感应二次场随时间的变化。地质雷达法是短距离超前探查水体的较好方法，探测距离20~30m，但地质雷达法、瞬变电磁法易受到金属器具的干扰，抗干扰能力较弱。由于现场条件的限制，现有地球物理探测技术的探测精度随探深的增加而降低，无法对深层的地质目标作详细的探查，难以适应复杂地质条件下超前地质预报的需求。 

传统的电阻率CT技术属于电法勘探领域，通过向钻孔中布置电极，以探测两孔之间地层的地质情况。以往工程实践中都是从地面上向下打垂直钻孔，带电极的多芯电缆可在重力的作用下竖直放入钻孔中，完成两钻孔之间地质情况的探查；而在地下工程隧道超前预报中，超前钻孔的布置都是垂直于掌子面，是水平向的，这就为电极的递送带来了困难，特别是深长钻孔中电极的递送和耦合，普通的递送方式无法确定各电极的间距，难以实现电极与围岩的良好耦合接触，也容易引起多芯电缆的扭曲缠绕和自身的磨损，且隧道中的电阻率CT探测也尚未见到应用。另外，传统的电阻率CT技术本质上是一种二维探测方式，是用二维反演方法进行数据处理，无法探明地质异常的三维位置与形态，不能适应实际工程需求，在复杂地质条件下的地下工程超前预报工作中也尚未见到应用。 

综上所述，地下工程超前地质预报存在如下两方面的问题：①探测精度和分辨率随探深的增加而降低，无法实现深部的精细高分辨率探测；②现有预报技术难以实现工作面前方地质情况的三维探测，无法实现地质异常的三维精确定位。为此，研究并提出了一种复杂地质条件下地下工程高分辨率三维电阻率CT成像超前预报系统和方法，同时针对该系统和方法设计了一种用于深长钻孔中电极递送及快速耦合的装置，为实现地下工程施工期高分辨率精确超前预报提供一条可行的途径。 

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种用于在复杂地质条件下地下工程中对工作面前方地质情况实现三维电阻率高分辨率成像，基于电阻率CT技术的超前地质预报的电极递送装置。 

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案： 

一种用于地下工程高分辨率三维电阻率CT成像的电极递送装置，它包括：

（1）    外套管，具有用于装导电胶的导电胶装载槽；

（2）    可旋转内套管，包括能够旋转的套管，该套管旋转后能够具有连通导电胶装载槽与套管内部的空间，且该套管外端设有手柄，且可旋转内套管的内部穿过有作为测线的多芯电缆；

（3）    若干个伸缩式电极，每个伸缩式电极包括电极外壳，电极外壳内设有电极，所述电极与多芯电缆连接，还包括使电极向外弹出电极外壳的结构；所述电极在使用前抵住所述可旋转内套管内管壁；若干个伸缩式电极排列在可旋转套管内，与所述导电胶装载槽一一对应。

所述使电极向外弹出的结构包括： 

（1）    电极帽，连接所述多芯电缆；

（2）    棘轮结构，包括两个相配合的圆柱形的棘轮体，棘轮体的一端连接所述电极帽，另一端连接所述电极；

（3）    弹簧，绕在所述电极外，对电极施加朝向棘轮结构的力；

所述电极帽、棘轮结构、弹簧、电极位于电极外壳内。

所述可旋转内套管包括固定的第一内套管和能够旋转的第二内套管，第一内套管和第二内套管的横截面呈圆弧形。 

所述电极帽的下端设有螺纹，多芯电缆上设有与螺纹相对应的螺纹孔，电极帽旋入该螺纹孔中。 

所述电极外壳下端内部设有一圆周台阶，台阶的内径与电极帽外径相一致，电极帽的上端外周设有与所述台阶相配合的凸台，电极外壳卡在电极帽上且二者之间能够发生相对滑动。 

所述电极帽顶端和金属电极底部均设计有凹槽，棘轮结构上下两端设有柱体，分别插进所述凹槽内。 

所述电极帽、棘轮结构均采用金属材料制作。 

该电极递送及快速耦合装置的使用方法：转动打开有机玻璃可旋转内套管，使自伸缩式弹簧电极弹出，穿过PE塑性外套管与围岩接触，该过程同时释放装载在PE塑性外套管内的导电胶，在导电胶的作用下电极与围岩实现良好耦合。 

使用该电极递送装置能够在地下工程中钻孔中布置电极和测线，尤其是深度较长的钻孔。 

本发明提出了一种用于地下工程高分辨率三维电阻率CT成像的电极递送及快速耦合装置，包括自伸缩式弹簧电极、PE塑性外套管和有机玻璃可旋转内套管三部分，通过转动打开有机玻璃可旋转内套管，使自伸缩式弹簧电极弹出，穿过PE塑性外套管与围岩接触，该过程同时释放装载在PE塑性外套管内的导电胶，在导电胶的作用下电极与围岩实现良好耦合。该装置解决了深长钻孔中电极系统的递送及快速耦合的难题，为复杂地质条件下地下工程超前预报工作提供了方便。 

采用本装置的系统和方法（参照实施例1）设计了“平行双钻孔加正交测线”的立体三维测量方式，采用多次覆盖、全自动、全组合的自由数据采集模式，实施三维全空间电阻率数据反演解译方法，改变了常规的电法数据采集模式，可获得更丰富的数据量（是普通电法采集数据量的几十倍）和更精确的三维成像效果，能够获得工作面前方一定范围内地质体的三维电阻率精细结构，可实现地质异常体的高分辨率成像，尤其是显著提高了深部分辨率，打破了超前钻孔仅能探测局部区域的瓶颈，弥补了传统超前预报地球物理探测方法精度与分辨率较低的不足，为实现地下工程施工期高分辨率超前预报提供了可行的途径。 

附图说明

图1 是本发明工作面布孔示意图。 

图2 是本发明立体电极布置剖面图。 

图3 是本发明深长钻孔中电极系统递送及快速耦合装置剖面示意图。 

图4 是本发明自伸缩式弹簧电极分解图。 

图5 是本发明自伸缩式弹簧电极组装纵剖面图。 

图6(a) 是本发明钻孔一中电极供电，钻孔二中电极接收数据采集示意图。 

图6(b) 是本发明钻孔二中电极供电，钻孔一中电极接收数据采集示意图。 

图6(c) 是本发明垂直测线供电，平行双钻孔中电极接收数据采集示意图。 

图6(d) 是本发明平行双钻孔供电，水平测线接收数据采集示意图。 

其中，1.工作面（隧道掌子面），2.钻孔一，3.钻孔二，4.多芯电缆，5. 自伸缩式弹簧电极，6.垂直测线，7.水平测线，8.含水体，9. PE塑性外套管，10.有机玻璃可旋转内套管，11.旋转手柄，12.卡槽，13.导电胶装载槽，14.电极外壳，15.弹簧，16.金属电极，17.棘轮结构，18.电极帽。 

具体实施方式

下面通过具体实例和附图对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。 

实施例1 使用实施例2所述电极递送及快速耦合装置的系统及方法 

如图1、图2所示，一种复杂地质条件下地下工程高分辨率三维电阻率CT成像超前预报系统，其在隧道地下工程工作面1上垂直打入一对等深的平行钻孔（钻孔一2和钻孔二3），两钻孔中布置有电极系统递送及快速耦合装置，如图3所示。深长钻孔中电极系统递送及快速耦合装置，由自伸缩式弹簧电极5、PE塑性外套管9和有机玻璃可旋转内套管10三部分组成。自伸缩式弹簧电极5由电极外壳14、弹簧15、金属电极16、棘轮结构17和电极帽18五部分构成。多芯电缆4在与自伸缩式弹簧电极5相应的位置处设计有带螺纹的螺纹孔，电极帽18外周一半长度刻有螺纹，可旋转进入多芯电缆的螺纹孔中，自伸缩式弹簧电极5即通过带螺纹的电极帽18与多芯电缆4连接。电极外壳14下端设计一圆周台阶，内径与电极帽18外径相等，电极帽的上端外周设有与所述台阶相配合的凸台，电极外壳正好卡住电极帽18，同时又能与电极帽18之间发生相对摩擦滑动，其目的是为了使电极外壳朝向多芯电缆滑动，从而在需要时能够露出更多的电极，便于电极和围岩耦合良好。电极帽18顶端和金属电极16底部都设计有圆形凹槽，棘轮结构17上下的柱体设计顶住电极帽18和金属电极16的同时，又能保证棘轮结构17自身的旋转进退。电极帽18、棘轮结构17均采用金属材料制作（一般为金属铜），确保电流能够通过电缆4、电极帽18、棘轮结构17、金属电极16顺利地传导到围岩体中。自伸缩式弹簧电极5五部分组装好后，如图5所示，当电极外壳14受到压力作用，克服弹簧15的弹性力向电极帽18方向移动，此时在弹簧15的弹性力作用下带动棘轮结构17旋转，可将金属电极16输送出电极外壳14；当电极外壳14再次受到压力作用时，在弹簧15的弹力作用下，棘轮结构17实现第二次旋转，金属电极16又返回到电极外壳14内部。如此，整个自伸缩式弹簧电极可实现类似自动圆珠笔笔芯弹进弹出的功能。将32个自伸缩式弹簧电极5组装到多芯电缆4上，通过卡槽12将多芯电缆4固定于有机玻璃可旋转内套管10上。将32个自伸缩式弹簧电极5调整到弹出状态，然后转动旋转手柄11，闭合有机玻璃可旋转内套管10，此时在有机玻璃可旋转内套管10管壁的作用下，32个自伸缩式弹簧电极5中弹出的金属电极被迫处于受压状态。将有机玻璃可旋转内套管10套入PE塑性外套管9中，在导电胶装载槽13中装满导电胶，此时整个深长钻孔中电极系统递送及快速耦合装置组装完毕，放入钻孔中。整个深长钻孔中电极系统递送及快速耦合装置放入钻孔中后，反方向转动旋转手柄11，打开有机玻璃可旋转内套管10，此时32个自伸缩式弹簧电极5中的金属电极所受压力消除，在弹簧15的作用下弹出，穿过PE塑性外套管9与围岩接触，该过程同时释放装载在PE塑性外套管9导电胶装载槽13内的导电胶，在导电胶的作用下金属电极16与围岩实现良好耦合。

同时，在工作面1上布置两条正交测线，所述两条正交测线分别为垂直测线6和水平测线7，垂直测线6沿工作面上两平行钻孔间的连线布置，水平测线7垂直于该垂直测线6。垂直测线6上以相等的间距△x=1m布置8个金属电极16；在工作面沿水平方向（即水平测线7）以相等的间距△x=1m布置8个金属电极16。 

上述金属电极16与通过多芯电缆4和正交测线上的金属电极和测线与数据处理装置相连。该数据处理装置为主机和笔记本电脑，主机与笔记本电脑相连。 

一种复杂地质条件下地下工程高分辨率三维电阻率CT成像超前预报方法，采用本实施例 1中的系统，在所述电极中任选两个为供电电极，其它电极中任选两个为测量电极，进行测量；经过多次测量采集，对采集的数据进行处理并输出结果，实现超前预报。 

其具体步骤为： 

A.利用钻孔取出的岩芯，依据岩石质量指标初步鉴别岩石的工程性质，测量分段岩芯的电阻率，为反演计算的初始模型提供边界约束条件。

B. 按照所述复杂地质条件下地下工程高分辨率三维电阻率CT成像超前预报系统布置，形成“平行双钻孔加正交测线”的立体三维测量方式。 

C. 如图6(a)~图6(d)所示，在金属电极5与围岩耦合良好，多芯电缆4与主机连接好，主机与笔记本电脑连接好后，通过笔记本电脑控制主机实现三维全空间电场的施加、电极转换和数据采集等功能。图6(a)和图6(b)中分别表示了垂直测线供电、平行双钻孔中电极接收数据采集示意图和平行双钻孔供电，水平测线接收数据采集示意图，可以得到含水体8更全面准确的数据。 

D. 本方法设计了“平行双钻孔加正交测线” 的立体三维测量方式，实现了多次覆盖、全自动、全组合的自由数据采集模式，将全部电极置于测点上之后，利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现不同电极距、不同电极排列方式的数据自动采集。本方法不受普通电法电极装置和数据采集方式的限制，可以将ABMN放到任意网格节点上。确定好一对供电电极AB的位置后，测量电极MN就可以在除AB以外的其他电极上进行任意组合测量。特别要指出的是，在其他常规电法中，不会出现像本方法一样，有供电电极AB和测量电极MN交叉进行测量的现象。由于本方法得到了除AB电极以外其他任何电极间的电位差，所以采集的数据非常全面，采集的数据量是常规电法的几十倍，这样就避免了普通电法中数据采集时侧重点各不相同的缺点。 

E. 反演计算。采集到的数据采用常规的三维全空间电阻率反演方法进行建模解译处理，在采集得到的丰富数据量的基础上，反演结果更加可靠、精确，最终可形成三维电阻率高分辨率地质影像图。 

本系统和方法通过在工作面上垂直打入一对平行钻孔，孔内布置测线，并在工作面上加布两条正交测线，实现“平行双钻孔加正交测线”的立体三维观测方式。钻孔中测线和正交测线上的电极既可以作为供电电极，也可作为测量电极，当确定供电电极AB的位置后，测量电极MN就可以在任意测线除AB以外的其他电极上进行任意组合测量甚至交叉测量，由此实现对工作面前方一定范围内地质体电阻率结构的多次三维覆盖式获取，可以获得更丰富的数据量，进而对采集的数据实施三维全空间高精度电阻率反演解译方法，最终实现地质异常体的高分辨率精确成像。 

实施例2 电极递送及快速耦合装置 

如图3、图4所示，一种用于地下工程的电极递送及快速耦合装置，它包括：（1）PE塑性外套管9，具有装满导电胶的导电胶装载槽13；（2）有机玻璃可旋转内套管10，包括能够旋转的套管，该套管旋转后能够具有连通导电胶装载槽13与套管内部的空间，且该套管外端设有旋转手柄11，且有机玻璃可旋转内套管10的内部穿过有作为测线的多芯电缆4；（3）若干个自伸缩式弹簧电极5，每个自伸缩式弹簧电极5包括电极外壳14，电极外壳14内设有金属电极16，所述金属电极16与多芯电缆4连接，还包括使金属电极16向外弹出电极外壳14的结构；所述金属电极16在使用前抵住所述有机玻璃可旋转内套管10内管壁；若干个自伸缩式弹簧电极5排列在有机玻璃可旋转内套管10内，与所述导电胶装载槽13一一对应。

所述使金属电极16向外弹出的结构参照实施例1中的相关描述，它包括：（1）电极帽18，连接所述多芯电缆4；（2）棘轮结构17，包括两个相配合的圆柱形的棘轮体（相当于自圆珠笔的结构，两个棘轮体具有轴上方面上的斜面，能够保证施压时金属电极15前后移动），棘轮体的一端连接所述电极帽18，另一端连接所述金属电极16；（3）弹簧15，绕在所述金属电极16外，对金属电极16施加朝向棘轮结构17的力；所述电极帽18、棘轮结构17、弹簧15、金属电极16位于电极外壳14内。 

所述有机玻璃可旋转内套管10包括固定的第一内套管和能够旋转的第二内套管，第一内套管和第二内套管的横截面呈圆弧形。 

Claims (7)

1.一种用于地下工程高分辨率三维电阻率CT成像的电极递送装置，它包括：外套管，具有用于装导电胶的导电胶装载槽；可旋转内套管，包括能够旋转的套管，该套管旋转后能够具有连通导电胶装载槽与套管内部的空间，且该套管外端设有手柄，且可旋转内套管的内部穿过有作为测线的多芯电缆；若干个伸缩式电极，每个伸缩式电极包括电极外壳，电极外壳内设有电极，所述电极与多芯电缆连接，还包括使电极向外弹出电极外壳的结构；所述电极在使用前抵住所述可旋转内套管内管壁；若干个伸缩式电极排列在可旋转内套管内，与所述导电胶装载槽一一对应。

2.如权利要求1所述的电极递送装置，其特征是，所述使电极向外弹出的结构包括：电极帽，连接所述多芯电缆；棘轮结构，包括两个相配合的圆柱形的棘轮体，棘轮体的一端连接所述电极帽，另一端连接所述电极；弹簧，绕在所述电极外，对电极施加朝向棘轮结构的力；所述电极帽、棘轮结构、弹簧、电极位于电极外壳内。

3.如权利要求1所述的电极递送装置，其特征是，所述可旋转内套管包括固定的第一内套管和能够旋转的第二内套管，第一内套管和第二内套管的横截面呈圆弧形。

4.如权利要求2所述的电极递送装置，其特征是，所述电极帽的下端设有螺纹，多芯电缆上设有与螺纹相对应的螺纹孔，电极帽旋入该螺纹孔中。

5.如权利要求2所述的电极递送装置，其特征是，所述电极外壳下端内部设有一圆周台阶，台阶的内径与电极帽外径相一致，电极帽的上端外周设有与所述台阶相配合的凸台，电极外壳卡在电极帽上且二者之间能够发生相对滑动。

6.如权利要求2所述的电极递送装置，其特征是，所述电极帽顶端和电极底部均设计有凹槽，棘轮结构上下两端设有柱体，分别插进所述凹槽内。

7.如权利要求2所述的电极递送装置，其特征是，所述电极帽、棘轮结构均采用金属材料制作。