CN103161404A - 一种采用预埋多组传感器的导向钻孔方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种采用预埋多组传感器的导向钻孔方法及装置，所述方法的步骤一是在隧道钻孔施工前，在隧道轮廓内预埋至少一根与隧道轴线平行的传感器安放管，传感器安放管中轴向间隔设置一组信号传感器；步骤二是钻机就位；步骤三是钻机钻孔，在钻孔的过程中，倾角传感器采集角度信息，信号发生器将采集到的信息调制成电磁波信号发送出去，每一个信号传感器接收该电磁波信号并解调该信号，并将接收和解调出来的信息传给导向仪，导向仪求出一组H的值并将这组H的值取成一个加权平均值，然后根据加权平均值实时监测并确定钻头所处的具体位置。本导向钻孔方法及装置用量测信号场强来确定钻头位置，具有导向距离长、导向精度高的特点。

Description

一种采用预埋多组传感器的导向钻孔方法及装置

技术领域

 本发明涉及一种应用在钻孔施工中的导向钻孔方法及装置。

背景技术

目前采用的一般导向钻孔(定向钻孔)方法为：使用锲形钻头，钻头内装有特制的倾角传感器（也叫定位传感器），倾角传感器通过有线或无线连接孔外的导向仪，导向仪显示钻头的倾角、工具角等参数。钻进过程中，如果需要调整钻进方向，可先将钻头锲形板大斜面旋转到调向目标方向的对面，然后不旋转钻杆直接顶进，钻头锲形板大斜面受力合力方向为调向目标方向，钻头轨迹向目标方向移动。概括的说，就是一般导向钻孔是通过调整与钻杆相连的钻头锲形板的朝向和受力来控制钻进方向，使钻头的钻进轨迹接近设计轨迹的。但是，这种导向钻孔(定向钻孔)方法导向距离较短，导向精度较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用预埋多组传感器的导向钻孔方法及装置，要解决传统的导向钻孔方法及装置导向距离短、导向精度低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种采用预埋多组传感器的导向钻孔方法，其特征在于步骤如下：

步骤一、在隧道钻孔施工前，在隧道轮廓内预埋至少一根与隧道轴线平行的传感器安放管，传感器安放管中轴向间隔设置一组信号传感器，并用信号线将这组信号传感器与导向仪相连。

步骤二、钻机就位，钻机的钻头中装有与信号传感器无线信号连接的信号发生器，信号发生器内置有倾角传感器。

步骤三、钻机钻孔，在钻孔的过程中，倾角传感器采集角度信息，信号发生器将采集到的角度信息调制成电磁波信号发送出去，每一个信号传感器均通过信号传感器线圈接收该电磁波信号并解调该电磁波信号，由于各信号传感器与信号发生器距离不同，因此它们接收到的电磁波信号的场强也不相同，每一个信号传感器均将接收和解调出来的信息传给导向仪，导向仪根据公式                                                

、

和

求出一组H的值并将这组H的值取成一个加权平均值，然后根据H的加权平均值实时监测并确定钻头所处的具体位置，并在导向仪的显示屏上直观显示钻头的具体位置，给钻孔纠偏提供信息。

上述公式中，E为信号传感器所接收到的电磁波信号的场强，即量测信号场强，K为量测系统常数，H为信号发生器到接受电磁波信号的信号传感器的纵向距离，L为信号发生器到接受电磁波信号的信号传感器的轴向距离，R为信号发生器到接受电磁波信号的信号传感器的直线距离。

所述步骤一中，可在隧道轮廓内预埋两根传感器安放管。

一种采用预埋多组传感器的导向钻孔装置，包括有钻机和导向仪，所述钻机的钻头中装有信号发生器，信号发生器内置有倾角传感器，其特征在于：还包括预埋在隧道轮廓内的至少一根传感器安放管和轴向间隔设置在传感器安放管中的一组信号传感器，所述信号传感器通过信号线与导向仪相连，并且信号传感器上设置有可感应到信号发生器发出的信号的场强大小的信号传感器线圈。

所述隧道轮廓内可预埋有两根传感器安放管。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：本发明涉及了一种简单的用量测信号场强E（磁场总强度）来计算信号发生器到传感器安放管的距离H，并由此确定钻头位置的方法及装置，具有导向距离长、导向精度高的特点。

本发明的主要应用场合：1、水平旋喷施工；本发明可实现精确定位，并且量测精度与打钻长度无关，因此能使水平旋喷桩咬合质量大大提高，施工中结合钻杆内排泥和压力测量手段，使一次性施工长度达到50米以上成为可能，导向距离非常长。2、长距离管棚施工；长距离管棚施工由于外插角较大，存在侵限或超挖问题，采用本发明可让这个问题得以解决，并且可能实现初支与管棚成为整体。3、垂直精确钻孔施工；本发明让超深度精确钻孔成为可能，可应用于超深基坑封水帷幕，煤矿的竖井或斜井的超前加固。

本发明采用了系列固定点信号接收，解决了地面跟踪导向问题。

本发明不仅能用角度计算钻头位置，还可直接定位，定位精度与打钻长度无关。

本发明解决了大埋深隧道的高效钻孔测量问题。

本发明多点同时测量，有平均效应，弥补局部干扰，精度高。

本发明大幅节省了测量时间，全面提升了工程量测工作效率。

本发明可实现钻孔远程施工控制和监督。

本发明是针对隧道超前支护（如水平旋喷方法）需要在同一掌子面上大量高精度的钻孔的特点而设计的。本发明参考了地面跟踪导向方法原理，将地面跟踪测量改为地下系列固定点连续测量，将地面多位置定位改为多传感器同时测量定位。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1是本发明的结构布置示意图。

图2是确定钻头位置的示意图。

附图标记：1－隧道轮廓、2－传感器安放管、3－信号传感器、4－钻头、5－信号发生器、6－倾角传感器、7－信号线、8－导向仪。

具体实施方式

实施例参见图1、图2所示，这种采用预埋多组传感器的导向钻孔方法，其步骤如下。

步骤一、在隧道钻孔施工前，在隧道轮廓1内预埋至少一根与隧道轴线平行的传感器安放管2，传感器安放管2中轴向间隔设置一组信号传感器3（即设置阵列信号传感器），并用信号线7将这组信号传感器3与导向仪8相连。

步骤二、钻机就位，钻机的钻头4中装有与信号传感器3无线信号连接的信号发生器5，信号发生器5内置有倾角传感器6。

步骤三、钻机钻孔，在钻孔的过程中，倾角传感器6采集角度信息，信号发生器5将采集到的角度信息调制成电磁波信号发送出去，每一个信号传感器3均通过信号传感器线圈接收该电磁波信号并解调该电磁波信号，由于各信号传感器3与信号发生器5距离不同，因此它们接收到的电磁波信号的场强也不相同，每一个信号传感器3均将接收和解调出来的信息传给导向仪8，导向仪8根据公式

、

和

求出一组H的值并将这组H的值取成一个加权平均值，然后根据H的加权平均值实时监测并确定钻头所处的具体位置，并在导向仪8的显示屏上直观显示钻头4的具体位置，给钻孔纠偏提供信息。

上述公式中，E为信号传感器3所接收到的电磁波信号的场强，即量测信号场强，K为量测系统常数(K受多因素影响，不同的量测系统K值不同，系统出厂前K值需多次实验量测后整定)，H为信号发生器5到接受电磁波信号的信号传感器3的纵向距离，L为信号发生器5到接受电磁波信号的信号传感器3的轴向距离。

上述公式中，K为已知，E通过信号传感器3获得，L通过钻机获得，所以通过计算就可以得到H的值。

作为最优选的实施例，本实施例采用两组信号传感器2，两组信号传感器可以起矫正最终结果的作用。在其它实施例中，也可以采用三组或更多组信号传感器2，可以使结果更精确。作为特例，还可以只利用一组信号传感器2，利用一组信号传感器2测量信号发生器5到传感器安放管2的距离H，在不要太高精度的短距离钻孔施工时是一种有效选择。

所述隧道轮廓内如预埋一根安放管，需配合解调的角度综合确定钻头位置，如预埋两根安放管，可用三角测量方法直接确定钻头位置。

参见图1、图2所示，采用预埋多组传感器的导向钻孔装置包括有钻机和导向仪8，所述钻机的钻头中装有信号发生器5，信号发生器5内置有倾角传感器6。所述导向仪8由市场上采购获得，比如美国DCI公司的月蚀导向仪，或者北京首尔工程技术有限公司的SE-DY102A导向仪。

采用预埋多组传感器的导向钻孔装置还包括预埋在隧道轮廓1内的两根传感器安放管2和轴向间隔设置在每根传感器安放管中的一组信号传感器3（即阵列信号传感器），所述信号传感器3通过信号线7与导向仪8相连，并且信号传感器3上设置有可感应到信号发生器5发出的信号的场强大小的信号传感器线圈，换句话是，就是信号传感器3上的信号传感器线圈能测得一定频率的电磁场三分量（三正交线圈，分别测量电磁场的三个分量）。

所述公式

的推导过程如下。

参见图2，已知量测关系式：

。令，根据及

,得。又令，则有

 ，即。

上述公式中，E为信号传感器3所接收到的电磁波信号的场强，即量测信号场强，K为量测系统常数，H为信号发生器5到接受电磁波信号的信号传感器3的纵向距离，也可以说是钻头到信号传感器3的纵向距离，L为信号发生器5到接受电磁波信号的信号传感器3的轴向距离,也可以说是钻头到信号传感器3轴向距离，R为信号发生器5到信号传感器3的直线距离，也可以说是钻头到信号传感器的直线距离，

为球坐标系中的环向单位向量，

为球坐标系中的径向单位向量，θ为L与R的夹角。

由以上推导可知定位过程为：通过公式

，可求得

，再由可得

，然后利用信号传感器，利用勾股关系很容易就可以确定钻头的确切位置。

Claims (4)

1.一种采用预埋多组传感器的导向钻孔方法，其特征在于步骤如下：

步骤一、在隧道钻孔施工前，在隧道轮廓（1）内预埋至少一根与隧道轴线平行的传感器安放管（2），在传感器安放管（2）中轴向间隔设置一组信号传感器（3），并用信号线（7）将这组信号传感器（3）与导向仪（8）相连；

步骤二、钻机就位，钻机的钻头（4）中装有与信号传感器（3）无线信号连接的信号发生器（5），信号发生器（5）内置有倾角传感器（6）；

步骤三、钻机钻孔，在钻孔的过程中，倾角传感器（6）采集角度信息，信号发生器（5）将采集到的角度信息调制成电磁波信号发送出去，每一个信号传感器（3）均通过信号传感器线圈接收该电磁波信号并解调该电磁波信号，由于各信号传感器（3）与信号发生器（5）距离不同，因此它们接收到的电磁波信号的场强也不相同，每一个信号传感器（3）均将接收和解调出来的信息传给导向仪（8），导向仪（8）根据公式                                               、

和

求出一组H的值并将这组H的值取成一个加权平均值，然后根据H的加权平均值实时监测并确定钻头所处的具体位置，并在导向仪（8）的显示屏上直观显示钻头（4）的具体位置，给钻孔纠偏提供信息；

上述公式中，E为信号传感器（3）所接收到的电磁波信号的场强，即量测信号场强，K为量测系统常数，H为信号发生器（5）到接受电磁波信号的信号传感器（3）的纵向距离，L为信号发生器（5）到接受电磁波信号的信号传感器（3）的轴向距离，R为信号发生器（5）到接受电磁波信号的信号传感器（3）的直线距离。

2.根据权利要求1所述的一种采用预埋多组传感器的导向钻孔方法，其特征在于：所述步骤一中，在隧道轮廓（1）内预埋两根传感器安放管（9）。

3.一种采用预埋多组传感器的导向钻孔装置，包括有钻机和导向仪（8），所述钻机的钻头中装有信号发生器（5），信号发生器（5）内置有倾角传感器（6），其特征在于：还包括预埋在隧道轮廓（1）内的至少一根传感器安放管（2）和轴向间隔设置在传感器安放管中的一组信号传感器（3），所述信号传感器（3）通过信号线（7）与导向仪（8）相连，并且信号传感器（3）上设置有可感应到信号发生器（5）发出的信号的场强大小的信号传感器线圈。

4.根据权利要求3所述的一种采用预埋多组传感器的导向钻孔装置，其特征在于：所述隧道轮廓（1）内预埋有两根传感器安放管（9）。