CN105487134B - 一种岩体裂隙三维探测系统及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩体裂隙三维探测系统及探测方法，探测系统主要由介质注入管、裂隙传感器、信息采集器构成,使用时，先在岩体中施工若干介质注入孔，而后在介质注入孔的周围施工与介质注入孔平行的若干探测孔，将裂隙传感器安放入探测孔，裂隙传感器上的间隔器膨胀后，每个裂隙传感器上的介质感应元件被相互隔离，且分布在不同深度，由此形成了在裂隙岩体中的三维布控状态；当通过介质注入孔注入的感应介质通过裂隙运移到若干介质感应单元时，便获取了裂隙的三维空间信息，实现了裂隙的三维探测。

Description

一种岩体裂隙三维探测系统及探测方法

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，特别是一种岩体裂隙三维探测系统及探测方法。

背景技术

随着我国基础设施建设的快速发展，公路铁路隧道、煤矿巷道、地铁、水电硐室等修建越来越广泛，而上述工程多建设在岩体之中。岩体的结构面、缝隙、裂隙将工程岩体切割，使得工程岩体整体性降低，工程稳定性也随之降低，对工程稳定及安全具有重要影响。对岩体裂隙进行准确探测对于工程设计、施工、运营等具有重要意义。

如在隧道、巷道、水电硐室、边坡等支护设计中都需要掌握围岩的裂隙发育程度，才能进行围岩分类和准确的设计；在很多数值计算软件中都需要设定围岩裂隙发育参数，才能进行准确模拟。而目前对岩体裂隙参数的获取一般是通过已揭露的岩体进行素描来进行，对于尚未揭露岩体尚未见定量准确的探测方法，同时对于裂隙的连通性也很难通过已揭露岩体进行确定。总的来说，目前尚没有能够准确量测岩体裂隙的探测系统及方法能够解决上述问题。

发明内容

本发明公开了一种岩体裂隙三维探测系统及探测方法，能够在准确、定量的探测岩土体中的裂隙三维展布及连通性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种岩体裂隙三维探测系统，包括向裂隙岩体中注入可在裂隙中运移的感应介质的介质注入管以及用于检测感应介质的裂隙传感器，所述的裂隙传感器包括一个中空杆，沿着中空杆的轴向方向间隔布置有多个与中空管连通的间隔器，且每两个间隔器之间布置一个固定在中空杆上的介质感应元件，每个介质感应元件均通过独立的通讯线与信息采集器相连，实现裂隙空间信息的定位。所述的介质感应元件感应到在裂隙中运移的感应介质后，即时将信号通过导线传送到信息采集器，上述每个介质感应元件的信号感应及传递均是相互独立的，以实现裂隙空间信息的定位。

进一步的，所述的介质注入管为一个中空管体，探测时中空管体被安装在介质注入孔的孔口，并在孔口安装封孔塞；其作用是向裂隙岩体中注入可在裂隙中运移的感应介质。

进一步的，所述的中空杆是一种具有一定刚度和壁厚的中空杆体，中空杆体的内部与每一个间隔器相连通，通过向中空杆体内充入高压气体或液体，实现间隔器侧向膨胀或收缩，具体如下：

当间隔器内充入高压气（液）体时，间隔器侧向膨胀，并最终与探测孔的孔壁接触并密贴，达到封隔的目的；当间隔器内气压降低时，解除封隔作用。

进一步的，所述的间隔器的间隔距离与感应单元数量成反比。间隔器的间隔越小，感应单元数量越多，裂隙的探测精度和定位精度越高。

进一步的，探测时注入的感应介质，应当与介质感应元件匹配。

进一步的，所述的裂隙传感器位于探测孔中，所述的探测孔设置在注入孔的周围。

本发明的工作原理如下：

使用时，先在岩体中施工若干介质注入孔，而后在介质注入孔的周围施工与介质注入孔平行的若干探测孔，将裂隙传感器安放入探测孔。间隔器膨胀后，每个裂隙传感器上的介质感应元件被相互隔离，且分布在不同深度，由此形成了在裂隙岩体中的三维布控状态；当通过介质注入孔注入的感应介质通过裂隙运移到若干介质感应单元时，便获取了裂隙的三维空间信息，从而实现了裂隙的三维探测。

所述的岩体裂隙三维探测系统的探测方法，包括以下步骤：

步骤1根据需要在岩体中施工若干介质注入孔，并清孔，将介质注入管安装在介质注入孔并采用封孔塞封孔；

步骤2根据需要在岩体中的介质注入孔的周围施工若干探测孔，并清孔；

步骤3检测间隔器的密闭性满足要求后，将裂隙传感器放入探测孔；

步骤4将通讯线连接到信息采集器；

步骤5根据每个介质注入孔、裂隙传感器的相对位置及深度，测算每个介质感应元件的坐标并编号；

步骤6通过中空杆向间隔器内充入高压气体或液体并保持，间隔器内的压力应大于感应介质注入压力；

步骤7间隔器内的压力稳定后打开信息采集器；

步骤8通过介质注入管开始向岩体中注入感应介质；感应介质将会沿着岩土体中的裂隙、缝隙进行扩散，部分介质最终会与某裂隙传感器的某介质感应元件接触，该介质感应元件将信号传送至信息采集器；根据每个介质感应元件的位置以及编号，确定该介质感应元件所在位置存在裂隙的位置；

步骤9当信息采集器在设定时间内不再接收到新的裂隙信息时，通过中空杆释放压力，拔出裂隙传感器，探测结束。

进一步的，所述的探测孔的直径应当略大于裂隙传感器的外径，以同时满足裂隙传感器的放入并满足间隔需要。

进一步的，探测孔的深度大于介质注入孔的深度。

进一步的，所述的间隔器在充气体或液体后将介质感应元件分隔在一个个相互独立的感应单元内，每个感应单元中的感应元件只能感应到从与自身所在感应单元联通的裂隙传导过来的感应介质，实现在裂隙中的感应介质深度方向的定位。

本发明达到的有益效果是：

在岩体中布置多个具有间隔器的裂隙传感器，可以可将介质感应元件分隔在一个个相互独立的感应单元内，以此保证每个感应单元中的感应元件，能且只能感应到从与自身所在感应单元联通的裂隙传导过来的感应介质，从而实现介质感应元件的三维空间布控；当向岩体裂隙中注入感应介质后，有裂隙存在的位置率先感应到信息，基于此，可准确获取岩体中裂隙的空间展布及联通情况。为岩体裂隙探测提供了定量、准确的新手段，可为岩体工程设计、施工提供基础参数，保证工程安全稳定。同时，本发明专利中的裂隙传感器等构件可大可小，可长可短，可根据现场需要任意调节其尺寸，使本发明具有广泛的适用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明结构示意图；

图2为a-a剖面图；

图3为A部放大图；

图4为b-b剖面图。

图中：1-介质注入孔；2-探测孔；3-介质注入管；4-封孔塞；5-裂隙传感器；6-岩体；7-裂隙；8-中空杆；9-间隔器；10-介质感应元件；11-通讯线；12-信息采集器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步阐述：

如图1-4所示，本发明探测系统包括向裂隙岩体中注入可在裂隙中运移的感应介质的介质注入管3以及用于检测感应介质的裂隙传感器5，所述的裂隙传感器5包括一个中空杆8，沿着中空杆8的轴向方向间隔布置有多个与中空管连通的间隔器，9且每两个间隔器9之间布置一个固定在中空杆上的介质感应元件10，每个介质感应元件10均通过独立的通讯线11与信息采集器12相连，实现裂隙空间信息的定位。所述的介质感应元件10感应到在裂隙中运移的感应介质后，即时将信号通过导线传送到信息采集器12，上述每个介质感应元件的信号感应及传递均是相互独立的，以实现裂隙空间信息的定位。

进一步的，介质注入管3是一种中空管体，探测时被安装在介质注入孔1的孔口，并在孔口安装封孔塞4；其作用是向裂隙岩体6中注入可在裂隙7中运移的感应介质。

进一步的，所述的裂隙传感器5由中空杆8、间隔器9和介质感应元件10组成。中空杆8上间隔布置有若干间隔器9，在每两个间隔器9之间的设置有介质感应元件10，介质感应元件10固定在中空杆8上；每个介质感应元件10均通过独立的通讯线11与信息采集器12相连，所述的介质感应元件10感应到在裂隙中运移的感应介质后，即时将信号通过导线10传送到信息采集器12，上述每个介质感应元件10的信号感应及传递均是相互独立的，以实现裂隙空间信息的定位。

进一步的，中空杆8是一种具有一定刚度和壁厚的中空杆体，中空杆8联通每一个间隔器9，可以向间隔器9内充入高压气（液）体；向当间隔器9内充入高压气（液）体时，间隔器9侧向膨胀，并最终与探测孔2的孔壁接触并密贴，达到封隔的目的；当间隔器9内气压降低时，解除封隔作用。所述的间隔器9的作用在于充气后可将介质感应元件10分隔在一个个相互独立的感应单元内，以此保证每个感应单元中的感应元件，能且只能感应到从与自身所在感应单元联通的裂隙传导过来的感应介质，从而实现在裂隙7中的感应介质深度方向的定位。间隔器9的间隔越小，感应单元数量越多，裂隙6的探测精度和定位精度越高。

进一步的，介质感应元件10一般采用水感元件，则对应的感应介质采用水即可；当在含水岩体等特殊条件下进行探测时，可采用其它类型的介质传感器，如含有特殊介质的液体、气体等，或采用电类、感光类传感器；探测时注入的感应介质，应当与介质感应元件10匹配。

使用时，先在岩体6中施工若干介质注入孔1，而后在介质注入孔1的周围施工与介质注入孔1平行的若干探测孔2，将裂隙传感器5安放入探测孔2。间隔器9膨胀后，每个裂隙传感器5上的介质感应元件10被相互隔离，且分布在不同深度，由此形成了在裂隙岩体6中的三维布控状态；当通过介质注入孔1注入的感应介质通过裂隙7运移到若干介质感应单元10时，便获取了裂隙7的三维空间信息，从而实现了裂隙的三维探测。

本发明探测系统的探测方法如下：

1、根据需要在岩体6中施工若干介质注入孔1，并清孔，将介质注入管3安装在介质注入孔1并采用封孔塞4封孔；

2、根据需要在岩体6中的介质注入孔1的周围施工若干探测孔2，并清孔；所述的探测孔2的直径应当略大于裂隙传感器5的外径，以同时满足裂隙传感器5的放入并满足间隔需要；一般来讲，探测孔2的深度大于介质注入孔1的深度；

3、检测间隔器9的密闭性满足要求后，将裂隙传感器5放入探测孔2；

4、将通讯线11连接到信息采集器12；

5、根据每个介质注入孔1、裂隙传感器5的相对位置及深度，测算每个介质感应元件10的坐标并编号；

6、通过中空杆8向间隔器9内充入高压气体（或液体）并保持，间隔器9内的压力应大于感应介质注入压力；

7、间隔器9内的压力稳定后打开信息采集器12；

8、通过介质注入管3开始向岩体6中注入感应介质；此过程中感应介质将会沿着岩土体中的裂隙7、缝隙等进行扩散，部分介质最终会与某裂隙传感器5的某介质感应元件10接触，该介质感应元件10将信号传送至信息采集器12；由于每个介质感应元件10均处在不同的位置且独立编号，因此可以确定该介质感应元件10所在位置存在裂隙7且可确知其位置；

9、在较长时间内信息采集器12不再接收到新的裂隙信息后，通过中空杆8释放压力，拔出裂隙传感器5，探测结束。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种岩体裂隙三维探测系统，其特征在于，包括向裂隙岩体中注入可在裂隙中运移的感应介质的介质注入管以及用于检测感应介质的裂隙传感器，所述的裂隙传感器包括一个中空杆，沿着中空杆的轴向方向间隔布置有多个与中空管连通的间隔器，且每两个间隔器之间布置一个固定在中空杆上的介质感应元件，每个介质感应元件均通过独立的通讯线与信息采集器相连，实现裂隙空间信息的定位。

2.如权利要求1所述的岩体裂隙三维探测系统，其特征在于，所述的介质注入管为一个中空管体，探测时所述中空管体被安装在介质注入孔的孔口，并在孔口安装封孔塞。

3.如权利要求1所述的岩体裂隙三维探测系统，其特征在于，所述的中空杆是一种具有一定刚度和壁厚的中空杆体，中空杆体的内部与每一个间隔器相连通，通过向中空杆体内充入高压气体或液体，实现间隔器侧向膨胀或收缩。

4.如权利要求1所述的岩体裂隙三维探测系统，其特征在于，所述的间隔器的间隔距离与感应单元数量成反比。

5.如权利要求1所述的岩体裂隙三维探测系统，其特征在于，探测时注入的感应介质，与介质感应元件匹配。

6.如权利要求1所述的岩体裂隙三维探测系统，其特征在于，所述的裂隙传感器位于探测孔中，所述的探测孔设置在注入孔的周围。

7.如权利要求1所述的岩体裂隙三维探测系统的探测方法，其特征在于，

步骤1根据需要在岩体中施工若干介质注入孔，并清孔，将介质注入管安装在介质注入孔并采用封孔塞封孔；

步骤2根据需要在岩体中的介质注入孔的周围施工若干探测孔，并清孔；

步骤3检测间隔器的密闭性满足要求后，将裂隙传感器放入探测孔；

步骤4将通讯线连接到信息采集器；

步骤5根据每个介质注入孔、裂隙传感器的相对位置及深度，测算每个介质感应元件的坐标并编号；

步骤6通过中空杆向间隔器内充入高压气体或液体并保持，间隔器内的压力应大于感应介质注入压力；

步骤7间隔器内的压力稳定后打开信息采集器；

步骤8通过介质注入管开始向岩体中注入感应介质；感应介质将会沿着岩土体中的裂隙、缝隙进行扩散，部分介质最终会与某裂隙传感器的某介质感应元件接触，该介质感应元件将信号传送至信息采集器；根据每个介质感应元件的位置以及编号，确定该介质感应元件所在位置存在裂隙的位置；

步骤9当信息采集器在设定时间内不再接收到新的裂隙信息时，通过中空杆释放压力，拔出裂隙传感器，探测结束。

8.如权利要求7所述的探测方法，其特征在于，所述步骤2中所述的探测孔的直径应当略大于裂隙传感器的外径，以同时满足裂隙传感器的放入并满足间隔需要。

9.如权利要求7所述的探测方法，其特征在于，探测孔的深度大于介质注入孔的深度。

10.如权利要求7所述的探测方法，其特征在于，所述的间隔器在充气体或液体后将介质感应元件分隔在一个个相互独立的感应单元内，每个感应单元中的感应元件只能感应到从与自身所在感应单元联通的裂隙传导过来的感应介质，实现在裂隙中的感应介质深度方向的定位。