CN105804763A - 盾构掘进机搭载的超前三维电阻率跨孔ct孤石探测系统及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了盾构掘进机搭载的超前三维电阻率跨孔CT孤石探测系统及探测方法，该系统包括能在岩面钻出至少四条钻孔的超前钻孔装置，多条钻孔构成三维探测空间，超前钻孔装置包括钻孔机，钻孔机的底部活动固定于护盾内圆周的轨道内，钻孔机的钻头穿过护盾的超前注浆孔；还包括深入到钻孔内带有多个电极的并释放电解液至电极的探测电极耦合装置，探测电极耦合装置通过电缆与用于施加三维空间电场的主机连接；本发明的有益效果是：有效的解决了无法在盾构机刀盘上开孔或无法在掌子面安装钻孔装置的不足。在盾构掘进机护盾内部安装超前钻孔装置，利用盾构机护盾上的超前注浆孔实现超前钻孔，克服了现有技术的难点，且简单方便。

Description

盾构掘进机搭载的超前三维电阻率跨孔CT孤石探测系统及探测方法

技术领域

本发明涉及孤石探测，特别是涉及盾构掘进机搭载的超前三维电阻率跨孔CT孤石探测系统及探测方法。

背景技术

我国作为一个经济发展的大国，在城市地铁工程建设中将会修建更多的隧道。目前，我国地铁隧道建设中越来越多的采用盾构掘进机进行施工，盾构掘进机施工具有自动化程度高、一次成洞、施工速度快、经济合理、不受气候影响等优点。然而，盾构掘进机对复杂地层的适应能力较差，在地铁施工过程中发现，盾构机长距离掘进时易遇到孤石群。若不能提前探明这些孤石的空间位置和大小，则在施工过程中将面临诸多可能发生的地质灾害，如刀盘被卡变形，甚至喷涌、塌方等。因此，在盾构机掘进前准确的探明前方地层情况，特别是孤石群的赋存状态，是保证掘进过程安全的关键。

目前用于孤石探查的方法主要有地质钻探法、二维微动剖面法、跨孔电阻率CT法和跨孔地震CT法等，均以地表探测为主。其中，地质钻探法直接钻取岩芯观察，能够直观的揭露和判断孤石有无，但具有“一孔之见”的局限性，容易遗漏孤石。二维微动剖面法通过在地面布置台站可进行区域性探测，大大减小了钻探的工程量，能够较为可靠的判断孤石的有无，但无法实现对孤石的准确定位。孔中探测方法如跨孔电阻率CT和跨孔地震CT等由于探测元件(电极、检波器)布置在钻孔内，更加接近孤石目标体，属于精细化探测方法，如《基于电阻率跨孔CT的地铁盾构区间孤石精细化探测方法》(专利号：ZL201410704377.5)中所述改进跨孔电阻率CT法采集的数据量大，成像精度高，孤石探测效果较理想。但由于该方法仍为地表探测方法，在实施过程中难免会给地面上正常有序的生活带来一定干扰，不仅如此，当盾构施工隧道穿越区间的上方地面建筑物密集时，由于地面不具备钻孔条件而导致无法开展地面探测工作。因此，受地面建筑或构筑物的影响，地表探测方法具有很大的局限性。

针对电阻率跨孔CT方法而言，传统的电阻率CT技术为二维探测方式，无法实现孤石异常体的三维定位和成像，难以适用实际工程需求。《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》(专利号：ZL201210269261.4)中改进的电阻率CT技术虽然可以对探测结果进行三维空间电阻率反演解译，但该方法仅适用于钻爆法施工，在盾构掘进施工隧道中是不可行的。原因是，盾构机刀盘一般不允许开孔，掌子面不具备布置钻孔的条件。例如泥水盾构、土压平衡盾构都是带压操作，若开孔卸压则容易诱发塌方等地质灾害。因此，亟需设计盾构掘进机搭载的超前三维电阻率跨孔CT孤石探测系统，以解决盾构掘进机施工环境的超前探测难题。

综上所述，在当前的技术水平下，孤石探测尚存在如下难题：(1)受地面建筑物的影响，地表孤石探测技术具有很大的局限性，部分段落难以实施地面探测工作，亟需研究并突破洞内超前探测孤石的难题；(2)盾构机刀盘上无法开孔，亟待设计一种合理可行的适用于盾构掘进机施工环境的超前钻孔和孔中测线布置方案。(3)缺乏一个能有效利用现有装置的孤石探测系统。针对以上难题，研究并提出了一种盾构掘进机搭载的超前三维电阻率钻孔CT孤石探测系统和方法，为实现盾构机掘进过程中高分辨率精确超前探测孤石群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，提供孤石探测系统，该系统包括一种能够搭载到盾构掘进机上的超前钻孔系统和探测电极耦合装置，并提出一种适用于盾构机环境的三维电阻率跨孔CT孤石探测方法，实现对掌子面前方一定范围内(30米)的孤石体或孤石群的三维精细化成像。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

盾构掘进机搭载的超前三维电阻率跨孔CT孤石探测系统，包括能在岩面钻出至少四条钻孔的超前钻孔装置，多条钻孔构成三维探测空间，超前钻孔装置包括钻孔机，钻孔机的底部活动固定于护盾内圆周的轨道内，钻孔机的钻头穿过护盾的超前注浆孔；还包括深入到钻孔内带有多个电极的并释放电解液至电极的探测电极耦合装置，探测电极耦合装置通过电缆与用于施加三维空间电场的主机连接；利用护盾的超前注浆孔进行钻孔，有效利用现有条件克服无法在盾构刀盘上开孔的不足，电极与岩面接触，探测电极耦合装置向电极处释放电解液后，实现不同电极距、不同电极排列方式的数据自动采集，可以获取大量数据。

进一步地，所述探测电极耦合装置包括内含有电解液的第三套管，第三套管设有多个电解液排出口，在第三套管外套有第二套管，第二套管外侧固定一根电缆，电缆内带有多个依次相连的电极。

进一步地，在第二套管外设有第一套管，第二套管与电缆上每个电极之间固定有弹性件，弹性件在第二套管固定处设有与电解液排出口相通的孔洞，在第一套管内设有用于电极伸出的开孔。

进一步地，在第二套管与第三套管靠近钻孔开口处的端部各自设有一个用于带动第二套管与第三套管移动的动力源，在动力源的带动下带动第二套管移动使得电缆上的电极从开孔处突出与岩面接触，有效保证测量的精度；第三套管的电解液排出口在原始状态下与第二套管接触使得其处于相对密封状态，在动力源的带动下带动第三套管移动，从而带动电解液排出口与第二套管的孔洞相通，从而排出电解液至电极。

多个所述电解液排出口非等间距设置，以使电解液依次从电解液排出口排出。

进一步地，在护盾上固定有用于固定电缆的盘线圈。

进一步地，所述钻头的轴线与护盾的圆周曲表面成设定的角度。

进一步地，所述轨道为两侧有弯折面的面板，钻孔机的底部设有底座，底座底部的两侧设有与弯折面配合的折面，底座底部的中部与轨道的中部可通过紧固装置紧固；在钻孔机外周设有第一转轴，第一转轴与底座的侧面紧固。

进一步地，在钻孔机的外周还设有用于推动钻孔机微动的第二转轴。

孤石探测系统的探测方法，具体步骤如下：

1)将钻孔机通过轨道运至设定位置，将钻孔机的底部与轨道紧固；

2)利用钻头在岩面上钻孔，两条钻孔在上两条钻孔在下，各条钻孔均水平设置，取岩芯并通过岩芯测量岩体的电阻率；

3)在钻孔中设置探测电极耦合装置；

4)利用钻头或其他工具将电缆送入探测电极耦合装置的电极处；

5)推动第二套管移动，电缆上电极从第一套管突出并与岩面接触；

6)推动第三套管移动，第三套管内的电解液从电解液出口排出与电极重合，使得电解液充分耦合；

7)将主机采集到的数据提取形成一个序列，利用三维电阻率跨孔CT法对序列进行综合反演，形成测区范围内孤石电阻率高分辨率成像图。

所述步骤1)中通过第二转轴使得钻头的轴线与护盾的曲表面成设定的角度。

进一步地，在所述步骤7)中综合反演电极点的确定方法是：以钻孔为斜边，电极等距分布，通过取合适的网格使得电极点全部落于网格点上。

本发明的工作原理是：在四条钻孔的情况下，形成了四测线的三维棱台测量方式，根据测线与护盾表面夹角以及同一测线上相邻电极距离，选取合适的网格坐标，使电极点均位于网格节点上。采用多次覆盖、全自动的自由数据采集模式，实现不同电极距、不同电极排列方式的数据的自动采集。

使用时主机控制动力源(电机)，带动推动杆推动第二套管，使电极弹出。再转动电机，带动推动杆推动第三套管，使电解液依次流向各个电极。使其充分耦合。另外，利用钻孔获得的岩芯可测得岩体的电阻率，为后续三维电阻率CT反演成像提供边界约束条件。

所述主机控制实现三维空间电场的施加、电极转换和数据采集。

将采集到的数据采用三维全空间电阻率CT反演方法进行解译处理，最终形成三维电阻率高分辨率成像图，探测得到前方孤石的位置、大小和形态等，选择爆破或盾构掘进机继续前行30米进行下一轮探测。另外，盾构机护盾内部为电阻率CT法提供水电以及钻孔取芯也是可行的。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提出的适用于盾构掘进机环境下的三维电阻率CT孤石精细化探测方法，不仅打破了地面探测方法受限于地面建筑物的瓶颈，而且解决了盾构掘进机超前探测的难题，实现了在盾构机内部开展洞内超前探测孤石的目的，充分适应了工程需求。

(2)本发明提出的盾构掘进机搭载的超前三维电阻率跨孔CT孤石探测系统，有效的解决了无法在盾构机刀盘上开孔或无法在掌子面安装钻孔装置的不足。在盾构掘进机护盾内部安装超前钻孔装置，利用盾构机护盾上的超前注浆孔实现超前钻孔，克服了现有技术的难点，且简单方便。

(3)本发明提出了探测方法，通过巧妙的设计钻孔与盾构机护盾表面的角度以及合理的选取网格坐标，使得各电极落在网格节点上，解决了非平行超前钻孔条件下三维电阻率CT建模和反演的难题。通过不同电极距、不同电极排列方式的数据自动采集，可以获取大量数据，提高探测精度。

(4)本发明中钻孔均平行于水平面，使得电解液推送至电极变得容易，电解液可使电极耦合效果更好，得到的数据更有效。

附图说明

图1(a)是本装置整体示意图俯视图。

图1(b)是本装置整体示意图侧视图。

图2(a)为超前钻孔装置的打孔机设计图。

图2(b)为超前钻孔装置的底座装置设计图。

图2(c)为超前钻孔装置的轨道设计图。

图2(d)为超前钻孔装置的盘线圈设计图。

图3为电缆递送及探测电极快速耦合装置设计图。

图4为超前三维电阻率CT探测孤石流程图。

图5(a)为非平行钻孔的三维建模三维示意图。

图5(b)为非平行钻孔的三维建模二维俯视图。

图6为盾构超前三维电阻率CT探测孤石数值反演算例

其中：1护盾，2钻孔一，3钻孔二，4钻孔三，5转轴一，6固定螺丝孔一，7钻头，8转轴二，9固定螺丝孔二，10固定螺丝孔三，11凹槽，12固定螺丝孔四，13第一套管，14第二套管，15第三套管，16电解液排出口，17弹簧，18电极，19套管一开孔，20推动杆，21电机，22盘线圈，23钻机，24掌子面，25孤石。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图1(a)、图1(b)所示，利用超前钻孔装置在所述钻头的轴线与护盾的圆周曲表面成设定的角度(5°～15°)打入四条等深平行钻孔，钻孔均为水平钻孔，图1(a)和1(b)中可见三条(钻孔一2、钻孔二3、钻孔三4)，根据钻孔位置移动钻孔机相对于轨道的位置。图2(a)～2(d)为超前钻孔装置，钻孔机底部与底座相连，并设有转轴(2个第一转轴5、第二转轴8)，底座与轨道相连，由凹槽11固定，可自由滑动。使用时首先在轨道上将钻孔机运至规定位置，使得轨道上四个固定螺丝孔12与底座四个固定螺丝孔10重合，用螺丝固定。再转动第一转轴5使钻孔机机架水平，将固定螺丝孔一6与对应固定螺丝孔二9插入螺丝或者采用螺栓螺母固定。最后转动第二转轴8，使钻头7与护盾表面呈一定角度(5°～15°)。利用钻头打孔、取芯之后，将盘线圈22(图2(d))上设有多个电极18的电缆固定在第二套管14上，利用钻头7将三个套管(第一套管13，第二套管14，第三套管15)与电缆运送至钻孔中。

四钻孔中布置探测电极耦合装置，如图3所示。该装置包括第一套管13，第二套管14，第三套管15，带有弹簧17的电极18，电解液，推动杆20，电机21。其中，第一套管13，第二套管14，第三套管15依次嵌套，第一套管13管径为11㎝，第二套管14管径为6㎝，第三套管15管径为4cm，第一套管13上留有等间距开孔19。间距为304㎝，开孔的孔径为4㎝。电缆固定于第二套管14外侧，与主机相连，在第二套管14外等间距装有电极18，间距为304㎝，与第一套管开孔19一一对应，电极18内部空心，电极内部设有弹簧17余第二套管14连接，使得常态下电极18藏于第一套管13内，使用时电机21带动推动杆20将第二套管14推至最前端，弹簧电极18与第一套管13的开孔19全部重合，并弹出与外岩接触。第三套管15用于盛放电解液，不等间距的分布着与第二套管14等量的排出口16。初始时，所述排出口16从左到右依次与对应绝缘套管1的开孔的距离为2,4,6,...,60cm。第二电机带动第二推动杆推动第三套管15实现步进，每次推送2cm，可使第三套管15中电解液排出口16依次与电极18重合，释放电解液至电极18与围岩交界处，使其充分耦合。

图5为非平行钻孔的三维棱台观测建模示意图，在图5所示情况下，钻孔与护盾表面角度为9.46°，此时以钻孔为斜边，取两直角边比值为6:1，由于电极18等距分布，因此取合适网格，可使电极点全部落于网格点上。在以上建模方式的基础上，即可进行三维电阻率跨孔CT反演处理和解释。由于所用反演方法为公知内容，在此不再赘述。

图6为盾构掘进机搭载的超前三维电阻率CT探测孤石的一个数值模拟反演算例，可以看到，反演结果中共有两处孤石高阻异常存在，值得说明的是，由于电阻率跨孔CT方法属于孔中探测方法，探测电极深入围岩，基本不会受到盾构机本身电磁干扰的影响，因此将电阻率跨孔CT探测系统搭载的盾构掘进机上进行超前孤石探测是合理可行的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.盾构掘进机搭载的超前三维电阻率跨孔CT孤石探测系统，其特征在于，包括能在岩面钻出至少四条钻孔的超前钻孔装置，多条钻孔构成三维探测空间，超前钻孔装置包括钻孔机，钻孔机的底部活动固定于护盾内圆周的轨道内，钻孔机的钻头穿过护盾的超前注浆孔；还包括深入到钻孔内带有多个电极的并释放电解液至电极的探测电极耦合装置，探测电极耦合装置通过电缆与用于施加三维空间电场的主机连接。

2.如权利要求1所述的探测电极耦合装置，其特征在于，所述探测电极耦合装置包括内含有电解液的第三套管，第三套管设有多个电解液排出口，在第三套管外套有第二套管，第二套管外侧固定一根电缆，电缆内带有多个依次相连的电极。

3.如权利要求2所述的探测电极耦合装置，其特征在于，在第二套管外设有第一套管，第二套管与电缆上每个电极之间固定有弹性件，弹性件在第二套管固定处设有与电解液排出口相通的孔洞，在第一套管内设有用于电极伸出的开孔。

4.如权利要求3所述的探测电极耦合装置，其特征在于，多个所述电解液排出口非等间距设置，第二套管与第三套管靠近钻孔开口处的端部各自设有一个用于带动第二套管与第三套管移动的动力源。

5.如权利要求1所述的探测电极耦合装置，其特征在于，在护盾上固定有用于固定电缆的盘线圈。

6.如权利要求1所述的探测电极耦合装置，其特征在于，所述钻头的轴线与护盾的圆周曲表面成设定的角度。

7.如权利要求1所述的探测电极耦合装置，其特征在于，所述轨道为两侧有弯折面的面板，钻孔机的底部设有底座，底座底部的两侧设有与弯折面配合的折面，底座底部的中部与轨道的中部可通过紧固装置紧固；在钻孔机外周设有第一转轴，第一转轴与底座的侧面紧固。

8.如权利要求7所述的探测电极耦合装置，其特征在于，在钻孔机的外周还设有用于推动钻孔机微动的第二转轴。

9.如权利要求1-8中任一项所述的孤石探测系统的探测方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)将钻孔机通过轨道运至设定位置，将钻孔机的底部与轨道紧固；

2)利用钻头在岩面上钻孔，两条钻孔在上两条钻孔在下，各条钻孔均水平设置，取岩芯并通过岩芯测量岩体的电阻率；

3)在钻孔中设置探测电极耦合装置；

4)利用钻头或其他工具将电缆送入探测电极耦合装置的电极处；

5)推动第二套管移动，电缆上电极从第一套管突出并与岩面接触；

6)推动第三套管移动，第三套管内的电解液从电解液出口排出与电极重合，使得电解液充分耦合；

7)将主机采集到的数据提取形成一个序列，利用三维电阻率跨孔CT法对序列进行综合反演，形成测区范围内孤石电阻率高分辨率成像图。

10.如权利要求9所述的探测方法，其特征在于，在所述步骤7)中综合反演电极点的确定方法是：以钻孔为斜边，电极等距分布，通过取合适的网格使得电极点全部落于网格点上。