CN105807336A - 适用于多地球物理探测方法的综合孤石探测模型试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于多地球物理探测方法的综合孤石探测模型试验装置及试验方法，包括设于基底岩层上部的孤石埋设区，在孤石埋设区内设置若干处孤石或孤石群，还包括贯穿孤石埋设区至基底岩层底面的多个钻孔，钻孔内设有电极，电极与能施加空间点源电场的主机连接以实现跨孔电阻率CT法的探测；在其中一个钻孔内设有震源，在一个钻孔内设有检波器，检波器与收集信号的所述的地震仪主机连接以实现地震波CT法的探测。本发明的有益效果是：通过设置的钻孔、素填土表面设置的电极、三角形列阵的观测系统也可以进行系统的多种物理方法探测孤石的试验研究，为解决工程孤石探测难题提供了一个比较理想的探测试验平台。

Description

适用于多地球物理探测方法的综合孤石探测模型试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及孤石探测，特别是涉及适用于多地球物理探测方法的综合孤石探测模型试验装置及试验方法。

背景技术

在盾构掘进机施工隧道中会经常遭遇孤石或孤石群(球状风化花岗岩体)，未探明的孤石会给盾构施工带来极大安全隐患，不仅严重磨损刀具，降低刀盘的强度和刚度，甚至将刀盘卡死，导致掘进施工异常困难，严重时甚至引发喷涌、塌方等地质灾害，极大地影响了盾构机的掘进效率。在实际工程中发现，孤石在地层中的分布随机性较强，空间分布不规律，但整体上符合“上多下少，上小下大”的规律特性。其中，粒径处于0.5m-2.0m范围内的孤石对盾构施工最为不利，一方面，该粒径范围内的孤石容易随刀盘滚动，不仅使盾构机偏离轴线，而且对地层带来较大扰动，容易诱发地质灾害；另一方面，极易堵塞刀盘和出渣管道，引起出渣困难，导致盾构机长时间的停机检修，延误工期。孤石的存在给盾构施工造成极大影响，然而，由于孤石粒径较小、在地层中分布无规律，对孤石分布、粒径大小和接触关系的精细化探测仍是一大难题，目前尚未得到有效解决。

当前在实际工程中尝试了多种地质和地球物理方法手段勘查孤石，如地质钻探、重力勘探、微动剖面法、电阻率CT法、地震波CT法等。地质钻探受场地条件等限制较大，成本较高，且具有“一孔之见”的局限性，通过钻探能揭露到的孤石十分有限。利用重力勘探方法进行孤石探测，只有当孤石粒径较大，引起较大的质量盈余时，才能在探测中有所反映，而对于粒径较小的孤石，重力勘探方法将无法探测到。微动剖面法在交通繁忙、钻探无法实施的地段具有其独特的优势，但探测成像时由于“均衡效应”的影响，难以精确圈定孤石边界，其精度仍需进一步提高。跨孔电阻率CT方法和跨孔地震波CT方法均属于孔中探测方法，它们将探测元件(电极或检波器)置于孔内，更接近探测目标体，在孤石精细化成像方面具有显著优势，但两类方法尚未开展系统的孤石探测试验研究，对孤石的异常响应特征和成像特点尚不十分清楚。因此，开展系统的孤石探测试验研究，总结各类方法中孤石异常的响应和识别特征，提高孤石探测的精度和准确率，是解决当前盾构掘进机施工隧道孤石探测难题的一种有效而迫切的途径

综上所述，针对工程中难以识别中小粒径孤石体、对孤石难以准确定位等难题，亟待开展多地球物理手段的综合探测试验研究。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，解决盾构掘进机施工隧道孤石探测难题、总结各类探测方法中孤石的响应规律和成像特征，提供一种可实现多种地球物理方法探测的大型综合孤石探测模型试验装置，在归纳盾构掘进机施工隧道经常遭遇的几类典型的孤石分布类型的基础上，总结各类探测方法对典型孤石/孤石群的响应规律和成像特征，从而提高实际工程中孤石探测的准确率和可靠性，为解决实际工程孤石探测难题提供一条可行的途径。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

适用于多地球物理探测方法的综合孤石探测模型试验装置，包括设于基底岩层上部的孤石埋设区，在孤石埋设区内设置若干处孤石或孤石群，还包括贯穿孤石埋设区至基底岩层底面的多个钻孔，在孤石埋设区的两侧各竖直设置有补充钻孔试验区；通过该模型试验装置，实现多地球物理探测方法对孤石成像特性或规律的探测，为实际孤石的探测提供指导意见。

对该试验装置，可在钻孔内设置电极，电极与能施加空间点源电场的电法仪主机连接以实现二维或三维跨孔电阻率CT法的探测；也可在其中一个钻孔内设置震源，在另一个钻孔内设置检波器，检波器与收集信号的地震仪主机连接以实现地震波CT法的探测。

进一步地，所述孤石埋设区包括粒径不等的孤石/孤石群以及包覆孤石或孤石群的围岩土层，围岩土层为粘土。

进一步地，在孤石埋设区的上表面设置素填土，在素填土表面可设置多个依次相连的电极，电极通过测线与电法仪主机连接实现高密度电法探测。

进一步地，所述钻孔设于孤石或孤石群的两侧成两排，且钻孔呈列设置；为防止塌孔，且确保孔中探测方法的探测元件与围岩良好耦合，提出并设计了一种放置于钻孔中的圆柱格栅套管，所述圆柱格栅套管材料为纤维增强复合材料，其底部封闭，顶部开口，圆柱格栅套管外缠有土工布，布设好电极后，在钻孔中注满水作为耦合材料。

进一步地，所述震源为电火花产生装置，电火花产生装置通过线路与控制器连接。

进一步地，在补充钻孔试验区内设有与钻孔平行的补充钻孔。

进一步地，所述孤石埋设区内在水平方向从一侧到另一侧依次设有单个独立分布的孤石埋设区、少数组合分布的孤石埋设区、孤石群埋设区和自由开挖埋设试验区，在这四个区的两侧各自设有钻孔，保证每个区域均可以实现探测；而且，孤石的埋设符合“上小下大、上多下少”的规律特性。

进一步地，在孤石埋设区的上表面上方设有多个中心观测点和多个观测点，形成呈三角形列阵的观测系统，可实现微动剖面法探测孤石。

进一步地，自由开挖埋设试验区内事先未埋设孤石，对将来实际工程中所遭遇的特殊的孤石分布类型(非上述三种典型孤石分布类型)，可即时选取合适的材料进行埋设。

所述的模型试验装置的试验方法，具体步骤如下：

1)二维或三维跨孔电阻率CT法探测方法：

利用组合式观测模式获取孔间介质的地电结构信息，将主机采集的信息进行处理，得到钻孔间电阻率分布图；

2)地震波CT法探测方法：

激发震源，检波器接收地震波信号，并传送至地震仪主机。

所述的模型试验装置的试验方法，还包括以下探测方法：

3)高密度电法探测方法：

通过在素填土上表面布设多个电极，并以测线相连，由电法仪主机收集信号。

4)微动剖面法探测方法：

设置由多中心测点和多观测点形成的三角形列阵的观测系统，由工程地震仪采集微动数据。

本发明的工作原理是：适用于多地球物理探测方法的综合孤石探测模型试验装置，通过设置多种不同粒度大小、多种空间位置分布的孤石，按照所述布置，既能够实现多类典型分布的孤石赋存环境的模拟；再通过设置的钻孔、素填土表面设置的电极、三角形列阵的观测系统也可以进行系统的多种物理方法探测孤石的试验研究，为解决工程孤石探测难题提供了一个比较理想的探测试验平台。

本发明的有益效果是：

1>本发明提出了适用于多地球物理探测方法的综合孤石探测模型试验装置，孤石材料、粒径、埋设深度和赋存围岩环境完全按照实际工程盾构掘进隧道遭遇的孤石地层环境进行模拟，是1:1比例尺的近似原位试验模型，是目前最为理想的大型综合孤石探测模型试验平台，在解决实际工程孤石探测难题方面具有先导性。

2>本发明首次提出了盾构掘进机施工隧道遭遇的三种典型的孤石分布类型，即单个独立存在的孤石、少数组合分布的孤石和孤石群。并在充分考虑实际工程中孤石赋存规律(即“上小下大、上多下少”)的基础上，在10m～25m地层中有针对性地埋设了0.5m～2.0m粒径范围内的孤石，符合实际工程中最为迫切的孤石探测需求。

3>本发明为多种地球物理方法探测孤石提供了充分的场地条件和探测试验条件，满足地表探测和孔中探测各类方法的试验需求，既可开展有针对性的单一方法的探测试验研究，也可实现多物理手段的综合探测试验，为系统地揭示孤石响应规律和成像特征，提高孤石探测精度和准确率提供了优良的试验平台。

4>本发明提出了一种利用纤维增强复合材料制作的圆柱格栅套管，具有质轻而硬，机械强度高，耐腐蚀，不导电等优点。将外缠土工布的圆柱格栅套管置于钻孔中，既能抵挡孔内围岩土压力，避免塌孔；灌满水后，又能确保孔中探测元件与围岩良好耦合，提高探测数据的精度。

附图说明

图1是大型综合孤石探测模型试验装置平面图

图2是大型综合孤石探测模型试验装置及探测钻孔立面布置图

图3是补充探测钻孔区钻孔布设示意图

图4(a)是二维跨孔电阻率CT法在试验区的实现方式示意图

图4(b)是三维跨孔电阻率CT法在试验区的实现方式示意图。

图5是地震波跨孔CT法在试验区的实现方式示意图。

图6是高密度电法在试验区的实现方式俯视图。

图7是微动剖面观测系统在试验区的实现方式俯视图。

图8是圆柱格栅套管在钻孔内布置的示意图

其中，1.单个独立分布的孤石埋设区，2.少数组合分布的孤石埋设区，3.孤石群埋设区，4.自由开挖埋设试验区，5.补充钻孔试验区，6.孔中探测方法试验区，7.地表探测方法试验区，8.钻孔，9.小粒径孤石(粒径<1.0m)，10.中小粒径孤石(1.0m～2.0m)，11-1～11-4.补充钻孔，12.主机，13.电极，14.震源，15.检波器16.测线，17.测点，18.中心观测点，19.观测台阵，20.素填土，21.粘土层，22.基底岩层，23.土工布，24.圆柱格栅套管。

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所示，一种适用多地球物理方法的大型综合孤石探测模型试验装置，主要包括三种典型分布类型的孤石埋设区即单个独立分布的孤石埋设区1，少数组合分布的孤石埋设区2，孤石群埋设区3，还包括自由开挖埋设试验区4，补充钻孔试验区5，孔中探测方法试验区6(钻孔的设置区域)，地表探测方法试验区7。其中，所述孤石埋设区包括孤石以及围岩地层两部分。

整个围岩地层使用相似材料模拟全风化、强风化的孤石赋存地层环境。如图2所示，围岩地层包括素填土20(赋存深度为0～3.8m)和粘土层21(赋存深度为3.8m～30m)、基底岩层22(30m～40m)三部分。

如图2所示，在单个独立分布的孤石埋设区1，单个粒径为0.9m的小粒径孤石9、1.9m的中小粒径孤石10分别埋设于素填土20上表面下12.5m-13.5m处、素填土20下20.0m-22.0m处。少数组合分布的孤石埋设区2，粒径为1.2m，0.7m和1.5m，0.8m的组合孤石部分埋设于素填土20上表面下16.0m-17.5m处，部分埋设于素填土20上表面下21.0m-22.5m处。孤石群埋设区3，粒径为0.6m，0.8m，0.9m，1.2m和粒径为1.4m，1.6m，1.8m的孤石群分别埋设于素填土20上表面下13.0m-14.5m处及素填土20上表面下21.0m-23.0m处。

自由开挖埋设试验区4，对于将来实际工程中所遭遇的特殊孤石分布类型，即时选取合适的材料进行开挖和对孤石进行埋设，开展针对性的试验研究。

补充钻孔试验区5，进行钻孔间距超过8m的孔中探测试验。在很多实际工程中，隧道洞径都超过6m，传统为8m钻孔间距无法满足探测需要。如图3所示，假定在本试验区增加补充钻孔11-1、11-2、11-3、11-4，钻孔位置可根据试验需要进行布设。利用补充钻孔11-1～11-4和原钻孔8之间两两配对或组合配对即可开展二维孔中探测试验，也可开展三维孔中探测试验。

孔中探测方法试验区6，根据模拟工程中盾构掘进情况和工程造价，在盾构掘进机开挖隧道掘进面前方未开挖段设计科学合理的钻孔平面布置方案，具体如图1所示，沿隧道开挖轴线的两侧布置两排钻孔，钻孔垂直地面打入，每排相邻的两个钻孔8之间距离为8.0m，两排钻孔相距8.0m，横跨孤石埋设区。孔的直径是110mm，孔深40m。

孤石埋置好之后，便可以开展系统的孤石探测试验，以下结合附图说明二维/三维跨孔电阻率CT法、地震波CT法、高密度电法和微动剖面法各种地球物理探测方法在本发明孤石探测模型试验装置的实现方法。

二维/三维跨孔电阻率CT法在孔中探测方法试验区6进行实现。如图4(a)所示，在进行二维跨孔电阻率CT法探测孤石之前，把等间距布置探测电极13放入两钻孔中，通过测线相连至地面。根据其供电电极和测量电极个数的不同，二维电阻率跨孔可采用不同的观测模式，选择所需的观测模式，利用跨孔间“透视对穿”采集信号，获取与孔间介质地电结构密切相关的大量数据，利用现代化二维反演软件进行数据的处理，最后得到孔间电阻率分布图。三维跨孔电阻率CT法试验与二维相似，如图4(b)所示，试验前，把等间距布置的探测电极13依次连接，四个钻孔中各放入一串电极13，相互之间测线连接，形成三维空间，相邻各钻孔间通过“透视对穿”采集信号，获取数据。为实现电极同围岩间良好耦合，如图8所示，本发明提出了一种利用纤维增强复合材料制作的圆柱格栅套管，所述圆柱格栅套管具有质轻而硬，机械强度高，耐腐蚀，不导电等优点。该套管直径90mm，长40m。为防止泥沙涌入，对试验造成影响，将底部封住，顶部开口。试验进行时，将圆柱格栅套管用土工布23包住，土工布的作用是防止泥沙侵入套管，保证良好透水性。将包好土工布的圆柱格栅套管置入钻孔中，布设好电极后，在钻孔中注满水作为耦合材料。

地震波CT法在孔中探测方法试验区6进行实现。如图5所示，区域内布设2处测孔，其中一钻孔为激发孔，另一钻孔为接收孔。地震波激发利用电火花震源14，放置于激发孔中，与震源控制器相连；地震波接收采用检波器15(以测线相连)，放置于接收孔中，与地震仪主机相连；震源控制器与地震仪主机相连。试验时，通过电火花产生装置激发地震波，在检波器中收集信号。

高密度电法在地表探测方法试验区7实现。如图7所示，在地面布设测线16和电极13，并与电法仪主机12相连，开展高密度电法探测孤石试验。

微动剖面法在地表探测方法试验区7实现。如图8所示，在地面布设三角形列阵的观测系统，可布置多个中心观测点18，每个中心观测点18采用观测台阵19，由若干个微动观测点17组成，根据探测深度确定观测台阵半径，在每个观测点运用工程地震仪采集微动数据，进行微动剖面法探测试验。

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.适用于多地球物理探测方法的综合孤石探测模型试验装置，其特征在于，包括设于基底岩层上部的孤石埋设区，在孤石埋设区内设置若干处孤石或孤石群，还包括贯穿孤石埋设区至基底岩层底面的多个钻孔，在孤石埋设区的两侧各竖直设置有补充钻孔试验区。

2.如权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于，所述孤石埋设区包括包覆孤石或孤石群的围岩土层，围岩土层为粘土。

3.如权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于，在孤石埋设区的上表面设置素填土，在素填土的上表面设置多个依次相连的电极，电极通过测线与电法仪主机连接实现高密度电法探测。

4.如权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于，所述钻孔设于孤石或孤石群的两侧成两排，且钻孔呈列设置。

5.如权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于，所述震源为电火花产生装置，电火花产生装置通过线路与控制器连接。

6.如权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于，在钻孔内设有圆柱格栅套管，圆柱格栅套管材料为纤维增强复合材料，其底部封闭，顶部开口，圆柱格栅套管外缠有土工布。

7.如权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于，所述孤石埋设区内在水平方向从一侧到另一侧依次设有单个独立分布的孤石埋设区、少数组合分布的孤石埋设区、孤石群埋设区和自由开挖埋设试验区。

8.如权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于，在钻孔内设置电极，电极与能施加空间点源电场的电法仪主机连接以实现二维或三维跨孔电阻率CT法的探测；在其中一个钻孔内设有震源，在另一个钻孔内设有检波器，检波器与收集信号的地震仪主机连接以实现地震波CT法的探测。

9.如权利要求1-8中任一项所述的模拟试验装置的试验方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)二维或三维跨孔电阻率CT法探测方法：

利用组合式观测模式获取孔间介质的地电结构信息，将主机采集的信息进行处理，得到钻孔间电阻率分布图。

2)地震波CT法探测方法：

激发震源，检波器接收地震波信号，并传送至地震仪主机。

10.如权利要求9所述的模型试验装置的试验方法，其特征在于，还包括以下探测方法：

3)高密度电法探测方法：

通过在素填土上表面布设多个电极，并以测线相连，由电法仪主机收集信号。

4)微动剖面法探测方法：

设置由多中心测点和多观测点形成的三角形列阵的观测系统，由工程地震仪采集微动数据。