CN106154350B - 基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统与方法，包括组合式测量探头，所述组合式测量探头伸入岩体的钻孔内，所述组合式测量探头后设置有推杆，所述组合式测量探头通过孔口固定装置连接，孔口固定装置设置于钻孔孔口，所述推杆前端设置有深度传感器，深度传感器、组合式测量探头均连接测量主机，通过控制推杆推动组合式测量探头向前移动，进行钻孔内数据的采集与分析。采用机器学习与数据挖掘的方法，分别利用决策树算法、k‑均值聚类算法及Apriori关联算法对孔中摄像及单孔声波数据进行分析，提高的探测预报的自动化程度及准确度。本发明能极大的缩小孔中摄像及单孔声波探测的工作量，减小探测时间。

Description

基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统与方法

技术领域

本发明涉及一种基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统与方法。

背景技术

由于国民经济的快速发展，我国现在已经成为世界上隧道建设规模和难度最大的国家，在未来10年，铁路公路领域将新建隧道上万公里，在60多个重点水电工程和数十个调水工程中将修建数百条深长隧洞，交通网路也会由东部向西部纵深发展，表现出“标准高、线路长、规模大、桥隧比高、深长隧道多”的鲜明特点。有些隧道工程埋深上千米甚至超过2000m，加之断层、溶洞、破碎岩体等不良地质体具有较强的隐蔽性，给地质勘察工作带来巨大困难。由于施工前勘察设计精度的限制和地质条件的复杂性，难以准确查明隧道前方不良地质体的规模、范围和性质。在隧道开挖过程中采用有效的超前地质预报方法，能够保证施工快速、高效与安全的施工，其中地质钻探技术是最为准确的探测方法。

现有的超前地质钻探法使用超前地质钻机在隧道断面的若干个部位进行钻探，依据钻孔揭露的岩土结构、构造及水文地质情况判定前方岩体的性质。在工程地质、水文地质、地质找矿、岩土工程等工作中，大都需要通过采取岩芯来获得较准确的地质资料。但若工程区遇到地质状况较复杂情况时，则会难以取得完整岩芯，为解决此类问题，在利用钻孔的基础上，研究者们已研究并开发出了相应的钻孔探测仪。现有的孔中探测技术中，较为成熟的方法主要有孔中电视仪(Borehole televiewer)、钻孔弹模仪(Elasticity modulusof borehole)、钻孔剪切仪(Borehole shear test)、钻孔声波仪(Sonic wave testing inborehole)等。同时，为缩短探测时间以及提高单一钻孔探测效率，一批学者进行了综合测孔仪器的研究。如《一种数字声波和变密度综合测井仪》200920034959.1提出了一种数字声波和变密度综合测井仪,其既可以进行声波时差法测井,又可以对固井质量进行测井；《小口径电磁流量综合测井仪》201310175751.2公开了一种小口径电磁流量综合测井仪，包括井下电磁流量测井仪和地面测控系统等。但在隧洞掌子面前方地质探测时，主要是对掌子面前方岩体的质量情况进行探测，钻孔声波仪与孔中电视仪是隧道中常用且重要的两种方法。中国科学院武汉岩土力学研究所提出了《岩体工程无线遥控综合测孔机器人》，该技术方法可同时完成钻孔摄像和声波测试，采用无线控制机器人进行数据测量，但是由于无线电波在钻孔中的传播距离极为受限，会影响其机器人探测的距离，同时，未进行全孔充水则难以使声波换能器较好的耦合，影响声波探测的结果。除此以外，未见孔中电视与钻孔声波的综合测孔技术。

孔中电视成像采用特殊光学成像技术，可对各类水平或垂直的管孔(如：抽心桩钻孔、混凝土浇筑质量检测孔、大坝质量检测孔、大坝裂缝、渗漏检测孔、灌浆孔等)、钻孔壁进行360度全方位观测，还可用于水下建筑物检测。孔中声波的原理是声波在不同介质中传播时，速度、幅度及频率的变化等声学特性也不相同。声波测孔就是利用岩石的这些声学性质来研究钻孔的地质剖面，判断岩体质量的一种测孔方法。若能够将这两种技术方法综合起来，在实际探测工作中能够大大提高探测的精度，缩短探测时间，保障工程施工安全。但是由于孔中电视与钻孔声波探测对探测环境及技术要求的特殊性，直接将两种进行方法进行组合是不现实的，存在多个尚待解决的关键问题。经过对现有的测控仪器进行研究，主要有以下几个问题：

(一)目前的孔中摄像仪与单孔声波仪器都为单一的方法，在技术设备上暂未形成一个一体化的综合测孔仪器，在探测过程中若要采用两种方法分别进行测量时会占据大量的时间，影响项目的具体施工；为提高探测效率，并减少探测仪器设备数量，亟需提出一种适用于隧道施工现场环境的综合测孔仪器；

(二)由于钻孔声波探测需要用水耦合，在综合测孔中需充水。虽然现有的孔中电视系统全部拟采用密封及抽真空的方式进行探头内部的处理，但随着使用时间的增加，探头内会进入的空气，包含了大量的水蒸气，在探测过程，通常孔中水体的温度要远远低于综合测孔仪器探头内部的气温，造成探头高强度透光玻璃的内表面产生大量雾气，造成探测成像效果差，不能真实的再现孔壁的图像。所以亟需一种能够实时根据需求清理探头透光玻璃雾气的技术方法；

(三)目前的单孔声波仪器只包含电缆和一发双收的声波探头，并未对钻孔孔口堵水装置进行设计，这种设备在竖直孔中能够完成探测，但在隧道工程物探工作中，在对掌子面前方岩体情况进行探测时，受现场条件所限，钻孔多为水平孔或与水平方向小角度相交。为保证孔中充满水，则需要封堵孔口，现行方法为安装一个带孔的钢板，采用锚固剂将其封堵，这种方法在注水的过程中，会有大量的水从孔中流出，不能保证孔中的充水饱和程度，影响单孔声波的探测效果。在综合测孔的过程中，孔中需要人工充水，现有技术若直接向孔中注水，会存在以下两个问题：一是对孔中充水情况不能保证，容易造成孔中水并不饱和，对声波探测产生影响，其次是在充水过程中，若水流速度过大，则会导致孔中水体浑浊，影响孔中电视的探测效果。为保证孔中充水效果与控制充水的稳定，亟需提出一种钻孔孔口堵水装置，能够在不同倾角情况下，保证孔中充满水体，同时亟待提出一种能够实时控制孔中水压与充水速度的技术方法，保证孔中水体稳定，不影响孔中电视的成像效果；

(四)在进行孔中探测时，不仅需要对孔中数据进行采集，还需要对探头达到的深度进行测量，现有方法采用单滑轮的转速传感器配合人工标记计数，除了采用转速传感器进行数据采集外，同时在电缆或推杆上进行等间距标记，在测量的时候单独安排人员进行计数；采用这种方法，由于受到推杆或电缆作用力的影响：对滑轮作用力过小的时候，无法产生足够的摩擦阻力，滑轮不转动；对滑轮作用力过大的时候，滑轮受压力传递给转轴，转轴之间摩擦力过大也导致滑轮不转动，最终影响到深度测量的准确度。

故亟需一种对探头深度进行实时精确测量的设备，同时保证测得的图像与数据的清晰与精确度。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统与方法，本发明将孔中电视仪器与单孔声波仪器进行组合，在探头及一号推杆上分区布置温度测量装置、罗盘与温度显示盘、高清全景摄像装置、自调节电动推杆装置、探头控制与数据采集集成装置、双变频换能发射器及其声波接收装置，能够第一时间对孔中的温度参数进行探测与显示，获得探头所在孔中深度的精确数据。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统，包括组合式测量探头，所述组合式测量探头摄入岩体的钻孔内，所述组合式测量探头后设置有推杆，所述组合式测量探头通过孔口固定装置连接，所述孔口固定装置设置于钻孔孔口，所述推杆前端设置有深度传感器，所述深度传感器、组合式测量探头均连接测量主机，通过控制推杆推动组合式测量探头向前移动，进行钻孔内数据的采集与分析。

所述组合式测量探头，包括透光壳体，所述透光壳体内前端设置有温度测试器，温度测试器后端设置有罗盘，透光壳体的轴心设置有摄像头，摄像头两侧分别对称固定有一固定臂，固定臂前端设置有接触透光壳体的环向玻璃刷，所述固定臂后端连接电动伸缩杆，摄像头后端设置有微控制器，所述微控制器连接有控制电动伸缩杆的伸缩控制器和换能器，所述换能器包括两个，对称设置于透光壳体内部。

所述透光壳体末端设置有连接口。

所述罗盘外侧设置有反光镜。

所述温度测试器与罗盘之间设置有干燥剂。

所述换能器为双变频换能发射器，安装在探头后方的两侧位置，能够根据要求发射出不同频率的声波信号，也可作为自激自收装置。

所述伸缩控制器，包括电动传动装置和压力传感器两部分，并与控制与数据采集集成装置相连接，通过该装置可实现两个功能：功能一、通过控制其电动传动装置，可以控制探头定顶部的前后移动；功能二、压力传感器对探头顶部前方或两侧岩体对探头顶部施加的阻力大小进行测量，当阻力大于某一设定临界值后，认为下方钻孔不能进行综合测孔(探头达到最深位置或出现孔中有碎石等)，电动伸缩杆收缩，探头顶部回收，保护探头不受损坏。

所述孔口固定装置，包括孔口固定器，所述孔口固定器后端设置有法兰盘，法兰盘连接有推杆导向装置，所述推杆导向装置上端设置有注水口，下端设置有泄压孔，后端设置有堵头安装口。

所述法兰盘前端设置有橡胶垫，法兰盘上预留有若干个螺栓孔，在钻孔周围对应钻打出螺栓孔，将螺栓拧入，将法兰盘与岩体固定死，橡胶垫受压变形，充填在法兰盘与岩壁之间，能够完成密封工作。

所述注水口与泄压孔位于钻孔固定器的尾部侧方，通过注水口可随时向钻孔内部按照一定流速注入水，当水量注入量超过裂隙渗透量时，孔内的水压逐渐增大，当大于某一特定值时，可将泄压孔顶开，使水从钻孔中流出，完成孔内的水流泄压功能。

所述堵头安装口内活动安装有堵头，所述堵头包括安装卡扣，所述安装卡扣前端设有橡胶环，所述安装卡扣中间设有推杆安装孔。

所述橡胶环包括一号阻水橡胶环与二号阻水橡胶环，二号阻水橡胶环位于一号阻水橡胶环内部，固定在安装卡扣上，推杆由外部推进堵头后，两个阻水橡胶环张口方向与推进方向一致，且由于阻水橡胶环带有一定的弹性，能够紧扣在推杆上，保证推杆在推进方向推动时，孔中水不会流出。

所述推杆包括若干节依次连接的小推杆，每两节小推杆之间设置有声波采集器，推杆前端设置有推杆连接口，以和孔口固定装置连接。

所述推杆连接口外侧套有固定罩。

所述声波采集器包括前置声波采集器与后置声波采集器，二者具有间距，保证对前方换能器发射的声波数据进行采集，并将采集数据通过电缆和控制与数据采集集成装置传递至测量主机处。

所述深度传感器包括外壳，所述外壳与推杆的连接处设置有推杆孔，推杆孔在外壳内的对应位置处对称设置有两个滑轮，两个滑轮套装于不同的连接杆上，连接杆一端连接转速传感器，另一端连接滑动固定器，两个滑动固定器之间、两个转速传感器之间均设置有收缩弹簧。

所述滑轮上安装有高摩擦阻尼布。

所述转速传感器连接测量主机，推杆推动滑轮运动，保证转速传感器能够随着推杆的推进同步完成转速测量，最终实现钻孔深度的精确测量。

基于上述装置的工作方法，包括以下步骤：

(1)经过地质分析，选择合适的位置进行钻孔，钻孔孔径大于探头的直径；钻孔完成后，采用高压水清孔，并对清孔效果进行检查；

(2)连接探头和推杆，将探头放置于钻孔内，使推杆向前推进；

(3)将孔口固定器上的法兰盘固定在岩体上，保证阻水橡胶垫在受力后能够紧密的充填在岩体与法兰盘之间，其间隙不会透水；将孔口固定器安装在钻孔后，将推杆从孔口固定器中伸出；

(4)将深度传感器安装在推杆上，向前推送至钻孔固定器处，将电缆线从推杆内部伸出，与测量主机连接，初始深度位置清零；

(5)通过注水孔向钻孔内部注水，直至泄压孔出水，向前推进推杆，保证速度匀速，同时通过测量主机观察温度测量数据、摄像结果以及波形图；

(6)完成探测后，停止向孔口固定器上的注水孔注水，并打开卸压孔，使钻孔内部的水在重力的作用下向外流出，直至卸压孔内不在向外流出水，回收装置。

所述步骤(5)中，在探测过程，若遇到摄像图片不清楚的情况，则控制电动收缩杆收缩并伸展，完成玻璃壁上的雾气及污垢的清楚工作。

所述步骤(5)中，待探头深入钻孔的最深处时，探头顶部顶到围岩，使电动收缩感后方的压力传感器采集到的压力增加，当增大到一固定值后，电动伸缩杆会按照预先设定好的程序完成探头顶部的回收，保护探头不受损坏。

基于上述装置的数据分析方法，具体包括：

对孔中摄像路径上的孔壁裂隙及分界面的数量、长度以及倾角数据进行扫描及识别，采用等间距进行区段划分对识别的数据进行选择、排序，利用决策树算法将数据划分多个数据子集；采用K-均值聚类算法对单孔声波数据进行判断和分类；将两种处理数据点以钻孔深度为坐标进行划分，对两种方法判断的随钻孔深度的岩体质量分布采用Apriori算法进行关联分析，得到钻孔深度下的岩体情况分布结果。

具体的，所述孔中摄像数据的处理过程包括：

(1-1)对钻孔电视数据结果，采用图像扫描的方式，对其摄像路径上的孔壁裂隙及分界面的数量、长度以及倾角数据进行扫描及识别；

(1-2)采用等间距进行区段划分扫描的数据，对其所获得数据信息进行比选，分别对裂隙宽度、裂隙数量或/和裂隙倾角参数对岩体强度影响程度为参考进行排序；

(1-3)选出在当前数据集上分类取决定性作用的特征，并通过其划分几个数据子集，分布于决策点的分支上。

具体的，所述单孔声波数据的处理过程为：

随机确定k个波速值作为质心，然后将波速数据集中的每个点数据值分配到一个簇中，具体来讲，为每个数据点找距其最近的质心，并将其分配给该质心所对弈的簇，这一步完成后，每个簇的质心更新为该簇所有点的平均值，对每个不同平均值的数据集进行判断和分类。

本发明的有益效果为：

(1)本发明将温度测量装置、孔中摄像装置以及单孔声波进行组合，在工程完成钻孔后，在一次的探孔工作中完成温度测量、孔中摄像以及声波数据采集，相比于分类采用多种方法进行探测，本发明内容能极大的缩小工作量，减小探测时间，同时，同一深度下的温度数据、孔中成像数据以及波速数据可相互对比及修正，达到对钻孔路径周围一定范围内岩体情况的精确探测；

(2)为解决水中进行孔中电视探测产生雾气的问题，本发明提出了一种综合测孔仪探头玻璃雾气清除装置，在探头前部位设置了360度环向玻璃刷，能够有效的对高强度透光玻璃内部产生的雾气进行擦除，并在探头顶部位置设置了干燥剂均置层，二者双管齐下，能够有效的避免雾气对成像清晰度的影响，提高成像清晰度；

(3)为了保证水能够平缓的充满钻孔，孔中水较为清澈，保证孔中电视与钻孔声波的探测效果，本发明钻孔孔口堵水装置与水压控制系统，能够提高孔中成像系统的清晰度与钻孔声波耦合程度；在水平或近水平孔时，对孔口进行密封，并根据需要，可通过需要向空中注入水作为声波探测的耦合，通过泄压孔，可自动调节孔中水压力，保证水充满钻孔；

(4)由于需要采用连接推杆将探头推进到钻孔中，推杆与堵水装置之间是活动的，为避免水流流出，本发明提处一种堵头装置，可在探头推进的过程中，保证钻杆与孔口之间的密封效果，通过配合，可使钻孔中的水达到饱和并保持恒定，提高声波探测的准确性；

(5)本发明通过双转速传感器的弹性牵引作用，使转轮的转动与钻杆的推进同步，通过双转速数据的提取，得到钻杆的真实推进长度，进而得到探头所到达钻孔内部的精确深度数据；

(6)本发明为保证探头的设备安全，在探头上设计有压力传感器，能够对探头前方压力进行采集，若压力过大则认为前方不适合探测，探头顶部自动回收，操作人员可回收探头，保障设备安全；

(7)为进一步提高数据的探测精度，本发明提出了综合测孔仪探头玻璃雾气清除装置、钻孔孔口堵水装置与水压控制系统，能够提高孔中成像系统的清晰度与钻孔声波耦合程度；除此以外，设置了双滑轮转速传感器，能够随着钻杆的推进有规律的实时转动，通过编码器转换，可精确获得探头深度位置；最后，为保证探头的设备安全，在探头上设计有压力传感器，能够对探头前方压力进行采集，若压力过大则认为前方不适合探测，探头顶部自动回收，操作人员可回收探头，保障设备安全。

附图说明

图1为本发明的技术流程图；

图2为本发明的使用技术方法图；

图3为本发明的探头剖面示意图；

图4为本发明的推杆示意图；

图5为本发明的罗盘与温度指示盘；

图6为本发明的孔口固定器侧视图；

图7为本发明的孔口固定器示意图；

图8(a)为本发明的堵头示意图；

图8(b)为本发明的堵头外部示意图；

图9(a)为本发明的深度传感器示意图；

图9(b)为本发明的深度传感器外部示意图；

图10为本发明的探头与推杆连接部示意图；

其中：1.温度测试器；2.干燥剂均置层；3.罗盘与温度指示盘；4.反光镜；5.高强度透光玻璃；6.360玻全景摄像头；7.固定臂；8.玻璃刷；9.电动伸缩杆；10.伸缩控制装置(包括电动传动装置和压力传感器)；11.换能器；12.控制及数据传输电缆；13.探头控制与数据集成装置；14.探头连接口；15.推杆连接口；16.探头与推杆连接固定罩；17.一号推杆；18.声波采集器；19.传输电缆；20.温度指示盘；21.罗盘指针；22.孔口固定器；23.阻水橡胶垫；24.法兰盘；25.注水口；26.泄压孔；27.堵头安装口；28.推杆导向装置；29.螺栓孔；30.一号阻水橡胶环；31.二号阻水橡胶环；32.推杆安装孔；33.安装卡扣；34.转速传感器(滑动式)；35.收缩弹簧；36.滑动固定器；37.滑轮；38.高摩擦阻尼布；39.推杆孔；40.连接电缆线。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示，一种基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统，主要包括测量主机、综合探头、探头推杆、孔口固定装置及深度传感器。在测量前，将综合探头放入预先打好的钻孔中，探头推杆固定在探头上，孔口固定器22与深度传感器套在推杆上，孔口固定器22向前移动，固定到钻孔中，将电缆线连接至测量主机，测量时，通过将推杆孔39中匀速推动，进行钻孔数据的采集；

如图3所示，所述综合探头主要包括温度测试器1、罗盘与温度显示盘3、高强度透光玻璃5雾气去除装置、高清全景摄像装置6、自调节电动推杆装置9、探头控制与数据采集集成装置13、双变频换能发射器11，各设备由探头控制与数据采集集成装置13控制，集成装置通过电缆线与外部测量主机连接，工作人员可通过测量主机完成对探头的控制；

所述的温度测试器1位于探头顶部，采用导热性能好的铜作为导热介质进行温度测量，能够在对孔内不同深度的温度数据进行采集；

如图5所示，所述的罗盘与温度测试器1安装在探头顶部，正对着高清全景摄像头6，所述的罗盘与温度测量装置周边安装有反光镜4，能够将岩壁的影像反射至摄像头处；

所述的高强度透光玻璃5雾气去除装置主要包括干燥剂均质层2与自动玻璃刷装置，为保证较高的摄像图片清晰度，在探头前部位设置了360度环向玻璃刷8，能够有效的对高强度透光玻璃5内部产生的雾气进行擦除，并在探头位置设置了干燥剂均置层2，二者双管齐下，能够有效的避免雾气对成像清晰度的影响。

所述的自调节电动推杆装置主要包括电动伸缩杆9和伸缩控制装置10，伸缩控制装置10主要包括电动传动装置和压力传感器两部分，并与控制与数据采集集成装置相连接，通过该装置可实现两个功能：功能一、通过控制其电动传动装置，可以控制探头定顶部的前后移动；功能二、压力传感器对探头顶部前方或两侧岩体对探头顶部施加的阻力大小进行测量，当阻力大于某一设定临界值后，认为下方钻孔不能进行综合测孔(探头达到最深位置或出现孔中有碎石等)，电动伸缩杆9收缩，探头顶部回收，保护探头不受损坏；

所述的探头控制与数据采集集成装置安装在探头的尾部，通过电缆与各设备相连接，主要用于各设备间的控制与数据采集传输；、

所述的双变频换能发射器，安装在探头后方的两侧位置，能够根据要求发射出不同频率的声波信号，也可作为自激自收装置；

如图4所示，所述的探头推杆主要包括一号推杆17及常用杆，推杆采用高强度铝合金材料，既能保证杆件的轻便，也能有较高的强度完成孔中探测工作；推杆内部中空，

所述一号推杆17主要包括推杆壁、探头与推杆连接固定罩、声波采集器18，其中探头与推杆连接固定罩在一号推杆17的顶部，能够和探头的尾部相连接，直径逐渐缩小，这样能够保证探头回收过程中不被孔壁岩体突变点等物卡住；

所述声波采集器18包括前置声波采集器18与后置声波采集器18，二者间距为20厘米，能够对前方换能器11发射的声波数据进行采集，并将采集数据通过电缆和控制与数据采集集成装置传递至测量主机处；

如图6、图7所示，所述的孔口固定装置主要包括孔口固定器22、阻水橡胶垫23、法兰盘24、注水口25、泄压孔26、堵头安装口27、推杆导向装置28等装置组成。其中，孔口固定器22与钻孔孔径一致，可将其深入孔中，阻水橡胶垫23安装固定在法兰盘24上，阻水橡胶有一定的厚度和伸缩性，法兰盘24上预留有四个螺栓孔29，在钻孔四周用冲击钻打出4个螺栓孔29，将螺栓拧入，将法兰盘24与岩体固定死，橡胶垫受压变形，充填在法兰盘24与岩壁之间，能够完成密封工作；

所述注水口25与泄压位于钻孔固定器的尾部侧方，通过注水口25可随时向钻孔内部按照一定流速注入水，当水量注入量超过裂隙渗透量时，孔内的水压逐渐增大，当大于某一特定值时，可将泄压孔26顶开，使水从钻孔中流出，完成孔内的水流泄压功能；

如图8(a)、图8(b)所示，所述的堵头安装孔由阻水橡胶环、推杆安装口以及安装卡扣33组成，其中阻水橡胶环分为一号阻水橡胶环30与二号橡胶环，二号橡胶环位于一号橡胶环内部，固定在安装卡扣33上，推杆由外部推进堵头后，橡胶环张口方向与推进方向一致，且由于橡胶阻水环带有一定的弹性，能够紧扣在推杆上，保证推杆在推进方向推动时，孔中水不会流出；

如图9(a)、图9(b)所示，所述的深度传感器主要包括转速传感器34(滑动式)、收缩弹簧35、滑动固定器36滑轮37以及高摩擦阻尼布38组成，其中收缩弹簧35两端分别安装在滑动固定器36以及转速传感器34(滑动式)上，通过弹簧将两者通过弹簧较紧密的固定在一起，同时，在转轮上安装有高摩擦阻尼布38，可以保证其能够随着推杆的推进同步完成转速测量，最终实现钻孔深度的精确测量。

如图1所示，步骤1、经过地质分析，选择合适的位置进行钻孔，钻孔孔径稍大于探头的直径；钻孔完成后，采用高压水清孔，并对清孔效果进行检查；

步骤2、将综合测控仪的探头与一号推杆17连接起来，两者之间通过探头与推杆连接固定罩进行密封，除此以外，内部通过推杆连接口15连接，将其探头总线与推杆中的电缆线连接；

步骤3、将探头放入钻孔中，直至一号推杆17没入钻孔中约30厘米左右；

步骤4、在钻孔周围的四个位置用冲击钻打出4个大小相等的钻孔，用螺栓将孔口固定器22上的法兰盘24固定在岩体上，保证阻水橡胶垫23在受力后能够紧密的充填在岩体与法兰盘24之间，其间隙不会透水；将孔口固定器22安装在钻孔后，将推杆从孔口固定器22中伸出；

步骤5、将堵头套在推杆上，并推送到孔口固定器22处，通过旋转，与孔口固定器22连接；

步骤6、将深度传感器安装在推杆上，向前推送至钻孔固定器处；

步骤7、将电缆线从推杆内部伸出来，并将其余推杆预先穿入电缆线；

步骤8、电缆连接，与测量主机连接，并调试，深度位置清零；

步骤9、通过注水孔向钻孔内部注水，当泄压孔26开始出水，则代表孔内以充满水；

步骤10、向前推进推杆，保证速度匀速，同时通过测量主机观察温度测量数据，摄像结果以及波形图；

步骤11、在保证探头匀速向钻孔内部推进的同时，安排人员将预先穿好电缆线的推杆接入上一节推杆的尾部；

步骤12、通过测量主机对仪器进行控制，完成数据采集；在探测过程，若遇到摄像图片不清楚的情况，则控制电动收缩杆收缩并伸展，完成玻璃壁上的雾气及污垢的清楚工作；

步骤13、待探头深入钻孔的最深处时，探头顶部顶到围岩，使电动收缩感后方的压力传感器采集到的压力增加，当增大到一固定值后，电动伸缩杆9会按照预先设定好的程序完成探头顶部的回收，保护探头不受损坏；

步骤14、完成探测后，停止向孔口固定器22上的注水孔注水，并打开卸压孔，使钻孔内部的水在重力的作用下向外流出，直至卸压孔内不在向外流出水后，才可执行下一步骤；

步骤15、断开电缆线连接并拆除深度传感器；

步骤16、通过旋转，将堵头与孔口固定器22分离；抽取堵头，并向外匀速抽推杆；

步骤17、取出孔口固定器22、并回收探头

步骤18、数据处理，主要包括以下几个部分；

1、深度校正

通过对两个转速传感器34的数据进行读取，将转速传感器34数据进行等时间间隔提取，对比同一时间段内的两组数据，分时段选择其中转速较大的数据，并将其钻速数据拼接为一组完整转速数据，经过钻速与转轮周长数据处理后，即可得到探头所在钻孔中较精确的实时深度数据；

2、钻孔孔壁成像及声波探测

通过对孔壁摄像结果、声波探测结果与深度数据进行处理，得到孔壁摄像画面随深度的变化情况,以及岩体波速值随深度的分布情况。

3、机器学习及数据挖掘处理

机器学习主要包括监督学习和无监督学习，监督学习是指利用一组已知类别的样本调整分类器的参数，使其达到所要求性能的过程，也称为监督训练或有教师学习，无监督学习(unsupervised learning)主要为设计分类器时候，用于处理未被分类标记的样本集。在本发明中数据处理时，采用监督学习中的决策树算法及无监督学习中的K-均值聚类算法。并对两者处理的结果采用Apriori算法进行关联分析。

孔中摄像数据采用决策树算法进行处理分析，其过程为：对钻孔电视数据结果，采用图像扫描的方式，对其摄像路径上的孔壁裂隙及分界面等的数量、长度以及倾角等数据进行扫描及识别。以这些数据为基础，采用等间距进行区段划分(建议以0.5m为间距)，对其所获得数据信息进行比选，分别对裂隙宽度、裂隙数量、裂隙倾角等参数对岩体强度影响程度为参考进行排序，选出在当前数据集上分类取决定性作用的特征，并通过其划分几个数据子集，这些数据子集会分布在第一个决策点的分支上，如果某个分支下的数据属于同一类型，且对岩体质量无影响，则无需进一步对数据集进行分割。如果数据子集中内的数据不属于同一类型，则需要重复划分子集的过程，直到所有具有相同类型的数据均在一个数据子集内。

单孔声波数据采用K-均值聚类算法进行处理分析，其过程为：随机确定k个波速值作为质心，然后将波速数据集中的每个点数据值分配到一个簇中，具体来讲，为每个数据点找距其最近的质心，并将其分配给该质心所对弈的簇，这一步完成后，每个簇的质心更新为该簇所有点的平均值。对每个不同平均值的数据集进行判断和分类。

数据点以钻孔深度为坐标进行划分，对两种方法判断的随钻孔深度的岩体质量分布采用Apriori算法进行关联分析，分析主要以岩体质量为主，深度等参数为辅，建立数据分析集，并形成综合的钻孔深度下的岩体情况分布结果，进而指导工程施工。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统，其特征是：包括组合式测量探头，所述组合式测量探头摄入岩体的钻孔内，所述组合式测量探头后设置有推杆，所述组合式测量探头通过孔口固定装置连接，所述孔口固定装置设置于钻孔孔口，所述推杆前端设置有深度传感器，所述深度传感器、组合式测量探头均连接测量主机，通过控制推杆推动组合式测量探头向前移动，进行钻孔内数据的采集与分析；

所述组合式测量探头，包括透光壳体，所述透光壳体内前端设置有温度测试器，温度测试器后端设置有罗盘，透光壳体的轴心设置有摄像头，摄像头两侧分别对称固定有一固定臂，固定臂前端设置有接触透光壳体的环向玻璃刷，所述固定臂后端连接电动伸缩杆，摄像头后端设置有微控制器，所述微控制器连接有控制电动伸缩杆的伸缩控制器和换能器，所述换能器包括两个，对称设置于透光壳体内部。

2.如权利要求1所述的基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统，其特征是：所述孔口固定装置，包括孔口固定器，所述孔口固定器后端设置有法兰盘，法兰盘连接有推杆导向装置，所述推杆导向装置上端设置有注水口，下端设置有泄压孔，后端设置有堵头，所述法兰盘前端设置有橡胶垫，法兰盘上预留有若干个螺栓孔，在钻孔周围对应钻打出螺栓孔，将螺栓拧入，将法兰盘与岩体固定死，橡胶垫受压变形，充填在法兰盘与岩壁之间，能够完成密封工作。

3.如权利要求2所述的一种基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统，其特征是：所述堵头安装口内活动安装有堵头，所述堵头包括安装卡扣，所述安装卡扣前端设有橡胶环，所述安装卡扣中间设有推杆安装孔；

所述橡胶环包括一号阻水橡胶环与二号阻水橡胶环，二号阻水橡胶环位于一号阻水橡胶环内部，固定在安装卡扣上，推杆由外部推进堵头后，两个阻水橡胶环张口方向与推进方向一致，且由于阻水橡胶环带有一定的弹性，能够紧扣在推杆上，保证推杆在推进方向推动时，孔中水不会流出。

4.如权利要求1所述的一种基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统，其特征是：所述推杆包括若干节依次连接的小推杆，每两节小推杆之间设置有声波采集器，推杆前端设置有推杆连接口，以和孔口固定装置连接；所述声波采集器包括前置声波采集器与后置声波采集器，二者具有间距，保证对前方换能器发射的声波数据进行采集，并将采集数据通过电缆和控制与数据采集集成装置传递至测量主机处。

5.如权利要求1所述的一种基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统，其特征是：所述深度传感器包括外壳，所述外壳与推杆的连接处设置有推杆孔，推杆孔在外壳内的对应位置处对称设置有两个滑轮，两个滑轮套装于不同的连接杆上，连接杆一端连接转速传感器，另一端连接滑动固定器，两个滑动固定器之间、两个转速传感器之间均设置有收缩弹簧；所述转速传感器连接测量主机，推杆推动滑轮运动，保证转速传感器能够随着推杆的推进同步完成转速测量，最终实现钻孔深度的精确测量。

6.基于如权利要求1-5中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)经过地质分析，选择合适的位置进行钻孔，钻孔孔径大于探头的直径；钻孔完成后，采用高压水清孔，并对清孔效果进行检查；

(2)连接探头和推杆，将探头放置于钻孔内，使推杆向前推进；

(3)将孔口固定器上的法兰盘固定在岩体上，保证阻水橡胶垫在受力后能够紧密的充填在岩体与法兰盘之间，其间隙不会透水；将孔口固定器安装在钻孔后，将推杆从孔口固定器中伸出；

(4)将深度传感器安装在推杆上，向前推送至钻孔固定器处，将电缆线从推杆内部伸出，与测量主机连接，初始深度位置清零；

(5)通过注水孔向钻孔内部注水，直至泄压孔出水，向前推进推杆，保证速度匀速，同时通过测量主机观察温度测量数据、摄像结果以及波形图；

(6)完成探测后，停止向孔口固定器上的注水孔注水，并打开卸压孔，使钻孔内部的水在重力的作用下向外流出，直至卸压孔内不在向外流出水，回收装置。

7.基于如权利要求1-6中任一项所述的系统的数据分析方法，具体包括：

对孔中摄像路径上的孔壁裂隙及分界面的数量、长度以及倾角数据进行扫描及识别，采用等间距进行区段划分对识别的数据进行选择、排序，利用决策树算法将数据划分多个数据子集；采用K-均值聚类算法对单孔声波数据进行判断和分类；将两种处理数据点以钻孔深度为坐标进行划分，对两种方法判断的随钻孔深度的岩体质量分布采用Apriori算法进行关联分析，得到钻孔深度下的岩体情况分布结果。

8.如权利要求7所述的分析方法，其特征是：孔中摄像数据的处理过程包括：

(1-1)对钻孔电视数据结果，采用图像扫描的方式，对其摄像路径上的孔壁裂隙及分界面的数量、长度以及倾角数据进行扫描及识别；

(1-2)采用等间距进行区段划分扫描的数据，对其所获得数据信息进行比选，分别对裂隙宽度、裂隙数量或/和裂隙倾角参数对岩体强度影响程度为参考进行排序；

(1-3)选出在当前数据集上分类取决定性作用的特征，并通过其划分几个数据子集，分布于决策点的分支上。

9.如权利要求7所述的分析方法，其特征是：单孔声波数据的处理过程为：

随机确定k个波速值作为质心，然后将波速数据集中的每个点数据值分配到一个簇中，具体来讲，为每个数据点找距其最近的质心，并将其分配给该质心所对弈的簇，这一步完成后，每个簇的质心更新为该簇所有点的平均值，对每个不同平均值的数据集进行判断和分类。