CN107436435A - 一种单孔探测孤石的探地雷达装置及其探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种单孔探测孤石的探地雷达装置及其探测方法。所述探地雷达装置包括雷达天线、探地雷达主机、与所述探地雷达主机连接的计算机；所述雷达天线包括发射元件和接收元件；所述发射元件和接收元件分别通过导线与所述雷达主机连接；所述接收元件位于所述发射元件的上方或下方；所述发射元件与接收元件的间距为至少1米；所述发射元件与接收元件通过非金属材料固定成一体，构成收发电磁波装置。本发明结构简单；雷达天线可深入钻孔，配合探地雷达主机和计算机能准确探测钻孔周围(半径为5米范围内)的孤石存在、孤石的大小及其与钻孔的距离，可用于隧道掘进工程中。
Description
技术领域
本发明属于地质勘探领域，涉及一种单孔探测孤石的探地雷达装置及其探测方法。
背景技术
中国城市地铁建设进入飞跃发展阶段，在南方地区，几乎所有地铁施工中均遇到孤石群。未探明的孤石群会给地铁盾构施工带来重大安全隐患，不仅导致盾构刀盘频繁被卡甚至严重变形，延误工期造成巨大经济损失，严重时还会导致工作面喷涌、塌方，引起突发地质灾害。因此，探测孤石是盾构施工关键技术，它是安全风险控制重要手段，可为提前采取工程措施提供依据。
钻探和物探方法是探测孤石的重要手段。钻探可以直观地揭露地铁盾构区间局部点位的地下球状风化体的竖向大小、赋存位置、表现形式等信息，但对于连续区域的探查则具有“一孔之见”的局限性，通过钻探能揭露到的孤石是十分有限的。
目前的物探方法主要以地表探测手段和跨孔CT扫描法为主。地表探测手段探测的深度有限，而跨孔CT扫描法则需要同时使用两个钻孔，也存在着局部盲区、测试时间长及费用高等缺点。
因此，开发一种能利用单孔即可准确探测钻孔周围是否存在孤石的方法及装置实属必要。
发明内容
本发明的目的为了克服现有技术的不足，提供一种单孔探测孤石的探测雷达装置，并提供一种基于单孔探测孤石的探测雷达装置的探测方法，实现了利用单个钻孔准确地探测在一定范围内(半径为5米)的孤石的存在、孤石的大小及其与钻孔的距离。
为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种单孔探测孤石的探地雷达装置，包括雷达天线、探地雷达主机、与所述探地雷达主机连接的计算机，所述雷达天线包括发射元件和接收元件；所述发射元件和接收元件分别通过导线与所述雷达主机连接；所述接收元件位于所述发射元件的上方或下方；所述发射元件与接收元件的间距为至少1米；所述发射元件与接收元件通过非金属材料固定成一体，构成收发电磁波装置。
进一步地，所述接收元件位于所述发射元件的垂直上方。所述发射元件与接收元件通过非金属材料固定成一圆柱体，构成收发电磁波装置，更适用于在钻孔中进行探测。
进一步地，所述非金属材料为塑料、树脂或橡胶。
进一步地，所述导线的长度为至少2米。
进一步地，一种单孔探测孤石的探地雷达装置，还包括用于探测孤石所在方位的定位装置；所述定位装置固定在所述收发电磁波装置上；所述定位装置与所述计算机相连。
更进一步地，所述定位装置包括可屏蔽电磁波发射的挡块和陀螺定向装置；所述挡块设于所述收发电磁波装置的外周，且与所述收发电磁波装置形成可发射及接受电磁波的间隙；所述陀螺定向装置固定在所述收发电磁波装置上；所述陀螺定向装置与所述计算机连接。所述可屏蔽电磁波发射的挡块为铜制挡块、铝制挡块或钢制挡块。雷达天线以360°发射并接收电磁波信号，是各方向电磁波叠加的效果，因此不能判别异常在钻孔的哪个方位。使用可屏蔽电磁波发射的挡块包围所述收发电磁波装置的外周且与所述收发电磁波装置上形成可发射及接受电磁波的间隙。此时，雷达天线并不能360°发射并接收电磁波信号，而只在所述间隙的位置发射并接收电磁波信号，再配合陀螺定向装置，即可探测到孤石的具体空间位置。
进一步地，一种单孔探测孤石的探地雷达装置，还包括用于收放所述雷达天线的滑轮。
更进一步地，所述滑轮上设有编码器；所述编码器与所述计算机连接。设于滑轮上的编码器可以记录滑轮转动的圈数，能了解雷达天线进入钻孔中的深度。
基于单孔探测孤石的探地雷达装置的探测方法，包括以下步骤：
(1)在掘进面前方未开挖段布置钻孔；
(2)将雷达天线放到钻孔中，对钻孔周围进行探测；
(3)采集探地雷达的回波信号，判断孤石存在、孤石的大小及其与钻孔的距离。
进一步地，所述步骤(1)中布置钻孔的具体方法包括沿隧道开挖轴线布置一排钻孔，钻孔垂直地面打入，相邻两个钻孔的间距为6-10米；钻孔的深度超出所需探测深度2米。
本发明具有如下优点和有益技术效果：
1、本发明所提出的单孔探测孤石的探地雷达装置，包括雷达天线、探地雷达主机和计算机，雷达天线包括发射元件和接收元件，发射元件和接收元件分别通过导线与雷达主机连接，本发明结构简单；接收元件位于发射元件的上方或下方，发射元件与接收元件的间距不少于1米，发射元件与接收元件通过非金属材料固定成一体的收发电磁波装置，雷达天线适用于单孔探测孤石，可深入钻孔，而且保证电磁波信号的发射和接收互不干扰；配合探地雷达主机和计算机能准确探测钻孔周围(半径为5米范围内)的孤石、孤石的大小及其与钻孔的距离，可用于隧道掘进工程中。
2、本发明所提出的探测方法，不仅打破了地面物探的方法受限于探测深度的瓶颈，而且步骤简单，仅利用单个钻孔，即可准确探测周围的孤石、孤石的大小及其与钻孔的距离。采用发明提出的探测方法对钻孔周围岩土层进行探测，可基本查明隧道断面掘进范围是否有孤石存在，可为隧道断面掘进提前采取的相关措施提供依据。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明实施例1中3号钻孔使用本发明探测的测试图；
图3为本发明实施例1中3号钻孔勘察钻探的地质柱状图；
图4为本发明实施例1中8号钻孔使用本发明探测的测试图；
图5为本发明实施例1中8号钻孔勘察钻探的地质柱状图；
1-计算机；2-探地雷达主机；3-接收电磁波装置；31-接收元件；32-发射元件；4-滑轮；5-钻孔。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明：
实施例1
如图1所示，一种单孔探测孤石的探地雷达装置，包括雷达天线、探地雷达主机2、与探地雷达主机2连接的计算机1。本实施例中探地雷达主机2为美国GSSI的SIR-3000雷达主机。雷达天线包括发射元件32和接收元件31；发射元件32和接收元件31分别通过导线与探地雷达主机2连接。接收元件31位于发射元件32的上方或下方。优选的，接收元件31位于发射元件32的垂直上方。发射元件32与接收元件31的间距为至少1米。本实施例中，发射元件32与接收元件31的间距为1.4米。发射元件32与接收元件31通过塑料固定成一细长圆柱体的接收电磁波装置3。导线的长度为至少2米。本实施例中，导线的长度为30米。一种单孔探测孤石的探地雷达装置，还包括用于收放雷达天线的滑轮4；滑轮4上设有编码器；编码器与计算机1连接。
上述探地雷达装置在广东省广州市萝岗区荔红一路进行探测：
在掘进面前方未开挖段，沿隧道开挖轴线布置一排钻孔，钻孔垂直地面打入，钻孔数目为15个，并以1-15号对钻孔进行编号，相邻两个钻孔的间距约为8米，钻孔深度约为25米。将雷达天线均速地放到钻孔中，对钻孔周围进行探测。采集探地雷达的回波信号，判断孤石存在、孤石的大小及其与钻孔的距离。
效果验证试验例
选取3号钻孔和8号钻孔，对采集探地雷达的回波信号进行处理和解析，并与勘察钻探情况进行了对比分析。
3号孔分析结果：
本发明：如图2所示，约13-14m深处，同相轴错断，存在较强反射波，推断由孤石引起；约22m深处，同相轴错断，存在较强反射波，亦推断由孤石引起，厚度上异常稍小。
勘察钻探：如图3所示，从地面到2.5米深处为素填土(呈杂色，松散，稍湿)；从2.5米到9.3米深处为砂质粘性土(呈黄褐色、红褐色，硬塑-坚硬)；9.3米到12.2米深处为全风化花岗岩(呈灰褐色)；12.2米到14.6米深处为微风化花岗岩(呈柱状、长柱状)；14.6米到21.5米深处为全风化花岗岩(呈灰褐色、黑褐色)；21.5米到23.0米深处为微风化花岗岩(呈柱状、长柱状)；23.0米以下为全风化花岗岩(呈灰褐色、黑褐色)。
8号孔分析结果：
本发明：如图4所示，12m深处，同相轴错断，存在局部较强反射波，推断由小规模孤石引起；约16.5-21m深处，存在很强的条带状反射波形，似乎由铁磁性较强的脉体引起，底部向下延伸，由于雷达的探测范围有限，稍远处无有效反射波；底部，约22.5-24.5m深处，存在局部强反射异常，可能由孤石引起。
勘察钻探：如图5所示，从地面到2.7米深处为素填土(呈杂色，松散，稍湿)；从2.7米到11.8米深处为砂质粘性土(呈黄褐色、红褐色、灰褐色等，硬塑-坚硬)；从11.8米到13.1米深处为微风化花岗岩(呈柱状、短柱状)；从13.1米到15.5米深处为砂质粘性土(呈黄褐色等，硬塑-坚硬)；从15.5米到21.4米深处为微风化花岗岩(呈柱状、长柱状)；从21.4米到22.2米深处为砂质粘性土(呈黄褐色等，硬塑-坚硬)；22.2米深处以下的2米为微风化花岗岩(呈柱状、长柱状)。
通过利用勘察钻探与采用本发明所得的探测结果进行对比，证明使用本发明对于粘性土包围的花岗岩孤石有较好的探测效果，达到预期目的。但在本次探测中，实施例1的装置上未设有定位装置，因此还不能分辨具体孤石的方位。另外，使用本发明的探测范围为半径为5米以内的范围；从图2、4中可看出，最远反射体的有效波约110ns，取v＝0.09m/ns，最大的探测距离约5米，若遇低阻或介电常数偏大的介质，探测范围会缩小，可为3-4米。因此，在布置钻孔平面时，相邻两个钻孔的间距控制在6-10米，以确保探测不出现盲区。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。
Claims (9)
1.一种单孔探测孤石的探地雷达装置，包括雷达天线、探地雷达主机、与所述探地雷达主机连接的计算机，其特征在于，所述雷达天线包括发射元件和接收元件；所述发射元件和接收元件分别通过导线与所述雷达主机连接；
所述接收元件位于所述发射元件的上方或下方；所述发射元件与接收元件的间距为至少1米；所述发射元件与接收元件通过非金属材料固定成一体，构成收发电磁波装置。
2.根据权利要求1所述的一种单孔探测孤石的探地雷达装置，其特征在于，所述接收元件位于所述发射元件的垂直上方。
3.根据权利要求1所述的一种单孔探测孤石的探地雷达装置，其特征在于，所述导线的长度为至少2米。
4.根据权利要求1所述的一种单孔探测孤石的探地雷达装置，其特征在于，还包括用于探测孤石所在方位的定位装置；所述定位装置固定在所述收发电磁波装置上；所述定位装置与所述计算机连接。
5.根据权利要求4所述的一种单孔探测孤石的探地雷达装置，其特征在于，所述定位装置包括可屏蔽电磁波发射的挡块和陀螺定向装置；所述挡块设于所述收发电磁波装置的外周，且与所述收发电磁波装置形成可发射及接受电磁波的间隙；所述陀螺定向装置固定在所述收发电磁波装置上；所述陀螺定向装置与所述计算机连接。
6.根据权利要求1所述的一种单孔探测孤石的探地雷达装置，其特征在于，还包括用于收放所述雷达天线的滑轮。
7.根据权利要求6所述的一种单孔探测孤石的探地雷达装置，其特征在于，所述滑轮上设有编码器；所述编码器与所述计算机连接。
8.如权利要求1所述的探地雷达装置的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在掘进面前方未开挖段布置钻孔；
(2)将雷达天线放到钻孔中，对钻孔周围进行探测；
(3)采集探地雷达的回波信号，判断孤石存在、孤石的大小及其与钻孔的距离。
9.根据权利要求8所述的探测方法，其特征在于，所述步骤(1)中布置钻孔的具体方法包括沿隧道开挖轴线布置一排钻孔，钻孔垂直地面打入，相邻两个钻孔的间距为6-10米；钻孔的深度超出所需探测深度2米。
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