CN109000598A - 针对封闭式干溶洞的体积测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对封闭式干溶洞的体积测量系统及方法，包括套管、反应物输送装置、扩张套、气体浓度测试仪和控制系统，套管用于设置在钻孔内，为反应物输送装置、浓度测试仪的输送提供通道；反应物输送装置包括一个壳体，所述的壳体用于放置气体反应物；该壳体通过连接杆与控制系统相连；且壳体的底部可以通过控制系统控制其打开；气体浓度测试仪，用于检测气体的浓度，其与反应物输送装置一起通过连接杆与控制系统相连；控制系统用于将反应物输送装置和气体浓度检测仪送入到孔内；扩张套套装在连接杆上，位于气体检测仪和反应物输送装置上方。

Description

针对封闭式干溶洞的体积测量系统及方法

技术领域

本发明涉及地下工程中溶洞体积测量技术领域，具体说是针对封闭式干溶洞的体积测量系统及方法。

背景技术

近年来，隧道工程及地铁建设在如火如荼的进行，一些工程上的难题也相继出现，例如隧道开挖前方经过岩溶发育区、地铁下方穿过岩溶发育区等。现阶段，我们通过地球物理方法来探测溶洞的位置已不再困难，也取得了丰硕的成果。但是，仅知道溶洞在什么位置是远不够的，获得溶洞的体积才是关键。因为针对这种地质情况，工程上一般都是用充填材料(如混凝土)来充填处理，只有准确知道溶洞体积，才能制定相应的工程处理措施，更顺利通过岩溶发育区，为工程建设保驾护航。在实际施工过程中，施工单位并不知道确切的溶洞体积，并不能明确制定相应的实施方案，这种未知性，造成了人力物力的消耗、增加了成本，甚至造成工序的错乱以及工期的延误。这更说明，与溶洞体积相关的数据对工程施工异常关键，为工程提供重要的参考。当然，测量体积的方法有很多种，如借助三维激光扫描获取溶洞内部点云信息来建立溶洞立体模型，通过计算模型的体积来获取溶洞体积大小的方法，在国内此方法所需仪器数量较少、且价格高昂，尤其是在岩溶发育区，单是探测的费用就给工程单位带来了很大的经济压力。如何发明一种快速获取溶洞体积的方法已经成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的主要是解决上述提出的一些工程应用难题，提供针对封闭式干溶洞的体积测量系统及方法。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

针对封闭式干溶洞的体积测量系统，包括套管、反应物输送装置、扩张套、气体浓度测试仪和控制系统，

所述的套管用于设置在钻孔内，为反应物输送装置、浓度测试仪的输送提供通道；

所述的反应物输送装置包括一个壳体，所述的壳体用于放置气体反应物；该壳体通过连接杆与控制系统相连；且壳体的底部可以通过控制系统控制其打开；

所述的气体浓度测试仪，用于检测气体的浓度，其与反应物输送装置一起通过连接杆与控制系统相连；

所述的控制系统用于将反应物输送装置和气体浓度检测仪送入到孔内；

所述的扩张套套装在连接杆上，位于气体检测仪和反应物输送装置上方；在气体浓度测试仪、反应物输送装置深入到套管底端一定距离时，扩张套的一部分从套管管口内弹出，同时套管内部留有一部分扩张套，此时套管管口处为封闭状态，隔绝溶洞与外界空气的流通，还原封闭干溶洞的初始状态。

进一步的，所述的连接杆内部还设有一个伸缩杆，所述的伸缩杆在控制系统的控制下，在所述的壳体到达固定的位置后，将壳体底部打开。

进一步的，所述的扩张套为一个锥形套，具有一定的弹力，采用膨胀材料制作，其外侧包裹有一层减小摩擦力的材料层；其在套管中时，由于套管周边压力束缚无法舒展，但是一旦超过管口，就会膨胀胀大紧紧堵住套管口。

进一步的，所述的控制系统安装在地面上。

进一步的，所述的壳体顶部和侧面封闭，底部可以开启。

进一步的，所述的套管上设有注浆孔。

进一步，利用上述系统进行测量的方法，包括以下步骤：

步骤1：对揭露干溶洞的钻孔进行清孔工作；在钻孔中下好保护套管，并在地面固定套管；通过套管上的预留口对套管与孔壁的间隙注浆封堵，隔绝钻孔周边与外界气体连通；

步骤2：将气体浓度检测仪及反应物输送装置从套管中放到溶洞内部；

仪器下放时，需匀速缓慢进行，当体浓度检测仪及反应物输送装置超过套管底端一定距离时，套管管口内弹出扩张套，同时套管内部留有一部分扩张套，此时套管管口处为封闭状态，隔绝溶洞与外界空气的流通，还原封闭干溶洞的初始状态；

步骤3：通过地面控制系统，打开位于溶洞内部壳体底盖，盒中的固态(液态)物质掉落到溶腔内；固态(液态)物质在空气中会转化为气态，经过一段时间气化过程，气化过程结束并且浓度逐渐扩散开来；

步骤4：地面控制台实时监测气体浓度值变化，如果一段时间内该气体浓度都不再发生大的波动，使用气体浓度检测仪测量浓度，重复测量多次并依次记录浓度值，多次测量结果取平均得浓度ρ，由于固体物质的质量m已知，通过公式计算得到干溶洞最终体积V；

步骤5：将仪器设备安全收回地面，完成干溶洞体积测量工作。

所述对套管与孔壁的间隙封闭处理包括以下步骤：

所述套管上每隔一定间距设置有注浆孔，套管下放完毕后，通过注浆孔向套管环向间隙进行注浆封堵，断绝钻孔壁周与地表的连通；

所述将仪器放置于套管下方的包括如下步骤：

在仪器上方30cm处设置有一个扩张套，扩张套由一种可膨胀性材料制成且不与任何气体发生反应，当仪器位于套管下方30cm处时，扩张套前端恰好从套管中弹出，向四周膨胀开来，将套管口紧紧塞满，隔绝了溶腔内气体与外界的连通；

所述的质量为m的固态(液态)物质是一种不与水或者空气中的成分发生反应的物质，且挥发性较好，能够较快速度的挥发掉，之所以选择固态(液态)，是因为向溶腔内部输送气体对技术要求较高，且成本比本方法高的多，所以选择通过固态的形式输送到下部溶腔体内，此举简单易行，而且精度也较高；例如可以选用乙醇、乙醚、丙酮、氯仿、苯等。

所述浓度测试仪在被测量气体浓度值趋于稳定后，会自动记录该数值并发出

提示，以保证在最短时间内提示气体的浓度值已趋于稳定，大大提高了效率，节省了时间；

本发明的有益效果：

本发明的一种针对封闭干溶洞的体积测量方法，与现有技术相比，能够快速精确获取探测空间的体积信息，该方法力求短时间、高精度的获取体积，为工程上制定相关措施提供了重要的参考，预先确定了材料的合理用量，科学合理的安排各工序的施工，起到了正确指导施工的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明针对封闭干溶洞的体积测量方法的示意图；

图2是本发明的方法顺序图；

图3是本发明中套管封闭示意图；

其中：1-套管；2-气体浓度检测仪；3-壳体；4-底盖；5固(液)态物质；6-扩张套；7-控制系统，8连接杆。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

正如背景技术所介绍的，现有技术中溶洞体积的测量方法有很多种，如借助三维激光扫描获取溶洞内部点云信息来建立溶洞立体模型，通过计算模型的体积来获取溶洞体积大小的方法，在国内此方法所需仪器数量较少、且价格高昂，尤其是在岩溶发育区，单是探测的费用就给工程单位带来了很大的经济压力。如何发明一种快速获取溶洞体积的方法已经成为急需解决的技术问题。为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种针对封闭式干溶洞的体积测量系统及方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，针对封闭式干溶洞的体积测量系统，包括套管1、反应物输送装置、扩张套、气体浓度测试仪2和控制系统，

套管1用于设置在钻孔内，为反应物输送装置、浓度测试仪的输送提供通道；套管上每隔一定间距设置有注浆孔，套管下放完毕后，通过注浆孔向套管环向间隙进行注浆封堵，断绝钻孔壁周与地表的连通；

反应物输送装置包括一个壳体，所述的壳体3用于放置气体反应物；该壳体3通过连接杆8与控制系统7相连；且壳体3的底部可以通过控制系统控制其打开；

气体浓度测试仪2，用于检测气体的浓度，其与反应物输送装置一起通过连接杆与控制系统相连；

控制系统7用于控制连接杆的伸长或者缩短，将反应物输送装置和气体浓度检测仪送入到孔内；控制系统安装在地面上；

扩张套6套装在连接杆8上，位于气体检测仪和反应物输送装置上方；在气体浓度测试仪、反应物输送装置深入到套管底端一定距离时，扩张套的一部分从套管管口内弹出，同时套管内部留有一部分扩张套，此时套管管口处为封闭状态，隔绝溶洞与外界空气的流通，还原封闭干溶洞的初始状态。

连接杆8内部还设有一个伸缩杆，所述的伸缩杆在控制系统的控制下，在所述的壳体到达固定的位置后，将壳体底盖打开。

扩张套为一个锥形套，具有一定的弹力，采用膨胀材料制作，其外侧包裹有一层减小摩擦力的材料层；其在套管中时，由于套管周边压力束缚无法舒展，但是一旦超过管口，就会膨胀胀大紧紧堵住套管口。

壳体3为一个底部可以完全开启，顶部密封的装置，例如可以采用矩形结构；进一步的，壳体的底盖要求足够光滑，使得放置在底盖上的气体反应物可以全部落入腔体中；

具体的实施步骤如下：

A1：对揭露干溶洞的钻孔进行清孔工作；在钻孔中下好保护套管1(材质为：PVC)，并在地面固定套管1；通过套管1上的预留口对套管1与孔壁的间隙注浆封堵，隔绝钻孔周边与外界气体连通；

A2：准备将气体浓度检测仪2及配套装备从套管1中放到溶洞内部；设备下放时，需匀速缓慢进行，当其经过套管1底端30cm时，套管1管口内弹出扩张套6，同时套管内部留有一部分扩张套6，此时套管1管口处为封闭状态，隔绝溶洞与外界空气的流通，还原封闭干溶洞的初始状态；

A3：通过地面控制台7，打开位于溶洞内部的壳体3的底盖4，壳体中的固态(液态)物质5掉落到溶腔内；固态(液态)物质在空气中会转化为气态，经过一段时间气化过程，气化过程结束并且浓度逐渐扩散开来；为了尽量使固态(液态)物质可以完全导入到溶腔中，可以通过伸缩杆多次抖动底盖；且保证放置台的顶面要足够的光滑。

A4：地面控制台7实时监测气体浓度值变化，如果一段时间内该气体浓度都不再发生大的波动，使用气体浓度检测仪2测量浓度，重复测量三次并依次记录浓度值ρ₁、ρ₂、ρ₃，三次测量结果取平均得浓度ρ，由于固体物质的质量m已知，通过公式计算得到干溶洞最终体积V；其计算公式如下：

A5：将仪器设备安全收回地面，完成干溶洞体积测量工作；

本发明中所述的扩张套的作用是堵住套管管口，防止溶洞内部气体环境与地面大气相连通；其次，扩张套为一个膨胀材料，事先安装在仪器上方一定位置处，其外侧包裹有一层减小摩擦力的材料，其在套管中时，由于套管周边压力束缚无法舒展，但是一旦超过管口，就会膨胀胀大紧紧堵住套管口。

本发明中放置固态(液态)物质的壳体与气体浓度检测仪部分是独立的，两者位于仪器并分列两侧，通过连接杆与地面控制台相连；壳体的底盖由地面的控制台操作并实现闭合动作；扩展盘位于前述两部分上方一定高度处，当上述两部分完全进入溶腔内部时，扩展盘才会展开堵住管口。

所述对套管与孔壁的间隙封闭处理包括以下步骤：

所述套管上每隔一定间距设置有注浆孔，套管下放完毕后，通过注浆孔向套管环向间隙进行注浆封堵，断绝钻孔壁周与地表的连通；

所述将仪器放置于套管下方的包括如下步骤：

在仪器上方30cm处设置有一个扩张套，扩张套由一种可膨胀性材料制成且不与任何气体发生反应，当仪器位于套管下方30cm处时，扩张套前端恰好从套管中弹出，向四周膨胀开来，将套管口紧紧塞满，隔绝了溶腔内气体与外界的连通。

所述的质量为m的固态(液态)物质是一种不与水或者空气中的成分发生反应的物质，且挥发性较好，能够较快速度的挥发掉，之所以选择固态(液态)，是因为向溶腔内部输送气体对技术要求较高，且成本比本方法高的多，所以选择通过固态的形式输送到下部溶腔体内，此举简单易行，而且精度也较高；例如可以选用乙醇、乙醚、丙酮、氯仿、苯等。

所述浓度测试仪在被测量气体浓度值趋于稳定后，会自动记录该数值并发出提示，以保证在最短时间内提示气体的浓度值已趋于稳定，大大提高了效率，节省了时间。

应该指出，以上所述旨在对本申请提供进一步的说明。仅为本发明的优选示例而已，并不用于限制本发明。除非另有说明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

Claims (10)

1.针对封闭式干溶洞的体积测量系统，其特征在于，包括套管、反应物输送装置、扩张套、气体浓度测试仪和控制系统，

所述的套管用于设置在钻孔内，为反应物输送装置、浓度测试仪的输送提供通道；

所述的反应物输送装置包括一个壳体，所述的壳体用于放置气体反应物；该壳体通过连接杆与控制系统相连；且壳体的底部可以通过控制系统控制其打开；

所述的气体浓度测试仪，用于检测气体的浓度，其与反应物输送装置一起通过连接杆与控制系统相连；

所述的控制系统用于将反应物输送装置和气体浓度检测仪送入到孔内；

所述的扩张套套装在连接杆上，位于气体检测仪和反应物输送装置上方；在气体浓度测试仪、反应物输送装置深入到套管底端一定距离时，扩张套的一部分从套管管口内弹出，同时套管内部留有一部分扩张套，此时套管管口处为封闭状态，隔绝溶洞与外界空气的流通，还原封闭干溶洞的初始状态。

2.如权利要求1所述的针对封闭式干溶洞的体积测量系统，其特征在于，所述的连接杆内部还设有一个伸缩杆，所述的伸缩杆在控制系统的控制下，在所述的壳体到达固定的位置后，将壳体底部打开。

3.如权利要求1所述的针对封闭式干溶洞的体积测量系统，其特征在于，所述的壳体顶部和侧面封闭，底部可以开启。

4.如权利要求1所述的针对封闭式干溶洞的体积测量系统，其特征在于，所述的扩张套为一个锥形套，具有一定的弹力，采用膨胀材料制作，其外侧包裹有一层减小摩擦力的材料层；其在套管中时，由于套管周边压力束缚无法舒展，但是一旦超过管口，就会膨胀胀大紧紧堵住套管口。

5.如权利要求1所述的针对封闭式干溶洞的体积测量系统，其特征在于，所述的控制系统安装在地面上。

6.如权利要求1所述的针对封闭式干溶洞的体积测量系统，其特征在于，所述的套管上设有注浆孔。

7.利用权利要求1-6任一所述的针对封闭式干溶洞的体积测量系统进行测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对揭露干溶洞的钻孔进行清孔工作；在钻孔中下好保护套管，并在地面固定套管；通过套管上的预留口对套管与孔壁的间隙注浆封堵，隔绝钻孔周边与外界气体连通；

步骤2：将气体浓度检测仪及反应物输送装置从套管中放到溶洞内部；当体浓度检测仪及反应物输送装置超过套管底端一定距离时，套管管口内弹出扩张套，同时套管内部留有一部分扩张套，此时套管管口处为封闭状态，隔绝溶洞与外界空气的流通，还原封闭干溶洞的初始状态；

步骤3：通过地面控制系统，打开位于溶洞内部壳体底盖，盒中的气体反应物质掉落到溶腔内；气体反应物在空气中会转化为气态，经过一段时间气化过程，气化过程结束并且浓度逐渐扩散开来；

步骤4：地面控制台实时监测气体浓度值变化，如果一段时间内该气体浓度都不再发生大的波动，使用气体浓度检测仪测量浓度，重复测量多次并依次记录浓度值，多次测量结果取平均得浓度ρ，由于固体物质的质量m已知，通过公式计算得到干溶洞最终体积V；

步骤5：将仪器设备安全收回地面，完成干溶洞体积测量工作。

8.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述对套管与孔壁的间隙封闭处理包括以下步骤：

所述套管上每隔一定间距设置有注浆孔，套管下放完毕后，通过注浆孔向套管环向间隙进行注浆封堵，断绝钻孔壁周与地表的连通。

9.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述的气体反应物为一种不与水或者空气中的成分发生反应的物质，且挥发性较好，能够较快速度的挥发掉。

10.如权利要求9所述的测量方法，其特征在于，所述的气体反应物为乙醇、乙醚、丙酮、氯仿或苯。