CN109375258B - 一种适用于tsp隧道地质超前预报的套管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于TSP隧道地质超前预报的套管及工作方法，包括螺纹管体、倾角传感器、管端锚固垫板、辅助扳手、金属套管保护盖。螺纹管体包括带螺纹的圆锥形套管尖头和带螺纹的圆柱形套管杆体，且表面覆有化学不沾涂层，螺纹管体内设检波器腔室，检波器腔室内设置利于检波器安装及耦合的导向槽；倾角传感器可以完成对套管水平角与垂直角的测量，并为金属套管的安装、定位提供数据参考；管端锚固垫板包括底板、高强螺栓和止浆塞；螺旋扳手在安装、回收金属套管时使用，回收时配合管端锚固垫板的固定作用便于金属套管的旋出；金属套管保护盖防止金属套管运输、使用过程中泥沙、灰尘等杂质进入套管内部。

Description

一种适用于TSP隧道地质超前预报的套管

技术领域

本发明涉及TSP隧道地质超前预报领域，尤其涉及一种适用于TSP隧道地质超前预报的套管及工作方法。

背景技术

为了有效避免隧道施工过程中突水突泥、岩爆、塌方等隧道地质灾害的发生，通常采用地质雷达技术、TSP超前预报技术、TST超前预报技术、红外探水法等多种方式对隧道掌子面前方的地质情况进行人工预报，在隧道进一步施工前判别隧道掌子面前方的工程与水文地质情况，从而有效保障隧道的施工进度及安全。

在多种预报方式中，TSP隧道地质超前预报技术的应用较为广泛。TSP隧道地质超前预报是利用在隧道围岩左、右边墙设置多个震源点，利用炸药激发弹性波，弹性波在向围岩传播的过程中，遇到断层及其破碎带、含水地质体、软弱岩层等声阻抗界面，会产生弹性波的反射，这种反射波被布置在隧道围岩内高灵敏度的检波器接收下来，从而实现信号的采集。

其中，检波器需放置在金属套管中工作，金属套管通过环氧树脂等锚固剂固结在围岩钻孔中。现阶段TSP隧道地质超前预报技术使用的金属套管存在诸多弊端：1、金属套管通过环氧树脂等锚固剂与围岩紧密固结后无法回收使用，若强行拖拉金属套管，容易造成金属套管的变形，无法循环使用，两根金属套管价值近万元，金属套管的消耗造成了严重的资源浪费；2、由于围岩接收孔的长度长达2m，环氧树脂等锚固剂与固化剂常出现搅拌不均匀的问题，导致环氧树脂等锚固剂与金属套管的锚固效果难以保证，从而影响金属套管与钻孔壁的耦合，造成信号的干扰；3、金属套管在使用过程中不可避免的与钻孔周边围岩发生刮擦，容易造成金属套管的耗损与锈蚀；4、金属套管在环氧树脂等化学锚固剂的作用下容易发生物理化学反应，影响金属套管的性能；5、现阶段使用的方形套管与圆形钻孔无法完全吻合，浪费锚固剂且严重影响套管与围岩的耦合效果，且方形套管在进入钻孔后难以调整位置与角度，影响检波器的工作效果。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提出了一种适用于TSP隧道地质超前预报的套管及工作方法，本发明能够实现金属套管的完整回收，实现金属套管的精准安装定位，有效保证金属套管全长度与围岩钻孔壁的耦合，有效降低金属套管使用过程的耗损与锈蚀，实现金属套管的循环使用，保证检波器对信号有效收集的同时，减少资源浪费、提高经济效益。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于TSP隧道地质超前预报的套管，包括螺纹管体、倾角传感器和管端锚固垫板；其中：

所述螺纹管体包括带螺纹的圆柱形套管杆体和带螺纹的圆锥形套管尖头，且表面覆有化学不沾涂层，所述螺纹管体内设检波器腔室，检波器腔室内设置利于检波器安装及耦合的导向槽；

所述倾角传感器，安装在圆柱形套管杆体的外露端，可以完成对套管水平角与垂直角的测量，并为金属套管的安装、定位提供数据参考；

所述管端锚固垫板包括底板、高强螺栓和止浆塞；所述的底板通过螺纹与螺纹管体端部配合，所述的止浆塞套装在螺纹管体上，且位于底板内侧，所述的高强螺栓用于连接底板与隧道围岩。

进一步的；所述的适用于TSP隧道地质超前预报的套管还包括螺旋扳手，所述的螺旋板手在安装、回收金属套管时使用，回收时配合管端锚固垫板的固定作用便于金属套管的旋出。

进一步的，所述辅助扳手有两个，分别安装于螺纹管体管端的两个缺口上，辅助扳手与套管管壁接触部分设置橡胶材料，防止辅助扳手对套管的磨损。

进一步的；所述的适用于TSP隧道地质超前预报的套管还包括金属套管保护盖，所述的金属套管保护盖设置在螺纹管体的端部，用于防止金属套管运输、使用过程中泥沙、灰尘等杂质进入套管内部。

进一步的，所述螺纹管体的管端设有两个缺口，可安装金属套管保护盖，防止金属套管运输、使用过程中泥沙、灰尘等杂质进入套管内部影响检波器的安装与耦合，同时在套管回收过程中，两个缺口可以安装辅助扳手。

进一步的，所述螺纹管体表面的化学不沾涂层可以采用聚四氟乙烯涂层，覆有聚四氟乙烯涂层的金属套管可实现在与环氧树脂等锚固剂完全固结后的分离，在螺纹旋转作用的配合下实现金属套管的完整回收，且不对金属套管与围岩体的耦合产生丝毫影响；

聚四氟乙烯涂层与金属套管的粘接强度高，不易磨损与脱落，并作为金属套管与化学锚固剂之间的隔离层，可以对金属套管起到有效的防腐蚀、防耗损等作用。

进一步的，所述螺纹管体上的螺纹牙采用粗牙螺纹，粗牙螺纹在相同长度下牙数少，每一牙的截面尺寸更大，有效提升金属套管与围岩体的耦合，同时便于套管的安装与回收。

进一步的，所述螺纹管体上的螺纹采用右旋的螺纹，安装时在辅助扳手的作用下顺时针旋进钻孔，旋进的同时进一步对环氧树脂等锚固剂与固化剂进行搅拌，保证环氧树脂等锚固剂与金属套管的锚固效果；回收时在辅助扳手的作用下逆时针旋出钻孔，完成金属套管的完整回收。

进一步的，所述螺纹管体的非外露端采用带螺纹的圆锥形尖头，便于金属套管进入围岩钻孔。

进一步的，所述倾角传感器可以实时对套管水平角与垂直角进行测量，为金属套管的安装、定位提供数据参考，在辅助扳手的帮助下，对金属套管进行旋转，将金属套管的方位调整至规定角度。

进一步的，所述螺纹管体的圆柱形套管杆体内为中空方形腔室，腔室尺寸大小与检波器尺寸适配，腔室内表面均匀涂抹润滑油，保证金属套管与检波器的耦合效果和检波器的顺利安装，并避免检波器触点的磨损造成的高频毛刺干扰。

进一步的，所述导向槽在所述的螺纹管体的管体内通长设置，导向槽与螺纹管体的轴线平行；方便检波器的安装，并保证检波器与金属套管的耦合效果；且套管管端外露部分的导向槽涂有夜光漆，隧道内照明条件不佳时便于检波器的对中、安装。

进一步的，所述管端锚固垫板的底板为六角螺母状，螺纹与金属套管的螺纹牙相吻合，管端锚固垫板通过高强螺栓将金属套管靠近边墙临空面的部分紧密嵌固在围岩中，保证金属套管与围岩的耦合效果。

进一步的，所述管端锚固垫板上的止浆塞可以使用硅橡胶，防止环氧树脂锚固剂的泄露，并不会与环氧树脂等锚固剂发生化学反应，进一步保证金属套管与围岩的耦合效果。

进一步的，所述管端锚固垫板在金属套管回收时起到定向作用，有效避免金属套管回收时与孔壁的挤压、碰撞造成的套管变形与破坏。

上述适用于TSP隧道地质超前预报的套管的工作方法，包括：

步骤1：在TSP隧道地质超前预报要求的位置打好接收孔，将锚固剂及固化剂放入接收孔内，在辅助扳手的帮助下将螺纹管体顺时针旋进接收孔，旋转过程中使锚固剂及固化剂搅拌均匀，利于螺纹管体与围岩的耦合。

步骤2：金属套管完全进入钻孔后，通过倾角传感器提供的数据参考，在辅助扳手的帮助下，对金属套管进行旋转，将螺纹管体的方位调整至规定角度后及时安装管端锚固垫板，防止锚固剂的泄露并对金属套管的管端进行有效锚固。

步骤3：金属套管布设完成后，通过导向槽的导向作用、腔室润滑油的润滑作用进行TSP检波器的安装，并保证金属套管与检波器的耦合效果，将检波器与TSP数据主机连接后开始进行TSP隧道地质超前预报的数据采集工作。

步骤4：数据采集完成后，将检波器从套管中取出，拆下止浆塞，在辅助扳手的帮助下将螺纹管体逆时针旋出接收孔，管端锚固垫板在金属套管回收时起到定向作用，有效避免金属套管回收时与孔壁的挤压、碰撞造成的套管变形与破坏，实现金属套管的完整回收，最后将金属套管保护盖安装到螺纹管体上。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明可以有效保证锚固剂与固化剂的均匀搅拌，且整体与围岩钻孔吻合，相比现阶段使用的方形套管，与钻孔之间的空隙体积更小，从而大大减少锚固剂的用量，有效防止锚固剂的泄露，保证金属套管全长度与围岩钻孔壁的耦合效果；

本发明可实现与环氧树脂等锚固剂完全固结后的分离，但不对金属套管与围岩体的耦合产生丝毫影响，解决了现阶段金属套管难以回收利用或仅能部分回收的难题，可以实现金属套管的完整回收、循环使用，大大降低了TSP隧道地质超前预报的成本，大大提高了经济效益；

解决了现阶段使用的方形套管在进入钻孔后难以调整位置与角度的问题，实现金属套管及检波器的精准安装，并保证检波器与金属套管的耦合效果，有效提高TSP检波器数据采集的准确率。

本发明可以有效保护金属套管不受环氧树脂等锚固剂的侵蚀，有效减弱金属套管的磨损与锈蚀，延长金属套管的使用寿命，降低TSP隧道地质超前预报的成本。

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为本发明的总体示意图；

图2为本发明的螺纹管体侧视图；

图3是本发明的管端锚固垫板主视图；

图4是本发明的管端锚固垫板侧视图；

其中，1螺纹管体，2倾角传感器，3管端锚固垫板，4辅助扳手，5套管尖头，6套管杆体，7底板，8高强螺栓，9止浆塞，10粗牙螺纹，11检波器腔室，12导向槽，13金属套管保护盖。

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。

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。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，为了方便描述，将螺纹管体1的两端按照在使用状态是否外露定义为外露端和非外露端；外露端是指暴露在隧道岩体外的一端，非外露端是指插装在隧道岩体内的一端，即圆锥形套管尖头端。

本发明提出的一种适用于TSP隧道地质超前预报的套管，如图1-4所示，包括螺纹管体1、倾角传感器2、管端锚固垫板3；其中：

所述螺纹管体1包括带螺纹的圆锥形套管尖头5和带螺纹的圆柱形套管杆体6，且表面覆有化学不沾涂层，所述螺纹管体内设检波器腔室11，检波器腔室11内设置利于检波器安装及耦合的导向槽12；

所述倾角传感器2可以完成对套管水平角与垂直角的测量，并为金属套管的安装、定位提供数据参考；

所述管端锚固垫板3包括底板7、高强螺栓8和止浆塞9；所述的底板7通过螺纹与螺纹管体端部配合，所述的止浆塞9套装在螺纹管体1上，且位于底板内侧，所述的高强螺栓8用于连接底板7与隧道围岩。

进一步的，还包括用于辅助扳手4，所述螺旋扳手4在安装、回收金属套管时使用，回收时配合管端锚固垫板的固定作用便于金属套管的旋出；

进一步的，还包括金属套管保护盖13，所述金属套管保护盖13防止金属套管运输、使用过程中泥沙、灰尘等杂质进入套管内部。

在所述螺纹管体1的外露端设有两个缺口，可安装金属套管保护盖，防止金属套管运输、使用过程中泥沙、灰尘等杂质进入套管内部影响检波器的安装与耦合，同时在套管回收过程中，缺口可以安装辅助扳手。

具体的，所述螺纹管体1表面的化学不沾涂层可以采用聚四氟乙烯涂层，覆有聚四氟乙烯涂层的金属套管可实现在与环氧树脂等锚固剂完全固结后的分离，在螺纹旋转作用的配合下实现金属套管的完整回收，且不对金属套管与围岩体的耦合产生丝毫影响；聚四氟乙烯涂层与金属套管的粘接强度高，不易磨损与脱落，并作为金属套管与化学锚固剂之间的隔离层，可以对金属套管起到有效的防腐蚀、防耗损等作用。

具体的，所述螺纹管体上的螺纹牙采用粗牙螺纹10，粗牙螺纹10在相同长度下牙数少，每一牙的截面尺寸更大，有效提升金属套管与围岩体的耦合，同时便于套管的安装与回收。

具体的，所述螺纹管体1的非外露端（即插入围岩孔内的一端）采用带螺纹的圆锥形尖头，便于金属套管进入围岩钻孔。

具体的，所述螺纹管体1相比现阶段使用的方形套管，套管整体与钻孔之间的空隙体积更小，从而大大减少锚固剂的用量，有效防止锚固剂的泄露，保证金属套管全长度与围岩钻孔壁的耦合效果。

具体的，所述倾角传感器2可以实时对套管水平角与垂直角进行测量，为金属套管的安装、定位提供数据参考，在辅助扳手的帮助下，对金属套管进行旋转，将金属套管的方位调整至规定角度。

如图2所示，所述螺纹管体1的圆柱形套管杆体内为中空方形腔室，腔室尺寸大小与检波器尺寸适配，腔室内表面均匀涂抹润滑油，保证金属套管与检波器的耦合效果和检波器的顺利安装，并避免检波器触点的磨损造成的高频毛刺干扰。

具体的，所述螺纹管体1上的螺纹采用右旋的螺纹，安装时在辅助扳手的作用下顺时针旋进钻孔，旋进的同时进一步对环氧树脂等锚固剂与固化剂进行搅拌，保证环氧树脂等锚固剂与金属套管的锚固效果；回收时在辅助扳手的作用下逆时针旋出钻孔，完成金属套管的完整回收。

具体的，所述螺纹管体1的管体内设置通长的导向槽12，方便检波器的安装，并保证检波器与金属套管的耦合效果，且套管管端外露部分的的导向槽涂有夜光漆，隧道内照明条件不佳时便于检波器的对中、安装。

具体的，所述管端锚固垫板的底板7为六角螺母状，螺纹与金属套管的螺纹牙相吻合，管端锚固垫板通过高强螺栓将金属套管靠近边墙临空面的部分紧密嵌固在围岩中，保证金属套管与围岩的耦合效果。

具体的，所述管端锚固垫板上的止浆塞9可以使用硅橡胶，防止环氧树脂锚固剂的泄露，并不会与环氧树脂等锚固剂发生化学反应，进一步保证金属套管与围岩的耦合效果。

具体的，所述管端锚固垫板3在金属套管回收时起到定向作用，有效避免金属套管回收时与孔壁的挤压、碰撞造成的套管变形与破坏。

具体的，所述辅助扳手4有两个，分别安装于螺纹管体管端的两个缺口，辅助扳手与套管管壁接触部分设置橡胶材料，防止辅助扳手对套管的磨损。

本发明的工作原理为：

在TSP隧道地质超前预报要求的位置打好接收孔，将环氧树脂等锚固剂及固化剂放入接收孔内，在辅助扳手的帮助下将金属套管顺时针旋进接收孔，旋转过程中使环氧树脂等锚固剂及固化剂搅拌均匀，利于金属套管与围岩的耦合。

金属套管完全进入钻孔后，通过倾角传感器提供的数据参考，在辅助扳手的帮助下，对金属套管进行旋转，将金属套管的方位调整至规定角度后及时安装管端锚固垫板，防止环氧树脂等锚固剂的泄露并对金属套管的管端进行有效锚固。

金属套管布设完成后，通过导向槽的导向作用、腔室润滑油的润滑作用进行TSP检波器的安装，并保证金属套管与检波器的耦合效果，将检波器与TSP数据主机连接后开始进行TSP隧道地质超前预报的数据采集工作。数据采集完成后，将检波器从套管中取出，拆下止浆塞，在辅助扳手的帮助下将金属套管逆时针旋出接收孔，管端锚固垫板在金属套管回收时起到定向作用，有效避免金属套管回收时与孔壁的挤压、碰撞造成的套管变形与破坏，实现金属套管的完整回收。

如图1-4所示，上述适用于TSP隧道地质超前预报的套管及工作方法包括以下步骤：

步骤1：在TSP隧道地质超前预报要求的位置打好接收孔，将环氧树脂等锚固剂及固化剂放入接收孔内，在辅助扳手4的帮助下将螺纹管体1顺时针旋进接收孔，旋转过程中使环氧树脂等锚固剂及固化剂搅拌均匀，利于螺纹管体1与围岩的耦合。

步骤2：金属套管完全进入钻孔后，通过倾角传感器2提供的数据参考，在辅助扳手4的帮助下，对金属套管进行旋转，将螺纹管体1的方位调整至规定角度后及时安装管端锚固垫板3，防止环氧树脂等锚固剂的泄露并对金属套管的管端进行有效锚固。

步骤3：金属套管布设完成后，通过导向槽12的导向作用、检波器腔室11润滑油的润滑作用进行TSP检波器的安装，并保证金属套管与检波器的耦合效果，将检波器与TSP数据主机连接后开始进行TSP隧道地质超前预报的数据采集工作。

步骤4：数据采集完成后，将检波器从套管中取出，拆下止浆塞9，在辅助扳手4的帮助下将螺纹管体1逆时针旋出接收孔，管端锚固垫板3在金属套管回收时起到定向作用，有效避免金属套管回收时与孔壁的挤压、碰撞造成的套管变形与破坏，实现金属套管的完整回收，最后将金属套管保护盖13安装到螺纹管体1上。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

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 (8)

1.一种适用于TSP隧道地质超前预报的套管，其特征在于，包括螺纹管体、倾角传感器和管端锚固垫板；其中：

所述螺纹管体包括带螺纹的圆柱形套管杆体和带螺纹的圆锥形套管尖头，且表面覆有化学不沾涂层，所述螺纹管体内设检波器腔室，检波器腔室内设置利于检波器安装及耦合的导向槽；

所述倾角传感器，安装在圆柱形套管杆体的外露端，完成对套管水平角与垂直角的测量，并为金属套管的安装、定位提供数据参考；

所述管端锚固垫板包括底板、高强螺栓和止浆塞；所述的底板通过螺纹与螺纹管体端部配合，所述的止浆塞套装在螺纹管体上，且位于底板内侧，所述的高强螺栓用于连接底板与隧道围岩；

所述套管的工作步骤为：

步骤1：在TSP隧道地质超前预报要求的位置打好接收孔，将锚固剂及固化剂放入接收孔内，在辅助扳手的帮助下将螺纹管体顺时针旋进接收孔，旋转过程中使锚固剂及固化剂搅拌均匀，利于螺纹管体与围岩的耦合；

步骤2：金属套管完全进入钻孔后，通过倾角传感器提供的数据参考，在辅助扳手的帮助下，对金属套管进行旋转，将螺纹管体的方位调整至规定角度后及时安装管端锚固垫板，防止锚固剂的泄露并对金属套管的管端进行有效锚固；

步骤3：金属套管布设完成后，通过导向槽的导向作用、腔室润滑油的润滑作用进行TSP检波器的安装，并保证金属套管与检波器的耦合效果，将检波器与TSP数据主机连接后开始进行TSP隧道地质超前预报的数据采集工作；

步骤4：数据采集完成后，将检波器从套管中取出，拆下止浆塞，在辅助扳手的帮助下将螺纹管体逆时针旋出接收孔，管端锚固垫板在金属套管回收时起到定向作用，有效避免金属套管回收时与孔壁的挤压、碰撞造成的套管变形与破坏，实现金属套管的完整回收，最后将金属套管保护盖安装到螺纹管体上。

2.如权利要求1所述的适用于TSP隧道地质超前预报的套管，其特征在于，还包括螺旋扳手，所述的螺旋扳手用于在安装、回收金属套管时使用。

3.如权利要求1或2所述的适用于TSP隧道地质超前预报的套管，其特征在于，还包括金属套管保护盖，所述的金属套管保护盖用于安装在螺纹管体的外露端。

4.如权利要求1所述的适用于TSP隧道地质超前预报的套管，其特征在于，所述螺纹管体表面的化学不沾涂层采用聚四氟乙烯涂层。

5.如权利要求1所述的适用于TSP隧道地质超前预报的套管，其特征在于，所述螺纹管体上的螺纹牙采用粗牙螺纹；螺纹管体上的螺纹采用右旋的螺纹。

6.如权利要求1所述的适用于TSP隧道地质超前预报的套管，其特征在于：所述的腔室为中空方形腔室，腔室尺寸大小与检波器尺寸适配，腔室内表面均匀涂抹润滑油；

所述导向槽在所述的螺纹管体的管体内通长设置，导向槽与螺纹管体的轴线平行；且套管管端外露部分的导向槽涂有夜光漆。

7.如权利要求1所述的适用于TSP隧道地质超前预报的套管，其特征在于：所述管端锚固垫板的底板为六角螺母状，螺纹与金属套管的螺纹牙相吻合，管端锚固垫板通过高强螺栓将金属套管靠近边墙临空面的部分紧密嵌固在围岩中，保证金属套管与围岩的耦合效果。

8.如权利要求1所述的适用于TSP隧道地质超前预报的套管，其特征在于：所述管端锚固垫板上的止浆塞使用硅橡胶。

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