CN109738942A - 一种地震波和复电导率复合隧道预报检波器装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地震波和复电导率复合隧道预报检波器装置及方法，包括拉拔膜、套管和传感器杆；所述拉拔膜包裹在所述的套管的外壁上；所述套管为空心薄壁圆筒，空心薄壁圆筒的一端设有锚固电极，所述的锚固电极的前端为圆锥状实体结构，尾端为一小节空心薄壁圆筒；所述的传感器杆伸入到锚固电极的后端固定于所述的套管内；传感器杆的头部设有地震波传感器；所述的锚固电极、地震波传感器均与外界信号接收设备相连。

Description

一种地震波和复电导率复合隧道预报检波器装置及方法

技术领域

本发明涉及隧道工程中的超前地质预报方向，特别是涉及一种地震波和复电导率复合隧道预报检波器装置及方法。

背景技术

根据现有施工规范要求，隧道开挖前必须采用超前地质预报的方法进行探测，分析确定隧道工作面前方的水文地质情况。现有的隧道超前地质预报中的物探方法包括电磁波法、地震波法和电法等。其中电磁波法和电法探测对于工作面前方围岩含水情况极为敏感，能够有效感知前方水文信息，但对围岩破碎情况没有过多了解。而地震波法前方围岩破碎情况的信息极为敏感，能够有效描绘前方地质信息，但对围岩含水情况了解不多。

在隧道探测中，同时获取隧道工作面前方的破碎情况和含水信息对于施工安全有极大的帮助，能够更精准分析隧道开挖的围岩情况。然而现有的设备在进行物探探测时，往往分别进行地震波法的探测和电磁波法的探测，准备工作繁琐、耗时，而且由于采集点方位选择的不同往往使两者的信息匹配度不甚满意。

现有的地震波法如TSP、电磁波法如复电导率法等都能够需要进行检波器孔的钻孔及检波器的安装，安装时往往采用锚固剂或其他锚固材料使其与周围岩体接触密实以形成一个整体。

然而如TSP套管为2.0米无缝钢管，造价昂贵，进口套管价格在三千元以上。每次锚固后为了成本均需拉拔出循环使用。但锚固强度大，极难操作。特别是在利用一些拉拔器或钢钳等拉拔过程中，极易造成套管口部产生扭转或压痕形变，导致高精度套管损坏无法使用。

现有技术中，已经存在部分关于方便在测试后进行拉拔TSP套管的相关研究。例如：申请号为2011201177509的中国专利文献提供了一种适用于隧道弹性波反射法超前地质预报套管的拉拔器，涉及一种地质力学测试现场安装套管的回收装置。主要包括工作对象——TSP接收器套管；设置有防滑橡胶皮、夹具、紧固螺栓、连接链条、套筒和杠杆；防滑橡胶皮包裹在TSP接收器套管上，夹具包裹在防滑橡胶皮上，紧固螺栓插入夹具上端的两个锁紧孔和连接链条的下端孔，连接链条的上端孔和套筒连接，杠杆插入套筒中。该方案能够适用于现场对TSP接收器套管的拉拔。但是，该方案在应用时TSP套管的受力处位于管体外漏于围岩外侧的部分，而管体位于围岩内部的部分依然是直接通过锚固剂与岩体锚固为一体，所以仍然存在拉拔困难的弊端。

因此，如何设计一种检波器降低拉拔难度降低成本、加大锚固力提高信噪比，重要的是实现隧道中同时进行地震波法和复电导率法超前地质预报的信号采集大幅度提高工作效率减轻其他不必要的工作负担，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

为了克服现有检波器难以拉拔、锚固力不足、不能同时接收地震波信息和复电导率信息等方面的不足，本发明提供了一种地震波和复电导率复合隧道预报检波器装置及方法。

本发明的第一发明目的是提供一种地震波和复电导率复合隧道预报检波器装置，该装置通过对现有检波器进行结构和构成上的改进，使其能够采用一套检波器设备进行两种信息的采集，并在保证采集质量的同时方便检波器使用结束后的轻松回收。

本发明的第二发明目的是提供一种利用地震波和复电导率复合隧道预报检波器进行超前地质预报采集的方法，使采用该方法进行超前地质预报时，不需要耗费时间进行设备的更换，大大提高了工作的效率，降低工作耗时。

为了达到上述目的，本发明采取如下方案：

一种地震波和复电导率复合隧道预报检波器装置，包括拉拔膜、套管和传感器杆；所述的拉拔膜包裹在所述的套管外壁上；所述套管为空心薄壁圆筒，空心薄壁圆筒的一端设有锚固电极，所述的锚固电极的前端为圆锥状实体结构，尾端为一小节空心薄壁圆筒；在圆锥状实体结构的侧面分布有倒钩，以达到强锚固的效果；所述的传感器杆伸入到锚固电极的尾端、固定于所述的套管内；传感器杆的前端设有地震波传感器；所述的锚固电极、地震波传感器均与外界信号接收设备相连。

作为进一步的技术方案，所述的拉拔膜为高弹、亲水、弱抗拉强度的导电薄膜。

所述的拉拔膜能够完全包裹并紧贴套管外壁。

作为进一步的技术方案，所述的锚固电极前端圆锥状实体采用高刚度、强导电性材质，所述的锚固电极尾端空心薄壁圆筒采用高刚度、绝缘材质；

作为进一步的技术方案，所述的锚固电极前端圆锥状实体外壁镀防腐、导电膜，以达到防腐且不使信号失真的效果。

作为进一步的技术方案，所述的锚固电极圆锥状实体的底面中心焊接有内部复电导率缆线端头，用来传导复电导率信号。所述的锚固电极尾端空心薄壁圆筒内部离开锚固电极圆锥状实体底面一定高度处，有卡座以放置传感器杆、有卡槽以引导传感器杆。所述卡座为高刚度材质，保证地震波信号传输的不失真。

作为进一步的技术方案，所述的套管包括第一管节、第二管节和第三管节，所述的第一管节、第二管节、第三管节采用高强度、高刚度材料，如高强度、高刚度塑料等，高强度保证安插于钻孔内时的可操作性，高刚度保证信号接收的高信噪比。

作为进一步的技术方案，所述的第一管节、第二管节、第三管节内外径相同。所述的第一管节与所述的锚固电极尾端采用逆向螺纹连接，所述的第一管节与第二管节、第二管节与第三管节采用顺向螺纹连接，保证在锚固电极被锚固锁死时可以顺向旋转舍弃锚固电极拔出套管，并使套管可拆卸方便运输携带。

作为进一步的技术方案，所述的各管节内侧有卡槽对应锚固电极处的卡槽和卡座，以保证传感器杆的定位固定。

作为进一步的技术方案，所述的传感器杆依次分为第一杆节、第二杆节和第三杆节。所述的第一杆节前端封装有地震波传感器，通过内部地震波缆线与外界信号接收设备相连。所述的传感器杆为方形截面杆，与套管内侧壁的形状形成的空隙使内部复电导率缆线穿过并伸出至套管外。所述的第三杆节的尾端有带圆孔的端盖，密封传感器杆内部，并使内部地震波缆线能够于圆孔处伸出。

作为进一步的技术方案，所述的传感器杆为可伸缩结构，方便携带。

在提供上述结构方案的同时，本发明还提供了一种利用地震波和复电导率复合隧道预报检波器进行超前地质预报采集的方法，主要包括如下步骤：

1.将套管各组分组合完毕，保证所有螺纹连接紧密且内侧卡槽相互吻合；使内部复电导率缆线于套管内穿过；

2.将拉拔膜套在套管外壁，沾水湿润后挤出套管与薄膜间多余的水分和气泡，保证拉拔膜与套管紧密耦合；

3.在钻孔内侧壁特别是底部放置锚固剂，将套管深入钻孔底部，使锚固剂与套管特别是在锚固电极处充分耦合；

4.展开传感器杆，沿内侧卡槽深入套管底部，直至锚固电极卡座处；

5.将传感器杆、锚固电极分别通过内部地震波缆线、内部复电导率缆线与外界信号接收设备连接完好；

6.进行相应的超前地质预报采集操作；

7.采集完毕后，断开传感器杆、锚固电极与外界信号接收设备的连接。用力拉拔套管，若锚固过于紧密，可顺向旋转抛弃锚固电极，拔出其余套管部分。

8.回收、拆解、清洗并安放好所有装置设备。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明实现了一套检波器对两个超前地质预报信号(地震波信号和复电导率信号)的共同接收，使采用两种方法进行超前地质预报时，不需要耗费时间进行设备的更换，大大提高了工作的效率，降低工作耗时。

2)本发明设计有造价低廉的拉拔膜及逆向螺纹连接、可舍弃的造价低廉锚固电极，极大地方便套管的拉拔回收，在不影响信号准确性的基础上，使装置部件能够循环利用，极大地降低了超前地质预报成本。

3)本发明将两种方法的检波器设计融合在一起，且在套管、传感器杆上均设计有可拆卸或可伸缩的优化结构，使大尺寸检波器装置化整为零，便于携带，解决了往常因携带超长套管而无法乘坐各类交通工具的烦恼。

4)本发明采用倒钩形尖端设计，能够使检波器锚固性更强，以提高对信号的接收效果。

5)本发明拉拔膜薄型及导电的设计，锚固电极圆锥状实体外壁防腐、导电膜的设计，锚固电极尾端空心薄壁圆筒绝缘材质的设计等，都保证了检波器对于地震波信号及复电导率信号的接收有效性，没有因其他设计降低信噪比。

6)本发明使用效率高、节约成本、携带便利、强锚固、信号接收效果好，且易操作、便于推广，具有良好的实用价值。

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。

附图说明互相之间组合关系，其相对大小不代表实际尺寸，仅做位置示意的表示，且示意图中未完全表述所有构件，仅对重点部分进行细化描绘。

图1是本发明的检波器孔内的各组分组合关系示意图。

图2是本发明的锚固电极结构示意图(未添加螺纹)。

图3是本发明的管节内卡槽的结构示意图(未添加螺纹)。

其中：1、隧道围岩，2、钻孔，3、锚固剂，4、拉拔膜，5、套管，5-1、锚固电极，5-2、前管节，5-3、中管节，5-4、尾管节，6、传感器杆，6-1、地震波传感器，6-2、前杆节，6-3、中杆节，6-4、尾杆节。7、缆线，7-1、内部地震波缆线，7-2、内部复电导率缆线，7-3、外部缆线，8-1、逆向螺纹，8-2、顺向螺纹，9-1、卡座，9-2、卡槽，10、端盖。

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。

词语解释：为了描述方便，本发明下面出现的“前”、“中”、“尾”是以实际使用时，伸入到钻孔内的端部为前，然后依次为为中、尾；对应附图则是按照图1从左到右，左为前，右为尾，中间为中。

本发明中所述的“正向螺纹”是指右旋螺纹；“逆向螺纹”是指左旋螺纹。

正如背景技术所介绍的，现有技术中，已经存在部分关于方便在测试后进行拉拔TSP套管的相关研究。但是在应用时TSP套管的受力处位于管体外漏于围岩外侧的部分，极易导致管体变形使管体无法再次利用，且管体位于围岩内部的部分依然是直接通过锚固剂与岩体锚固为一体，所以仍然存在拉拔困难的弊端。为克服现有技术的不足，解决现有检波器难以拉拔、锚固力不足、不能同时接收地震波信息和复电导率信息的技术问题，本申请提出了一种地震波和复电导率复合隧道预报检波器装置。

本申请的一种实施方式，应用于隧道超前地质预报施工中，如图1-图3所示，一种地震波和复电导率复合隧道预报检波器装置，包括拉拔膜4、套管5、传感器杆6和缆线7。所述的拉拔膜4包裹着所述的套管5的外壁上。

所述的套管5前端为锚固电极5-1，其后为空心薄壁圆筒，空心薄壁圆筒依次分为前管节5-2、中管节5-3和尾管节5-4。所述的锚固电极5-1前端为圆锥状实体，且在圆锥状实体的侧面分布有倒钩，如图2左侧所示，在圆锥状实体的侧面设有很多倒钩，以达到强锚固的效果。所述的锚固电极5-1后端为一小节空心圆筒，与所述的前管节5-2逆向螺纹8-1连接。所述的前管节5-2和中管节5-3、中管节5-3和尾管节5-4采用顺向螺纹8-2连接。

所述的传感器杆6可深入锚固电极5-1的空心圆筒处、固定于所述的套管5内。

所述的缆线7包括内部地震波缆线7-1、内部复电导率缆线7-2和外部缆线7-3。所述的外部缆线7-3为检波器与外界接收设备的信号传输介质。所述的内部地震波缆线7-1连接传感器杆6中的地震波传感器6-1与外部缆线7-3。所述的内部复电导率缆线7-2连接锚固电极5-1前端与外部缆线7-3。

所述的拉拔膜4为高弹、亲水、弱抗拉强度的导电薄膜，如导电塑料薄膜或导电橡胶薄膜。这里所述的高弹、弱抗拉强度中“高”“弱”没有特定的含义，只要满足实际的实施需求即可。

所述的拉拔膜4能够完全包裹并紧贴套管5外壁。在实际使用时，所述的拉拔膜4外部充满锚固剂3，将所述的拉拔膜4与围岩1紧密耦合。所述的拉拔膜4具有高弹性和亲水性保证拉拔膜4与套管5紧贴，防止因内部空气填充削弱信号强度。所述的拉拔膜4具有弱抗拉强度保证在拉拔套管5时套管5能够撕扯脱离拉拔膜4，达到降低套管5拉拔强度的目的。所述的拉拔膜4为薄层状并导电保障了电磁信号传输效果，降低对地震波信号的传输影响干扰。

所述的锚固电极5-1前端圆锥状实体采用高刚度、强导电性材质，如金属铁、钢等。这里所述的高刚度和强导电性中的“高”和“强”没有特定的含义，只要满足实际的实施需求即可。

进一步的，所述的锚固电极5-1前端圆锥状实体若采用金属铁等金属材质，应在所述锚固电极5-1前端圆锥状实体外壁镀防腐、导电膜，以达到防腐且不使信号失真的效果。所述的锚固电极5-1圆锥状实体的底面中心焊接有内部复电导率缆线7-2端头，用来传导复电导率信号。所述的锚固电极5-1尾端一小段为空心薄壁圆筒，高刚度、绝缘材质，保证地震波传感器6-1不受电信号干扰。所述的锚固电极5-1尾端空心薄壁圆筒内部离开锚固电极5-1圆锥状实体底面一定高度处，有卡座9-1以放置传感器杆6、有卡槽9-2以引导传感器杆6。所述卡座9-1为高刚度材质，如金属片、硬塑等，其高刚度保证地震波信号传输的不失真。优化的，所述的前管节5-2、中管节5-3、尾管节5-4采用高强度、高刚度材料，如高强度、高刚度塑料等，这里所述的高刚度和高刚度中的“高”没有特定的含义，只要满足实际的实施需求即可。

高强度保证安插于钻孔2内时的可操作性，高刚度保证信号接收的高信噪比。进一步的，所述的前管节5-2、中管节5-3、尾管节5-4内外径相同。所述的前管节5-2与所述的锚固电极5-1尾端采用逆向螺纹8-1连接，所述的前管节5-2与中管节5-3、中管节5-3与尾管节5-4采用顺向螺纹8-2连接，保证在锚固电极5-1被锚固锁死时可以顺向旋转舍弃锚固电极5-1拔出套管5，并使套管5可拆卸方便运输携带。

进一步的，如图2和图3所示，所述的各管节内侧有卡槽9-2对应锚固电极5-1内的卡槽9-2和卡座9-1，以保证传感器杆6的定位固定；卡槽9-2和卡座9-1可设置多个，多个卡槽9-2和卡座9-1沿着各管节的内壁均匀设置，在图2和图3中设置了四个卡槽9-2和卡座9-1，一个卡座9-1对应一个卡槽9-2。

优化的，所述的传感器杆6依次分为前杆节6-2、中杆节6-3和尾杆节6-4。所述的前杆节6-2前端封装有地震波传感器6-1。所述的传感器杆6为方形截面杆，与套管5内侧壁的形状形成的空隙使内部复电导率缆线7-2穿过并伸出至套管5外。所述的尾杆节6-4的尾端有带圆孔的端盖10，密封传感器杆6内部，并使内部地震波缆线7-1能够于圆孔处伸出。

优化的，传感器杆6设计成可伸缩式结构，例如可以设计成前杆节6-2、中杆节6-3和尾杆节6-4由前端到尾端方形截面边长尺寸逐渐减小所述的前杆节6-2的前端内径大于所述的中杆节6-3的前端外径，所述的中杆节6-3的前端内径大于所述的尾杆节6-4的前端外径，且所述的前杆节6-2的尾端内径大于所述的中杆节6-3的尾端外径，所述的中杆节6-3的尾端内径大于所述的尾杆节6-4的尾端外径，以保证所述的尾杆节6-4能收缩于所述的中杆节6-3内，所述的中杆节6-3能收缩于所述的前杆节6-2内，达到缩小长度便于运输的目的。优化的所述的前杆节6-2的尾端内径小于所述的中杆节6-3的前端外径，所述的中杆节6-3的尾端内径小于所述的尾杆节6-4的前端外径，使三个杆节不至脱离，方便携带。

在提供上述结构方案的同时，本发明还提供了利用一种地震波和复电导率复合隧道预报检波器装置的方法，主要包括如下步骤：

1)将套管5各组分组合完毕，保证所有螺纹连接紧密且内侧卡槽9-2相互吻合。注意使内部复电导率缆线7-2于套管5内穿过。

2)将拉拔膜4套在套管5外壁，沾水湿润后挤出套管5与薄膜间多余的水分和气泡，保证拉拔膜4与套管5紧密耦合。

3)在钻孔2内侧壁特别是底部放置锚固剂3，将套管5深入钻孔2底部，使锚固剂3与套管5特别是锚固电极5-1处充分耦合。

4)展开传感器杆6，沿内侧卡槽9-2深入套管5底部，直至锚固电极5-1卡座9-1处。

5)将内部地震波缆线7-1、内部复电导率缆线7-2与外部缆线7-3相连。

6)进行相应的超前地质预报采集操作。

7)采集完毕后，断开内部地震波缆线7-1、内部复电导率缆线7-2与外部缆线7-3的连接，拿出、擦净、收紧，回收并安放好传感器杆6。

8)用力拉拔套管5，若锚固过于紧密，可顺向旋转抛弃锚固电极5-1，拔出其余套管5部分。

9)拆解、清洗套管5。

10)安放回收所有装置设备。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明实现了一套检波器对两个超前地质预报信号(地震波信号和复电导率信号)的共同接收，使采用两种方法进行超前地质预报时，不需要耗费时间进行设备的更换，大大提高了工作的效率，降低工作耗时。

2)本发明设计有造价低廉的拉拔膜4及逆向螺纹8-1连接、可舍弃的造价低廉锚固电极5-1，极大地方便套管5的拉拔回收，在不影响信号准确性的基础上，使装置部件能够循环利用，极大地降低了超前地质预报成本。

3)本发明将两种方法的检波器设计融合在一起，且在套管5、传感器杆6上均设计有可拆卸或可伸缩的优化结构，使大尺寸检波器装置化整为零，便于携带，解决了往常因携带超长套管5而无法乘坐各类交通工具的烦恼。

4)本发明采用倒钩形尖端设计，能够使检波器锚固性更强，以提高对信号的接收效果。

5)本发明拉拔膜4薄型及导电的设计，锚固电极5-1圆锥状实体外壁防腐、导电膜的设计，锚固电极5-1尾端空心薄壁圆筒绝缘材质的设计等，都保证了检波器对于地震波信号及复电导率信号的接收有效性，没有因其他设计降低信噪比。

6)本发明使用效率高、节约成本、携带便利、强锚固、信号接收效果好，且易操作、便于推广，具有良好的实用价值。

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。

Claims (10)

1.一种地震波和复电导率复合隧道预报检波器装置，其特征在于，包括拉拔膜、套管和传感器杆；

所述拉拔膜包裹在所述的套管的外壁上；

所述套管为空心薄壁圆筒，空心薄壁圆筒的一端设有锚固电极，所述的锚固电极的前端为圆锥状实体结构，尾端为一小段空心薄壁圆筒；所述的传感器杆伸入到锚固电极的尾端固定于所述的套管内；传感器杆的前端设有地震波传感器；所述的锚固电极、地震波传感器均与外界信号接收设备相连。

2.如权利要求1所述的一种地震波和复电导率复合隧道预报检波器装置，其特征在于，所述的拉拔膜为导电薄膜。

3.如权利要求1所述的一种地震波和复电导率复合隧道预报检波器装置，其特征在于，所述的锚固电极前端圆锥状实体结构采用导电性材质，所述的锚固电极尾端空心薄壁圆筒采用绝缘材质。

4.如权利要求3所述的一种地震波和复电导率复合隧道预报检波器装置，其特征在于，所述的锚固电极前端圆锥状实体结构外壁镀防腐、导电膜。

5.如权利要求1所述的一种地震波和复电导率复合隧道预报检波器装置，其特征在于，所述的锚固电极圆锥状实体结构的底面中心焊接有内部复电导率缆线端头，用来传导复电导率信号；所述的锚固电极尾端空心薄壁圆筒内部离开锚固电极圆锥状实体结构底面一定高度处设有卡座和卡槽以放置和引导传感器杆。

6.如权利要求1所述的一种地震波和复电导率复合隧道预报检波器装置，其特征在于，所述的套管包括第一管节、第二管节和第三管节，所述的第一管节、第二管节和第三管节内外径相同；所述的第一管节与所述的锚固电极尾端采用逆向螺纹连接，所述的第一管节与第二管节、第二管节与第三管节采用顺向螺纹连接。

7.如权利要求6所述的一种地震波和复电导率复合隧道预报检波器装置，其特征在于，所述的套管内侧有卡槽对应锚固电极内的卡槽和卡座。

8.如权利要求1所述的一种地震波和复电导率复合隧道预报检波器装置，其特征在于，所述的传感器杆依次分为第一杆节、第二杆节和第三杆节；所述的第一杆节前端封装有所述的地震波传感器，通过内部地震波缆线与外界信号接收设备相连；所述的传感器杆为方形截面杆，与套管内侧壁的形成的空隙使内部复电导率缆线穿过并伸出至套管外；所述的第三杆节的尾端有带圆孔的端盖，密封传感器杆内部，并使内部地震波缆线能够于圆孔处伸出。

9.如权利要求8所述的一种地震波和复电导率复合隧道预报检波器装置，其特征在于，所述的传感器杆为可伸缩结构。

10.利用权利要求1-9任一所述的检波器装置进行检测的方法，其特征在于，主要包括如下步骤：

1)将套管各组分组合完毕，保证所有螺纹连接紧密且内侧卡槽相互吻合；使内部复电导率缆线于套管内穿过；

2)将拉拔膜套在套管外壁，沾水湿润后挤出套管与薄膜间多余的水分和气泡，保证拉拔膜与套管紧密耦合；

3)在钻孔内侧壁特别是底部放置锚固剂，将套管深入钻孔底部，使锚固剂与套管特别是在锚固电极处充分耦合；

4)展开传感器杆，沿内侧卡槽深入套管底部，直至锚固电极卡座处；

5)将传感器杆、锚固电极分别通过内部地震波缆线、内部复电导率缆线与外界信号接收设备连接完好；

6)进行相应的超前地质预报采集操作；

7)采集完毕后，断开传感器杆、锚固电极与外界信号接收设备的连接；用力拉拔套管，若锚固过于紧密，可顺向旋转抛弃锚固电极，拔出其余套管部分；

8)回收、拆解、清洗并安放好所有装置设备。