CN111965716A - 一种小范围隐伏土洞垂向探测装置及探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小范围隐伏土洞垂向探测装置及探测方法，所述探测装置包括波发射器和接收器，还包括长形的悬吊构件，悬吊构件的一端连接所述的波发射器，沿所述悬吊构件的长度方向等距离分布有m个接收器，所述波发射器具有环绕所述悬吊构件的长度方向设置的n个发射针，每个发射针长度方向与所述悬吊构件长度方向的共平面定义为一个垂向截面，每个接收器具有环绕所述悬吊构件的长度方向设置的n个接收针，使m个接收器的接收针都分别对应分布于各发射针所在的垂向截面上，每个垂向截面的发射针和对应的m个接收针构成一个发收系列。通过本发明可以获得土洞三维结构、规模和分布的具体情况。

Description

一种小范围隐伏土洞垂向探测装置及探测方法
技术领域
本发明涉及地质的勘测技术，具体涉及一种小范围隐伏土洞的垂向探测装置。
背景技术
岩溶区域最常见的不良地质有溶洞和土洞，溶洞多为岩层内受水流侵蚀形成的空洞、空槽；土洞多发育在覆盖型岩溶区域，为可溶岩层上覆砂或土层中形成的空洞。
根据地质工程经验，土洞发现于土岩交界面以及地下水水位附近的土层当中，较厚的上覆土层以及活跃的地下水活动为土洞提供了发育条件。地下水的潜蚀作用、水位变化造成的真空吸蚀作用以及土体的崩解作用是土洞形成的关键，同时土层性质、地形地貌、构造作用以及人工活动等因素，也对土洞的发育、分布和规模有较大影响。
土洞的工程危害类似溶洞，常常导致地面变形、开裂或塌陷等不良地质的发生，具有时间突发性、分布隐伏性、规模易扩大以及难勘测等特点，对工程建设危害性极大。由于岩溶区域的岩层常作为建筑基础的持力层，受重视程度较高，针对性研究经验丰富，无论是岩溶发育机理、类型分类还是勘测方法，前人的经验总结都十分详尽和丰富。虽然土洞不良地质的工程危害也很大，但其相比溶洞的受重视度不高，研究薄弱，可借鉴资料较少。勘察时存在以下弱点或不足：
一、现有物探方法和设备无法做到对土洞的全方位探测。目前岩溶地区物理探测方法主要有管波法、地震波法和大地电磁法。其中管波法需要孔液，只适用于可溶岩岩层探测，无法探测干洞等地质情况，不适用于土层中的土洞探测；地震波法是目前最常用的物探方法，广泛应用于滑坡、溶洞、断层裂隙等不良地质及岩层界面、土岩界面的探测，但其探测数据主要为层或面，可以探测到土洞存在的深度，但难以进一步探测土洞的规模(即三维分布)；大地电磁法探测采用电磁波传导勘测，具有精度高，误差小，探测范围广的特点，但设备复杂，操作繁琐，探测的成本高昂，明显不适用于小型构造物附近的地质探测。
二、对于部分已有钻孔资料的桩基础或浅基础工程，因为只能探明某一土洞存在的深度，洞的分布方向及具体规模很难探明查清。大部分施工单位只能通过深挖或桩基础施工过程中确定土洞的规模分布，增加了很大的经济成本，还潜在安全风险。
三、无法对探测区域地质状况进行快速三维模拟。目前的土洞或溶洞探测，一般采用垂向的管波探测，或纵向地震波法、大地电磁法进行的二维探测，再进行多条合并的三维模拟，后期解译模拟的不确定因素多，存在模拟失真的缺点，探测的效率也低。
发明内容
本发明的目的之一是提出一种小范围隐伏土洞垂向探测装置，可用于快速采集土洞多个垂向截面的边界数据，通过三维模拟土洞的空间分布，获得土洞的规模数据。
本发明的目的之二是提出一种利用上述探测装置进行小范围隐伏土洞垂向探测的方法。
本发明的第一个目的通过如下技术方案实现：
一种小范围隐伏土洞垂向探测装置，包括波发射器和接收器，还包括长形的悬吊构件，所述悬吊构件的一端连接所述的波发射器，沿所述悬吊构件的长度方向等距离分布有m个接收器，所述波发射器具有环绕所述悬吊构件的长度方向设置的n个发射针，每个发射针长度方向与所述悬吊构件长度方向的共平面定义为一个垂向截面，每个接收器具有环绕所述悬吊构件的长度方向设置的n个接收针，使m个接收器的接收针都分别对应分布于各发射针所在的垂向截面上，每个垂向截面的发射针和对应的m个接收针构成一个发收系列，其中m,n均为正整数；
所述探测装置还包括控制模块和储存模块，所述控制模块用于控制所述波发射器的每个发射针发射探测波，所述储存模块用于储存记录每一个发收系列中发射针的发射时间和对应接收针的接收时间，并储存记录每个接收针接收波的强度及波形。
本发明还具有以下优选设计：
本发明的所述波发射器为圆盘状波发射器，所述接收器为圆盘状接收器。
所述波发射器的各发射针与所述悬吊构件的长度方向相垂直，各发射针最好共面。
所述接收器的各接收针与所述悬吊构件的长度方向相垂直，每个接收器的各接收针最好共面。
所述发射针为可伸缩的发射针，所述接收针为可伸缩的接收针。便于控制发射针和接收针在探测时刺入土层中。
本发明的第二个目的通过以下技术方案实现，
进行小范围隐伏土洞垂向探测的步骤如下：
S1.将探测装置的波发射器朝下伸入垂向的探测孔内；
S2.固定探测装置的悬吊构件，并使波发射器的各发射针和接收器的各接收针刺入所述探测孔周围的土层；
S3.控制所述波发射器的一个发射针发射探测波，获取该发射针同一发收系列中各接收针接收到反射波时相对发射时间的时间间隔，以及各接收针接收到反射波的波形和强度；
S4.重复步骤S3，逐一控制其余发收系列的发射针发射探测波，获取其余发收系列中接收针收到反射波时相对发射时间的时间间隔，以及接收到反射波的波形和强度；
S5.根据步骤S3或S4中获取的每个发收系列中所述时间间隔，以及反射波的波形和强度数据反演模拟，判断发收系列对应的垂向截面上土洞边界与每个接收器的水平距离，得到对应的垂向截面上土洞的一个边界剖面；
S6.得到土洞的多个边界剖面，通过三维模拟获得土洞的三维垂向边界。
所述波发射器的各发射针进行编号，所述接收器及其接收针进行编号，便于对每个发收系列中接收到的时间间隔、反射波波形和强度数据分类记录。
所述探测波为弹性波或电磁波，探测波根据被测区域的介质进行选用。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明根据地震反射波原理，震源发出的弹性波遇到地层界面，特别是土洞、暗河等不良地质界面时，产生反射波，波的传播速度、延迟时间、波形、强度与地质界面的性质密切相关。由发射针和多个接收针构成一个发收系列，该发收系列的测试数据反演模拟可获得土洞的一个边界剖面，通过构建多个发收系列，获得土洞多个边界剖面，模拟出洞的分布方向及具体规模情况。
本发明尤其适用已有钻孔资料的桩基础或浅基础工程的进一步探测，避免深挖施工，降低经济成本，并规避土洞可能带来的安全风险。
本发明的装置简单，施工便捷，可快速采集测试数据。成本低，尤其适用小范围隐伏土洞探测，探测效率高。还可以结合地表地震波物探方法，更好的描述和解译出土洞的三维结构、规模和分布。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明小范围隐伏土洞垂向探测装置在探位于探测孔中的剖面图；
图2是本发明采用的一种波发射器；
图3为本发明采用的一种接收器；
附图标记说明：
1-土层，1a-土洞，2-岩层，3-探测孔，3a-孔壁，4-悬吊构件，5-波发射器，5a-发射针；6-接收器，6a-接收针，7-固定支架，8-传输模块，9-储存模块；10-反射波。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，土层1位于岩层2上方具有土洞1a，本发明的探测装置适用于以探测孔3为中心的小范围土洞探测，探测孔3是探测区域的新钻孔或是深桩基等基础周边的已有钻孔。
如图1至3所示，本发明的一种小范围隐伏土洞垂向探测装置，包括长形的悬吊构件4，悬吊构件4的一端连接波发射器5，沿悬吊构件4的长度方向等距离分布有m个接收器6，波发射器5具有环绕悬吊构件4的长度方向设置的n个发射针5a，每个发射针5a长度方向与悬吊构件4长度方向的共平面定义为一个垂向截面，每个接收器6具有环绕悬吊构件4的长度方向设置的n个接收针6a，使m个接收器6的接收针6a都分别对应分布于各发射针5a所在的垂向截面上，每个垂向截面的发射针5a和对应的m个接收针6a构成一个发收系列，其中m,n均为正整数；
所述探测装置还包括控制模块和储存模块9，二者都通过传输模块8连接发射器5和接收器6，所述控制模块用于控制波发射器5的每个发射针发射探测波，储存模块9用于储存记录每一个发收系列中发射针5a的发射时间和对应接收针6a的接收时间，并储存记录每个接收针6a接收波的强度及波形。
作为优选实施例：
波发射器5为圆盘状波发射器，接收器6也为圆盘状接收器，对应的悬吊构件4为一条悬臂杆，波发射器5和接收器6均套接固定在悬臂杆上，根据实际应用场景，悬臂杆也可替换为悬吊的垂线工具。
其中，波发射器5的各发射针5a与悬吊构件4的长度方向相垂直，各发射针5a共面。
接收器6的各接收针6a与悬吊构件4的长度方向相垂直，每个接收器6的各接收针6a共面。
发射针5a为可伸缩的发射针，接收针6a为可伸缩的接收针。便于控制发射针和接收针在探测时刺入土层中。
本发明进行小范围隐伏土洞垂向探测的步骤如下：
准备工作：将探测区域的探测孔3用清水冲洗，去除孔壁3a上泥浆和碎渣，保证悬吊构件4可以顺利在探测孔3放下，过程中不倾斜不卡碰。然后，
S1.将探测装置的波发射器5朝下伸入垂向的探测孔3内；
S2.固定探测装置的悬吊构件4，并使波发射器5的各发射针5a和接收器6的各接收针6a刺入探测孔3周围的土层，本实施例通过悬吊构件4上端的固定支架7将探测装置固定在土层1上；
S3.控制波发射器5的一个发射针5a发射探测波，获取该发射针5a同一发收系列中各接收针6a接收到反射波10时相对发射时间的时间间隔，以及各接收针接收到反射波10的波形和强度；
S4.重复步骤S3，逐一控制其余发收系列的发射针5a发射探测波，获取其余发收系列中接收针6a收到反射波10时相对发射时间的时间间隔，以及接收到反射波10的波形和强度；
S5.根据步骤S3或S4中获取的每个发收系列中所述时间间隔，以及反射波10的波形和强度数据反演模拟，判断发收系列对应的垂向截面上土洞边界与每个接收器的水平距离，得到对应的垂向截面上土洞的一个边界剖面；该解译模拟过程可以结合钻孔岩芯、地质图或施工资料等其他信息实施人工校正和比对，获得更加准确的地质勘测信息。
S6.得到土洞的多个边界剖面，通过三维模拟获得土洞的三维垂向边界。
所述波发射器的各发射针进行编号，记为N＝1～n，所述接收器及其接收针进行编号，接收器记为M＝1～m，接收针记为MN,便于对每个发收系列中接收到的时间间隔、反射波波形和强度数据分类记录,每个发收系列中对应接收针的接收时间间隔记为TN(MN),波强度记为EN(MN)，每个发收系列对应垂向截面上的土洞的边界剖面记为S1～n。
所述探测波为弹性波或电磁波，探测波根据被测区域的介质进行选用。本实施例中，每个发射针5a的发射间隔可以是5～10S，发射针的数量n≤12。对接收不良的发收系列可以多次进行发射接收，筛选出最优的测试结果。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种小范围隐伏土洞垂向探测装置，包括波发射器和接收器，其特征在于，还包括长形的悬吊构件，所述悬吊构件的一端连接所述的波发射器，沿所述悬吊构件的长度方向等距离分布有m个接收器，所述波发射器具有环绕所述悬吊构件的长度方向设置的n个发射针，每个发射针长度方向与所述悬吊构件长度方向的共平面定义为一个垂向截面，每个接收器具有环绕所述悬吊构件的长度方向设置的n个接收针，使m个接收器的接收针都分别对应分布于各发射针所在的垂向截面上，每个垂向截面的发射针和对应的m个接收针构成一个发收系列，其中m,n均为正整数；
所述探测装置还包括控制模块和储存模块，所述控制模块用于控制所述波发射器的每个发射针发射探测波，所述储存模块用于储存记录每一个发收系列中发射针的发射时间和对应接收针的接收时间，并储存记录每个接收针接收波的强度及波形。
2.如权利要求1所述的小范围隐伏土洞垂向探测装置，其特征在于，所述波发射器为圆盘状波发射器，所述接收器为圆盘状接收器。
3.如权利要求2所述的小范围隐伏土洞垂向探测装置，其特征在于，所述波发射器的各发射针与所述悬吊构件的长度方向相垂直。
4.如权利要求3所述的小范围隐伏土洞垂向探测装置，其特征在于，所述接收器的各接收针与所述悬吊构件的长度方向相垂直。
5.如权利要求1～4任意一项所述的小范围隐伏土洞垂向探测装置，其特征在于，所述发射针为可伸缩的发射针。
6.如权利要求1～4任意一项所述的小范围隐伏土洞垂向探测装置，其特征在于，所述接收针为可伸缩的接收针。
7.一种利用权1～6任意一项探测装置进行小范围隐伏土洞垂向探测的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将探测装置的波发射器朝下伸入垂向的探测孔内；
S2.固定探测装置的悬吊构件，并使波发射器的各发射针和接收器的各接收针刺入所述探测孔周围的土层；
S3.控制所述波发射器的一个发射针发射探测波，获取该发射针同一发收系列中各接收针接收到反射波时相对发射时间的时间间隔，以及各接收针接收到反射波的波形和强度；
S4.重复步骤S3，逐一控制其余发收系列的发射针发射探测波，获取其余发收系列中接收针收到反射波时相对发射时间的时间间隔，以及接收到反射波的波形和强度；
S5.根据步骤S3或S4中获取的每个发收系列中所述时间间隔，以及反射波的波形和强度数据反演模拟，判断发收系列对应的垂向截面上土洞边界与每个接收器的水平距离，得到对应的垂向截面上土洞的一个边界剖面；
S6.得到土洞的多个边界剖面，通过三维模拟获得土洞的三维垂向边界。
8.如权利要求7所述小范围隐伏土洞垂向探测的方法，其特征在于，所述波发射器的各发射针进行编号。
9.如权利要求8所述小范围隐伏土洞垂向探测的方法，其特征在于，所述接收器及其接收针进行编号。
10.如权利要求7所述小范围隐伏土洞垂向探测的方法，其特征在于，所述探测波为弹性波或电磁波。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114200542A (zh) * 2021-12-13 2022-03-18 中铁五局集团有限公司 一种隧道施工用岩溶探测装置及探测方法
CN116753796A (zh) * 2023-05-31 2023-09-15 河北交通职业技术学院 基于开挖部位围岩的爆破参数调整方法

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