專利名稱：隧道施工隨鉆定向激發(fā)極化實(shí)時(shí)超前探水裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種隧道施工過程中隨鉆定向激發(fā)極化探測(cè)預(yù)報(bào)裝置與方法，具體地說是一種涉及在隧道施工過程中，在工作面鉆桿向前鉆進(jìn)的同時(shí)，在不影響鉆進(jìn)的條件下，采用定向激發(fā)極化探測(cè)系統(tǒng)，對(duì)隧道施工時(shí)工作面前方的含水情況作出實(shí)時(shí)探測(cè)和預(yù)報(bào)的裝置與方法。
背景技術(shù)：
突水突泥災(zāi)害是隧道施工中面臨的主要挑戰(zhàn)和難題，往往造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和生產(chǎn)安全問題。在隧道施工期間，提前探明施工工作面前方的含水情況對(duì)于避免突水突泥災(zāi)害具有重要作用。超前水平鉆探是目前常用的一種超前探水方法，通過在隧道工作面上布置1-3個(gè)鉆孔，進(jìn)行超前鉆探，對(duì)隧道工作面前方的含水情況進(jìn)行探測(cè)。超前水平鉆探是一種直接探水方法，如果鉆孔能夠直接揭露含水地質(zhì)構(gòu)造，則可準(zhǔn)確的探明含水情況；但是如果選取的鉆孔位置不在含水地質(zhì)構(gòu)造的賦存區(qū)域，則無法揭露含水地質(zhì)構(gòu)造，遺漏突水突泥災(zāi)害源，造成誤報(bào)。因此，鉆孔探測(cè)范圍較小，僅能對(duì)鉆孔孔徑內(nèi)含水體情況作出探查，存在“一孔之見”的問題。為了探測(cè)鉆孔周圍巖土體內(nèi)的含水情況，提聞鉆探的探測(cè)范圍，在地面鉆探中人們主要采用孔中地球物理探測(cè)方法，如孔中地震波法、孔中地質(zhì)雷達(dá)法、孔中電阻率法等，取得了較好的效果，為解決隧道工作面超前鉆探的問題提供了借鑒。但是，隧道工作面超前鉆探探水存在著一些較為特殊的問題，使得地面鉆探的輔助地球物理探測(cè)方法無法直接應(yīng)用到隧道中。申請(qǐng)?zhí)?01210182857. O的專利提出的一種超前探水預(yù)報(bào)裝置由于探測(cè)深度低、受金屬質(zhì)鉆桿的干擾和影響比較嚴(yán)重，在實(shí)際應(yīng)用中未得到廣泛推廣。針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出了一種隧道施工定向激發(fā)極化實(shí)時(shí)超前探水裝置與方法。對(duì)于本發(fā)明而言，隧道中的特殊難題具體如下(I)隧道施工工期一般比較緊迫，預(yù)留給鉆探和孔中地球物理探測(cè)時(shí)間非常有限，需要提出一種隨鉆的實(shí)時(shí)探測(cè)裝置與方法；(2)鉆頭和鉆桿均是高強(qiáng)鋼材制作，對(duì)激發(fā)極化探測(cè)干擾非常大，在鉆頭和鉆桿上無法直接安裝激發(fā)極化探測(cè)系統(tǒng)，需要設(shè)計(jì)發(fā)明專用的隨鉆測(cè)量裝置；(3)在單個(gè)鉆孔中激發(fā)極化探測(cè)深度有限，需要提出一種提高探測(cè)深度的探測(cè)形式；(4) 一般地球物理探測(cè)的數(shù)據(jù)處理和解釋的耗時(shí)較長(zhǎng)，而超前鉆探可實(shí)時(shí)給出探測(cè)結(jié)果，為了與超前鉆探同步，需要提出一種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與解釋方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種隧道施工隨鉆定向激發(fā)極化實(shí)時(shí)超前探水裝置與方法，該裝置與方法可對(duì)隧道工作面前方含水體情況作出實(shí)時(shí)連續(xù)預(yù)報(bào)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。一種隧道施工隨鉆定向激發(fā)極化實(shí)時(shí)超前探水裝置，包括鉆頭、高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒和定向激發(fā)極化探測(cè)系統(tǒng)，所述鉆頭通過連接軸承連接高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒，在高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒外周布設(shè)定向激發(fā)極化探測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超前鉆探與激發(fā)極化探測(cè)的同步實(shí)時(shí)進(jìn)行，采集的數(shù)據(jù)通過快速解譯方法，以視電阻率和視極化率為參數(shù)，對(duì)隧道工作面前方含水情況作出實(shí)時(shí)連續(xù)預(yù)報(bào)。所述定向激發(fā)極化探測(cè)系統(tǒng)包括定向供電電極系和觀測(cè)電極系，定向供電電極系包括供電電極、兩個(gè)輔助供電電極和普通金屬電極，觀測(cè)電極系包括兩個(gè)不極化的觀測(cè)電極；所述兩個(gè)輔助供電電極分別固定在供電電極兩側(cè)，普通金屬電極位于隧道內(nèi)；所述觀測(cè)電極系位于供電電極和一個(gè)輔助供電電極之間，定向激發(fā)極化探測(cè)系統(tǒng)的所有電極都通過電纜與現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)相連。所述兩個(gè)輔助供電電極與供電電極的距離相等。所述觀測(cè)電極在供電電極和一個(gè)輔助供電電極之間等間距布設(shè)。在進(jìn)行工作時(shí)，對(duì)輔助供電電極供入與供電電極同等大小的同性電流，在觀測(cè)電極系處進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。一般狀態(tài)下供電電極發(fā)射電流會(huì)向平行鉆探和垂直鉆探方向發(fā)散，導(dǎo)致激發(fā)極化所需探測(cè)方向即垂直鉆探方向上的電流線密度不大，探測(cè)深度受到限制。本發(fā)明中輔助供電電極平行于鉆探方向供電，可定向壓迫供電電極發(fā)射電流向垂直鉆探方向定向集中，實(shí)現(xiàn)電流定向化，增大激發(fā)極化所需探測(cè)方向上的電流強(qiáng)度，增大探測(cè)深度。所述連接軸承后端以卡槽的形式連接高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒。所述高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒，通體采用高強(qiáng)PVC絕緣材料，直徑小于鉆孔直徑，通過連接軸承與鉆頭連接。連接軸承固定在鉆頭上，后端以卡槽形式與高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒連接。定向激發(fā)極化探測(cè)系統(tǒng)布設(shè)在高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒上，在鉆進(jìn)過程中，高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒只隨鉆桿前進(jìn)，但不隨鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)，可保證定向激發(fā)極化探測(cè)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒將金屬鉆桿與定向激發(fā)極化電極隔離開，使得激發(fā)極化探測(cè)不受金屬質(zhì)鉆桿的干擾和影響，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超前鉆探和定向激發(fā)極化探測(cè)的同步實(shí)時(shí)進(jìn)行。定向激發(fā)極化探測(cè)系統(tǒng)中，除普通金屬電極外，其余所有電極都為布設(shè)在高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒上的彈性環(huán)狀滾動(dòng)電極。所述彈性環(huán)狀滾動(dòng)電極，包括彈性薄片與滾珠，彈性環(huán)狀滾動(dòng)電極最外周直徑略大于鉆孔直徑。彈性薄片上設(shè)置凹槽，安放滾珠，可以降低激發(fā)極化探測(cè)系統(tǒng)前進(jìn)時(shí)的摩擦阻力，對(duì)探測(cè)電極起保護(hù)作用。在彈性薄片未壓縮狀態(tài)下，彈性環(huán)狀滾動(dòng)電極最外周直徑略大于鉆孔直徑，電極進(jìn)入鉆孔后，彈性薄片立即發(fā)揮彈性作用，保證電極與巖土體實(shí)現(xiàn)較好的耦合接觸。所設(shè)彈性環(huán)狀滾動(dòng)電極通過電纜實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)的通信。在觀測(cè)電極中，彈性薄片外表面、凹槽及滾珠表面都涂有固體電解質(zhì)，電纜引線設(shè)在固體電解質(zhì)中。定向供電電極系則不需涂抹固體電解質(zhì)，電纜引線直接引自彈性薄片。本發(fā)明還提供了一種隧道施工隨鉆定向激發(fā)極化實(shí)時(shí)超前探水方法，包括如下步驟(I)在進(jìn)行超前水平鉆探的鉆頭上，安裝連接軸承，連接軸承后端連接高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒。(2)在高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒外周布設(shè)定向供電電極系和觀測(cè)電極系，所述定向供電電極系中兩個(gè)輔助供電電極分別固定在供電電極兩側(cè)，普通金屬電極位于隧道內(nèi)；所述觀測(cè)電極系位于供電電極和一個(gè)輔助供電電極之間，定向激發(fā)極化探測(cè)系統(tǒng)的所有電極都通過電纜與現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)相連。(3)進(jìn)行超前水平鉆探，鉆探每前進(jìn)一定深度，即實(shí)施定向激發(fā)極化超前探測(cè)。在不停止鉆進(jìn)的情況下，向供電電極、輔助供電電極供入同等大小的同性電流，與普通金屬電極形成回路，同時(shí)在觀測(cè)電極處采集信號(hào)。(4)現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)對(duì)觀測(cè)電極采集信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)解譯，得到可視化的視電阻率和視極化率探測(cè)結(jié)果。結(jié)合鉆探結(jié)果，對(duì)隧道工作面前方含水體情況作出預(yù)報(bào)。所述隨鉆實(shí)時(shí)探測(cè)解譯方法是將現(xiàn)場(chǎng)所采集信號(hào)進(jìn)行快速實(shí)時(shí)解譯，得到探測(cè)范圍可視化的視電阻率和視極化率視電阻率低，視極化率高時(shí)，探測(cè)的巖土體含水性強(qiáng)；視電阻率高，視極化率低，探測(cè)的巖土體含水性弱。結(jié)合超前鉆探結(jié)果，對(duì)隧道工作面前方含水體情況作出預(yù)報(bào)。本發(fā)明的有益效果1.本發(fā)明將超前鉆探與定向激發(fā)極化超前探測(cè)結(jié)合起來，定向激發(fā)極化探測(cè)在鉆孔內(nèi)進(jìn)行，避開了施工環(huán)境的干擾，探測(cè)效果更好，提高了超前鉆孔的利用效率。定向超前激發(fā)極化超前探測(cè)可以隨鉆進(jìn)過程實(shí)時(shí)進(jìn)行，探測(cè)過程中不需要抽出鉆桿，甚至不需要停止鉆進(jìn)，提高了對(duì)隧道工作面前方含水體進(jìn)行超前預(yù)報(bào)的工作效率。2.本發(fā)明使用高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒，使隨鉆進(jìn)過程的定向激發(fā)極化超前探測(cè)與超前鉆探分離，高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒以連接軸承與鉆頭連接，在鉆進(jìn)過程中，高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒只向前移動(dòng)而不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，兩種方法同時(shí)進(jìn)行，但具體操作實(shí)施完全分離，真正實(shí)現(xiàn)隨鉆定向激發(fā)極化實(shí)時(shí)超前探水。3.本發(fā)明采用定向激發(fā)極化超前探測(cè)，設(shè)置了平行于鉆進(jìn)方向的定向供電電極系，供電電極與輔助供電電極同時(shí)供入同等大小的同性電流，使電流集中于垂直鉆進(jìn)方向，實(shí)現(xiàn)電流定向化，突破孔壁處低阻，擴(kuò)大了探測(cè)范圍，有效的解決了超前鉆探“一孔之見”的問題。定向激發(fā)極化探測(cè)系統(tǒng)使用彈性環(huán)狀滾動(dòng)電極，滾珠可以降低電極前進(jìn)過程中的摩擦力，起到保護(hù)電極的作用，彈性薄片可保證電極與巖土體實(shí)現(xiàn)較好的耦合接觸。4.本發(fā)明對(duì)定向激發(fā)極化超前探測(cè)所采集信號(hào)進(jìn)行快速實(shí)時(shí)解譯，根據(jù)視極化率和視電阻率等參數(shù)，結(jié)合超前鉆探結(jié)果，對(duì)隧道工作面前方含水體作出實(shí)時(shí)連續(xù)的超前預(yù)報(bào)。


圖1是本發(fā)明的安裝結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明鉆頭和高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明彈性環(huán)狀滾動(dòng)電極立體結(jié)構(gòu)圖。圖5是本發(fā)明極化的彈性環(huán)狀滾動(dòng)電極截面圖。圖6是本發(fā)明不極化的彈性環(huán)狀滾動(dòng)電極截面圖。圖7是本發(fā)明探測(cè)方法流程圖。圖8是本發(fā)明實(shí)施例中某隧道的視電阻率與視極化率數(shù)據(jù)圖。圖中1.鉆頭，2.連接軸承，3.高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒，4.彈性環(huán)狀滾動(dòng)電極，5.彈性薄片，6.滾珠，7.固體電解質(zhì)，8.電纜。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。以某隧道為例，隧道斷面為拱形，跨度12m高10m，隧道施工進(jìn)行到里程YK15+533附近，前方可能存在含水體。為了探明前方地質(zhì)情況，為施工提供依據(jù)和指導(dǎo)，采用隨鉆定向?qū)崟r(shí)超前探水預(yù)報(bào)方法進(jìn)行探測(cè)，方法流程圖如圖7所示。(I)在進(jìn)行超前水平鉆探的鉆頭I上，安裝連接軸承2，連接軸承2后端以卡槽的形式連接高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒3，如圖3所示。(2)在高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒3外周布設(shè)彈性環(huán)狀滾動(dòng)電極4，其中有供電電極A，位于高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒3的中間位置，輔助供電電極A1、輔助供電電極A2，分別設(shè)在高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒3的兩端處，且與供電電極A距離相等，不極化的觀測(cè)電極M、不極化的觀測(cè)電極N在供電電極A、輔助供電電極A1之間等間距布設(shè)。普通金屬電極B布設(shè)于隧道內(nèi)無窮遠(yuǎn)處。所有電極都通過電纜8與現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)相連；如圖1和圖2所示。(3)進(jìn)行超前水平鉆探，鉆探每前進(jìn)一定深度，即實(shí)施定向激發(fā)極化超前探測(cè)。在不停止鉆進(jìn)的情況下，向供電電極A、輔助供電電極A1、輔助供電電極A2供入同等大小的同性電流，與普通金屬電極B形成回路，同時(shí)在觀測(cè)電極M、觀測(cè)電極N處采集信號(hào)。(4)現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)對(duì)觀測(cè)電極M、觀測(cè)電極N采集信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)解譯，得到可視化的視電阻率和視極化率探測(cè)結(jié)果視電阻率低，視極化率高時(shí)，探測(cè)的巖土體含水性強(qiáng)；視電阻率高，視極化率低，探測(cè)的巖土體含水性弱。結(jié)合鉆探結(jié)果，對(duì)隧道工作面前方含水體情況作出預(yù)報(bào)。圖8是本實(shí)施例中某隧道的視電阻率與視極化率數(shù)據(jù)圖，其中545m-548m處的含水性強(qiáng)。所述彈性環(huán)狀滾動(dòng)電極4，由彈性薄片5與滾珠6構(gòu)成，彈性環(huán)狀滾動(dòng)電極4的直徑大于鉆孔直徑，彈性薄片4上設(shè)置凹槽，安放滾珠6，如圖4-圖6所示。在觀測(cè)電極M和觀測(cè)電極N中，彈性薄片5外表面、凹槽及滾珠6表面都涂有固體電解質(zhì)7，電纜引線設(shè)在固體電解質(zhì)7中。上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種隧道施工隨鉆定向激發(fā)極化實(shí)時(shí)超前探水裝置，其特征是，包括鉆頭、高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒和定向激發(fā)極化探測(cè)系統(tǒng)，所述鉆頭通過連接軸承連接高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒，在高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒外周布設(shè)定向激發(fā)極化探測(cè)系統(tǒng)；所述定向激發(fā)極化探測(cè)系統(tǒng)包括定向供電電極系和觀測(cè)電極系，定向供電電極系包括供電電極、兩個(gè)輔助供電電極和普通金屬電極，觀測(cè)電極系包括兩個(gè)不極化的觀測(cè)電極；所述兩個(gè)輔助供電電極分別固定在供電電極兩側(cè)，普通金屬電極位于隧道內(nèi)；所述觀測(cè)電極系位于供電電極和一個(gè)輔助供電電極之間，定向激發(fā)極化探測(cè)系統(tǒng)通過電纜與現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)相連。
2.如權(quán)利要求1所述的隧道施工隨鉆定向激發(fā)極化實(shí)時(shí)超前探水裝置，其特征是，所述兩個(gè)輔助供電電極與供電電極的距離相等。
3.如權(quán)利要求1所述的隧道施工隨鉆定向激發(fā)極化實(shí)時(shí)超前探水裝置，其特征是，所述觀測(cè)電極在供電電極和一個(gè)輔助供電電極之間等間距布設(shè)。
4.如權(quán)利要求1所述的隧道施工隨鉆定向激發(fā)極化實(shí)時(shí)超前探水裝置，其特征是，所述連接軸承后端以卡槽的形式連接高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒。
5.如權(quán)利要求1所述的隧道施工隨鉆定向激發(fā)極化實(shí)時(shí)超前探水裝置，其特征是，所述高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒，采用高強(qiáng)PVC絕緣材料，直徑小于鉆孔直徑。
6.如權(quán)利要求1所述的隧道施工隨鉆定向激發(fā)極化實(shí)時(shí)超前探水裝置，其特征是，所述定向激發(fā)極化探測(cè)系統(tǒng)中，除普通金屬電極外，均為布設(shè)在高強(qiáng)絕緣套筒上的彈性環(huán)狀滾動(dòng)電極；所述彈性環(huán)狀滾動(dòng)電極，包括彈性薄片與滾珠，彈性環(huán)狀滾動(dòng)電極的直徑大于鉆孔直徑；彈性薄片上設(shè)置凹槽，安放滾珠。
7.如權(quán)利要求6所述的隧道施工隨鉆定向激發(fā)極化實(shí)時(shí)超前探水裝置，其特征是，所述觀測(cè)電極，彈性薄片外表 面、凹槽及滾珠表面都涂有固體電解質(zhì)，固體電解質(zhì)中設(shè)有電纜引線。
8.—種隧道施工隨鉆定向激發(fā)極化實(shí)時(shí)超前探水方法，其特征是，包括如下步驟: (1)在進(jìn)行超前水平鉆探的鉆頭上，安裝連接軸承，連接軸承后端連接高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒； (2)在高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒外周布設(shè)定向供電電極系和觀測(cè)電極系，所述定向供電電極系中兩個(gè)輔助供電電極分別固定在供電電極兩側(cè)，普通金屬電極位于隧道內(nèi)；所述觀測(cè)電極系位于供電電極和一個(gè)輔助供電電極之間，定向激發(fā)極化探測(cè)系統(tǒng)的所有電極都通過電纜與現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)相連； (3)進(jìn)行超前水平鉆探，鉆探每前進(jìn)一定深度，即實(shí)施定向激發(fā)極化超前探測(cè)。在不停止鉆進(jìn)的情況下，向供電電極、輔助供電電極供入同等大小的同性電流，與普通金屬電極形成回路，同時(shí)在觀測(cè)電極處采集信號(hào)； (4)現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)對(duì)觀測(cè)電極采集信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)解譯，得到可視化的視電阻率和視極化率探測(cè)結(jié)果；結(jié)合鉆探結(jié)果，對(duì)隧道工作面前方含水體情況作出預(yù)報(bào)。
9.如權(quán)利要求8所述的隧道施工隨鉆定向激發(fā)極化實(shí)時(shí)超前探水方法，其特征是，所述兩個(gè)輔助供電電極與供電電極的距離相等。
10.如權(quán)利要求8所述的隧道施工隨鉆定向激發(fā)極化實(shí)時(shí)超前探水方法，其特征是，所述觀測(cè)電極在供電電極和一個(gè)輔助供電電極之間等間距布設(shè)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種隧道施工隨鉆定向激發(fā)極化實(shí)時(shí)超前探水裝置，包括鉆頭、高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒和定向激發(fā)極化探測(cè)系統(tǒng)，所述鉆頭通過連接軸承連接高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒，在高強(qiáng)絕緣隨鉆套筒外周布設(shè)定向激發(fā)極化探測(cè)系統(tǒng)。本發(fā)明還提供了一種相應(yīng)的隧道施工隨鉆定向激發(fā)極化實(shí)時(shí)超前探水方法。本發(fā)明避開了施工環(huán)境的干擾，探測(cè)效果更好，提高了超前鉆孔的利用效率。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)電流定向化，突破孔壁處低阻，擴(kuò)大了探測(cè)范圍。本發(fā)明還保護(hù)了電極，保證電極與巖土體較好的耦合接觸。
文檔編號(hào)G01V3/02GK103076636SQ201210583138
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2012年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月26日
發(fā)明者李術(shù)才, 劉斌, 王傳武, 聶利超, 宋杰, 劉征宇, 孫懷鳳, 許新驥, 徐磊, 郝亭宇, 周浩 申請(qǐng)人:山東大學(xué)