專利名稱：隧道施工隨鉆定向激發極化實時超前探水裝置與方法
技術領域：
本發明涉及一種隧道施工過程中隨鉆定向激發極化探測預報裝置與方法，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的同時，在不影響鉆進的條件下，采用定向激發極化探測系統，對隧道施工時工作面前方的含水情況作出實時探測和預報的裝置與方法。
背景技術：
突水突泥災害是隧道施工中面臨的主要挑戰和難題，往往造成嚴重的經濟損失和生產安全問題。在隧道施工期間，提前探明施工工作面前方的含水情況對于避免突水突泥災害具有重要作用。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個鉆孔，進行超前鉆探，對隧道工作面前方的含水情況進行探測。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構造，則可準確的探明含水情況；但是如果選取的鉆孔位置不在含水地質構造的賦存區域，則無法揭露含水地質構造，遺漏突水突泥災害源，造成誤報。因此，鉆孔探測范圍較小，僅能對鉆孔孔徑內含水體情況作出探查，存在“一孔之見”的問題。為了探測鉆孔周圍巖土體內的含水情況，提聞鉆探的探測范圍，在地面鉆探中人們主要采用孔中地球物理探測方法，如孔中地震波法、孔中地質雷達法、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方法無法直接應用到隧道中。申請號201210182857. O的專利提出的一種超前探水預報裝置由于探測深度低、受金屬質鉆桿的干擾和影響比較嚴重，在實際應用中未得到廣泛推廣。針對上述問題，本發明提出了一種隧道施工定向激發極化實時超前探水裝置與方法。對于本發明而言，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，預留給鉆探和孔中地球物理探測時間非常有限，需要提出一種隨鉆的實時探測裝置與方法；(2)鉆頭和鉆桿均是高強鋼材制作，對激發極化探測干擾非常大，在鉆頭和鉆桿上無法直接安裝激發極化探測系統，需要設計發明專用的隨鉆測量裝置；(3)在單個鉆孔中激發極化探測深度有限，需要提出一種提高探測深度的探測形式；(4) 一般地球物理探測的數據處理和解釋的耗時較長，而超前鉆探可實時給出探測結果，為了與超前鉆探同步，需要提出一種實時數據處理與解釋方法。
發明內容
本發明的目的是為了克服上述現有技術的不足，提供一種隧道施工隨鉆定向激發極化實時超前探水裝置與方法，該裝置與方法可對隧道工作面前方含水體情況作出實時連續預報。為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案。一種隧道施工隨鉆定向激發極化實時超前探水裝置，包括鉆頭、高強絕緣隨鉆套筒和定向激發極化探測系統，所述鉆頭通過連接軸承連接高強絕緣隨鉆套筒，在高強絕緣隨鉆套筒外周布設定向激發極化探測系統，實現超前鉆探與激發極化探測的同步實時進行，采集的數據通過快速解譯方法，以視電阻率和視極化率為參數，對隧道工作面前方含水情況作出實時連續預報。所述定向激發極化探測系統包括定向供電電極系和觀測電極系，定向供電電極系包括供電電極、兩個輔助供電電極和普通金屬電極，觀測電極系包括兩個不極化的觀測電極；所述兩個輔助供電電極分別固定在供電電極兩側，普通金屬電極位于隧道內；所述觀測電極系位于供電電極和一個輔助供電電極之間，定向激發極化探測系統的所有電極都通過電纜與現場主機相連。所述兩個輔助供電電極與供電電極的距離相等。所述觀測電極在供電電極和一個輔助供電電極之間等間距布設。在進行工作時，對輔助供電電極供入與供電電極同等大小的同性電流，在觀測電極系處進行數據采集。一般狀態下供電電極發射電流會向平行鉆探和垂直鉆探方向發散，導致激發極化所需探測方向即垂直鉆探方向上的電流線密度不大，探測深度受到限制。本發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射電流向垂直鉆探方向定向集中，實現電流定向化，增大激發極化所需探測方向上的電流強度，增大探測深度。所述連接軸承后端以卡槽的形式連接高強絕緣隨鉆套筒。所述高強絕緣隨鉆套筒，通體采用高強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絕緣隨鉆套筒連接。定向激發極化探測系統布設在高強絕緣隨鉆套筒上，在鉆進過程中，高強絕緣隨鉆套筒只隨鉆桿前進，但不隨鉆桿轉動，可保證定向激發極化探測系統安全穩定運行。高強絕緣隨鉆套筒將金屬鉆桿與定向激發極化電極隔離開，使得激發極化探測不受金屬質鉆桿的干擾和影響，同時實現了超前鉆探和定向激發極化探測的同步實時進行。定向激發極化探測系統中，除普通金屬電極外，其余所有電極都為布設在高強絕緣隨鉆套筒上的彈性環狀滾動電極。所述彈性環狀滾動電極，包括彈性薄片與滾珠，彈性環狀滾動電極最外周直徑略大于鉆孔直徑。彈性薄片上設置凹槽，安放滾珠，可以降低激發極化探測系統前進時的摩擦阻力，對探測電極起保護作用。在彈性薄片未壓縮狀態下，彈性環狀滾動電極最外周直徑略大于鉆孔直徑，電極進入鉆孔后，彈性薄片立即發揮彈性作用，保證電極與巖土體實現較好的耦合接觸。所設彈性環狀滾動電極通過電纜實現與現場主機的通信。在觀測電極中，彈性薄片外表面、凹槽及滾珠表面都涂有固體電解質，電纜引線設在固體電解質中。定向供電電極系則不需涂抹固體電解質，電纜引線直接引自彈性薄片。本發明還提供了一種隧道施工隨鉆定向激發極化實時超前探水方法，包括如下步驟(I)在進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絕緣隨鉆套筒。(2)在高強絕緣隨鉆套筒外周布設定向供電電極系和觀測電極系，所述定向供電電極系中兩個輔助供電電極分別固定在供電電極兩側，普通金屬電極位于隧道內；所述觀測電極系位于供電電極和一個輔助供電電極之間，定向激發極化探測系統的所有電極都通過電纜與現場主機相連。(3)進行超前水平鉆探，鉆探每前進一定深度，即實施定向激發極化超前探測。在不停止鉆進的情況下，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，同時在觀測電極處采集信號。(4)現場主機對觀測電極采集信號進行實時探測解譯，得到可視化的視電阻率和視極化率探測結果。結合鉆探結果，對隧道工作面前方含水體情況作出預報。所述隨鉆實時探測解譯方法是將現場所采集信號進行快速實時解譯，得到探測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，探測的巖土體含水性強；視電阻率高，視極化率低，探測的巖土體含水性弱。結合超前鉆探結果，對隧道工作面前方含水體情況作出預報。本發明的有益效果1.本發明將超前鉆探與定向激發極化超前探測結合起來，定向激發極化探測在鉆孔內進行，避開了施工環境的干擾，探測效果更好，提高了超前鉆孔的利用效率。定向超前激發極化超前探測可以隨鉆進過程實時進行，探測過程中不需要抽出鉆桿，甚至不需要停止鉆進，提高了對隧道工作面前方含水體進行超前預報的工作效率。2.本發明使用高強絕緣隨鉆套筒，使隨鉆進過程的定向激發極化超前探測與超前鉆探分離，高強絕緣隨鉆套筒以連接軸承與鉆頭連接，在鉆進過程中，高強絕緣隨鉆套筒只向前移動而不發生轉動，兩種方法同時進行，但具體操作實施完全分離，真正實現隨鉆定向激發極化實時超前探水。3.本發明采用定向激發極化超前探測，設置了平行于鉆進方向的定向供電電極系，供電電極與輔助供電電極同時供入同等大小的同性電流，使電流集中于垂直鉆進方向，實現電流定向化，突破孔壁處低阻，擴大了探測范圍，有效的解決了超前鉆探“一孔之見”的問題。定向激發極化探測系統使用彈性環狀滾動電極，滾珠可以降低電極前進過程中的摩擦力，起到保護電極的作用，彈性薄片可保證電極與巖土體實現較好的耦合接觸。4.本發明對定向激發極化超前探測所采集信號進行快速實時解譯，根據視極化率和視電阻率等參數，結合超前鉆探結果，對隧道工作面前方含水體作出實時連續的超前預報。
圖1是本發明的安裝結構示意圖。圖2是本發明的結構示意圖。圖3是本發明鉆頭和高強絕緣隨鉆套筒的結構示意圖。圖4是本發明彈性環狀滾動電極立體結構圖。圖5是本發明極化的彈性環狀滾動電極截面圖。圖6是本發明不極化的彈性環狀滾動電極截面圖。圖7是本發明探測方法流程圖。圖8是本發明實施例中某隧道的視電阻率與視極化率數據圖。圖中1.鉆頭，2.連接軸承，3.高強絕緣隨鉆套筒，4.彈性環狀滾動電極，5.彈性薄片，6.滾珠，7.固體電解質，8.電纜。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。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。為了探明前方地質情況，為施工提供依據和指導，采用隨鉆定向實時超前探水預報方法進行探測，方法流程圖如圖7所示。(I)在進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絕緣隨鉆套筒3，如圖3所示。(2)在高強絕緣隨鉆套筒3外周布設彈性環狀滾動電極4，其中有供電電極A，位于高強絕緣隨鉆套筒3的中間位置，輔助供電電極A1、輔助供電電極A2，分別設在高強絕緣隨鉆套筒3的兩端處，且與供電電極A距離相等，不極化的觀測電極M、不極化的觀測電極N在供電電極A、輔助供電電極A1之間等間距布設。普通金屬電極B布設于隧道內無窮遠處。所有電極都通過電纜8與現場主機相連；如圖1和圖2所示。(3)進行超前水平鉆探，鉆探每前進一定深度，即實施定向激發極化超前探測。在不停止鉆進的情況下，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，同時在觀測電極M、觀測電極N處采集信號。(4)現場主機對觀測電極M、觀測電極N采集信號進行實時探測解譯，得到可視化的視電阻率和視極化率探測結果視電阻率低，視極化率高時，探測的巖土體含水性強；視電阻率高，視極化率低，探測的巖土體含水性弱。結合鉆探結果，對隧道工作面前方含水體情況作出預報。圖8是本實施例中某隧道的視電阻率與視極化率數據圖，其中545m-548m處的含水性強。所述彈性環狀滾動電極4，由彈性薄片5與滾珠6構成，彈性環狀滾動電極4的直徑大于鉆孔直徑，彈性薄片4上設置凹槽，安放滾珠6，如圖4-圖6所示。在觀測電極M和觀測電極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7，電纜引線設在固體電解質7中。上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式
進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。
權利要求
1.一種隧道施工隨鉆定向激發極化實時超前探水裝置，其特征是，包括鉆頭、高強絕緣隨鉆套筒和定向激發極化探測系統，所述鉆頭通過連接軸承連接高強絕緣隨鉆套筒，在高強絕緣隨鉆套筒外周布設定向激發極化探測系統；所述定向激發極化探測系統包括定向供電電極系和觀測電極系，定向供電電極系包括供電電極、兩個輔助供電電極和普通金屬電極，觀測電極系包括兩個不極化的觀測電極；所述兩個輔助供電電極分別固定在供電電極兩側，普通金屬電極位于隧道內；所述觀測電極系位于供電電極和一個輔助供電電極之間，定向激發極化探測系統通過電纜與現場主機相連。
2.如權利要求1所述的隧道施工隨鉆定向激發極化實時超前探水裝置，其特征是，所述兩個輔助供電電極與供電電極的距離相等。
3.如權利要求1所述的隧道施工隨鉆定向激發極化實時超前探水裝置，其特征是，所述觀測電極在供電電極和一個輔助供電電極之間等間距布設。
4.如權利要求1所述的隧道施工隨鉆定向激發極化實時超前探水裝置，其特征是，所述連接軸承后端以卡槽的形式連接高強絕緣隨鉆套筒。
5.如權利要求1所述的隧道施工隨鉆定向激發極化實時超前探水裝置，其特征是，所述高強絕緣隨鉆套筒，采用高強PVC絕緣材料，直徑小于鉆孔直徑。
6.如權利要求1所述的隧道施工隨鉆定向激發極化實時超前探水裝置，其特征是，所述定向激發極化探測系統中，除普通金屬電極外，均為布設在高強絕緣套筒上的彈性環狀滾動電極；所述彈性環狀滾動電極，包括彈性薄片與滾珠，彈性環狀滾動電極的直徑大于鉆孔直徑；彈性薄片上設置凹槽，安放滾珠。
7.如權利要求6所述的隧道施工隨鉆定向激發極化實時超前探水裝置，其特征是，所述觀測電極，彈性薄片外表 面、凹槽及滾珠表面都涂有固體電解質，固體電解質中設有電纜引線。
8.—種隧道施工隨鉆定向激發極化實時超前探水方法，其特征是，包括如下步驟: (1)在進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絕緣隨鉆套筒； (2)在高強絕緣隨鉆套筒外周布設定向供電電極系和觀測電極系，所述定向供電電極系中兩個輔助供電電極分別固定在供電電極兩側，普通金屬電極位于隧道內；所述觀測電極系位于供電電極和一個輔助供電電極之間，定向激發極化探測系統的所有電極都通過電纜與現場主機相連； (3)進行超前水平鉆探，鉆探每前進一定深度，即實施定向激發極化超前探測。在不停止鉆進的情況下，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，同時在觀測電極處采集信號； (4)現場主機對觀測電極采集信號進行實時探測解譯，得到可視化的視電阻率和視極化率探測結果；結合鉆探結果，對隧道工作面前方含水體情況作出預報。
9.如權利要求8所述的隧道施工隨鉆定向激發極化實時超前探水方法，其特征是，所述兩個輔助供電電極與供電電極的距離相等。
10.如權利要求8所述的隧道施工隨鉆定向激發極化實時超前探水方法，其特征是，所述觀測電極在供電電極和一個輔助供電電極之間等間距布設。
全文摘要
本發明公開了一種隧道施工隨鉆定向激發極化實時超前探水裝置，包括鉆頭、高強絕緣隨鉆套筒和定向激發極化探測系統，所述鉆頭通過連接軸承連接高強絕緣隨鉆套筒，在高強絕緣隨鉆套筒外周布設定向激發極化探測系統。本發明還提供了一種相應的隧道施工隨鉆定向激發極化實時超前探水方法。本發明避開了施工環境的干擾，探測效果更好，提高了超前鉆孔的利用效率。本發明實現電流定向化，突破孔壁處低阻，擴大了探測范圍。本發明還保護了電極，保證電極與巖土體較好的耦合接觸。
文檔編號G01V3/02GK103076636SQ201210583138
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月26日 優先權日2012年12月26日
發明者李術才, 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 申請人:山東大學