一種鉆孔超聲波反射三維探測裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及應用地球物理學的鉆孔超聲波反射探測技術領域，尤其是涉及一種鉆孔超聲波反射三維探測裝置及方法。
【背景技術】
[0002]隨著國家高速公路、鐵路、房屋建設的發(fā)展，基粧施工越來越多，在施工過程中，判明粧端3倍粧徑不小于5米深度范圍內(nèi)，基粧底是否隱伏溶洞、溶溝、溶槽等不良地質特征，進而決定是否澆灌基粧，防止可能出現(xiàn)的工程險情、確保合理的施工措施，降低粧基施工風險，促使粧基施工技術更趨科學合理，具有重要的現(xiàn)實意義。
[0003]在灰?guī)r地區(qū)，盡管場地進行過詳細勘察，但由于巖基面起伏變化大，溶洞、裂隙發(fā)育程度不一，粧基設計過程中或進入粧基施工階段，需要確定具體的某根粧，粧端、粧側是否隱伏溶洞。在粧基施工階段，由于場地狹小，地表人工成孔較多，現(xiàn)場遍布的電纜、水管等鐵器機具干擾源，使得對粧端灰?guī)r溶洞的探測可選用的工程物探方法很少。以前有采用過地震反射波法、視電阻率測深法、雷達方法等，但其結果不盡人意，現(xiàn)在主要還是采用超前鉆探方法。超前鉆探法是最常見、最傳統(tǒng)的方法，在灰?guī)r地區(qū)巖溶現(xiàn)象發(fā)育，地下存在土洞、溶洞、軟弱夾層等不良地質體，根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范，在施工階段當采用大直徑嵌巖粧時，應對粧位進行專門的粧基勘察，一般采用一粧一孔的超前鉆探方式進行勘察，若采用一粧多孔進行勘察，不僅勘察成本高、工期長，同樣也難以完全查明整個粧位的巖溶發(fā)育情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種探測速度快、探測結果準確、探測費用低的鉆孔超聲波反射三維探測裝置及方法。
[0005]本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn):
[0006]—種鉆孔超聲波反射三維探測裝置，包括設置在鉆孔外的現(xiàn)場主機和設置在鉆孔內(nèi)的鉆孔超聲波探測探頭，所述鉆孔超聲波探測探頭包括超聲波驅動模塊、超聲波發(fā)射器、超聲波接收傳感器、超聲波信號處理模塊、單片機和三維電子羅盤，所述三維電子羅盤的信號輸出端連接單片機的羅盤信號輸入端，所述超聲波驅動模塊的信號輸入端連接單片機的超聲波信號輸出端，所述超聲波驅動模塊的超聲波驅動信號輸出端連接超聲波發(fā)射器，所述超聲波接收傳感器通過超聲波信號處理模塊連接單片機的超聲波信號輸入端，所述單片機的通信端通過通信電纜連接現(xiàn)場主機。
[0007]所述現(xiàn)場主機包括系統(tǒng)總線、中央處理器、存儲器、人機交互設備和USB通信接口，所述中央處理器、存儲器、人機交互設備、USB通信接口均與系統(tǒng)總線連接。
[0008]所述探測裝置還包括用于托住通信電纜的孔口支架，該孔口支架架設于鉆孔開口處。
[0009]所述探測裝置還包括設置在鉆孔外的深度計數(shù)滑輪，該深度計數(shù)滑輪通過深度計數(shù)器電纜與USB通信接口連接。
[0010]所述超聲波接收傳感器和超聲波信號處理模塊均設有多個，每個所述超聲波接收傳感器均通過對應的超聲波信號處理模塊連接單片機的超聲波信號輸入端，多個所述超聲波接收傳感器沿鉆孔超聲波探測探頭的邊沿均勻布置。
[0011]多個所述超聲波接收傳感器中，一個超聲波接收傳感器的接收方向與三維電子羅盤的指北方向一致，其余超聲波接收傳感器依次設置。
[0012]—種利用上述鉆孔超聲波反射三維探測裝置的鉆孔周圍探測方法，包括如下步驟:
[0013]步驟1:鉆孔中注水，鉆孔超聲波探測探頭浸泡于水中；
[0014]步驟2:鉆孔超聲波探測探頭到達一探測點，現(xiàn)場主機通過鉆孔超聲波探測探頭獲取當前探測點的探測數(shù)據(jù)，具體為:
[0015]步驟201:現(xiàn)場主機通過通信電纜向鉆孔超聲波探測探頭發(fā)送超聲波控制指令；
[0016]步驟202:單片機根據(jù)超聲波控制指令向超聲波驅動模塊發(fā)送超聲波控制信號，超聲波驅動模塊根據(jù)超聲波控制信號控制超聲波發(fā)射器向鉆孔周圍發(fā)射超聲波；
[0017]步驟203:每個超聲波接收傳感器接收到一個所述超聲波的反射信號，每個超聲波信號處理模塊對相應的超聲波的反射信號進行處理，得到當前探測點的一組處理后的超聲波的反射信號，發(fā)送給單片機；
[0018]步驟204:同時，三維電子羅盤感應每個超聲波接收傳感器此時的方向，形成當前探測點的一組方向數(shù)據(jù)，并傳輸給單片機；
[0019]步驟205:單片機將接收到的一組處理后的超聲波的反射信號和對應的一組方向數(shù)據(jù)，即探測數(shù)據(jù)，傳輸給現(xiàn)場主機；
[0020]步驟3:下降或提升鉆孔超聲波探測探頭至另一探測點，重復步驟2，現(xiàn)場主機獲取另一探測點的探測數(shù)據(jù)；
[0021]步驟4:重復步驟3，直到要探測的鉆孔探測完成；
[0022]步驟5:現(xiàn)場主機利用獲取的所有探測數(shù)據(jù)根據(jù)超聲波反射成像法得到鉆孔各個探測方向的超聲波反射探測剖面圖；
[0023]步驟6:根據(jù)所述超聲波反射探測剖面圖判斷鉆孔周圍半徑3m以內(nèi)各個方向區(qū)域是否存在溶洞、結構面或軟弱夾層。
[0024]步驟202中，所述超聲波的功率范圍為3kW?8kW，頻率范圍為20000?30000Hz。
[0025]步驟203中，所述超聲波信號處理模塊對超聲波的反射信號進行的處理包括依次執(zhí)行的放大處理、濾波處理和模數(shù)轉換處理。
[0026]所述步驟2還包括:
[0027]現(xiàn)場主機通過深度計數(shù)滑輪接收并記錄鉆孔超聲波探測探頭所在探測點的深度數(shù)據(jù)。
[0028]本發(fā)明可以實現(xiàn)鉆孔周圍溶洞、結構面、軟弱夾層的探測，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0029](1)本發(fā)明將鉆孔超聲波探測探頭放置于鉆孔中，可實現(xiàn)鉆孔周圍各個方向的溶洞和軟弱巖層的探測，它適用于所有鉆孔勘察施工方式，探測速度快、探測結果準確，沒有人為因素影響，不會耽誤施工進度。
[0030](2)本發(fā)明實現(xiàn)了鉆孔周圍的全方向面積探測，不會出現(xiàn)鉆孔探測的局限性和耽誤施工進度問題，不會出現(xiàn)只有人工挖孔粧才能進行雷達和地震法的全面探測的問題，為粧基施工質量安全提供更好的保障。
[0031](3)本發(fā)明將現(xiàn)場主機設置于鉆孔外，通過通信電纜連接現(xiàn)場主機和鉆孔超聲波探測探頭，且現(xiàn)場主機設置有人機交互設備，可以實現(xiàn)現(xiàn)場主機探測時實時直觀的顯示探測結果，并生成探測分析成果圖，無需復雜的人工數(shù)據(jù)分析和處理階段。因此，本發(fā)明的裝置具備可操作性、準確性、實用性等優(yōu)點。
[0032](4)本發(fā)明得到的測量結果相比傳統(tǒng)的鉆孔溶洞探測方式得到的結果，具有更高的準確性，不會遺漏粧底的任何死角，并且設置有三維電子羅盤，可以判定溶洞存在于鉆孔周圍的哪一個方向。
[0033](5)本發(fā)明將超前鉆探法與鉆孔超聲波反射法三維探測方法結合，能達到精度高、異常明顯、分辨能力強、工期短、探測費用低等效果。
[0034](6)本發(fā)明將多個超聲波接收傳感器沿鉆孔超聲波探測探頭的邊沿均勻布置，且其中一個超聲波接收傳感器的接收方向與三維電子羅盤的指北方向一致，其余依次排列，這樣不僅可方便確認各超聲波接收傳感器的方向，也能提高探測結果的準確性。
[0035](7)本發(fā)明還設置有深度計數(shù)滑輪，可記錄并處理鉆孔超聲波探測探頭所在探測點的深度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集全面，進一步提高探測準確性。
【附圖說明】
[0036]圖1為本發(fā)明的結構示意圖；
[0037]圖2為本發(fā)明現(xiàn)場主機的結構框圖；
[0038]圖3為本發(fā)明鉆孔超聲波探測探頭的結構框圖；
[0039]圖4為本發(fā)明超聲波接收傳感器在鉆孔超聲波探測探頭中的分布圖；
[0040]圖5為本發(fā)明的鉆孔溶洞探測法的示意圖。
[0041]圖中，1一現(xiàn)場主機、1.1一系統(tǒng)總線、1.2一中央處理器、1.3一存儲器、1.4一人機交互設備、1.5一USB通彳目接口、2—鉆孔超聲波探測探頭、2.1 一超聲波驅動模塊、2.2一二維電子羅盤、2.3—超聲波發(fā)射器、2.4—超聲波接收傳感器、2.5—超聲波信號處理模塊、2.6一單片機、3—通彳目電纜、4一深度計數(shù)滑輪、5—鉆孔、6—孔口支架、7—水層、8—深度計數(shù)器電纜、9 一溶洞。
【具體實施方式】
[0042]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。本實施例以本發(fā)明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0043]本實施例提供一種鉆孔超聲波反射三維探測裝置，其探測原理為:鉆孔周圍的溶洞和軟弱巖層與鉆孔周圍的巖體形成一個變化明顯的界面，這個界面主要表現(xiàn)在巖石或土的密度對超聲波波速的影響，因此，這個界面對超聲波的傳遞會產(chǎn)生較強的反射回波，當超聲波發(fā)射探頭在鉆孔周圍的水中發(fā)射超聲波時，超聲波由鉆孔周圍的巖體向四周傳播，在傳播過程中若遇到溶洞或軟弱巖體時會產(chǎn)生反射回波，回波會被超聲波接收傳感器接收，根據(jù)接收的回波信號就可以很好地探測鉆孔周圍是否存在溶洞或軟弱巖層。
[0044]如圖1所示，本實施例的探測裝置包括設置在鉆孔5外的現(xiàn)場主機1、深度計數(shù)滑輪4和設置在鉆孔5內(nèi)的鉆孔超聲波探測探頭2，鉆孔超聲波探測探頭2通過通信電纜3與現(xiàn)場主機1連接，深度計數(shù)滑輪4通過深度計數(shù)器電纜8與現(xiàn)場主機1連接，鉆孔5開口處設有孔口支架6，用于托住通信電纜3。該探測裝置的
[0045]如圖2所示，現(xiàn)場主機1包括系統(tǒng)總線1.1、中央處理器1.2、存儲器1.3、人機交互設備1.4和USB (Universal Serial Bus，通用串行總線)通信接口 1.5，中央處理器1.2、存儲器1.3、人機交互設備1.4、USB通信接口 1.5均與系統(tǒng)總線1.1連接，USB通信接口 1.5與深度計數(shù)滑輪4連接，用于實現(xiàn)現(xiàn)場主機1與外圍設備之間的數(shù)據(jù)通信。人機交互設備1.4包括觸摸屏、顯示屏和光電旋鈕(相當于電腦鼠標)。
[0046]如圖3所