基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统与方法，包括组合式测量探头，所述组合式测量探头伸入岩体的钻孔内，所述组合式测量探头后设置有推杆，所述组合式测量探头通过孔口固定装置连接，孔口固定装置设置于钻孔孔口，所述推杆前端设置有深度传感器，深度传感器、组合式测量探头均连接测量主机，通过控制推杆推动组合式测量探头向前移动，进行钻孔内数据的采集与分析。采用机器学习与数据挖掘的方法，分别利用决策树算法、k‑均值聚类算法及Apriori关联算法对孔中摄像及单孔声波数据进行分析，提高的探测预报的自动化程度及准确度。本发明专利技术能极大的缩小孔中摄像及单孔声波探测的工作量，减小探测时间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统与方法。
技术介绍
由于国民经济的快速发展，我国现在已经成为世界上隧道建设规模和难度最大的国家，在未来10年，铁路公路领域将新建隧道上万公里，在60多个重点水电工程和数十个调水工程中将修建数百条深长隧洞，交通网路也会由东部向西部纵深发展，表现出“标准高、线路长、规模大、桥隧比高、深长隧道多”的鲜明特点。有些隧道工程埋深上千米甚至超过2000m，加之断层、溶洞、破碎岩体等不良地质体具有较强的隐蔽性，给地质勘察工作带来巨大困难。由于施工前勘察设计精度的限制和地质条件的复杂性，难以准确查明隧道前方不良地质体的规模、范围和性质。在隧道开挖过程中采用有效的超前地质预报方法，能够保证施工快速、高效与安全的施工，其中地质钻探技术是最为准确的探测方法。现有的超前地质钻探法使用超前地质钻机在隧道断面的若干个部位进行钻探，依据钻孔揭露的岩土结构、构造及水文地质情况判定前方岩体的性质。在工程地质、水文地质、地质找矿、岩土工程等工作中，大都需要通过采取岩芯来获得较准确的地质资料。但若工程区遇到地质状况较复杂情况时，则会难以取得完整岩芯，为解决此类问题，在利用钻孔的基础上，研究者们已研究并开发出了相应的钻孔探测仪。现有的孔中探测技术中，较为成熟的方法主要有孔中电视仪(Borehole televiewer)、钻孔弹模仪(Elasticity modulus of borehole)、钻孔剪切仪(Borehole shear test)、钻孔声波仪(Sonic wave testing in borehole)等。同时，为缩短探测时间以及提高单一钻孔探测效率，一批学者进行了综合测孔仪器的研究。如《一种数字声波和变密度综合测井仪》200920034959.1提出了一种数字声波和变密度综合测井仪,其既可以进行声波时差法测井,又可以对固井质量进行测井；《小口径电磁流量综合测井仪》201310175751.2公开了一种小口径电磁流量综合测井仪，包括井下电磁流量测井仪和地面测控系统等。但在隧洞掌子面前方地质探测时，主要是对掌子面前方岩体的质量情况进行探测，钻孔声波仪与孔中电视仪是隧道中常用且重要的两种方法。中国科学院武汉岩土力学研究所提出了《岩体工程无线遥控综合测孔机器人》，该技术方法可同时完成钻孔摄像和声波测试，采用无线控制机器人进行数据测量，但是由于无线电波在钻孔中的传播距离极为受限，会影响其机器人探测的距离，同时，未进行全孔充水则难以使声波换能器较好的耦合，影响声波探测的结果。除此以外，未见孔中电视与钻孔声波的综合测孔技术。孔中电视成像采用特殊光学成像技术，可对各类水平或垂直的管孔(如：抽心桩钻孔、混凝土浇筑质量检测孔、大坝质量检测孔、大坝裂缝、渗漏检测孔、灌浆孔等)、钻孔壁进行360度全方位观测，还可用于水下建筑物检测。孔中声波的原理是声波在不同介质中传播时，速度、幅度及频率的变化等声学特性也不相同。声波测孔就是利用岩石的这些声学性质来研究钻孔的地质剖面，判断岩体质量的一种测孔方法。若能够将这两种技术方法综合起来，在实际探测工作中能够大大提高探测的精度，缩短探测时间，保障工程施工安全。但是由于孔中电视与钻孔声波探测对探测环境及技术要求的特殊性，直接将两种进行方法进行组合是不现实的，存在多个尚待解决的关键问题。经过对现有的测控仪器进行研究，主要有以下几个问题：(一)目前的孔中摄像仪与单孔声波仪器都为单一的方法，在技术设备上暂未形成一个一体化的综合测孔仪器，在探测过程中若要采用两种方法分别进行测量时会占据大量的时间，影响项目的具体施工；为提高探测效率，并减少探测仪器设备数量，亟需提出一种适用于隧道施工现场环境的综合测孔仪器；(二)由于钻孔声波探测需要用水耦合，在综合测孔中需充水。虽然现有的孔中电视系统全部拟采用密封及抽真空的方式进行探头内部的处理，但随着使用时间的增加，探头内会进入的空气，包含了大量的水蒸气，在探测过程，通常孔中水体的温度要远远低于综合测孔仪器探头内部的气温，造成探头高强度透光玻璃的内表面产生大量雾气，造成探测成像效果差，不能真实的再现孔壁的图像。所以亟需一种能够实时根据需求清理探头透光玻璃雾气的技术方法；(三)目前的单孔声波仪器只包含电缆和一发双收的声波探头，并未对钻孔孔口堵水装置进行设计，这种设备在竖直孔中能够完成探测，但在隧道工程物探工作中，在对掌子面前方岩体情况进行探测时，受现场条件所限，钻孔多为水平孔或与水平方向小角度相交。为保证孔中充满水，则需要封堵孔口，现行方法为安装一个带孔的钢板，采用锚固剂将其封堵，这种方法在注水的过程中，会有大量的水从孔中流出，不能保证孔中的充水饱和程度，影响单孔声波的探测效果。在综合测孔的过程中，孔中需要人工充水，现有技术若直接向孔中注水，会存在以下两个问题：一是对孔中充水情况不能保证，容易造成孔中水并不饱和，对声波探测产生影响，其次是在充水过程中，若水流速度过大，则会导致孔中水体浑浊，影响孔中电视的探测效果。为保证孔中充水效果与控制充水的稳定，亟需提出一种钻孔孔口堵水装置，能够在不同倾角情况下，保证孔中充满水体，同时亟待提出一种能够实时控制孔中水压与充水速度的技术方法，保证孔中水体稳定，不影响孔中电视的成像效果；(四)在进行孔中探测时，不仅需要对孔中数据进行采集，还需要对探头达到的深度进行测量，现有方法采用单滑轮的转速传感器配合人工标记计数，除了采用转速传感器进行数据采集外，同时在电缆或推杆上进行等间距标记，在测量的时候单独安排人员进行计数；采用这种方法，由于受到推杆或电缆作用力的影响：对滑轮作用力过小的时候，无法产生足够的摩擦阻力，滑轮不转动；对滑轮作用力过大的时候，滑轮受压力传递给转轴，转轴之间摩擦力过大也导致滑轮不转动，最终影响到深度测量的准确度。故亟需一种对探头深度进行实时精确测量的设备，同时保证测得的图像与数据的清晰与精确度。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统与方法，本专利技术将孔中电视仪器与单孔声波仪器进行组合，在探头及一号推杆上分区布置温度测量装置、罗盘与温度显示盘、高清全景摄像装置、自调节电动推杆装置、探头控制与数据采集集成装置、双变频换能发射器及其声波接收装置，能够第一时间对孔中的温度参数进行探测与显示，获得探头所在孔中深度的精确数据。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统，包括组合式测量探头，所述组合式测量探头摄入岩体的钻孔内，所述组合式测量探头后设置有推杆，所述组合式测量探头通过孔口固定装置连接，所述孔口固定装置设置于钻孔孔口，所述推杆前端设置有深度传感器，所述深度传感器、组合式测量探头均连接测量主机，通过控制推杆推动组合式测量探头向前移动，进行钻孔内数据的采集与分析。所述组合式测量探头，包括透光壳体，所述透光壳体内前端设置有温度测试器，温度测试器后端设置有罗盘，透光壳体的轴心设置有摄像头，摄像头两侧分别对称固定有一固定臂，固定臂前端设置有接触透光壳体的环向玻璃刷，所述固定臂后端连接电动伸缩杆，摄像头后端设置有微控制器，所述微控制器连接有控制电动伸缩杆的伸缩控制器和换能器，所述换能器包括两个，对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统，其特征是：包括组合式测量探头，所述组合式测量探头摄入岩体的钻孔内，所述组合式测量探头后设置有推杆，所述组合式测量探头通过孔口固定装置连接，所述孔口固定装置设置于钻孔孔口，所述推杆前端设置有深度传感器，所述深度传感器、组合式测量探头均连接测量主机，通过控制推杆推动组合式测量探头向前移动，进行钻孔内数据的采集与分析。

【技术特征摘要】
1.一种基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统，其特征是：包括组合式测量探头，所述组合式测量探头摄入岩体的钻孔内，所述组合式测量探头后设置有推杆，所述组合式测量探头通过孔口固定装置连接，所述孔口固定装置设置于钻孔孔口，所述推杆前端设置有深度传感器，所述深度传感器、组合式测量探头均连接测量主机，通过控制推杆推动组合式测量探头向前移动，进行钻孔内数据的采集与分析。2.如权利要求2所述的一种基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统，其特征是：所述组合式测量探头，包括透光壳体，所述透光壳体内前端设置有温度测试器，温度测试器后端设置有罗盘，透光壳体的轴心设置有摄像头，摄像头两侧分别对称固定有一固定臂，固定臂前端设置有接触透光壳体的环向玻璃刷，所述固定臂后端连接电动伸缩杆，摄像头后端设置有微控制器，所述微控制器连接有控制电动伸缩杆的伸缩控制器和换能器，所述换能器包括两个，对称设置于透光壳体内部。3.如权利要求1所述的基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统，其特征是：所述孔口固定装置，包括孔口固定器，所述孔口固定器后端设置有法兰盘，法兰盘连接有推杆导向装置，所述推杆导向装置上端设置有注水口，下端设置有泄压孔，后端设置有堵头，所述法兰盘前端设置有橡胶垫，法兰盘上预留有若干个螺栓孔，在钻孔周围对应钻打出螺栓孔，将螺栓拧入，将法兰盘与岩体固定死，橡胶垫受压变形，充填在法兰盘与岩壁之间，能够完成密封工作。4.如权利要求3所述的一种基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统，其特征是：所述堵头安装口内活动安装有堵头，所述堵头包括安装卡扣，所述安装卡扣前端设有橡胶环，所述安装卡扣中间设有推杆安装孔；所述橡胶环包括一号阻水橡胶环与二号阻水橡胶环，二号阻水橡胶环位于一号阻水橡胶环内部，固定在安装卡扣上，推杆由外部推进堵头后，两个阻水橡胶环张口方向与推进方向一致，且由于阻水橡胶环带有一定的弹性，能够紧扣在推杆上，保证推杆在推进方向推动时，孔中水不会流出。5.如权利要求1所述的一种基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统，其特征是：所述推杆包括若干节依次连接的小推杆，每两节小推杆之间设置有声波采集器，推杆前端设置有推杆连接口，以和孔口固定装置连接。所述声波采集器包括前置声波采集器与后置声波采集器，二者具有间距，保证对前方换能器发射的声波数据进行采集，并将采集数据通过电缆和控制与数据采集集成装置传递至测量主机处。6.如权利要求1所述的一种基于孔中摄像与单孔声波的工程综合测孔系统，其特征是：所述深度传感器包括外壳，所述外壳与推杆的连接处设置有推杆孔，推杆孔在外壳内的对应位置处对称设置有两个滑轮，两个滑轮套装于不同的连接杆...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，陈磊，李术才，许新骥，宋杰，王瑞睿，李铭，刘征宇，王健，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37