本发明专利技术公开了适用于多地球物理探测方法的综合孤石探测模型试验装置及试验方法，包括设于基底岩层上部的孤石埋设区，在孤石埋设区内设置若干处孤石或孤石群，还包括贯穿孤石埋设区至基底岩层底面的多个钻孔，钻孔内设有电极，电极与能施加空间点源电场的主机连接以实现跨孔电阻率CT法的探测；在其中一个钻孔内设有震源，在一个钻孔内设有检波器，检波器与收集信号的所述的地震仪主机连接以实现地震波CT法的探测。本发明专利技术的有益效果是：通过设置的钻孔、素填土表面设置的电极、三角形列阵的观测系统也可以进行系统的多种物理方法探测孤石的试验研究，为解决工程孤石探测难题提供了一个比较理想的探测试验平台。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及孤石探测，特别是涉及适用于多地球物理探测方法的综合孤石探测模型试验装置及试验方法。
技术介绍
在盾构掘进机施工隧道中会经常遭遇孤石或孤石群(球状风化花岗岩体)，未探明的孤石会给盾构施工带来极大安全隐患，不仅严重磨损刀具，降低刀盘的强度和刚度，甚至将刀盘卡死，导致掘进施工异常困难，严重时甚至引发喷涌、塌方等地质灾害，极大地影响了盾构机的掘进效率。在实际工程中发现，孤石在地层中的分布随机性较强，空间分布不规律，但整体上符合“上多下少，上小下大”的规律特性。其中，粒径处于0.5m-2.0m范围内的孤石对盾构施工最为不利，一方面，该粒径范围内的孤石容易随刀盘滚动，不仅使盾构机偏离轴线，而且对地层带来较大扰动，容易诱发地质灾害；另一方面，极易堵塞刀盘和出渣管道，引起出渣困难，导致盾构机长时间的停机检修，延误工期。孤石的存在给盾构施工造成极大影响，然而，由于孤石粒径较小、在地层中分布无规律，对孤石分布、粒径大小和接触关系的精细化探测仍是一大难题，目前尚未得到有效解决。当前在实际工程中尝试了多种地质和地球物理方法手段勘查孤石，如地质钻探、重力勘探、微动剖面法、电阻率CT法、地震波CT法等。地质钻探受场地条件等限制较大，成本较高，且具有“一孔之见”的局限性，通过钻探能揭露到的孤石十分有限。利用重力勘探方法进行孤石探测，只有当孤石粒径较大，引起较大的质量盈余时，才能在探测中有所反映，而对于粒径较小的孤石，重力勘探方法将无法探测到。微动剖面法在交通繁忙、钻探无法实施的地段具有其独特的优势，但探测成像时由于“均衡效应”的影响，难以精确圈定孤石边界，其精度仍需进一步提高。跨孔电阻率CT方法和跨孔地震波CT方法均属于孔中探测方法，它们将探测元件(电极或检波器)置于孔内，更接近探测目标体，在孤石精细化成像方面具有显著优势，但两类方法尚未开展系统的孤石探测试验研究，对孤石的异常响应特征和成像特点尚不十分清楚。因此，开展系统的孤石探测试验研究，总结各类方法中孤石异常的响应和识别特征，提高孤石探测的精度和准确率，是解决当前盾构掘进机施工隧道孤石探测难题的一种有效而迫切的途径综上所述，针对工程中难以识别中小粒径孤石体、对孤石难以准确定位等难题，亟待开展多地球物理手段的综合探测试验研究。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服上述现有技术的不足，解决盾构掘进机施工隧道孤石探测难题、总结各类探测方法中孤石的响应规律和成像特征，提供一种可实现多种地球物理方法探测的大型综合孤石探测模型试验装置，在归纳盾构掘进机施工隧道经常遭遇的几类典型的孤石分布类型的基础上，总结各类探测方法对典型孤石/孤石群的响应规律和成像特征，从而提高实际工程中孤石探测的准确率和可靠性，为解决实际工程孤石探测难题提供一条可行的途径。为了达成上述目的，本专利技术采用如下技术方案：适用于多地球物理探测方法的综合孤石探测模型试验装置，包括设于基底岩层上部的孤石埋设区，在孤石埋设区内设置若干处孤石或孤石群，还包括贯穿孤石埋设区至基底岩层底面的多个钻孔，在孤石埋设区的两侧各竖直设置有补充钻孔试验区；通过该模型试验装置，实现多地球物理探测方法对孤石成像特性或规律的探测，为实际孤石的探测提供指导意见。对该试验装置，可在钻孔内设置电极，电极与能施加空间点源电场的电法仪主机连接以实现二维或三维跨孔电阻率CT法的探测；也可在其中一个钻孔内设置震源，在另一个钻孔内设置检波器，检波器与收集信号的地震仪主机连接以实现地震波CT法的探测。进一步地，所述孤石埋设区包括粒径不等的孤石/孤石群以及包覆孤石或孤石群的围岩土层，围岩土层为粘土。进一步地，在孤石埋设区的上表面设置素填土，在素填土表面可设置多个依次相连的电极，电极通过测线与电法仪主机连接实现高密度电法探测。进一步地，所述钻孔设于孤石或孤石群的两侧成两排，且钻孔呈列设置；为防止塌孔，且确保孔中探测方法的探测元件与围岩良好耦合，提出并设计了一种放置于钻孔中的圆柱格栅套管，所述圆柱格栅套管材料为纤维增强复合材料，其底部封闭，顶部开口，圆柱格栅套管外缠有土工布，布设好电极后，在钻孔中注满水作为耦合材料。进一步地，所述震源为电火花产生装置，电火花产生装置通过线路与控制器连接。进一步地，在补充钻孔试验区内设有与钻孔平行的补充钻孔。进一步地，所述孤石埋设区内在水平方向从一侧到另一侧依次设有单个独立分布的孤石埋设区、少数组合分布的孤石埋设区、孤石群埋设区和自由开挖埋设试验区，在这四个区的两侧各自设有钻孔，保证每个区域均可以实现探测；而且，孤石的埋设符合“上小下大、上多下少”的规律特性。进一步地，在孤石埋设区的上表面上方设有多个中心观测点和多个观测点，形成呈三角形列阵的观测系统，可实现微动剖面法探测孤石。进一步地，自由开挖埋设试验区内事先未埋设孤石，对将来实际工程中所遭遇的特殊的孤石分布类型(非上述三种典型孤石分布类型)，可即时选取合适的材料进行埋设。所述的模型试验装置的试验方法，具体步骤如下：1)二维或三维跨孔电阻率CT法探测方法：利用组合式观测模式获取孔间介质的地电结构信息，将主机采集的信息进行处理，得到钻孔间电阻率分布图；2)地震波CT法探测方法：激发震源，检波器接收地震波信号，并传送至地震仪主机。所述的模型试验装置的试验方法，还包括以下探测方法：3)高密度电法探测方法：通过在素填土上表面布设多个电极，并以测线相连，由电法仪主机收集信号。4)微动剖面法探测方法：设置由多中心测点和多观测点形成的三角形列阵的观测系统，由工程地震仪采集微动数据。本专利技术的工作原理是：适用于多地球物理探测方法的综合孤石探测模型试验装置，通过设置多种不同粒度大小、多种空间位置分布的孤石，按照所述布置，既能够实现多类典型分布的孤石赋存环境的模拟；再通过设置的钻孔、素填土表面设置的电极、三角形列阵的观测系统也可以进行系统的多种物理方法探测孤石的试验研究，为解决工程孤石探测难题提供了一个比较理想的探测试验平台。本专利技术的有益效果是：1>本专利技术提出了适用于多地球物理探测方法的综合孤石探测模型试验装置，孤石材料、粒径、埋设深度和赋存围岩环境完全按照实际工程盾构掘进隧道遭遇的孤石地层环境进行模拟，是1:1比例尺的近似原位试验模型，是目前最为理想的大型综合孤石探测模型试验平台，在解决实际工程孤石探测难题方面具有先导性。2>本专利技术首次提出了盾构掘进机施工隧道遭遇的三种典型的孤石分布类型，即单个独立存在的孤石、本文档来自技高网...
【技术保护点】
适用于多地球物理探测方法的综合孤石探测模型试验装置，其特征在于，包括设于基底岩层上部的孤石埋设区，在孤石埋设区内设置若干处孤石或孤石群，还包括贯穿孤石埋设区至基底岩层底面的多个钻孔，在孤石埋设区的两侧各竖直设置有补充钻孔试验区。
【技术特征摘要】
1.适用于多地球物理探测方法的综合孤石探测模型试验装置，其特征在于，包括设于
基底岩层上部的孤石埋设区，在孤石埋设区内设置若干处孤石或孤石群，还包括贯穿孤石
埋设区至基底岩层底面的多个钻孔，在孤石埋设区的两侧各竖直设置有补充钻孔试验区。
2.如权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于，所述孤石埋设区包括包覆孤石或
孤石群的围岩土层，围岩土层为粘土。
3.如权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于，在孤石埋设区的上表面设置素填
土，在素填土的上表面设置多个依次相连的电极，电极通过测线与电法仪主机连接实现高
密度电法探测。
4.如权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于，所述钻孔设于孤石或孤石群的两
侧成两排，且钻孔呈列设置。
5.如权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于，所述震源为电火花产生装置，电
火花产生装置通过线路与控制器连接。
6.如权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于，在钻孔内设有圆柱格栅套管，圆
柱格栅套管材料为纤维增强复合材料，其底部封闭，顶部开口，圆柱格栅套管外缠有土工
布。
7.如权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于，所述孤石埋设区内在水平方向从
一侧到...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，张欣欣，刘征宇，李术才，范克睿，聂利超，庞永昊，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37
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