一種地下氣體探測的多功能探頭的製作方法

2023-05-20 10:39:16 1

專利名稱：一種地下氣體探測的多功能探頭的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及土木建築、交通工程、環境工程領域，尤其涉及一種探測地下土體中原生或外來有毒有害氣體的新型多功能探頭。
背景技術：
地下空間的開發是21世紀城市可持續發展的重要途徑，地下交通系統(地鐵隧道)、高層建築地下室、地下市政基礎設施、地下公共服務設施、防災與生產儲存設施等各類用途的地下空間已經在眾多大城市中逐步得到開發與利用。由於城市地下施工環境複雜， 特別是大規模線性延展的地下軌道交通系統往往會穿越各種長期受人類活動影響的複雜地層(如廢棄廠礦區)，在建築深基坑、人工挖孔樁等各種類型的深開挖工程中可能會遇到含有大量原生或外來各種有毒有害氣體的土體，主要包括甲烷(CH4)、CO、CO2, H2S等，在突然揭露洩出的情況下，會對施工人員的安全造成威脅，少量吸入會造成頭暈、眼花、噁心、嘔吐等症狀，大量吸入甚至會危害生命，特別是現在由於受到周邊環境控制的嚴格要求，城市地下工程的施工多採用逆作法、淺埋暗挖法、盾構法等施工工法，施工空間往往是相對密閉的，若遇到含大量有毒有害氣體的土層，在未採取任何保護措施的情況下，將加重危害，從而對施工安全提出了更高的要求。目前在我國經濟較發達的沿海沿江城市(諸如上海、南京、杭州、寧波、蘇州)的地鐵工程勘察過程中均發現了地下淺層有害氣體(以沼氣為主)， 如武漢地鐵二號線範漢區間盾構隧道穿越了瓦斯儲氣層、杭州地鐵1號線遇到了淺層儲氣砂層，已成為地鐵等地下工程建設中的一項新的危害，在實際地下工程施工中也出現了大量的此類安全事故。人們對大氣中有毒有害氣體的探測已進行了大量研究，開發了各種氣體採集與過濾裝置，但是對於工程建設涉及到的土層剖面中有毒有害氣體的研究報導很少，主要受到土體中氣體探測手段的制約。通常，在工程勘察階段的工作中往往不包括土層中氣體探測， 大多數情況下，是在施工階段出現了有毒有害氣體造成的安全事故後，才使用各種氣體收集器收集工作空間中的氣體進行室內分析，既延誤預防時機，又不能對後續工程進行指導； 或者在淺層開挖一個土壤剖面，安裝氣體採集探頭，但深度有限，而且擾動嚴重，不能代表土層原位的實際情況，而且受限於時間與經費限制，難以大量布點，無法滿足工程實際的需要。因此，迫切需要研發一種能夠對土體中含有的有毒有害氣體進行快速、有效地進行超前探測的新手段。
發明內容技術問題本實用新型的目的提供一種地下氣體探測的多功能探頭，能有效解決地下工程建設地層中有毒有害氣體的探測及採集難題。技術方案為解決上述技術問題，本實用新型提出一種地下氣體探測的多功能探頭，該探頭包括位於其前端的孔隙水壓力測量模塊，與孔隙水壓力測量模塊相連的電阻率測量模塊；其中，孔隙水壓力測量模塊用於在探頭壓入土體過程中，探測土體中不同深度孔
3隙水壓力的大小及其變化情況；電阻率測量模塊用於測試土壤電阻率的變化；氣體採集附加模塊用於採集土層中的氣體。優選的，所述孔隙水壓力測量模塊包括位於探頭最下端的錐尖，位於錐尖上方且與與錐尖相連的透水孔壓元件，穿過透水孔壓元件且與透水孔壓元件相連的空心鋼立柱， 位於空心鋼立柱上方且與空心鋼立柱相連的孔壓測試傳感器，位於孔壓測試傳感器上方且與孔壓測試傳感器相連的電纜線，第一連接頭，位於透水孔壓元件上方的探頭剛套筒及安裝在剛套筒後端的密封圈；電纜線穿過空心的第一連接頭，第一連接頭與上端的電阻率測量模塊相連。優選的，電阻率測量模塊包括位於其下端的第二連接頭，第二連接頭下方與孔隙水壓力測量模塊相連，位於第二連接頭上方且與第二連接頭相連的絕緣塑料外套，安裝在絕緣塑料外套上的供電電極、接地電極、測量電極第三連接頭，該第三連接頭與上部貫入的鑽杆相連。本發明的地下氣體探測的多功能探頭包括位於其前端的孔隙水壓力測量模塊，與孔隙水壓力測量模塊相連的氣體採集附加模塊；其中，孔隙水壓力測量模塊用於在探頭壓入土體過程中，探測土體中不同深度孔隙水壓力的大小及其變化情況；氣體採集附加模塊用於採集特定深度土層中有毒有害氣體。優選的，所述孔隙水壓力測量模塊包括位於探頭最下端的錐尖，位於錐尖上方且與錐尖相連的透水孔壓元件，穿過透水孔壓元件且與透水孔壓元件相連的空心鋼立柱，位於空心鋼立柱上方且與空心鋼立柱相連的孔壓測試傳感器，位於孔壓測試傳感器上方且與孔壓測試傳感器相連的電纜線，第一連接頭，位於透水孔壓元件上方的探頭剛套筒及安裝在剛套筒後端的密封圈；電纜線穿過空心的第一連接頭，第一連接頭與上端的氣體採集附加模塊相連。優選的，氣體採集附加模塊包括第四連接頭，第四連接頭下方與孔隙水壓力測量模塊相連；位於第四連接頭上方且與第四連接頭連接的氣體捕獲窗口 ；位於氣體捕獲窗口上方且與氣體捕獲窗口相連的氣體儲存腔室，與氣體儲存腔室相連的氣體抽取通道，氣體儲存腔室上下端分別設有止回閥。有益效果本實用新型對地層中含有氣體採用了孔壓、電阻率及採樣的綜合判釋， 可靠性較高，同時由於利用了工程勘察單位普遍擁有的常規靜探機進行現場探測，適應性強，能滿足大規模不同深度剖面測試的要求，不需要事先埋入，操作方便快捷，特別適合於大規模工程場地氣體探測任務。

圖1為多功能探頭整體結構示意圖；圖2為圖1中孔隙水壓力測試模塊結構示意圖；圖3為圖1中電阻率測試模塊結構示意圖；圖4為附加的氣體採集模塊結構示意圖；其中1-孔隙水壓力測量模塊；2-電阻率測量模塊；3-氣體採集附加模塊；4-錐尖； 5-透水孔壓元件；6-空心鋼立柱；7-孔壓測試傳感器；8-鋼套筒；9-電纜線；10-0型密封圈；11-第一連接頭；12-第二連接頭；13-絕緣塑料外套；14-供電電極；15-接地電極；16-測量電極；17-第三連接頭；18-第四連接頭；19-氣體捕獲窗口 ；20-氣體儲存腔室； 21-止回閥；22-氣體抽取通道。
具體實施方式
下面將參照附圖對本實用新型進行說明。以下將結合附圖對發明的構想、具體結構及測試方法、產生的技術效果做進一步說明，以充分地了解本實用新型的目的、特徵和效果。本實用新型提供的地下氣體探測的多功能探頭包括位於其前端的孔隙水壓力測量模塊1，與孔隙水壓力測量模塊1相連的電阻率測量模塊2，可用於替換電阻率測量模塊 2的氣體採集附加模塊3 ；其中，孔隙水壓力測量模塊1用於在探頭壓入土體過程中，探測土體中不同深度孔隙水壓力的大小及其變化情況；電阻率測量模塊2用於測試土壤電阻率的變化；氣體採集附加模塊3用於採集土層中的氣體。所述孔隙水壓力測量模塊1包括位於探頭最下端的錐尖4，位於錐尖4上方且與與錐尖4相連的透水孔壓元件5，穿過透水孔壓元件5且與透水孔壓元件5相連的空心鋼立柱6，位於空心鋼立柱6上方且與空心鋼立柱相連的孔壓測試傳感器7，位於孔壓測試傳感器7上方且與孔壓測試傳感器相連的電纜線9，第一連接頭11，位於透水孔壓元件5上方的探頭剛套筒8及安裝在剛套筒8後端的密封圈10 ；電纜線9穿過空心的第一連接頭11，第一連接頭11與上端的電阻率測量模塊2相連。電阻率測量模塊2包括位於其下端的第二連接頭12，第二連接頭12下方與孔隙水壓力測量模塊1相連，位於第二連接頭12上方且與第二連接頭12相連的絕緣塑料外套 13，安裝在絕緣塑料外套13上的供電電極14、接地電極15、測量電極16，第三連接頭17，該第三連接頭17與上部貫入的鑽杆相連。該探頭包括位於其前端的孔隙水壓力測量模塊1，與孔隙水壓力測量模塊1相連的氣體採集附加模塊3 ；其中，孔隙水壓力測量模塊1用於在探頭壓入土體過程中，探測土體中不同深度孔隙水壓力的大小及其變化情況；氣體採集附加模塊3用於採集特定深度土
層中有毒有害氣體。所述孔隙水壓力測量模塊1包括位於探頭最下端的錐尖4，位於錐尖4上方且與錐尖4相連的透水孔壓元件5，穿過透水孔壓元件5且與透水孔壓元件5相連的空心鋼立柱 6，位於空心鋼立柱6上方且與空心鋼立柱相連的孔壓測試傳感器7，位於孔壓測試傳感器7 上方且與孔壓測試傳感器相連的電纜線9，第一連接頭11，位於透水孔壓元件5上方的探頭剛套筒8及安裝在剛套筒8後端的密封圈10 ；電纜線9穿過空心的第一連接頭11，第一連接頭11與上端的氣體採集附加模塊3相連。氣體採集附加模塊3包括第四連接頭18，第四連接頭18下方與孔隙水壓力測量模塊1相連；位於第四連接頭18上方且與第四連接頭18連接的氣體捕獲窗口 19 ；位於氣體捕獲窗口 19上方且與氣體捕獲窗口 19相連的氣體儲存腔室20，與氣體儲存腔室20相連的氣體抽取通道22，氣體儲存腔室20上下端分別設有止回閥21。本實用新型提供的地下氣體探測的新型多功能探頭，該探頭包括3個功能模塊 孔隙水壓力測試模塊、電阻率測試模塊2和氣體採集附加模塊3。所述的三個模塊對土層中有毒有害氣體的探測原理各不相同，當單獨使用一個模塊時，測試結果可能具有多解性，但三個模塊的有機結合，可實現對地層中有害氣體的綜合判釋，提高探測的可靠性。所述的多功能探頭，可直接用在目前工程勘察單位現有的各種靜力觸探機上，如手推式、履帶式、車載式靜探機等，只要用所發明探頭替代現有探頭接在中空鑽杆上即可， 採用液壓將探頭勻速壓入土層之中，壓入過程中，同步記錄孔隙水壓力、電阻率的變化情況，或者，當根據孔壓及電阻率變化判讀到儲氣層時，可將探頭拔出，換用氣體採集模塊，壓入到預訂深度進行氣體採集。所述的孔隙水壓力測量模塊1，其主要技術特點在於當土層中含大量有害氣體或無氣時，孔隙水壓力表現出不同特徵，或正或負，上升或下降趨勢各異，據此對儲氣層的空間位置進行判斷。所述的電阻率測量模塊2，其主要技術特點在於當土層中固液氣三相組成比例及成分發生變化時，電阻率有較靈敏的反應，特別是含原生甲烷氣體土層或受工業汙染土層有較好反應，據此對儲氣層的空間位置進行判斷，同時根據與室內各種含氣土層電阻率試驗資料的比對，判斷可能的氣體種類。所述的氣體採集附加模塊3，其主要技術特點在於可連接在靜探機鑽杆上，快速貫入至任意採樣深度，而且為原位採樣，能反應土層真實儲氣情況，通過對採集氣體的現場分析或封存送至實驗室分析，對地下土層中氣體的種類及濃度等進行細緻分析。如附圖1-附圖4所示，本實用新型包括孔隙水氣壓力測量試模塊1、電阻率測量模塊2和氣體採集附加模塊3。整個測試系統中的各個裝置進行了模塊化設計，便於根據測試需要進行組合使用。附圖2所示孔隙水壓力模塊1主要包括錐尖4，錐底直徑35. 7mm，錐角60° ；透水孔壓元件5，探頭核心部件之一，直徑與錐底相同，厚度5mm，採用聚丙烯材料，為使孔隙水壓力有較短的反應時間，要求其滲透性在1 5X10_5Cm/S ；空心鋼立柱6，為液體運移通道；孔壓測試傳感器7，額定量程2Mpa，精度士 IkPa ；鋼套筒8，長度133. 7mm ；電纜線9 ；0型密封圈10。當探頭貫入土層之中時，孔隙水壓力將通過透水孔壓元件5及充滿液體的空心鋼立柱6通道傳遞到孔壓測試傳感器7，從而實現對土層中孔隙水壓力的測試。附圖3所示電阻率測試模塊2主要包括絕緣塑料外套13，長約150mm;安裝在絕緣塑料外套13上面的4個銅電極，各電極相互隔開，沿軸向並排設置，分別為供電電極14、 接地電極15和測量電極16。土電阻率是通過測試恆定電流下兩測量電極16間的電壓降， 並根據歐姆定律計算出土電阻率的大小。附圖4所示氣體採集附加模塊3主要包括氣體捕獲窗口 19，氣體儲存腔室20，止回閥21，氣體採集管22。氣體採集是將軟管(厚壁矽膠管)通過中空的鑽杆與氣體採集管 22相連接，軟管的地表端連接一醫用三通，三通一端連接小型吸氣泵，需要採集氣體時，通過採用小型吸氣泵抽氣形成負壓，進而用連接在三通上的放置於地表的氣體收集箱收集氣體，並將氣體用儲氣袋保存，以便於及時將氣體封存送至實驗室分析。具體的土層中有害氣體探測實施方式如下1.對地下工程建設場地進行試驗前的調查工作，根據前期勘察資料、場地歷史應用情況等，初判場地土層是否可能含有原生儲氣層或天然氣管道洩漏等導致的外來氣體， 並圈定調查範圍。2.為確保孔壓測試的可靠性，測試前採用真空抽吸法飽和透水孔壓元件5，飽和液使用蒸餾水或甘油等(推薦使用甘油)，將飽和後的透水孔壓元件5放置於裝滿飽和液的容器之中，現場使用時才取出。現場安裝時，首先用注射器將附圖2中的過水通道空心鋼立柱6充滿飽和液，然後進行透水孔壓元件5安裝。3.組裝孔隙水壓力測量模塊1和電阻率測量模塊2，形成多功能探頭，然後將探頭連接在常規靜探機空心鑽杆上，測試電纜通過鑽杆引出，採用液壓將探頭按2-3cm/s勻速貫入某一預設深度，每貫入lm，停止貫入進行換接杆；在貫入過程中，沿土層深度剖面連續記錄孔隙水壓力及電阻率數據。首先在同一場地正常土層之中進行測試，獲取土層孔壓及電阻率的正常背景值，比便於對含氣土層的判別；然後在第1項中預判的重點區域進行探測。4.根據貫入過程中孔隙水壓力及電阻率變化情況，對土層剖面中可能的儲氣層深度位置進行判斷。一般情況下，在正常砂土層中，孔隙水壓力等於靜水壓力，粘性土層中將產生超孔隙水壓力；當土層中含有大量有害氣體時(如甲烷等)，土層為部分飽和狀態，貫入到該層中時，孔壓將變為負值，當停止貫入進行孔壓消散時，負孔壓將很快變為正值，並持續上升直到與靜水壓力平衡為止。對於含原生沼氣或瓦斯的土層，電阻率值將比正常土層偏低，若含有大量自由氣體，在電極周圍出現「氣穴」現象，也可能導致電阻率偏高很多。 與正常土層的孔壓及電阻率背景值進行對比，對可能的儲氣層進行綜合判斷。5.為判斷含氣土層的空間展布範圍，可以重點區域探測到的含氣孔為中心，按放射狀向外擴大探測，以尋找可能的儲氣土層邊界範圍。6.選擇孔壓及電阻率異常變化顯著的孔，用氣體採集附加模塊3替換電阻率測量模塊2，進行地層剖面有害氣體的採集工作，並封存送至實驗室進行化學分析，對地層含有的氣體進行進一步分析，確定其種類及濃度等，並結合步驟3、4和5的試驗結果，實現對地層中有毒有害氣體的綜合探測。以上所述僅為本實用新型的較佳實施方式，本實用新型的保護範圍並不以上述實施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據本實用新型所揭示內容所作的等效修飾或變化，皆應納入權利要求書中記載的保護範圍內。
權利要求1.一種地下氣體探測的多功能探頭，其特徵在於該探頭包括位於其前端的孔隙水壓力測量模塊(1)，與孔隙水壓力測量模塊(1)相連的電阻率測量模塊(2);其中，孔隙水壓力測量模塊(1)用於在探頭壓入土體過程中，探測土體中不同深度孔隙水壓力的大小及其變化情況；電阻率測量模塊(2)用於測試土壤電阻率的變化；氣體採集附加模塊(3)用於採集土層中的氣體。
2.根據權利要求1所述的地下氣體探測的多功能探頭，其特徵在於，所述孔隙水壓力測量模塊(1)包括位於探頭最下端的錐尖(4)，位於錐尖(4)上方且與與錐尖(4)相連的透水孔壓元件(5)，穿過透水孔壓元件(5)且與透水孔壓元件(5)相連的空心鋼立柱(6)，位於空心鋼立柱(6)上方且與空心鋼立柱相連的孔壓測試傳感器(7)，位於孔壓測試傳感器(7) 上方且與孔壓測試傳感器相連的電纜線(9)，第一連接頭(11)，位於透水孔壓元件(5)上方的探頭剛套筒(8)及安裝在剛套筒(8)後端的密封圈(10)；電纜線(9)穿過空心的第一連接頭(11)，第一連接頭(11)與上端的電阻率測量模塊(2 )相連。
3.根據權利要求1所述的地下氣體探測的多功能探頭，其特徵在於，電阻率測量模塊 (2)包括位於其下端的第二連接頭(12)，第二連接頭(12)下方與孔隙水壓力測量模塊(1) 相連，位於第二連接頭(12)上方且與第二連接頭(12)相連的絕緣塑料外套(13)，安裝在絕緣塑料外套(13)上的供電電極(14)、接地電極(15)、測量電極(16)，第三連接頭(17)，該第三連接頭(17)與上部貫入的鑽杆相連。
4.一種地下氣體探測的多功能探頭，其特徵在於，該探頭包括位於其前端的孔隙水壓力測量模塊(1 )，與孔隙水壓力測量模塊(1)相連的氣體採集附加模塊(3)；其中，孔隙水壓力測量模塊(1)用於在探頭壓入土體過程中，探測土體中不同深度孔隙水壓力的大小及其變化情況；氣體採集附加模塊(3)用於採集特定深度土層中有毒有害氣體。
5.根據權利要求4所述的地下氣體探測的多功能探頭，其特徵在於，所述孔隙水壓力測量模塊(1)包括位於探頭最下端的錐尖(4)，位於錐尖(4)上方且與錐尖(4)相連的透水孔壓元件(5)，穿過透水孔壓元件(5)且與透水孔壓元件(5)相連的空心鋼立柱(6)，位於空心鋼立柱(6)上方且與空心鋼立柱相連的孔壓測試傳感器(7)，位於孔壓測試傳感器(7) 上方且與孔壓測試傳感器相連的電纜線(9)，第一連接頭(11 )，位於透水孔壓元件(5)上方的探頭剛套筒(8)及安裝在剛套筒(8)後端的密封圈(10);電纜線(9)穿過空心的第一連接頭(11)，第一連接頭(11)與上端的氣體採集附加模塊(3)相連。
6.根據權利要求4所述的地下氣體探測的多功能探頭，其特徵在於，氣體採集附加模塊(3)包括第四連接頭(18)，第四連接頭(18)下方與孔隙水壓力測量模塊(1)相連；位於第四連接頭(18)上方且與第四連接頭(18)連接的氣體捕獲窗口(19)；位於氣體捕獲窗口 (19)上方且與氣體捕獲窗口(19)相連的氣體儲存腔室(20)，與氣體儲存腔室(20)相連的氣體抽取通道(22)，氣體儲存腔室(20)上下端分別設有止回閥(21)。
專利摘要本實用新型公開了一種地下氣體探測的多功能探頭，該探頭包括位於其前端的孔隙水壓力測量模塊(1)，與孔隙水壓力測量模塊(1)相連的電阻率測量模塊(2)；其中，孔隙水壓力測量模塊(1)用於在探頭壓入土體過程中，探測土體中不同深度孔隙水壓力的大小及其變化情況；電阻率測量模塊(2)用於測試土壤電阻率的變化；氣體採集附加模塊(3)用於採集土層中的氣體。本實用新型既方便快捷，又不受周圍電磁環境等複雜條件的幹擾，使探測結果可靠準確。
文檔編號E02D1/00GK202208911SQ201120254160
公開日2012年5月2日 申請日期2011年7月19日 優先權日2011年7月19日
發明者劉松玉, 杜廣印, 王強, 童立元 申請人:東南大學