一种钻孔超声波反射三维探测装置及方法技术领域
本发明涉及应用地球物理学的钻孔超声波反射探测技术领域，尤其是涉及一
种钻孔超声波反射三维探测装置及方法。
背景技术
随着国家高速公路、铁路、房屋建设的发展，基桩施工越来越多，在施工过程
中，判明桩端3倍桩径不小于5米深度范围内，基桩底是否隐伏溶洞、溶沟、溶槽
等不良地质特征，进而决定是否浇灌基桩，防止可能出现的工程险情、确保合理的
施工措施，降低桩基施工风险，促使桩基施工技术更趋科学合理，具有重要的现实
意义。
在灰岩地区，尽管场地进行过详细勘察，但由于岩基面起伏变化大，溶洞、裂
隙发育程度不一，桩基设计过程中或进入桩基施工阶段，需要确定具体的某根桩，
桩端、桩侧是否隐伏溶洞。在桩基施工阶段，由于场地狭小，地表人工成孔较多，
现场遍布的电缆、水管等铁器机具干扰源，使得对桩端灰岩溶洞的探测可选用的工
程物探方法很少。以前有采用过地震反射波法、视电阻率测深法、雷达方法等，但
其结果不尽人意，现在主要还是采用超前钻探方法。超前钻探法是最常见、最传统
的方法，在灰岩地区岩溶现象发育，地下存在土洞、溶洞、软弱夹层等不良地质体，
根据现有规范，在施工阶段当采用大直径嵌岩桩时，应对桩位进行专门的桩基勘察，
一般采用一桩一孔的超前钻探方式进行勘察，若采用一桩多孔进行勘察，不仅勘察
成本高、工期长，同样也难以完全查明整个桩位的岩溶发育情况。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种探测速度
快、探测结果准确、探测费用低的钻孔超声波反射三维探测装置及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种钻孔超声波反射三维探测装置，包括设置在钻孔外的现场主机和设置在钻
孔内的钻孔超声波探测探头，所述钻孔超声波探测探头包括超声波驱动模块、超声
波发射器、超声波接收传感器、超声波信号处理模块、单片机和三维电子罗盘，所
述三维电子罗盘的信号输出端连接单片机的罗盘信号输入端，所述超声波驱动模块
的信号输入端连接单片机的超声波信号输出端，所述超声波驱动模块的超声波驱动
信号输出端连接超声波发射器，所述超声波接收传感器通过超声波信号处理模块连
接单片机的超声波信号输入端，所述单片机的通信端通过通信电缆连接现场主机。
所述现场主机包括系统总线、中央处理器、存储器、人机交互设备和USB通
信接口，所述中央处理器、存储器、人机交互设备、USB通信接口均与系统总线
连接。
所述探测装置还包括用于托住通信电缆的孔口支架，该孔口支架架设于钻孔开
口处。
所述探测装置还包括设置在钻孔外的深度计数滑轮，该深度计数滑轮通过深度
计数器电缆与USB通信接口连接。
所述超声波接收传感器和超声波信号处理模块均设有多个，每个所述超声波接
收传感器均通过对应的超声波信号处理模块连接单片机的超声波信号输入端，多个
所述超声波接收传感器沿钻孔超声波探测探头的边沿均匀布置。
多个所述超声波接收传感器中，一个超声波接收传感器的接收方向与三维电子
罗盘的指北方向一致，其余超声波接收传感器依次设置。
一种利用上述钻孔超声波反射三维探测装置的钻孔周围探测方法，包括如下步
骤：
步骤1：钻孔中注水，钻孔超声波探测探头浸泡于水中；
步骤2：钻孔超声波探测探头到达一探测点，现场主机通过钻孔超声波探测探
头获取当前探测点的探测数据，具体为：
步骤201：现场主机通过通信电缆向钻孔超声波探测探头发送超声波控制指
令；
步骤202：单片机根据超声波控制指令向超声波驱动模块发送超声波控制信
号，超声波驱动模块根据超声波控制信号控制超声波发射器向钻孔周围发射超声
波；
步骤203：每个超声波接收传感器接收到一个所述超声波的反射信号，每个超
声波信号处理模块对相应的超声波的反射信号进行处理，得到当前探测点的一组处
理后的超声波的反射信号，发送给单片机；
步骤204：同时，三维电子罗盘感应每个超声波接收传感器此时的方向，形成
当前探测点的一组方向数据，并传输给单片机；
步骤205：单片机将接收到的一组处理后的超声波的反射信号和对应的一组方
向数据，即探测数据，传输给现场主机；
步骤3：下降或提升钻孔超声波探测探头至另一探测点，重复步骤2，现场主
机获取另一探测点的探测数据；
步骤4：重复步骤3，直到要探测的钻孔探测完成；
步骤5：现场主机利用获取的所有探测数据根据超声波反射成像法得到钻孔各
个探测方向的超声波反射探测剖面图；
步骤6：根据所述超声波反射探测剖面图判断钻孔周围半径3m以内各个方向
区域是否存在溶洞、结构面或软弱夹层。
步骤202中，所述超声波的功率范围为3kW～8kW，频率范围为
20000～30000Hz。
步骤203中，所述超声波信号处理模块对超声波的反射信号进行的处理包括依
次执行的放大处理、滤波处理和模数转换处理。
所述步骤2还包括：
现场主机通过深度计数滑轮接收并记录钻孔超声波探测探头所在探测点的深
度数据。
本发明可以实现钻孔周围溶洞、结构面、软弱夹层的探测，与现有技术相比，
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明将钻孔超声波探测探头放置于钻孔中，可实现钻孔周围各个方向
的溶洞和软弱岩层的探测，它适用于所有钻孔勘察施工方式，探测速度快、探测结
果准确，没有人为因素影响，不会耽误施工进度。
(2)本发明实现了钻孔周围的全方向面积探测，不会出现钻孔探测的局限性
和耽误施工进度问题，不会出现只有人工挖孔桩才能进行雷达和地震法的全面探测
的问题，为桩基施工质量安全提供更好的保障。
(3)本发明将现场主机设置于钻孔外，通过通信电缆连接现场主机和钻孔超
声波探测探头，且现场主机设置有人机交互设备，可以实现现场主机探测时实时直
观的显示探测结果，并生成探测分析成果图，无需复杂的人工数据分析和处理阶段。
因此，本发明的装置具备可操作性、准确性、实用性等优点。
(4)本发明得到的测量结果相比传统的钻孔溶洞探测方式得到的结果，具有
更高的准确性，不会遗漏桩底的任何死角，并且设置有三维电子罗盘，可以判定溶
洞存在于钻孔周围的哪一个方向。
(5)本发明将超前钻探法与钻孔超声波反射法三维探测方法结合，能达到精
度高、异常明显、分辨能力强、工期短、探测费用低等效果。
(6)本发明将多个超声波接收传感器沿钻孔超声波探测探头的边沿均匀布置，
且其中一个超声波接收传感器的接收方向与三维电子罗盘的指北方向一致，其余依
次排列，这样不仅可方便确认各超声波接收传感器的方向，也能提高探测结果的准
确性。
(7)本发明还设置有深度计数滑轮，可记录并处理钻孔超声波探测探头所在
探测点的深度数据，数据采集全面，进一步提高探测准确性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明现场主机的结构框图；
图3为本发明钻孔超声波探测探头的结构框图；
图4为本发明超声波接收传感器在钻孔超声波探测探头中的分布图；
图5为本发明的钻孔溶洞探测法的示意图。
图中，1—现场主机、1.1—系统总线、1.2—中央处理器、1.3—存储器、1.4—
人机交互设备、1.5—USB通信接口、2—钻孔超声波探测探头、2.1—超声波驱动
模块、2.2—三维电子罗盘、2.3—超声波发射器、2.4—超声波接收传感器、2.5—超
声波信号处理模块、2.6—单片机、3—通信电缆、4—深度计数滑轮、5—钻孔、6
—孔口支架、7—水层、8—深度计数器电缆、9—溶洞。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方
案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范
围不限于下述的实施例。
本实施例提供一种钻孔超声波反射三维探测装置，其探测原理为：钻孔周围的
溶洞和软弱岩层与钻孔周围的岩体形成一个变化明显的界面，这个界面主要表现在
岩石或土的密度对超声波波速的影响，因此，这个界面对超声波的传递会产生较强
的反射回波，当超声波发射探头在钻孔周围的水中发射超声波时，超声波由钻孔周
围的岩体向四周传播，在传播过程中若遇到溶洞或软弱岩体时会产生反射回波，回
波会被超声波接收传感器接收，根据接收的回波信号就可以很好地探测钻孔周围是
否存在溶洞或软弱岩层。
如图1所示，本实施例的探测装置包括设置在钻孔5外的现场主机1、深度计
数滑轮4和设置在钻孔5内的钻孔超声波探测探头2，钻孔超声波探测探头2通过
通信电缆3与现场主机1连接，深度计数滑轮4通过深度计数器电缆8与现场主机
1连接，钻孔5开口处设有孔口支架6，用于托住通信电缆3。该探测装置的
如图2所示，现场主机1包括系统总线1.1、中央处理器1.2、存储器1.3、人
机交互设备1.4和USB(UniversalSerialBus，通用串行总线)通信接口1.5，中央
处理器1.2、存储器1.3、人机交互设备1.4、USB通信接口1.5均与系统总线1.1
连接，USB通信接口1.5与深度计数滑轮4连接，用于实现现场主机1与外围设备
之间的数据通信。人机交互设备1.4包括触摸屏、显示屏和光电旋钮(相当于电脑
鼠标)。
如图3所示，钻孔超声波探测探头2包括超声波驱动模块2.1、超声波发射器
2.3、超声波接收传感器2.4、超声波信号处理模块2.5、单片机2.6和三维电子罗盘
2.2，三维电子罗盘2.2的信号输出端连接单片机2.6的罗盘信号输入端，超声波驱
动模块2.1的信号输入端连接单片机2.6的超声波信号输出端，超声波驱动模块2.1
的超声波驱动信号输出端连接超声波发射器2.3，超声波接收传感器2.4通过超声
波信号处理模块2.5连接单片机2.6的超声波信号输入端，单片机2.6的通信端通
过通信电缆3连接现场主机1的中央处理器1.2。
超声波接收传感器2.4和超声波信号处理模块2.5均设有N个，N可为4～8，
每个超声波接收传感器2.4均通过对应的超声波信号处理模块2.5连接单片机2.6
的超声波信号输入端，多个超声波接收传感器2.4沿钻孔超声波探测探头2的边沿
均匀布置，如图4所示。N个超声波接收传感器2.4中，一个超声波接收传感器2.4
的接收方向与三维电子罗盘2.2的指北方向一致，其余超声波接收传感器2.4依次
设置，可以唯一确定各超声波接收传感器2.4的方向。钻孔超声探测探头2内的超
声波发射器2.3向钻孔周围发射超声波、各个方向的超声波接收传感器2.4同时接
收超声波信号，这样就可以确定各方向的超声反射探测信息。
利用上述钻孔超声波反射三维探测装置的钻孔周围探测方法，包括如下步骤：
步骤1：在钻孔5中注满水7或注满到需要探测的孔段以上，确保要探测的钻
孔5中要探测的孔段有水7，此时，钻孔三维探测探头2浸泡在上述水7中，如图
5所示，水是超声波最好的耦合剂，用水可以使探头发射的超声波通过水向钻孔周
转围岩传递，同时反射回来的钻孔周围的超声波通过水传递到接收传感器中，被接
收传感器接收，图5中，9为溶洞；
步骤2：钻孔超声波探测探头2到达一探测点，现场主机1通过钻孔超声波探
测探头2获取当前探测点的探测数据，具体为：
步骤201：现场主机1通过通信电缆3向钻孔超声波探测探头2发送超声波控
制指令；
步骤202：单片机2.6根据超声波控制指令向超声波驱动模块2.1发送超声波
控制信号，超声波驱动模块2.1根据超声波控制信号控制超声波发射器2.3向钻孔
5周围发射功率范围为3kW～8kW，频率范围为20000～30000Hz的超声波；
步骤203：每个超声波接收传感器2.4接收到一个超声波的反射信号，每个超
声波信号处理模块2.5对相应的超声波的反射信号依次进行放大处理、滤波处理和
模数转换处理，得到当前探测点的一组处理后的超声波的反射信号，发送给单片机
2.6；
步骤204：同时，三维电子罗盘2.2感应每个超声波接收传感器2.4此时的方
向，形成当前探测点的一组方向数据，并传输给单片机2.6；
步骤205：单片机2.6将接收到的一组处理后的超声波的反射信号和对应的一
组方向数据，即探测数据，传输给现场主机1；
步骤3：将钻孔超声波探测探头2从上往下或从下往上，下降或提升5～10cm，
钻孔超声波探测探头2至另一探测点，重复步骤2，现场主机1获取另一探测点的
探测数据；
步骤4：重复步骤3，直到要探测的钻孔5探测完成；
步骤5：现场主机1利用获取的所有探测数据根据现有的超声波反射成像法得
到钻孔5各个探测方向的超声波反射探测剖面图；
步骤6：根据超声波反射探测剖面图进行现有的超声波反射法分析(参考文献
《地震勘探原理和方法》P304页，地质出版社，1986年)确定钻孔5周围半径3m
以内各个方向区域是否存在溶洞或软弱岩体，实现钻孔5的三维精细探测。
上述技术方案的步骤2还包括：现场主机1的USB通信口1.5通过深度计数
器电缆8接收深度计数滑轮4采集的钻孔超声波探测探头2所在探测点的深度数
据，并由中央处理器1.2同处理记录该探测点的深度值。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。