[发明专利]能对钻孔工具定位的无槽地下钻孔系统

说明书

发明领域

一般地说，本发明涉及无槽地下钻孔领域，更具体地说，涉及获取地下钻孔工具位置数据的系统和方法，用来根据定位数据控制地下钻孔工具和获得工具钻孔时穿过的地下介质的特性。

发明背景

由于安全和美观的原因，水、电、气、电话以及有线电视的公用线路常常是从地下通过。在许多场合，地下公用设施可以埋入沟槽中，然后再把沟槽回填。虽然在新建筑地区把设施埋入沟槽中是有用的，但这有一些缺点。在支持已存在建筑物的地区，沟槽会对结构和道路造成严重的扰动。再有，极其可能由挖沟槽损坏先前埋入的设施，而且那些受挖沟扰动的结构和道路很少能恢复到它们原来的状态。再有，沟槽会对工人和过路人带来造成伤害的危险。

为了克服上述缺点以及其它在采用传统挖沟技术时没有解决的问题，近来已经发展了钻水平地下孔的通用技术。根据这种通用水平钻孔技术〔也称作微隧道挖掘(microtunnelling)或无槽地下钻孔〕，钻孔系统设在地表面上，并以相对于地面倾斜的角度向地下钻孔。为了移走切削碎屑和碴土，水流经钻杆柱流过钻孔工具再从钻孔返回地面。在钻孔工具达到预期深度后，于是工具被定向沿着基本水平的路径以产生一水平钻孔。在得到预期钻孔长度之后，工具被定向为向上穿过地面。然后一扩孔钻被固定在钻杆柱上，钻杆柱被通过钻孔拉回，从而把钻孔扩大到较大的直径。通常把公用线或导管附着在扩孔工具上，从而使它和扩孔钻一起被拖拉穿过钻孔。

这种无槽钻孔的通用方法已由Geller等人(美国专利4,787,463)和Dunn(美国专利4,953,638)描述过。对地下钻孔工具导向的方法在这些专利中已被公开。为了提供钻孔工具在地下的位置，Geller披露：引入一无线电发射器形式的主动信标(active beacon)置于钻孔工具内。使用一位于地面的接收器通过无线电测向(radio direction finding)确定工具的位置。然而，由于信标和检测器之间无同步，故不能直接测量工具的深度，因而钻孔工具位置的测量被限制在二维表面平面。然而，可以通过测量钻孔工具处的水压间接地确定钻孔工具的深度，但这一过程需要停止钻孔操作。再有，在现有技术中描述的无线电测向技术在确定钻孔工具位置方面的精度有限。当在含有一些已存在的地下设施或其他天然或人为障碍物的地区进行无槽地下钻孔时，这些局限性会造成严重的后果，因为在这种情况中必须精确地确定钻孔工具的位置，以避免偶然地扰动或损坏设施。

使用可穿透地下雷达(ground penetrating radar，GPR)完成沿预定无槽钻孔路线的勘察，这种应用已由Kathage(第四届地下穿透雷达国际会议文集，芬兰地质调查局，专题论文16，“一种挑战：水平钻孔面前的GPR”，第119-124页，1992年6月)和Geunther等人(第五届地下穿透雷达国际会议文集，三卷中的第三卷，“利用GPR为微隧道工程进行钻孔障碍物的地球物理调查”，第1151-1165页，1994年6月)，他们指出了利用GPR确定被勘察的地下某些地质特性和把勘察结果存储在数据库中所具有的若干优点。然而，在这些出版物中描述的在勘察过程中得到的GPR图象信息只在有限范围内应用，例如把这些图象信息添加到勘察数据库中或用于对勘察数据库进行一些有限的操作。

地下穿透雷达在检测地下介电常数的甚至很小的变化方面是一项敏感的技术。结果，由GPR系统产生的图象包含大量的细节，其中大量的是对手头任务而言不想要的或不必要的。所以，在使用GPR对钻孔工具定位方面的主要困难，是在现有技术中不能正确地区分钻孔工具信号和由其他特征产生的所有信号，这些信号共同被称作杂乱信号(clutter)。此外，取决于钻孔工具的深度和中间地下介质的传播特性，来自钻孔工具的信号相对此杂乱信号会特别弱。其结果是，钻孔工具信号或者被错误地解释或者甚至未被检测到。

最理想的是利用一种设备(例如GPR系统)在三维空间对地下钻孔工具定位，而且其精度高于当今技术状况所能得到的精度。然而，由于上述理由，尚没有一种无槽钻孔系统能提供地下钻孔工具的高精度位置。

发明概要