CN101368843A

CN101368843A - 岩层振动测试装置及方法

Info

Publication number: CN101368843A
Application number: CNA2008102004162A
Authority: CN
Inventors: 叶冠林; 张璐璐; 王建华
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2009-02-18

Abstract

一种建筑工程技术领域的岩石振动测试装置及方法，所述装置包括：传感器、软管、导线、爪形卡箍、连接卡箍、保护金属套管。传感器和导线通过传感器上的导线接口连接，软管套在传感器外，保护金属套管套在导线外，软管与保护金属套管通过连接卡箍相连，软管通过外套的爪形卡箍和水泥浆固定于岩石钻孔中，导线末端与自动数据采集装置相连。本发明不需要担心在爆破开挖过程中，由于岩石飞落、开挖机械的移动等问题产生的传感器测量精度不能保证以及传感器和导线遭到损坏等不利影响。

Description

岩层振动测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种建筑工程技术领域的测试装置及方法，具体是一种用于爆破开挖的岩层振动测试装置及方法。

背景技术

在岩石地区的隧道开挖中，爆破是一种常用的开挖方式。爆破产生的震动会使本来稳定的围岩丧失承载能力或增大围岩松动圈的厚度。在工程现场通常采用振动测试的方法监测围岩的震动效应，以确定爆破、围岩稳定和支护设计之间的相互关系，从而在保证围岩稳定性的前提下确定合适的爆破方案。目前工程界在爆破施工中的围岩震动反应的测试方法如下：在开挖面附近选取一定数量的测点位置，在岩石表面通过埋入固定在钢板上的速度传感器或加速度传感器的方式布设振动监测点，然后通过数据采集仪器进行监测，即可获得由爆炸开挖引起的岩层反应。这种测试方法实用性强，被工程界广泛采用。但这种传统的围岩振动测试方法存在以下的不足：1)传感器埋设在岩石表面，在爆破开挖过程中，由于岩石飞落、开挖机械的移动等影响，传感器测量精度受影响，而且传感器和导线极易遭到损坏；2)这种测试方法仅能获得的表层岩石的震动反应，无法获得围岩松动圈范围内的岩石反应以及沿岩层深度方向爆破震动波的传播和衰减。

经对现有技术的文献检索发现，高振儒等在《爆破》2002年第19卷第1期第81页上发表的“MINI-SEIS地震仪在爆破振动监测中的应用”，该文中提出采用MINI-SEIS地震仪量测爆破振动的技术，具体为：通过MINI-SEIS地震仪主机操作键预先设置好参数，现场清理测点表面上的浮土，修平测点表面，使传感器的测振方向指向爆心，用胶粘剂使其基座与岩面粘结牢或使其与土层紧密接触以保证传感器随质点运动而运动，将振动传感器固定在测点，最后将振动传感器与主机相连。其不足在于：传感器埋设在测点表面，在爆破过程中，由于岩石飞落、开挖机械的移动等影响，传感器测量精度易受影响，且传感器和导线易遭到损坏。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的不足，提出了一种岩层振动测试装置及方法，克服了以往岩石爆破振动测试方法的测量精度差、测点易遭损坏等缺点，具有精度高、监测装置不易损坏、测试数据全面、装置造价低廉等优点。由于本发明的装置中传感器埋设在岩石钻孔中，通过围岩松动圈范围布设多个不同深度的测点，可以获得整个围岩松动圈范围内的岩石反应以及沿岩层深度方向爆破震动波的传播和衰减，具有测试数据全面的优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所涉及的岩层振动测试装置，包括：传感器、软管、导线、爪形卡箍、连接卡箍、保护金属套管。传感器和导线通过传感器上的导线接口连接，软管套在传感器外，保护套管套在导线外，软管与保护套管通过连接卡箍相连，软管通过外套的爪形卡箍和水泥浆固定于岩石钻孔中，导线末端与自动数据采集装置相连。

本发明所涉及的岩层振动测试方法，包括以下步骤：

第一步，选取岩石振动监测断面，在断面位置的岩石上钻孔，用于埋设传感器。断面的选取根据爆炸震动波传播的规律结合工程经验确定，钻孔深度可以根据实际工程需要决定。

第二步，将软管一端浸在摄氏90～100度的热水中约5分钟后取出，套在接好导线的传感器上。接着将爪形卡箍依次套在软管上，一般每20～30cm布设一个。将保护金属套管套在导线外，并利用连接卡箍与软管连接。

第三步，全部接线确认后，将连接好的软管和保护金属套管连同传感器和导线推入钻孔，直至传感器达到钻孔末端，即设计的测点位置。往钻孔中注入快干水泥浆以将传感器和钻孔的围岩形成一体。

第四步，待水泥浆固化后，将导线连接到自动数据采集装置上，即可进行振动测试。

所述钻孔其作用有二：(1)可以保护传感器不受爆破的影响而损坏；(2)可以将传感器布设在深层岩石内部，从而可以获得围岩松动圈范围内的岩石反应以及沿深度方向爆破震动波的传播和衰减。钻孔直径为3cm，根据实际工程需要决定钻孔深度。

所述传感器为微型振动速度传感器或加速度传感器，通常为不锈钢外壳，底部有安装底座，顶部有导线接口。传感器的直径一般为1cm。

所述软管采用有钢丝加筋的塑料软管，保证微型传感器可以安放到钻孔底部，并可在放置过程中提供保护。软管的尺寸和长度视加速度传感器外径大小和岩石钻孔深度而定，内径比传感器外尺寸略小，长度比岩石钻孔略短。将软管一端浸在热水是利用热胀冷缩的原理，使软管受热后内径刚好比传感器直径略大，容易安装，套好后收缩使得软管紧紧包裹在传感器外，防止传感器在放置过程中不慎掉落而达不到钻孔底部的测点位置，或与钻孔岩壁发生碰撞造成损坏。

所述导线采用土木工程测试中常用的电缆线。

所述爪形卡箍，用于在安装过程中保持软管在钻孔中的位置。爪形卡箍由钢圈和金属爪组成，其材料为不锈钢。钢圈尺寸比软管稍大，钢圈外侧固定有三个弹性金属爪。

所述保护金属套管，用于在爆破过程中保护导线，采用金属波纹管。

所述连接卡箍由钢带和箍头组成，箍头固定在钢带一端，钢带的另一端穿过箍头，通过调节箍头的松紧固定软管和保护金属套管的连接。

所述水泥浆采用快干水泥浆，为普通波特兰水泥加适量水玻璃配置而成，水玻璃质量含量为5～10％。水泥浆可以充分填满钻孔与传感器的空隙，固化后使得装置与围岩形成一体，确保在测试过程中传感器与围岩的运动保持一致。

本发明采用的装置结构简单、安装方便、操作简单，设备坚固可靠，应用于岩石爆破开挖的振动监测分析，经工程实践验证，取得了显著的效果。在实施例中，施工环境恶劣，导致在爆破过程中采用常规方法的测点均受损坏，未获得测试数据，而采用本发明装置的各断面监测工作均未受爆破施工影响，测点均未受损坏。

附图说明

图1为本发明的测试装置结构示意图；

图2为本发明中的传感器的示意图；

图3为本发明中的爪形卡箍结构示意图；

图4为本发明中的连接卡箍结构示意图；

图5为本发明的实施例中监测得到的岩层振动速度曲线；

图中：1传感器，2软管，3导线，4爪形卡箍，5连接卡箍，6保护金属套管，7岩石钻孔，8岩石开挖面，9水泥浆，10导线接口，11安装底座，12钢圈，13弹性金属爪，14钢带，15箍头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，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。

实施例：

工程实例为某顶管工程。该顶管工程位于海湾水面以下约24米的淤泥中，顶管中心标高为-23.0mm，淤泥厚约20.1m，水深约3.5m。顶管管道外径2.15米，壁厚为2.2cm。加密钻探补勘地质资料表明，在+528至+578桩号处为岩石，岩石段全长约50米，需进行岩石爆破。爆破施工前，采用高压旋喷桩对岩石界面附近8.0m×5.5m范围的淤泥进行了加固。要求爆破施工确保岩体周围介质不受爆破有害效应的扰动破坏，防止突然塌方及涌水现象的发生。

本实施例爆破开挖断面中的布置示意图如图1所示的岩层振动测试装置。本实施例岩层振动测试装置包括：传感器1、软管2、导线3、爪形卡箍4、连接卡箍5、保护金属套管6。传感器1和导线3通过传感器1的导线接口9连接，软管2套在传感器1外，保护套管6套在导线3外，软管2与保护套管6通过连接卡箍5相连，软管2通过爪形卡箍3和水泥浆9固定于岩石钻孔7中，导线3末端与自动数据采集装置相连。

如图2所示，传感器1为微型振动速度传感器，不锈钢外壳，底部有安装底座11，顶部有导线接口10。

如图3所示，爪形卡箍4由钢圈12和金属爪13组成，其材料为不锈钢。钢圈12外侧固定有三个弹性金属爪13。爪形卡箍4的作用是将软管2固定在岩石钻孔7指定位置。在软管2被推入岩石钻孔7的过程中，弹性金属爪13受压力，贴近钢圈12，不妨碍软管2进入岩石钻孔7。

如图4所示，连接卡箍5由钢带14和箍头15组成。箍头15固定在钢带14一端，钢带14的另一端穿过箍头15，连接卡箍5用于连接软管2和保护金属套管6。保护金属套管6的作用是在爆破过程中保护导线3。连接卡箍5材料为不锈钢，钢带宽度可取10～15mm。箍头用来调节卡箍的松紧度。

具体测试方法步骤如下：

1)在岩石开挖面8附近选取岩石振动监测断面，在断面位置的岩石上钻孔，在本实施例中钻孔7深度为1～3m。

2)软管2一端浸在摄氏90～100度的热水中约5分钟后取出，套在连接好导线的传感器1上。在本实施例中，沿钻孔深度方向每30cm布设一个爪形卡箍4，将爪形卡箍4依次套在软管2上。将保护套管6套在导线3上，并利用连接卡箍5与软管2连接。

3)全部接线确认后将软管2、保护金属套管6连同传感器1和导线3一起推入钻孔7内，直至传感器1达到钻孔底部。往钻孔7中注入水泥浆9以将传感器和钻孔的围岩形成一体。

4)待水泥浆9强度形成后，将导线3连接到自动数据采集装置上，进行振动测试。现场监测工作完成后，整理测试数据。

本实施例中典型断面的实测岩层速度曲线如图5所示。该测试断面的钻孔深度为1.0m，自动数据采集仪的采样频率是2000Hz，记录时间长度为3.1s。该测试断面测得围岩最大振动速度为6.3m/s。为验证本发明的有效性，本实施例采用了常规方法进行了对比测试。本工程施工环境恶劣，导致在爆破过程中采用常规方法的测点均受损坏，未获得测试数据，而采用本发明装置的各断面监测工作均未受爆破施工影响，测点均未受损坏，保证了测试数据的成活率。这表明本发明测试装置可满足严苛的爆破工程环境要求，具有较强的适用性。

Claims

1.一种岩层振动测试装置，其特征在于，包括：传感器、软管、导线、爪形卡箍、连接卡箍、保护金属套管，传感器和导线通过传感器上的导线接口连接，软管套在传感器外，保护金属套管套在导线外，软管与保护金属套管通过连接卡箍相连，软管通过外套的爪形卡箍和水泥浆固定于岩石钻孔中，导线末端与自动数据采集装置相连。

2.如权利要求1所述的岩层振动测试装置，其特征是，所述传感器为微型振动速度传感器或加速度传感器，底部有安装底座，顶部有导线接口。

3.如权利要求1所述的岩层振动测试装置，其特征是，所述软管为钢丝加筋的塑料软管，软管的内径比传感器外尺寸小，长度比岩石钻孔短。

4.如权利要求1所述的岩层振动测试装置，其特征是，所述爪形卡箍由钢圈和金属爪组成，钢圈尺寸比软管大，钢圈外侧固定有三个弹性金属爪。

5.如权利要求1所述的岩层振动测试装置，其特征是，所述保护金属套管为金属波纹管。

6.如权利要求1所述的岩层振动测试装置，其特征是，所述连接卡箍由钢带和箍头组成，箍头固定在钢带一端，钢带的另一端穿过箍头，通过调节箍头的松紧固定软管和保护金属套管的连接。

7.一种岩层振动测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，选取岩石振动监测断面，在断面位置的岩石上钻孔，用于埋设传感器；

第二步，将软管一端浸在摄氏90～100度的热水中约5分钟后取出，套在接好导线的传感器上，接着将爪形卡箍依次套在软管上，每20～30cm布设一个，将保护金属套管套在导线外，并利用连接卡箍与软管连接；

第三步，全部接线确认后，将连接好的软管和保护金属套管连同传感器和导线推入钻孔，直至传感器达到钻孔末端，即设计的测点位置，往钻孔中注入快干水泥浆以将传感器和钻孔的围岩形成一体；

第四步，将导线连接到自动数据采集装置上，即进行振动测试。

8.如权利要求7所述的岩层振动测试方法，其特征是，所述水泥浆采用快干水泥浆，为普通波特兰水泥加水玻璃配置而成，水玻璃质量含量为5～10％。