CN111520127A - 一种工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置及其应用方法。该装置包括触探加载系统(1)、TBM超前钻杆(2)、液压加载系统(3)和控制系统(4)；所述触控加载系统(1)设置于TBM超前钻杆(2)前端的内部；液压加载系(3)统连接到触控加载系统(1)；控制系统(4)连接到触控加载系统(1)和液压加载系统(3)；所述触控加载系统通过压力传感器(13)和位移传感器(14)采集锥形探头(11)加载过程中的压力和位移数据；通过视频摄像机(15)记录加载过程中岩体表面的状态。本装置轻便小巧，操作简单，自动化程度高，可用于获取大量掌子面前方岩体力学参数，提供隧道支护依据，保障隧道施工安全。
Description
技术领域
本发明属于岩体勘探领域，具体涉及一种工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置，特别涉及隧道掘进机(简称TBM)施工时，利用超前钻杆辅助获取掌子面前方岩体力学参数的装置及方法。
背景技术
岩体力学性质是影响TBM掘进的重要因素，单轴抗压强度、岩石硬度、耐磨性以及岩体完整性等都会影响TBM施工的效率。一方面，在隧道施工中，要便捷地测得准确的围岩力学参数，从而保证支护的强度、刚度和稳定性；另一方面，进行数值分析及数值模拟时需要大量的围岩岩体力学参数，才能得到可靠的结果。
目前，获取岩体力学参数的方法主要分为室内试验和原位试验。进行实内试验需要现场取芯，单轴试验、三轴试验、剪切试验和贯入试验等应用较广泛。岩体结构面的发育和分布会影响岩体完整性，在现场取芯时难以取到十分完整的岩芯，导致通过室内试验得到的岩石力学参数与工程岩体的实际参数之间存在误差；大量的取芯工作费时费力，同时也耽误隧道内的支护施工。
原位试验不需要采样，直接利用试验装置在现场对岩石进行试验。现阶段，原位试验获取岩体力学参数多采用钻孔原位测试装置(例如专利：CN108444815A)，在测试前需在岩壁上钻孔，再将测试装置固定，利用计算机控制试验过程并收集数据。但现有的钻孔原位测试方法需专门钻孔，且一般在TBM掘进后地段试验，若要测得掌子面前方的岩体力学参数，需停止施工；且测试时钻孔深度不易保证。
有鉴于此，在TBM的超前钻杆上做改进，设计创造出一种岩体力学参数超前钻孔原位试验仪，在TBM进行超前钻孔的同时，也可以测得掌子面前方岩体的力学参数。该技术可解决传统钻孔原位试验需单独钻孔，且难得到掌子面前方岩体力学参数的弊端；能方便地获取大量的岩体力学参数并节约试验成本。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置，并提供利用该装置对工程岩体进行超前钻孔原位试验的方法。该装置通过超前钻杆钻孔，施加油压推进锥形探头作用于钻孔岩壁，以获取大量的在不同岩性、不同钻孔深度的掌子面前方岩体的荷载-位移数据，进一步绘制得到相关曲线，再将所得数据换算成岩体的单轴抗压强度、模量及脆性等力学参数。这些参数既可用于隧道支护设计，也可用于数值模拟分析，将结果与实际对比。
本发明提供的技术方案如下：
本发明的目的之一在于提供一种工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置，包括触探加载系统(1)、TBM超前钻杆(2)、液压加载系统(3)和控制系统(4)；
所述触控加载系统(1)设置于TBM超前钻杆(2)前端的内部；
液压加载系(3)统连接到触控加载系统(1)；
控制系统(4)连接到触控加载系统(1)和液压加载系统(3)；
所述触控加载系统(1)包括锥形探头(11)、压力传感器(13)、位移传感器(14)、油缸(12)、视频摄像机(15)，通过压力传感器(13)和位移传感器(14)采集锥形探头(11)加载过程中的压力和位移数据；通过视频摄像机(15)记录加载过程中岩体表面的状态。
进一步，所述触控加载系统包括底板(120)、顶板(136)、锥形探头(11)、支撑架(137)、推进架(129)、油缸(12)、压力传感器(13)、位移传感器(14)和视频摄像机(15)；视频摄像机(15)设置于顶板下方，用于拍摄钻孔壁的表面信息；
所述底板(120)和顶板(136)固定于TBM超前钻杆(2)内壁；
所述支撑架(137)为T型结构，固定于底板(120)上，横梁端头设置连接有锥形探头(11)的推进架，顶面设置有压力传感器(13)，中部设置有油缸(12)；锥形探头(11)在加载时直接与岩壁接触；
位移传感器(14)设置于支撑架(137)横梁下。
进一步，所述推进架为T型结构，尾端连接到油缸(12)，头端连接到锥形探头(11)。
进一步，所述油缸(12)包括上部液压腔(127)、传力结构(132)和下部液压腔(133)；上部液压腔(127)提供液压推力；
传力结构(132)为工字型，上端连接到上部液压腔(127)，下端连接到下部液压腔(133)；
下部液压腔设置有弹簧，并连接到液压加载系统。油缸下部设有集中的线路接口。
进一步，所述压力传感器(13)包括压感监测器件(126)和压力数据存储器(128)；压感监测器件(126)设置于推进架的尾部端面，并连接到压力数据存储器(128)。
进一步，所述位移传感器(14)包括壳体、位移监测元件(122)和位移探针(125)；
位移探针(125)设置于壳体中，尾部设置有位移检测元件(122)；位移检测元件(122)通过弹簧(121)连接到壳体尾端；位移探针(125)头部通过连接板连接到推进架下端。位移传感器用于检测左右锥形探头的位移。
进一步，所述TBM超前钻杆(2)位于触摸加载系统的两侧壁设置有超前钻杆挡板(18)，超前钻杆挡板(18)安装于挡板齿轮滑道(19)上，并通过驱动器(16)驱动以开合。
进一步，所述液压加载系统为油缸。
进一步，所述控制系统为具有数据处理能力的计算设备。
各部件的作用：
TBM超前钻杆，TBM配套设备。触探加载系统安装在钻杆内，安装处的与探头正对的钻杆壁开孔，能够在加载时自动打开。TBM超前钻，一是实现触探加载系统的推进，将加载系统送至不同深度；二是为加载系统提供支撑与防护，加载系统固定在钻杆内，进行加载时可以稳定加压，隔绝钻杆在钻进过程中产生的碎渣对加载系统的磕碰。
触探加载系统利用锥形探头与岩体直接接触，通过位移传感器和压力传感器获取位移和压力数据，利用视频摄像机拍摄岩壁的表面信息。
液压加载系统，用来控制液压，实现触探加载系统的加载。
控制系统，一是控制触探加载系统在不同钻孔深度时进行加载试验，获取荷载-位移数据及曲线；二是控制液压加载系统的加压卸压，控制完成整个装置的试验。
本发明的目的之二在于提供利用上述工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置进行超前钻孔原位加载试验的方法，包括以下步骤：
S1：安装工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置并连接各部件；
S2：启动超前钻，对掌子面围岩钻孔；
S3：停止超前钻，进行钻孔原位试验；
S3.1：当触探加载系统完全进入钻孔内，每隔一定距离停止钻进，进行原位测试；
S3.2：利用视频摄像机15拍摄的影像观察钻孔内的围岩特征，配合超前钻的旋转调整，找到岩性完整的测试区；
S3.3：打开液压加载系统3，对触控加载系统加压，使得锥形探头11逐渐伸出，对钻孔围岩进行加载；视频摄像机15记录加载过程中岩体的破坏过程和破坏形态，压力传感器13和位移传感器14分别采集到加载过程中的压力和位移变化；当在力-位移曲线上出现第一个压力峰或从视频中观察到围岩表面出现裂缝时，停止加载；
S3.4：测试完后卸压，锥形探头11缩回；
S4：重复S2、S3，对不同钻孔深度围岩进行钻孔原位测试；
S5：数据处理，导出测试过程中储存的压力和位移数据，处理得到力-位移曲线，并利用力-位移曲线建立岩体力学参数之间的关系。
本发明的有益效果：
本发明提供的装置结合TBM超前钻，可获取掌子面前方围岩的岩体力学参数，减少单独钻孔所消耗的财力物力；锥形探头可更换且更换操作简单，用于寻找最佳探头形式；触探加载系统固定在超前钻杆内，未加载时全封闭，有效防止了岩屑对仪器的碰撞；安装在空腔侧壁的视频摄像机，增加了钻孔内围岩表面特征的可视化。装置小巧，操作安全，各系统相互协调，在工程现场具有广泛实用性和应用价值。
本发明提供的工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置进行超前钻孔原位加载试验的方法，操作简单，自动化程度高，实现了钻孔内原位试验的可视化，方便获取掌子面前方围岩的岩体力学参数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明提供的工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置及方法，下面提供所需要使用的附图，包括：
图1是本发明的整体结构图；
图2是本发明的触探加载系统示意图；
图3是本发明的位移传感器示意图；
图4是发明的触探加载系统的剖面图；
图5是本发明的各系统连接示意图。
图标：1-触探加载系统，11-锥形探头，12-油缸，13-压力传感器，14-位移传感器，15-视频摄像机，16-驱动器，17-密封圈，18-超前钻杆挡板，19-挡板齿轮滑道，120-底板，121-弹簧，122-位移监测元件，123-固定片，124-限位孔，125-位移探针，126-压力监测元件，127-上部液压腔，128-压力数据存储器，129-推进架，130-密封圈，131-连接带，132-传力结构，133-下部液压腔，134-弹簧，135-线路接口，136-顶板，137-支撑架；
2-超前钻杆；
3-液压加载系统；
4-控制系统。
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。
如图1所示，本发明的工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置包括触探加载系统1、TBM超前钻杆2、液压加载系统3和控制系统4四大部分。
1、触控加载系统(图2、图4)
所述触控加载系统包括底板120、顶板136、锥形探头11、支撑架137、推进架129、油缸12、压力传感器13、位移传感器14和视频摄像机15；视频摄像机15设置于顶板136下方，用于拍摄钻孔壁的表面信息；
所述底板120和顶板136固定于TBM超前钻杆2内壁；
所述支撑架137为T型结构，固定于底板120上，横梁端头设置连接有锥形探头11的推进架，顶面设置有压力传感器13，中部设置有油缸12；锥形探头11在加载时直接与岩壁接触。锥形探头11与推进架129螺纹连接，方便更换。
所述油缸12包括上部液压腔127、传力结构132和下部液压腔133；上部液压腔127提供液压推力；
传力结构132为工字型，上端连接到上部液压腔127，下端连接到下部液压腔133；
下部液压腔设置有弹簧，并连接到液压加载系统。油缸下部设有集中的线路接口。
所述推进架为T型结构，尾端连接到油缸12，头端连接到锥形探头11。
所述压力传感器13包括压感监测器件126和压力数据存储器128；压感监测器件126设置于推进架的尾部端面，并连接到压力数据存储器128。
位移传感器14设置于支撑架137横梁下，其结构如图3所示。所述位移传感器14包括壳体、位移监测元件122和位移探针125；
位移探针125设置于壳体中，尾部设置有位移检测元件122；位移检测元件122通过弹簧121连接到壳体尾端；位移探针125头部通过连接板连接到推进架下端。位移传感器用于检测左右锥形探头的位移。
2、超前钻杆
TBM超前钻杆，TBM配套设备，钻进的速率、方向可控制，当超前钻停止作业，触探加载系统1才能进行测试。
TBM超前钻杆2位于触摸加载系统的两侧壁设置有超前钻杆挡板18，超前钻杆挡板18安装于挡板齿轮滑道19上，并通过驱动器16驱动以开合。
3、液压加载系统
所述液压加载系统为油缸，用于给触摸加载系统提供液压。
4、控制系统
所述控制系统为具有数据处理能力的计算设备，操控整个工程岩体力学参数超前钻孔原位测试试验的完成，各系统之间的连接如图5所示。控制系统一是控制触探加载系统1的驱动器16打开超前钻杆挡板18；二是控制液压加载系统3对触探加载系统1进行加载；三是将过程中的荷载-位移数据记录在控制系统。
利用本发明装置对工程岩体力学参数进行超前钻孔原位加载试验的方法如下：
S1：安装工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置并连接各部件；
S2：启动超前钻，对掌子面围岩钻孔；
S3：停止超前钻，进行钻孔原位试验；
S3.1：当触探加载系统完全进入钻孔内，每隔一定距离停止钻进，进行原位测试；
S3.2：打开超前钻杆挡板18，利用视频摄像机15拍摄的影像观察钻孔内的围岩特征，配合超前钻的旋转调整，找到岩性完整的测试区；
S3.3：打开液压加载系统3，对触控加载系统加压，使得锥形探头11逐渐伸出，对钻孔围岩进行加载；视频摄像机15记录加载过程中岩体的破坏过程和破坏形态，压力传感器13和位移传感器14分别采集到加载过程中的压力和位移变化；当在力-位移曲线上出现第一个压力峰或从视频中观察到围岩表面出现裂缝时，停止加载；
S3.4：测试完后卸压，锥形探头11缩回，超前钻杆挡板18关闭；；
S4：重复S2、S3，对不同钻孔深度围岩进行钻孔原位测试；
S5：数据处理，导出测试过程中储存的压力和位移数据，处理得到力-位移曲线，并利用力-位移曲线建立岩体力学参数之间的关系。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置，其特征在于：
包括触探加载系统(1)、TBM超前钻杆(2)、液压加载系统(3)和控制系统(4)；
所述触控加载系统(1)设置于TBM超前钻杆(2)前端的内部；
液压加载系(3)统连接到触控加载系统(1)；
控制系统(4)连接到触控加载系统(1)和液压加载系统(3)；
所述触控加载系统(1)包括锥形探头(11)、压力传感器(13)、位移传感器(14)、油缸(12)、视频摄像机(15)，通过压力传感器(13)和位移传感器(14)采集锥形探头(11)加载过程中的压力和位移数据；通过视频摄像机(15)记录加载过程中岩体表面的状态。
2.根据权利要求1所述的工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置，其特征在于：所述触控加载系统包括底板(120)、顶板(136)、锥形探头(11)、支撑架(137)、推进架(129)、油缸(12)、压力传感器(13)、位移传感器(14)和视频摄像机(15)；
所述底板(120)和顶板(136)固定于TBM超前钻杆(2)内壁；
所述支撑架(137)为T型结构，固定于底板(120)上，横梁端头设置连接有锥形探头(11)的推进架，顶面设置有压力传感器(13)，中部设置有油缸(12)；
位移传感器(14)设置于支撑架(137)横梁下。
3.根据权利要求2所述的工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置，其特征在于：所述推进架为T型结构，尾端连接到油缸(12)，头端连接到锥形探头(11)。
4.根据权利要求2所述的工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置，其特征在于：所述油缸(12)包括上部液压腔(127)、传力结构(132)和下部液压腔(133)；
上部液压腔(127)提供液压推力；
传力结构(132)为工字型，上端连接到上部液压腔(127)，下端连接到下部液压腔(133)；
下部液压腔设置有弹簧，并连接到液压加载系统。
5.根据权利要求2所述的工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置，其特征在于：所述压力传感器(13)包括压感监测器件(126)和压力数据存储器(128)；压感监测器件(126)设置于推进架的尾部端面，并连接到压力数据存储器(128)。
6.根据权利要求2所述的工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置，其特征在于：所述位移传感器(14)包括壳体、位移监测元件(122)和位移探针(125)；
位移探针(125)设置于壳体中，尾部设置有位移检测元件(122)；位移检测元件(122)通过弹簧(121)连接到壳体尾端；位移探针(125)头部通过连接板连接到推进架(129)下端。
7.根据权利要求1所述的工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置，其特征在于：所述TBM超前钻杆(2)位于触摸加载系统的两侧壁设置有超前钻杆挡板(18)，超前钻杆挡板(18)安装于挡板齿轮滑道(19)上，并通过驱动器(16)驱动以开合。
8.根据权利要求1所述的工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置，其特征在于：所述液压加载系统为油缸。
9.根据权利要求1所述的工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置，其特征在于：所述控制系统为具有数据处理能力的计算设备。
10.利用权利要求1所述的工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置进行超前钻孔原位加载试验的方法，包括以下步骤：
S1：安装工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置并连接各部件；
S2：启动超前钻，对掌子面围岩钻孔；
S3：停止超前钻，进行钻孔原位试验；
S3.1：当触探加载系统完全进入钻孔内，每隔一定距离停止钻进，进行原位测试；
S3.2：利用视频摄像机15拍摄的影像观察钻孔内的围岩特征，配合超前钻的旋转调整，找到岩性完整的测试区；
S3.3：打开液压加载系统3，对触控加载系统加压，使得锥形探头11逐渐伸出，对钻孔围岩进行加载；视频摄像机15记录加载过程中岩体的破坏过程和破坏形态，压力传感器13和位移传感器14分别采集到加载过程中的压力和位移变化；当在力-位移曲线上出现第一个压力峰或从视频中观察到围岩表面出现裂缝时，停止加载；
S3.4：测试完后卸压，锥形探头11缩回；
S4：重复S2、S3，对不同钻孔深度围岩进行钻孔原位测试；
S5：数据处理，导出测试过程中储存的压力和位移数据，处理得到力-位移曲线，并利用力-位移曲线建立岩体力学参数之间的关系。
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