CN112177590A - 工程地质参数预测室内大型综合模拟钻进试验平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了工程地质参数预测室内大型综合模拟钻进试验平台及方法，属于土木工程领域，能够解决隧道施工现场不易开展现场试验的难题，并实现工程地质环境特诊参数定量化表征，试验平台包传框体、施压机构、钻杆以及多个传感器，框体中部具有用于安装岩样的安装位，施压机构连接于框体，施压机构的施压端朝向安装位；钻杆的一端能够钻入安装位，钻杆连接于钻杆支架，多个传感器连接于钻杆和/或钻杆支架。

Description

工程地质参数预测室内大型综合模拟钻进试验平台及方法

技术领域

本发明属于土木工程领域，具体的，涉及工程地质参数预测室内大型综合模拟钻进试验平台及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

钻进岩石是工程中经常遇到的情况，如隧道施工中，岩石在隧道中大量存在的，极易被钻探机遭遇。

实际工程应用中通常用岩石可钻性作为评判钻进时岩石抵抗机械破碎能力的量化指标，是目前工程钻探中选择钻进方法、钻头结构类型、钻进工艺参数，衡量钻进速度和实行定额管理的主要依据。但是该分类较为粗略，岩石可钻性不仅取决于岩石的特性，而且还取决于采用的钻进技术工艺条件，岩石的硬度、弹塑性和研磨性等直接影响岩石的力学性质，同时包括钻进切削研磨材料、钻头类型、钻探设备、钻探冲洗介质、钻进工艺的完善程度，以及钻孔的深度、直径、倾斜度等的钻进技术工艺条件也会对钻进性能产生影响。

目前对岩石钻进过程的研究主要为理论研究，针对钻头形式和岩石的物理性质建立数学模型，进而得到理论上的解答，但是由于钻进岩石问题的复杂性，在建立数学模型的过程中进行了相当大的简化，造成理论和实际的差距，而且由于试验方法的落后，理论的真实性也没有得到验证。

现有的相关试验装置，通常以液压缸作为施压机构对岩样施压从而得到各种数据。发明人发现，在真实环境中，隧道施工现场不易开展现场试验，工程地质环境特诊参数不能定量化表征。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供工程地质参数预测室内大型综合模拟钻进试验平台及方法，通过该方法，能够解决隧道施工现场不易开展现场试验的难题，并实现工程地质环境特诊参数定量化表征。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的技术方案提供了一种工程地质参数预测室内大型综合模拟钻进试验平台，包传框体、施压机构、钻杆以及多个传感器，框体中部具有用于安装岩样的安装位，施压机构连接于框体，施压机构的施压端朝向安装位；钻杆的一端能够钻入安装位，钻杆连接于钻杆支架，多个传感器连接于钻杆和/或钻杆支架。

第二方面，本发明的技术方案还提供了一种工程地质参数预测室内大型综合模拟钻进试验方法，使用如第一方面所述的工程地质参数预测室内大型综合模拟钻进试验装置，在框体的安装位固定岩样，使用施压机构对岩样施压，使用钻杆钻探岩样，使用传感器获取测量数据。

上述本发明的技术方案的有益效果如下：

1)本发明根据工程地质多角度钻进现状，设计了针对性的试验装置，从而解决了隧道施工现场不易开展现场试验的难题，并使用传感去获取试验中的多种数据，实现工程地质特征参数定量化表征。

2)本发明采用集成试验平台思想，满足试验开展的多样性，使用本平台进行一次试验，即可获得多种测量数据，从而，使用本平台进行实验可以减少实验次数，提高实验效率。

3)本发明的试验岩体采用浇模预制的方法，操作简便，并可根据试验要求进行多角度倾斜地层浇筑。

4)本发明综合采用多样化监测技术，借助数据综合处理系统，实现工程钻进过程多元信息实时监测分析。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明一个或多个实施例中的试验平台在铅锤方向的钻进时的整体示意图，

图2为本发明一个或多个实施例中的工试验平台在铅锤方向的钻进时的局部放大示意图，

图3为本发明一个或多个实施例中的试验平台在铅锤方向的钻进时的经过钻杆中轴线并沿X-Z轴平面进行剖切得到的剖面图，

图4为本发明一个或多个实施例中的试验平台在铅锤方向的钻进时的经过钻杆中轴线并沿Y-Z轴平面进行剖切得到的剖面图，

图5为本发明一个或多个实施例中的试验平台在平面方向钻进时的整体示意图，

图6为本发明一个或多个实施例中的试验平台在平面方向钻进时的局部放大图，

图7为本发明一个或多个实施例中的试验平台在平面方向钻进时的经过钻杆的中轴线沿X-Z轴平面剖切得到的剖面图。

图中：1、同步带，2、钻杆钻进伺服电机，3、安装座，4、振动加速度传感器，5、Z轴液压缸，6、钻杆，7、声学频谱分析仪，8、反力墙，9、X轴液压缸，10、液压推板，11、岩样保持架，12、钻杆转动伺服电机，13、丝杆，14、丝母，15、压力传感器，16、滑块，17、导杆，18、扭矩传感器，19、移出滑轨，20、岩样，21、Y轴液压缸，22、锁紧销，23、支架，24、红外热成像仪，25、激光测振仪，26、控制与信息处理终端，27、声发射采集仪，28、联轴器，29、活动反力墙。

为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，本发明的目的是提供一种工程地质参数预测室内大型综合模拟钻进试验平台及方法，通过该方法，能够解决隧道施工现场不易开展现场试验的难题，并实现工程地质环境特诊参数定量化表征。

实施例1

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，实施例1公开了一种工程地质参数预测室内大型综合模拟钻进试验平台，包括外壳、岩样传输与卸载系统、多向钻进系统、复杂地质环境定量模拟系统、数据采集处理系统和倾斜地层岩块制作台架，其具体连接关系为，岩样传输与卸载系统的末端设有多向钻进系统，多向钻进系统周侧设有复杂地质环境定量模拟系统，复杂地质环境定量模拟系统能够配合多向钻进系统能够同时对岩样20进行钻探，数据采集处理系统采集岩样20信息，倾斜地层岩块制作台架用于浇筑岩样20。

请参考图1、图2,、图5和图6，所述岩样传输与卸载系统，包括支架23、皮带及移出滑轨19，支架23上布置滑轨及运输皮带，通过滑轨及运输皮带实现试验岩样20的置入与运出。具体的，可以采用现有的两侧具有滑轨的皮带输送机，可实现岩样20自动化运输。

请参考图1～图7，所述多向钻进系统，包括浇筑多角度倾斜地层试验岩块平台铅锤和水平钻进系统，水平钻进系统包括钻杆6、钻杆钻进伺服电机2、电机及钻杆6安装座3、同步带11、丝杆13、丝母14、滑块16导杆17、在反力墙8顶面与侧面预留孔位，所述多向钻进系统，通过联轴器28将钻杆6、扭矩传感器18、压力传感器15、钻杆转动伺服电机12相连，通过丝杆13、丝母14、滑块16导杆17实现钻机的竖直钻进，最后将电机及钻杆6安装座3将多向钻进系统固定在反力墙8上，通过钻杆钻进伺服电机2可以控制钻杆6的钻进速度，通过钻杆转动伺服电机12控制钻杆6的转动速度。

所述多向钻进系统通过控制钻杆钻进伺服电机2控制钻进压力，同时通过压力传感器15反馈给钻杆钻进伺服电机2，以实现恒压力钻进。通过控制钻杆转动伺服电机12控制钻杆6的转动速度，同时通过扭矩传感器18反馈给钻杆转动伺服电机12，以实现恒扭矩钻进。

所述联轴器28包括第一联轴器28和第二联轴器28，钻杆转动伺服电机12连接第一联轴器28，第一联轴器28连接第二联轴器28，第一联轴器28和第二联轴器28之间用于安装扭矩传感器18，第二联轴器28连接钻杆6。

所述多向钻进系统可实现钻机顶面与侧面安装，多角度浇筑倾斜地层岩块与铅锤方向、水平方向钻进系统协作以实现多向钻进。也即，本实施例中，所述多向钻进系统安装方向设有多个，至少可以实现铅锤方向的Z轴上、水平上的X轴或Y轴方向对岩样20的钻进。

需要说明的是，本实施例中，以带式输送机中轴线为X轴，以平面内经过岩样20中心且与X轴相交的直线为Y轴，以铅锤方向上经过X轴和Y轴交点的直线为Z轴。

更为具体的，请参考图1～图7，所述钻杆6支架23包括丝杆13和导杆17，导杆17固定连接所述复杂地质环境定量模拟系统的框体，导杆17的顶端设有钻杆6安装座3，钻杆6和丝杆13均穿过安装座3并连接动力源。所述丝杆13和所述导杆17均包括多个，多个所述导杆17和多个所述丝杆13均平行于所述钻杆6，本实施例中，所述导杆17包括2个，分别位于所述钻杆6的两侧；所述丝杆13也包括两个，分别位于所述钻杆6的两侧，所述丝杆13配合连接丝母14，滑块16滑动连接所述导杆17，丝母14连接滑块16以及安装座3以带动钻杆6钻进，丝母14设有压力传感器15。

本实施例中，安装于安装座3的动力源包括钻杆钻进伺服电机2和钻杆转动伺服电机12，钻杆转动伺服电机12通过联轴器28连接钻杆6，钻杆钻进伺服电机2通过同步带1连接多个丝杆13，钻杆钻进伺服电机2通过同步带1以带传动的方式驱动多个丝杆13。

电机及钻杆6安装座3将多向钻进系统固定在反力墙8上，通过钻杆钻进伺服电机2我们可以控制钻杆6的钻进速度，通过钻杆转动伺服电机12控制钻杆6的转动速度。

请参考图1～图7，所述复杂地质地质环境定量模拟系统，包括岩样20保持架11、液压推板10、液压缸、反力墙8与锁紧销22，岩样20保持架11内具有用于安装岩样20的安装位，液压缸固定端固定连接于岩样20保持架11，液压缸输出端连接液压推板10，可以理解的是，液压缸的输出端均朝向安装位，由液压缸施施压力到液压推板10上对试验岩样20施加不同压力，通过液压控制系统控制加载力大小，实现真实地应力大小模拟。对预制岩样20不同方向施加不同大小压力，模拟真实工程地质环境下地应力，实现真三轴地应力环境。

可以理解的是，本实施例中，液压缸包括多个，多个液压缸分为X轴液压缸9、Y轴液压缸21和Z轴液压缸5，分别沿X轴、Y轴和Z轴方向布置。

所述岩样20保持架11为框体，由多个板件或杆件焊接而成。

所述数据采集处理系统，采集不同岩样20及不同施压环境下获取随钻参数信息，对钻进过程中岩样20的AE能量和振动动力学信息、钻进过程中岩样20的热力场信息、钻杆6钻进振动参数及岩样20钻进声学信息进行监测，包括安装于钻杆6的振动加速度传感器4、安装于钻杆6顶端的扭矩传感器18以及安装于滑块16的压力传感器15，振动加速度传感器4、扭矩传感器18以及压力传感器15实时采集钻机钻杆6扭矩和压力信息；还包括独立设置的激光测振仪25、红外热成像仪24、声学频谱分析仪7、钻杆6振动频谱分析仪、声发射采集仪27，所述激光测振仪25监测岩体在钻进过程中固有振动频率等动力学参数的动态变化；所述红外热成像仪24监测岩体在钻机钻进过程中的温度场时空变化；所述声学频谱分析仪7监测钻机在不同钻进参数下钻进岩石过程中的声学场变化；所述钻杆6振动频谱分析仪监测钻机在不同钻进参数下钻进岩石过程中的动力场变化；所述声发射采集仪27监测钻机在不同钻进参数下钻进岩石过程中的AE能量变化。

因此，所述数据采集处理系统的功能，包括对试验数据的实时处理与分析，包括对岩体特征参数的量化处理，岩体开挖过程中多元监测数据的融合分析。

为了实现数据采集与处理，本实施例中，还包括控制与信息处理终端26，控制与信息处理终端26可以采用PC、PDA或者手机，控制与信息处理终端26与振动加速度传感器4、扭矩传感器18、压力传感器15、钻杆6振动频谱分析仪、激光测振仪25、红外热成像仪24、声学频谱分析仪7和声发射采集仪27通过有线或无线形式连接。

所述倾斜地层岩块制作台架包括钢架底座、转动轴、承台钢板和支撑架，承台钢板设有两块，两块承台钢板在边缘坏姐连接，且呈90°夹角，钢架底座边缘连接支撑架，钢架底座中部通过转动轴铰接承台钢板，承台钢板上设有固定孔位、支撑架上共有6个预制孔位，每个孔位间对应的角度差为15°，使用连接件连接承台钢板和的支撑架上的空位，通过调节孔位位置及浇筑模具摆放方向即可实现多角度倾斜岩层岩石试样浇筑。

所述倾斜地层岩块制作台架，通过调节不同倾斜角度，可以精确浇筑15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°135°、150°、165°实验岩样20试块。

实施例2

本发明的一种典型的实施方式中，公开了一种工程地质参数预测室内大型综合模拟钻进试验方法，使用如权利要求1所述的工程地质参数预测室内大型综合模拟钻进试验平台，岩体钻进过程模拟与监测包含以下步骤：

1)对原岩进行切割打磨至合适大小或利用相似材料预制；

2)将切割打磨好的原岩或预制好的相似岩块放置在皮带传输带上，打开活动反力墙298。

3)岩样20运输安装在岩样20保持架11上，通过锁紧销22固定安装好。调节液压控制系统，控制液压推板10，六面对预制原岩或相似岩块进行加载，模拟原始地应力场；

4)调节钻杆6钻进系统，使钻杆6调节至距离岩样201-2cm高处，方便钻进进行；

5)钻杆6钻进参数设定完毕后，即可开机钻进，模拟工程地质现场真实开挖；

6)利用红外热成像仪24、声学频谱分析仪7、激光测振仪25、声发射系统、钻杆6振动频谱分析仪等实现钻机钻进过程中岩样20、岩样20与钻杆6、钻杆6之间的温度场、声学场、固有振动频率及AE能量数变化的实时监控，数据传输至数据综合处理系统可以实现数据的实时处理分析，评估岩石特性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.工程地质参数预测室内大型综合模拟钻进试验平台，其特征在于，包传框体、施压机构、钻杆以及多个传感器，框体中部具有用于安装岩样的安装位，施压机构连接于框体，施压机构的施压端朝向安装位；钻杆的一端能够钻入安装位，钻杆连接于钻杆支架，多个传感器连接于钻杆和/或钻杆支架。

2.如权利要求1所述的工程地质参数预测室内大型综合模拟钻进试验平台，其特征在于，所述施压机构包括多个，多个施压机构的施压端均朝向所述安装位。

3.如权利要求1或2所述的工程地质参数预测室内大型综合模拟钻进试验平台，其特征在于，所述施压机构包括液压油缸，液压油缸的末端连接板件。

4.如权利要求1所述的工程地质参数预测室内大型综合模拟钻进试验平台，其特征在于，所述钻杆支架包括丝杆和导杆，导杆固定连接所述框体，导杆的顶端设有钻杆安装座，钻杆和丝杆均穿过安装座并连接动力源。

5.如权利要求4所述的工程地质参数预测室内大型综合模拟钻进试验平台，其特征在于，所述丝杆和所述导杆均包括多个，多个所述导杆和多个所述丝杆均平行于所述钻杆。

6.如权利要求4所述的工程地质参数预测室内大型综合模拟钻进试验平台，其特征在于，所述丝杆配合连接丝母，滑块滑动连接所述导杆，丝母连接滑块以及安装座以带动钻杆钻进，丝母设有压力传感器。

7.如权利要求4所述的工程地质参数预测室内大型综合模拟钻进试验平台，其特征在于，所述钻杆通过联轴器连接动力源，所述联轴器设有扭矩传感器。

8.如权利要求1所述的工程地质参数预测室内大型综合模拟钻进试验平台，其特征在于，所述钻杆设有多个，多个所述钻杆中至少包括X向设置的钻杆和Y向设置的钻杆。

9.如权利要求1所述的工程地质参数预测室内大型综合模拟钻进试验平台，其特征在于，还包括传动带，所述框体设于传动带末端。

10.工程地质参数预测室内大型综合模拟钻进试验方法，其特征在于，使用如实施例1～9任意一项所述的工程地质参数预测室内大型综合模拟钻进试验装置，采用浇模预制的方法制作岩样，在框体的安装位固定岩样，使用施压机构对岩样施压，使用钻杆钻探岩样，使用传感器获取测量数据。

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