CN114486671B - 一种越岭隧道超深钻孔智能传输栓塞压水试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种越岭隧道超深钻孔智能传输栓塞压水试验装置，包括上导管、下导管、硬质花管、水量采集装置、压力采集装置、数据传输装置、进口压力膨胀栓塞形变组件和出口压力膨胀栓塞形变组件，上导管和下导管通过硬质花管连接，水量采集装置设于上部钻杆上，压力采集装置设于上导管上，水量采集装置和压力采集装置分别与数据传输装置连接以智能传输水量数据和压力数据，进口压力膨胀栓塞形变组件和出口压力膨胀栓塞形变组件通过施加上部荷载发生膨胀而与孔壁岩体接触实现堵水密封及显示形变大小以便判断围岩完整性情况。本发明智能传输水压与水量数据，达到精准测量渗透水量和渗透水压的目的，可以准确获取越岭隧道超深钻孔中岩体的渗透参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种隧道钻孔中水文地质试验装置，尤其涉及一种越岭隧道超深钻孔智能传输栓塞压水试验装置。
背景技术
目前，在越岭深埋隧道施工过程中存在的一个较大难题是：前期对水文地质条件掌握的不充分，导致在施工过程中出现的水文地质的问题令人被动，甚至致使施工停工、方案重新设计等，严重影响了工程进度。
究其原因，主要是在越岭隧道前期勘察设计过程中，对隧道围岩的水文地质条件了解得不够充分，使用的勘察手段过于陈旧或者单一，多数以经验为主，在没有科学试验数据的支撑下，没有准确及时地判明围岩的水文地质条件，特别是深埋特长隧道围岩的透水性，在多数情况下，根据工程经验进行估算，往往与实际出入较大。
在实际勘察中，也有通过开展传统压水试验来判明水文地质条件，此试验通常是在钻机钻探过程中进行，但是，因为损失的水量与水压都是估算，选取试验段也是根据经验获取，缺乏科学数据筛选支撑，从而导致试验获取的参数缺乏准确性和针对性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构组成简单、成本低、操作容易、可以准确获取越岭隧道超深钻孔中岩体的渗透参数的越岭隧道超深钻孔智能传输栓塞压水试验装置。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：一种越岭隧道超深钻孔智能传输栓塞压水试验装置，其特征在于，包括用于连接在上部钻杆下端上的上导管、用于连接在下部钻杆上端上的下导管、硬质花管、水量采集装置、压力采集装置、数据传输装置、进口压力膨胀栓塞形变组件和出口压力膨胀栓塞形变组件，所述上导管和下导管通过硬质花管连接，所述水量采集装置设于上部钻杆上，所述压力采集装置设于上导管上，所述水量采集装置和压力采集装置分别与数据传输装置连接以智能传输水量数据和压力数据，所述进口压力膨胀栓塞形变组件和出口压力膨胀栓塞形变组件通过施加上部荷载发生膨胀而与孔壁岩体接触实现堵水密封及显示形变大小以便判断围岩完整性情况。
本发明能够智能传输水压与水量数据，减少传统读数易产生误差的中间环节，消除测量渗透水量误差和水压误差，达到精准测量渗透水量和渗透水压的目的，可以准确获取越岭隧道超深钻孔中岩体的渗透参数，更加全面综合分析越岭隧道超深钻孔中岩体的渗透特征，且进口、出口压力膨胀栓塞形变组件可以通过施加上部荷载发生膨胀而与孔壁岩体接触实现堵水密封及显示形变大小以判断围岩完整性情况，再根据变形数据调整移动位置，使其位于理想的岩体中，从而确定开展压水段的精确位置。
本发明所述水量采集装置包括水量计和与之连接的水量信号转换器，所述水量计连接于上部钻杆的下端，其内部通道与上部钻杆对接连通，所述水量计嵌套于所述水量信号转换器中。
本发明所述压力采集装置包括套装在上导管上的应变压力计和与之连接的应变传感计，所述应变压力计的外部为应变传感计。
本发明所述数据传输装置包括信号转换发射器和信号转换接收器，所述信号转换发射器套装在上部钻杆上且处于所述水量信号转换器的上方，所述信号转换接收器位于地面上，所述水量信号转换器和应变传感计分别与信号转换发射器连接而将水量数据和压力数据传送给信号转换发射器，所述信号转换接收器接收来自信号转换发射器发送的水量数据和压力数据。
本发明所述越岭隧道超深钻孔智能传输栓塞压水试验装置包括外护环，所述外护环为具有顶面的简体，该顶面由上部钻杆穿过而使外护环套装在上部钻杆上，内嵌有水量计的水量信号转换器与信号转换发射器均位于所述外护环内。
本发明所述进口压力膨胀栓塞形变组件包括自上而下依次套装在上导管上的进口一级栓塞护环、上进口压力膨胀栓塞、进口栓塞应变片、下进口压力膨胀栓塞和进口二级栓塞护环，其中，所述进口栓塞应变片连接上进口压力膨胀栓塞和下进口压力膨胀栓塞，所述上进口压力膨胀栓塞和下进口压力膨胀栓塞被进口一级栓塞护环和进口二级栓塞护环所夹持，在施加上部荷载的情况下，上进口压力膨胀栓塞和下进口压力膨胀栓塞发生膨胀与孔壁岩体接触，同时进口栓塞应变片发生膨胀并产生形变与孔壁岩体接触进而测试孔壁应变情况。
本发明所述出口压力膨胀栓塞形变组件包括自上而下依次套装在下导管上的出口一级栓塞护环、上出口压力膨胀栓塞、出口栓塞应变片、中出口压力膨胀栓塞、出口二级栓塞护环、下出口压力膨胀栓塞和出口三级栓塞护环，其中，所述出口栓塞应变片连接上出口压力膨胀栓塞与中出口压力膨胀栓塞，所述上出口压力膨胀栓塞和中出口压力膨胀栓塞被出口一级栓塞护环和出口二级栓塞护环所夹持，所述下出口压力膨胀栓塞被出口二级栓塞护环和出口三级栓塞护环所夹持，在施加上部荷载的情况下，上出口压力膨胀栓塞、中出口压力膨胀栓塞和下出口压力膨胀栓塞发生膨胀与孔壁岩体接触，同时出口栓塞应变片发生膨胀并产生形变与孔壁岩体接触进而测试孔壁应变情况。
本发明所述上部钻杆的上端通过控制钻具连接机上钻杆，所述机上钻杆连接柔性进水管。
本发明所述压力膨胀栓塞采用高分子弹塑性材料制成，性能稳定，可重复使用，安全可靠。
本发明所述硬质花管采用高强度轻质特种钢材制作而成，强度高，稳定可靠。
与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：
(1)本发明能够智能传输水压与水量数据，减少传统读数易产生误差的中间环节，消除了测量渗透水量误差和水压误差，达到了精准测量渗透水量和渗透水压的目的，可以准确获取越岭隧道超深钻孔中岩体的渗透参数，更加全面综合分析越岭隧道超深钻孔中岩体的渗透特征。
(2)本发明的进口、出口压力膨胀栓塞形变组件可以通过施加上部荷载发生膨胀而与孔壁岩体接触实现良好的堵水密封效果及显示形变大小以判断围岩完整性情况，再根据变形数据调整移动位置，使其位于理想的岩体中，从而确定开展压水段的精确位置。
(3)在护环的保护下，能够有效避免钻孔孔壁中滑落的碎石对栓塞及精密测量传感设备的破坏。
(4)本发明进口栓塞应变片和出口栓塞应变片在压力作用下发生变形，作用在岩壁上的印模能够了解试验段落岩体的裂隙分布情况，便于找出超深钻孔中主要出水裂隙特征，结合压水水量数据定量与定性的综合分析岩体的渗透成因。
(5)本发明的栓塞和应变片结合，能够有效结合两者优点，在隔水阻水的同时，又能查明栓塞与岩体的相对变形特征。
(6)本发明结构简单、制造成本低、操作简单，适于广泛推广和使用。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明的组成结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，上部钻杆17的上端通过控制钻具3连接机上钻杆2，机上钻杆2连接柔性进水管1，柔性进水管1通过外部供水设备供水。本发明一种越岭隧道超深钻孔智能传输栓塞压水试验装置，包括用于连接在上部钻杆17下端上的上导管10、用于连接在下部钻杆16上端上的下导管12、硬质花管11、水量采集装置、压力采集装置、数据传输装置、进口压力膨胀栓塞形变组件和出口压力膨胀栓塞形变组件，上导管10和下导管12通过硬质花管11连接，水量采集装置设于上部钻杆17上，压力采集装置设于上导管10上，水量采集装置和压力采集装置分别与数据传输装置连接以智能传输水量数据和压力数据，进口、出口压力膨胀栓塞形变组件通过施加上部荷载发生膨胀而与孔壁岩体接触实现堵水密封及显示形变大小以便判断围岩完整性情况。
在本实施例中，流量采集装置包括水量计和与之连接的水量信号转换器19，水量计采用涡流水量计5，涡流水量计5连接于上部钻杆17的下端，其内部通道与上部钻杆17对接连通，涡流水量计5嵌套于水量信号转换器19中；压力采集装置包括套装在上导管10上的应变压力计7和与之连接的应变传感计20，应变压力计7的外部为应变传感计20；数据传输装置包括信号转换发射器18和信号转换接收器28，信号转换发射器18套装在上部钻杆17上且处于水量信号转换器19的上方，信号转换接收器28位于地面上，水量信号转换器19和应变传感计20分别与信号转换发射器18连接而将水量数据和压力数据传送给信号转换发射器18，信号转换接收器28接收来自信号转换发射器18发送的水量数据和压力数据。
还包括外护环4，外护环4是具有顶面的筒体，该顶面由上部钻杆17穿过而使外护环4套装在上部钻杆17上，内嵌有涡流水量计5的水量信号转换器19与信号转换发射器18均位于外护环4内，压力信号传导线6置于外护环4内并连接信号转换发射器18，同时利用上部钻杆17传递无线信号至地面接收。涡流水量计5嵌于水量信号转换器19中，水量信号转化器19外围是压力信号传导线6，应变压力计7外部为应变传感计20，上部连接压力信号传导线6，下方是进口压力膨胀栓塞形变组件。
进口压力膨胀栓塞形变组件包括自上而下依次套装在上导管10上的进口一级栓塞护环21、上进口压力膨胀栓塞8、进口栓塞应变片22、下进口压力膨胀栓塞9和进口二级栓塞护环23，其中，进口栓塞应变片22连接上进口压力膨胀栓塞8和下进口压力膨胀栓塞9，上进口压力膨胀栓塞8和下进口压力膨胀栓塞9被进口一级栓塞护环21和进口二级栓塞护环23所夹持，进口二级栓塞护环23对下进口压力膨胀栓塞9进行防护，在施加上部荷载的情况下，上进口压力膨胀栓塞和下进口压力膨胀栓塞发生膨胀与孔壁岩体接触，同时进口栓塞应变片发生膨胀并产生形变与孔壁岩体接触进而测试孔壁应变情况。
出口压力膨胀栓塞形变组件包括自上而下依次套装在下导管上的出口一级栓塞护环24、上出口压力膨胀栓塞13、出口栓塞应变片25、中出口压力膨胀栓塞14、出口二级栓塞护环26、下出口压力膨胀栓塞15和出口三级栓塞护环27，其中，出口栓塞应变片25连接上出口压力膨胀栓塞13与中出口压力膨胀栓塞14，上出口压力膨胀栓塞13和中出口压力膨胀栓塞14被出口一级栓塞护环24和出口二级栓塞护环26所夹持，出口一级栓塞护环24对上出口压力膨胀栓塞13进行防护，下出口压力膨胀栓塞15被出口二级栓塞护环26和出口三级栓塞护环27所夹持，出口三级栓塞护环27对下出口压力膨胀栓塞15进行防护，下部钻杆16提供向上的支撑力。在施加上部荷载的情况下，上出口压力膨胀栓塞13、中出口压力膨胀栓塞14和下出口压力膨胀栓塞15发生膨胀与孔壁岩体接触，同时出口栓塞应变片25发生膨胀并产生形变与孔壁岩体接触进而测试孔壁应变情况。
本发明的工作过程如下：准备测试时，提前清理好钻探完成的钻孔，保持孔壁干净，根据现场的取芯情况，大致确定要开展压水试验的段落位置，具体精确的位置需要待本试验装置放入钻孔测试的过程中进行调整确定。通过控制钻具3将机上钻杆2加节延长，让合适长度的下部钻杆16连同本试验装置置入超深钻孔29中，下部钻杆16底部位于孔底以支撑上部施加的载荷。水通过柔性进水管1进入，经过机上钻杆2流入上部钻杆17中，再经过涡流水量计5测试水量后流入上导管10，进入硬质花管11，最终在压力水头作用下进入岩体裂隙。通过施加上部载荷，在进口一级栓塞护环21、进口二级栓塞护环23、出口一级栓塞护环21、出口二级栓塞护环26、出口三级栓塞护环27夹持下，上、下进口两个压力膨胀栓塞及上、中、下三个出口压力膨胀栓塞发生膨胀，形成阻水堵水效果，同时进、出口栓塞应变片一同膨胀并于孔壁岩体接触测试出孔壁应变情况，据此可精确上下移动试验装置至合理试验位置后施加竖向压力并开始压水，此时应变压力计测试出水的压力，反馈给应变传感计，通过应变压力计与应变传感计之间的压力信号传导线6传输到信号转换发射器18中，结合涡流水量计5测试水量后经水量信号转换器19反馈给信号转换发射器18，信号转换发射器18综合将压力和水量数据转化为信号后经过上部钻杆17传输地面被信号转换接收器28接收，准确高精度测试出压水试验参数，完成越岭隧道超深钻孔中岩体的渗透性参数测试工作，同时达到将水压与水量数据智能传输效果。
上部钻杆17通过控制钻具3施加一定向下的压力，使得上进口压力膨胀栓塞8、下进口压力膨胀栓塞9和上出口压力膨胀栓塞13、中出口压力膨胀栓塞14、下出口压力膨胀栓塞15发生膨胀，栓塞与钻孔岩壁密切接触，形成堵水密封效果，此时进口栓塞应变片22和出口栓塞应变片25同时与岩壁接触，通过其变形的大小，判断出围岩完整性情况，再根据变形数据来调整移动位置，使其位于理想的岩体中，从而确定出开展压水段的精确位置。
进口栓塞应变片22和出口栓塞应变片25在压力作用发生变形，作用在岩壁上的印模将能够了解试验段落岩体的裂隙发布情况，结合压水水量数据定量与定性的综合分析岩体的渗透性，并能找出主要出水裂隙。
上部钻杆17通水经过涡流水量计5后，将测算出精确的水流量，然后通过水量信号转换器19将水流量数据转化后传输至信号转换发射器18，发射信号后经过上部钻杆17传送至地面数据信号转化接收器28接收，得出水量数据。
施加压力水头后，水压力作用导致应变压力计7发生应变变形，产生的压力变形数据将通过应变传感计20进行转化，转化后经过压力信号传导线6传输至信号转换发射器18，发射信号后经过上部钻杆17传送至地面数据信号转化接收器28接收，得出水压数据。
本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明的水量采集装置、压力采集装置、数据传输装置、进口压力膨胀栓塞形变组件和出口压力膨胀栓塞形变组件的具体组成结构可以有其它的实施方式。因此，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (8)
1.一种越岭隧道超深钻孔智能传输栓塞压水试验装置，其特征在于：包括用于连接在上部钻杆下端上的上导管、用于连接在下部钻杆上端上的下导管、硬质花管、水量采集装置、压力采集装置、数据传输装置、进口压力膨胀栓塞形变组件和出口压力膨胀栓塞形变组件，所述上导管和下导管通过硬质花管连接，所述水量采集装置设于上部钻杆上，所述压力采集装置设于上导管上，所述水量采集装置和压力采集装置分别与数据传输装置连接以智能传输水量数据和压力数据，所述进口压力膨胀栓塞形变组件和出口压力膨胀栓塞形变组件通过施加上部荷载发生膨胀而与孔壁岩体接触实现堵水密封及显示形变大小以便判断围岩完整性情况；所述进口压力膨胀栓塞形变组件包括自上而下依次套装在上导管上的进口一级栓塞护环、上进口压力膨胀栓塞、进口栓塞应变片、下进口压力膨胀栓塞和进口二级栓塞护环，其中，所述进口栓塞应变片连接上进口压力膨胀栓塞和下进口压力膨胀栓塞，所述上进口压力膨胀栓塞和下进口压力膨胀栓塞被进口一级栓塞护环和进口二级栓塞护环所夹持，在施加上部荷载的情况下，上进口压力膨胀栓塞和下进口压力膨胀栓塞发生膨胀与孔壁岩体接触，同时进口栓塞应变片发生膨胀并产生形变与孔壁岩体接触进而测试孔壁应变情况；所述出口压力膨胀栓塞形变组件包括自上而下依次套装在下导管上的出口一级栓塞护环、上出口压力膨胀栓塞、出口栓塞应变片、中出口压力膨胀栓塞、出口二级栓塞护环、下出口压力膨胀栓塞和出口三级栓塞护环，其中，所述出口栓塞应变片连接上出口压力膨胀栓塞与中出口压力膨胀栓塞，所述上出口压力膨胀栓塞和中出口压力膨胀栓塞被出口一级栓塞护环和出口二级栓塞护环所夹持，所述下出口压力膨胀栓塞被出口二级栓塞护环和出口三级栓塞护环所夹持，在施加上部荷载的情况下，上出口压力膨胀栓塞、中出口压力膨胀栓塞和下出口压力膨胀栓塞发生膨胀与孔壁岩体接触，同时出口栓塞应变片发生膨胀并产生形变与孔壁岩体接触进而测试孔壁应变情况。
2.根据权利要求1所述的越岭隧道超深钻孔智能传输栓塞压水试验装置，其特征在于：所述水量采集装置包括水量计和与之连接的水量信号转换器，所述水量计连接于上部钻杆的下端，其内部通道与上部钻杆对接连通，所述水量计嵌套于水量信号转换器中。
3.根据权利要求2所述的越岭隧道超深钻孔智能传输栓塞压水试验装置，其特征在于：所述压力采集装置包括套装在上导管上的应变压力计和与之连接的应变传感计，所述应变压力计的外部为应变传感计。
4.根据权利要求3所述的越岭隧道超深钻孔智能传输栓塞压水试验装置，其特征在于：所述数据传输装置包括信号转换发射器和信号转换接收器，所述信号转换发射器套装在上部钻杆上且处于水量信号转换器的上方，所述信号转换接收器位于地面上，所述水量信号转换器和应变传感计分别与信号转换发射器连接而将水量数据和压力数据传送给信号转换发射器，所述信号转换接收器接收来自信号转换发射器发送的水量数据和压力数据。
5.根据权利要求4所述的越岭隧道超深钻孔智能传输栓塞压水试验装置，其特征在于：所述越岭隧道超深钻孔智能传输栓塞压水试验装置包括外护环，所述外护环为具有顶面的筒体，该顶面由上部钻杆穿过而使外护环套装在上部钻杆上，内嵌有水量计的水量信号转换器与信号转换发射器均位于所述外护环内。
6.根据权利要求5所述的越岭隧道超深钻孔智能传输栓塞压水试验装置，其特征在于：所述上部钻杆的上端通过控制钻具连接机上钻杆，所述机上钻杆连接柔性进水管。
7.根据权利要求6所述的越岭隧道超深钻孔智能传输栓塞压水试验装置，其特征在于：所述压力膨胀栓塞采用高分子弹塑性材料制成。
8.根据权利要求7所述的越岭隧道超深钻孔智能传输栓塞压水试验装置，其特征在于：所述硬质花管采用高强度轻质特种钢材制成。
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