CN205538848U - 在干孔中自动测试围岩松动圈的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种在干孔中自动测试围岩松动圈的装置。该装置包括外部的注水胶囊、底部的探孔机器人和机器人行走驱动装置；所述的注水胶囊包括若干个储水囊，相邻的储水囊之间以通水管路贯通连接；一端的储水囊上设置有注水管和尾部排气管；另一端的储水囊上设置有端头排气管；在储水囊中设置有至少一个声波发射探头和至少一个声波接收探头；声波发射/接收探头均通过连接导线连接松动圈测试仪；探孔机器人和机器人驱动装置均连接机器人控制装置。本实用新型适用广，用水量极少，使用简便，可同时应用于干孔和有水孔的测试，是一种使用更广泛，操作更便捷，测试结果更准确的岩土声波测试耦合系统装置。

Description

在干孔中自动测试围岩松动圈的装置

技术领域

本实用新型是涉及岩体内部围岩松动圈测试技术领域，具体是指一种在干孔中自动测试围岩松动圈的装置。

背景技术

随着工程建设的复杂程度和对工程地质要求的提高，我们往往需要测试工程场地的岩土的结构状况和力学特性，以便对重大岩土工程设计、建设及其对环境影响进行评估和决策。

目前，利用声波测试对岩土工程做定量化研究，具体是以电磁激振的方法通过声波发射换能器向介质(如：岩石、岩体，混凝土结构等)发射声波，同时在一定的空间距离上通过声波接收换能器接收介质物理特性调制后的声波。通过观测和分析声波在该场地介质中的传播速度、振幅、频率等声学参数，分析得出介质内部的结构和状况，为岩土工程建设提供数据支撑。声波测试实用性强，完全不破坏工程结构，在建设工程中使用广泛，检测技术先进，检测仪器普遍。

超声波法是围岩松动圈测试中最常用的方法之一，其原理是利用超声波在岩土介质中的传播参数和介质物理力学指标存在明显的相关性，通过测试获得的超声波参数来反应岩体的完整性、裂隙发育程度及破裂范围，为判断岩体质量、类别及支护设计提供参考。超声波法测试围岩松动圈的原理简单，探测技术可靠，仪器便宜可重复利用，目前松动圈检测仪已经被广泛的应用隧道及巷道松动圈的测试中，松动圈的探测结果对于隧道及巷道支护有着重要的意义。

具体的，超声波探头和探孔之间的耦合是围岩松动圈超声波测试中的技术关键，一般采用水耦合方法来解决这一问题；即先向探孔中注水，利用探孔形成的封闭的测试空间，然后往封闭的测试空间注水，使得声波换能器处在这一段封闭充满水的探孔中，随后进行逐点测试。但是，在测试段探孔围岩较破碎时，探孔中无法充满水，常规的测试装置不适用。特别是在仰孔或破碎的围岩中，实际注水困难，操作性差。

也有部分松动圈装置可以在干孔中完成对围岩松动圈的测试，然而这些方法基本是通过人工逐点移动探头来完成，即测试完一点手动移动到下一测试点，移距一般为200mm。在强动力冲击、高放射性的环境中利用上述常规的超声波测试围岩松动圈时，操作人员的生命安全面临极大的威胁。

发明内容

本实用新型的目的是：干孔条件下实现围岩松动圈自动测试，解决人工逐点移动探头测试和在危险环境中测试的人员安全问题，提高测试安全性。

该装置它包括外部的注水胶囊、底部的探孔机器人和机器人行走驱动装置；所述的注水胶囊包括若干个储水囊，相邻的储水囊之间以通水管路贯通连接；一端的储水囊上设置有注水管和尾部排气管；另一端的储水囊上设置有端头排气管；在至少一个储水囊中设置有至少一个声波发射探头；在另一个储水囊中设置至少一个声波接收探头；所述的声波发射探头、声波接收探头均通过连接导线连接松动圈测试仪；所述的探孔机器人和机器人驱动装置均连接机器人控制装置。

上述技术方案中，所述的注水胶囊的各个储水囊均为等径的中空的圆环形，中空的连通水管路沿轴向设置在各个储水囊的圆环内侧。

上述技术方案中，所述的注水胶囊上的储水囊分别为至少一个顶部储水囊、至少一个中部储水囊和至少一个底部储水囊，中部储水囊和顶部储水囊以及底部储水囊之间分别设置有连通水管路；顶部储水囊和注水吸水装置贯通连接；顶部储水囊通过注水管和注水吸水装置连接，顶部储水囊上设置尾部排气管，底部储水囊上设置端头排气管；在顶部储水囊中设置有至少一个顶部声波发射探头、中部储水囊中设置有一个中部声波接收探头，底部储水囊中设置有一个底部声波接收探头。

上述技术方案中，所述的注水胶囊的各个储水囊采用同样的弹性材质制成；每个储水囊的外侧周面的弹性系数一致且比其他部位的更大。

上述技术方案中，所述的顶部储水囊上设置的尾部排气管的顶端相比顶部声波发射探头更靠近顶部；端头排气管的顶端相比底部声波接收探头更靠近底部。

上述技术方案中，所述的尾部排气管和端头排气管的材质均采用外径6mm～10mm的钢制压力管。

上述技术方案中，所述的注水管的采用10mm～20mm的钢制承压管。

上述技术方案中，所述的顶部声波发射探头和中部声波接收探头之间的间距为200mm～300mm，中部声波接收探头和底部声波接收探头之间的间距为200mm～300mm。

本实用新型所设计的测试装置与现有的技术装置相比，有以下优点：

1、利用操作设置在底部的探孔机器人，可以实现该装置整体上在探孔中的松动圈的自动测试。由于测试装置搭载在探孔机器人上，同时实现远程操作和自动检测，不需要人工将测试装置放入待测区域，大大提高了安全性。

2、利用多个储水囊分别与探孔孔壁紧贴，创造了封闭式小空间，局部水环境所需要的水很少。声波探头放置在储水囊的内部，声波探头可以与探孔孔壁直接通过水耦合，能量传递损失极小，保证了声波的良好耦合和环形发射、环形接收的特性，从而实现测试结果准确可信。而且，多个储水囊之间相互连通在气囊中注水，水是在一个密闭的水循环系统中使用，不会渗入到探孔中，不论探孔方位、破碎程度如何，均可使用。该密闭循环系统的水不会进入探孔内，不会和探孔的情况相影响，可以同时适用于干孔及有水孔。在同一探孔内的每个测试点的用水可以接着下个测试点使用，水量损耗小。

3、现有技术中，专利申请CN201510148631.2也设计了多个水囊来完成耦合测试。但是，该现有专利设计目的是封闭一段探孔，然后向该段封闭的探孔中注水，使得声波探头处在水环境中形成耦合作用。这种装置要求此段封闭的探孔围岩完整且不透水；若在破碎围岩中无法形成密闭水体空间，无法使用该装置。围岩松动圈测试往往是破碎围岩环境，不能使用专利申请CN201510148631.2。

本实用新型适用广，用水量极少，使用简便，可同时应用于干孔和有水孔的的测试，是一种使用更广泛，操作更便捷，测试结果更准确的岩土声波测试耦合系统装置。

附图说明

图1为本实用新型在干孔中自动测试围岩松动圈的装置的结构示意图。

图2是图1中A-A处的剖面放大视图。

图3是注水胶囊的三维结构示意图。

图中：注水管1、尾部排气管2、端头排气管3、注水胶囊4、顶部储水囊4.1、中部储水囊4.2、底部储水囊4.3、连通水管路4.4、声波发射探头5、中部声波接收探头6、底部声波接收探头7、探孔机器人8、启闭阀门9、连接导线10、松动圈测试仪11、机器人操纵装置12、注水吸水装置13、机器人驱动装置14。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本实用新型的实施情况，但它们不构成对本实用新型的限定，仅作举例而已。同时通过和具体实施对本实用新型作进一步的详细描述。

如图1～3所示，本实用新型设计了一种在干孔中自动测试围岩松动圈的装置，它主要包括外部的注水胶囊4和底部的探孔机器人8。

注水胶囊4为框架式结构，外包在探孔机器人8的后方。探孔机器人8的机器人驱动装置14可以带动整个装置在探孔中移动，保证探孔中多点自动测试。

所述的注水胶囊4包括至少一个顶部储水囊4.1、至少一个中部储水囊4.2、至少一个底部储水囊4.3，中部储水囊4.2和顶部储水囊4.1以及底部储水囊4.3之间分别贯通设置有连通水管路4.4。顶部储水囊4.1通过注水管1和注水吸水装置13连接。顶部储水囊4.1上的尾部排气管2的出气端延伸至机器人驱动装置14的外侧。底部储水囊4.3上还设置有端头排气管3；该端头排气管3向顶部储水囊4.1处延伸至机器人驱动装置14的外侧。所述的尾部排气管2和端头排气管3上均设置有启闭阀门9。

为了保证检测效果，在顶部储水囊4.1中设置有至少一个顶部声波发射探头5，在中部储水囊4.2中设置有至少一个中部声波接收探头6，底部储水囊4.3中设置有至少一个底部声波接收探头7。

所述的顶部声波发射探头5、中部声波接收探头6和底部声波接收探头7均通过连接导线10连接松动圈测试仪11。所述的机器人控制装置12连接并控制探孔机器人8。

具体的，在所述的注水胶囊4中设置顶部储水囊4.1、中部储水囊4.2和底部储水囊4.3各一个。这三个储水囊为等径的圆环形。两个中空的连通水管路4.4沿轴向设置在两两相邻的储水囊之间，且设置在圆环内侧。它们构成的注水胶囊4的整个内部为中空的连通结构，利用注水管1可以将整个注水胶囊4全部充满水。

具体的，所述的注水胶囊4的顶部储水囊4.1、中部储水囊4.2和底部储水囊4.3采用同样的弹性材质制成。顶部储水囊4.1、中部储水囊4.2和底部储水囊4.3的外侧周面的弹性系数一致且比其他部位的更大。这样设计可以保证在注水充满后，再加压注水时，三个储水囊的外侧周面更容易均匀的向外突出，以便于和探孔孔壁接触。或者，还可以将每个储水囊的圆环形的外侧周面制成凸出的圆弧形，也能保证加压注水时的每个储水囊的圆环形的外侧向外充分突出。

注水胶囊4未注水时，机器人驱动装置14伸出在注水胶囊4外，该装置可以整体在探孔内行进。注水胶囊4注水后膨大的各个储水囊和探孔壁充分接触，此时的机器人驱动装置14不接触探孔壁，也不会影响后续的检测效果。

具体的，所述的顶部储水囊4.1上设置的尾部排气管2的进气端相比顶部声波发射探头5更靠近顶部；端头排气管3的进气端相比底部声波接收探头7更靠近底部。

具体的，所述的尾部排气管2和端头排气管3的材质均采用外径6mm～10mm的钢制压力管。

所述的注水管1的采用10mm～20mm的钢制承压管。

所述的顶部声波发射探头5和中部声波接收探头6之间的间距为200mm～300mm，中部声波接收探头6和底部声波接收探头7之间的间距为200mm～300mm。

当探孔为仰孔时(即探孔的开口向上)：

利用该装置在干孔中自动测试围岩松动圈的测试方法，包括如下步骤：

步骤1)：将该装置放入探孔内，探孔机器人8靠近探孔底，启动机器人操纵装置12操纵机器人驱动装置14移动探孔机器人8至待测区域；

步骤2)：开启尾部排气管2，关闭端头排气管3，启动注水吸水装置13通过注水管1往注水胶囊4中注水，直到尾部排气管2中有水流出；关闭尾部排气管2，继续注水使得注水胶囊4的各个储水囊(顶部储水囊4.1、中部储水囊4.2和底部储水囊4.3)膨大至与探孔壁紧密贴合；关闭注水吸水装置13并保持水压恒定；

步骤3)：启动松动圈测试仪11，进行该点的声波测试，记录并存储数据；

步骤4)：启动注水吸水装置13通过注水管1吸水，使得注水胶囊4的各个储水囊恢复并脱离与探孔壁的接触；机器人操纵装置12操纵机器人驱动装置14移动探孔机器人8至下一待测区域；

步骤5)：启动注水吸水装置13，通过注水管1注水，使得注水胶囊4的各个储水囊膨大至与探孔壁紧密贴合；关闭注水吸水装置13并保持水压恒定；

步骤6)：重复步骤3)、4)、5)，直到整个探孔测试完毕。

当探孔为水平孔和俯孔时(即探孔的开口水平或者向下)：

步骤1)和上述探孔为仰孔时相同；

步骤2)：启开端头排气管3，关闭尾部排气管2，启动注水吸水装置13通过注水管1往注水胶囊4中注水，直到端头排气管3中有水流出；关闭端头排气管3，继续注水使得注水胶囊4的各个储水囊膨大至与探孔壁紧密贴合；关闭注水吸水装置13并保持水压恒定；

步骤3)～6)均和上述探孔为仰孔时相同。

当探孔情况不同时，分别利用尾部排气管2或端头排气管3将注水胶囊4内的空气排出，以保证其内注水充分，便于后续的加压注水保证各个环形的储水囊的膨大贴合探孔壁。如果不设置尾部排气管2或端头排气管3，直接在注水胶囊4内充满水后将其放入探孔内检测，一方面机器驱动装置14的负荷很大，行进困难；另一方面充水后的注水胶囊4体积较大，不便于在探孔内移动，容易剐蹭探孔壁损坏储水囊。

为了进一步保证效果，还可以在不同情况下的所有步骤1)中，在测试前，注水胶囊4的顶部储水囊4.1、中部储水囊4.2和底部储水囊4.3外周均涂有密封剂。

其他未说明的部分均属于现有技术。

Claims (8)

1.一种在干孔中自动测试围岩松动圈的装置，其特征在于：它包括外部的注水胶囊(4)、底部的探孔机器人(8)和机器人行走驱动装置(14)；

所述的注水胶囊(4)包括若干个储水囊，相邻的储水囊之间以通水管路(4.4)贯通连接；一端的储水囊上设置有注水管(1)和尾部排气管(2)；另一端的储水囊上设置有端头排气管(3)；

在至少一个储水囊中设置有至少一个声波发射探头；在另一个储水囊中设置至少一个声波接收探头；

所述的声波发射探头、声波接收探头均通过连接导线(10)连接松动圈测试仪(11)；

所述的探孔机器人(8)和机器人驱动装置(14)均连接机器人控制装置(12)。

2.根据权利要求1所述的在干孔中自动测试围岩松动圈的装置，其特征在于：所述的注水胶囊(4)的各个储水囊均为等径的中空的圆环形，中空的连通水管路(4.4)沿轴向设置在各个储水囊的圆环内侧。

3.根据权利要求1或2所述的在干孔中自动测试围岩松动圈的装置，其特征在于：所述的注水胶囊(4)上的储水囊分别为至少一个顶部储水囊(4.1)、至少一个中部储水囊(4.2)和至少一个底部储水囊(4.3)，中部储水囊(4.2)和顶部储水囊(4.1)以及底部储水囊(4.3)之间分别设置有连通水管路(4.4)；顶部储水囊(4.1)和注水吸水装置(13)贯通连接；顶部储水囊(4.1)通过注水管(1)和注水吸水装置(13)连接，顶部储水囊(4.1)上设置尾部排气管(2)，底部储水囊(4.3)上设置端头排气管(3)；

在顶部储水囊(4.1)中设置有至少一个顶部声波发射探头(5)、中部储水囊(4.2)中设置有一个中部声波接收探头(6)，底部储水囊(4.3)中设置有一个底部声波接收探头(7)。

4.根据权利要求3所述的在干孔中自动测试围岩松动圈的装置，其特征在于：所述的注水胶囊(4)的各个储水囊采用同样的弹性材质制成；每个储水囊的外侧周面的弹性系数一致，且每个储水囊的外侧周面比该储水囊其他部位的弹性系数更大。

5.根据权利要求3所述的在干孔中自动测试围岩松动圈的装置，其特征在于：所述的顶部储水囊(4.1)上设置的尾部排气管(2)的顶端相比顶部声波发射探头(5)更靠近顶部；端头排气管(3)的顶端相比底部声波接收探头(7)更靠近底部。

6.根据权利要求1所述的在干孔中自动测试围岩松动圈的装置，其特征在于：所述的尾部排气管(2)和端头排气管(3)的材质均采用外径6mm～10mm的钢制压力管。

7.根据权利要求1所述的在干孔中自动测试围岩松动圈的装置，其特征在于：所述的注水管(1)的采用10mm～20mm的钢制承压管。

8.根据权利要求3所述的在干孔中自动测试围岩松动圈的装置，其特征在于：所述的顶部声波发射探头(5)和中部声波接收探头(6)之间的间距为200mm～300mm，中部声波接收探头(6)和底部声波接收探头(7)之间的间距为200mm～300mm。