隧洞围岩波速和松动圈厚度测试装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种隧洞围岩波速和松动圈厚度测试装置，包括声波接收装置、充气装置、信号采集仪、信号激发装置、可伸缩连接杆，至少两个声波接收装置通过可伸缩连接杆串接后设于钻孔孔壁内，声波接收装置包括声波换能器、体积可膨胀的气囊，每个气囊通过气囊气管串接后与充气装置连通；信号激发装置用于在钻孔外敲击岩壁激发声波信号，声波换能器用于接收所述声波信号，并将所述声波信号转化为电信号输出给信号采集仪，信号采集仪根据计算所得不同深度段岩体的波速值绘制不同深度段的深度波速曲线，依据曲线变化趋势划分松动圈厚度。本发明专利技术解决了钻孔中无水情况下的岩体波速测试不能测试的问题以及岩体波速比水的波速小隧洞围岩岩体波速不能测试的难题。

Test device and method for wave velocity and thickness of loosening zone in surrounding rock of tunnel

The invention provides a device for measuring the wave velocity and the thickness of the loosening ring of surrounding rock of a tunnel, including an acoustic wave receiving device, an inflatable device, a signal acquisition device, a signal exciting device and a retractable connecting rod. At least two acoustic wave receiving devices are connected in series through a retractable connecting rod and then arranged in the borehole wall. The acoustic wave receiving device includes an acoustic wave transducer, an expandable volume air bag, and each air bag passes through. The gas-bag trachea is connected in series with the inflatable device; the signal excitation device is used to excite the sound wave signal by knocking the rock wall outside the borehole; the acoustic transducer is used to receive the sound wave signal, and the sound wave signal is converted into electric signal and output to the signal acquisition instrument. The signal acquisition instrument draws the depth wave velocity curve of different depth sections according to the calculated wave velocity value of rock mass in different depth sections. The variation trend of the curve divides the thickness of the loosening circle. The invention solves the problem that the rock mass wave velocity test can not be tested under the condition of no water in boreholes and that the rock mass wave velocity of tunnel surrounding rock is smaller than that of water.

【技术实现步骤摘要】
隧洞围岩波速和松动圈厚度测试装置及方法
本专利技术涉及岩石声波波速测试
，具体是一种隧洞围岩波速和松动圈厚度测试装置及方法。
技术介绍
受爆破振动和卸荷等因素的影响，隧洞洞室周边一定范围内岩体的力学性状会发生明显劣化，通常称为松动圈或松弛圈，松动圈厚度及其力学性状是围岩支护参数的重要依据。洞室开挖后要开展松动圈厚度测试工作，以验证支护参数是否合理。目前，国内外松动圈测试均采用钻孔声波法测试技术，根据测试获得的岩体波速随孔深的变化趋势来划分松动圈厚度，并利用波速的变化情况评价岩体的性状。常规方法的具体操作如下：先预估洞室围岩松动圈厚度，在洞室表面钻孔，钻孔深度应远大于预估松动圈厚度，钻孔孔内用清水冲洗干净，并注满清水，将一发双收换能器(由一个发射换能器和两个接收换能器组成)放置在钻孔内的预定位置，发射换能器发射声波信号，正常情况下，岩体波速大于水的波速，声波信号在传播过程中，遇到水和钻孔壁岩体会发生折射，形成沿水和岩的分界面传播的滑行波，滑行波以岩体波速向前滑行，比在水中传播的直达波传播速度快，滑行波最先到达接收传感器，读取接收传感器接收到的波形中的初至波到达时间，并利用两接收换能器之间的间距，即可计算出岩体波速，移动一发双收换能器到下一个位置，同理，可获得另一个测点的波速值，最后，绘制孔深波速曲线，根据孔深波速变化趋势，即可确定松动圈厚度，并根据波速的绝对值，评价岩体的性状。传统松动圈测试技术的关键点是必须用水作耦合剂，利用水的波速比岩体波速小形成折射界面，波在分界面处产生滑行波进而获得岩体波速。但在遇到岩体完整性差、钻孔不能储存水以及岩体波速(比如泥岩类)比水的波速小的情况下(不能形成折射界面)，传统技术就不能有效获得岩体波速，进而就不能划分洞室围岩松动圈。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种隧洞围岩波速和松动圈厚度测试装置及方法，解决了钻孔中无水情况下的岩体波速测试不能测试的问题，也解决了岩体波速比水的波速小隧洞围岩岩体波速不能测试的难题，测试结果能够真实高效地测定洞室围岩松动圈厚度和性状。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种隧洞围岩波速和松动圈厚度测试装置，包括声波接收装置、充气装置、信号采集仪、信号激发装置、可伸缩连接杆，至少两个声波接收装置通过可伸缩连接杆串接后设于钻孔孔壁内，所述声波接收装置包括声波换能器、体积可膨胀的气囊，每个气囊通过气囊气管串接后与充气装置连通，充气装置通过对气囊充气，使气囊膨胀进而使声波换能器与钻孔壁表面紧密接触；所述信号激发装置用于在钻孔外敲击岩壁激发声波信号，同时通知信号采集仪开始采集信号，所述声波换能器用于接收所述声波信号，并将所述声波信号转化为电信号输出给信号采集仪，所述信号采集仪用于将声波换能器传送的电信号存储并在屏幕上实时显示波形，并根据计算所得不同深度段岩体的波速值绘制不同深度段的深度波速曲线，依据曲线变化趋势划分松动圈厚度。进一步的，所述声波接收装置还包括用于固定气囊和声波换能器的声波换能器固定装置。进一步的，所述声波换能器固定装置包括能容纳声波换能器的外壳、弹簧盖，所述外壳为上端开口、下部开口的空腔结构，声波换能器可从上部开口装入外壳的内腔，且声波换能器的底部从下部开口伸出与钻孔岩体表面直接接触，所述外壳上端盖设有弹簧盖，弹簧盖底部与声波换能器之间连接有弹簧，所述气囊固定于弹簧盖。进一步的，所述弹簧盖上设有导线孔，与声波换能器连接的声波换能器电缆从导线孔穿出与相邻声波接收装置的声波换能器连接。进一步的，所述弹簧盖两侧设有导气管槽，气囊的两端连接有气囊气管，气囊两端的气囊气管穿过弹簧盖上的导气管槽将气囊固定在弹簧盖的上部，气囊气管与相邻的声波接收装置的气囊连接。进一步的，所述充气装置位于钻孔外，充气装置通过充气管与外端的第一个气囊连接，各个气囊之间通过气囊气管相通后向气囊充气，通过气囊膨胀对声波接收装置的弹簧盖施加一定压力，然后通过弹簧传递压力使声波换能器与钻孔孔壁岩体表面紧密接触。进一步的，所述外壳的两侧分别设有一个连接杆螺母接头，可伸缩连接杆通过外壳上的连接杆螺母接头进行串联，将各个声波接收装置串联组成气压串联无水耦合声波接收装置。一种隧洞围岩波速和松动圈厚度测试方法，其使用上述装置进行，所述方法包括如下步骤：步骤1：组装声波接收装置：将声波换能器放入外壳内腔，声波换能器的底部插入外壳的底部尖端内，外壳上端固定弹簧盖，固定声波换能器，声波换能器电缆沿弹簧盖的导线孔引出，体积可膨胀的气囊利用两根气囊气管穿过弹簧盖上的导气管槽固定在外壳盖的上部，根据工作需要可组装多个接收装置；步骤2：组装气压串联式无水耦合声波接收装置：可伸缩连接杆两端分别对准相邻外壳的连接杆螺母接头，旋转拧紧，气囊的气囊气管相连，第一个气囊的气囊气管与钻孔外的充气装置相连，最后一个气囊的外端用螺帽密封，防治漏气；第一个外壳的外端螺母接头与推拉杆相连，如此将接收装置串联成一个整体，形成气压串联无水耦合声波接收装置，并依次测量各声波换能器中心间的距离；步骤3：用推拉杆将气压串联无水耦合声波接收装置推送到指定钻孔位置；步骤4：通过充气装置对体积可膨胀的气囊充气，各个气囊膨胀，使声波换能器与钻孔壁表面紧密接触；步骤5：在钻孔孔口处利用信号激发装置激发声波信号，并同步产生电信号，电信号输入到信号采集仪使其开始采集数据，声波信号经过岩体发生振动，产生的振动信号传播到声波换能器，并被声波换能器感应接收，声波换能器将振动信号转化为电信号，通过声波换能器电缆输送到钻孔孔口外的信号采集仪，将声波换能器传送的电信号存储并在屏幕上实时显示波形，读取各个声波换能器接收到的直达波的到达时间，并利用声波换能器间距和相应直达波到达的时间差，计算出该段岩体的波速值，即完成一个试验段的波速测试；步骤6：释放气囊中的气体，气囊利用自重收缩，再用推拉杆移动气压串联无水耦合声波接收装置到下一深度，重复步骤4和步骤5，进行下一个试验段的波速测试；步骤7：绘制不同深度段的深度波速曲线，依据曲线变化趋势划分松动圈厚度。本专利技术不需要水等其它液体耦合，利用声波换能器与钻孔壁岩体紧密接触，在钻孔外岩体表面激发声波信号，声波换能器直接接收到经岩体传播过来的直达波，利用直达波初至时间和声波换能器间距计算岩体波速，并依据波速变化趋势确定松动圈厚度，该装置即突破了传统隧洞围岩松动圈厚度测试的的局限性，既解决了钻孔中无水情况下的岩体波速测试，也解决了用水耦合情况下岩体波速比水的波速小的隧洞围岩松动圈厚度不能测试的难题，能够真实高效地测定隧洞围岩松动圈厚度。附图说明图1是本专利技术隧洞围岩波速和松动圈厚度测试装置其中一个实施例的结构示意图；图2是本专利技术中接收装置的结构示意图。图中：1—气囊、2—气囊气管、3—声波换能器电缆、4—弹簧盖、5—弹簧、6—可伸缩连接杆、7—声波换能器、8—外壳、9—连接杆螺母接头、10—导线孔、11—充气装置、12—信号采集仪、13—信号激发装置、14—声波接收装置、15—触发开关、16—同步电缆。具体实施方式下面将结合本专利技术中的附图，对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述。请参阅图1及图2，本专利技术隧洞围岩波速和松动圈厚度测试装置其中一个实施例包括声波接收装置14、充气装置11、信号采集仪12、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种隧洞围岩波速和松动圈厚度测试装置，其特征在于：包括声波接收装置(14)、充气装置(11)、信号采集仪(12)、信号激发装置(13)、可伸缩连接杆(6)，至少两个声波接收装置(14)通过可伸缩连接杆(6)串接后设于钻孔孔壁内，所述声波接收装置(14)包括声波换能器(7)、体积可膨胀的气囊(1)，每个气囊(1)通过气囊气管(2)串接后与充气装置(11)连通，充气装置(11)通过对气囊(1)充气，使气囊(1)膨胀进而使声波换能器(7)与钻孔壁表面紧密接触；所述信号激发装置(13)用于在钻孔外敲击岩壁激发声波信号，同时通知信号采集仪(12)开始采集信号，所述声波换能器(7)用于接收所述声波信号，并将所述声波信号转化为电信号输出给信号采集仪(12)，所述信号采集仪(12)用于将声波换能器(7)传送的电信号存储并在屏幕上实时显示波形，并根据计算所得不同深度段岩体的波速值绘制不同深度段的深度波速曲线，依据曲线变化趋势划分松动圈厚度。

【技术特征摘要】
1.一种隧洞围岩波速和松动圈厚度测试装置，其特征在于：包括声波接收装置(14)、充气装置(11)、信号采集仪(12)、信号激发装置(13)、可伸缩连接杆(6)，至少两个声波接收装置(14)通过可伸缩连接杆(6)串接后设于钻孔孔壁内，所述声波接收装置(14)包括声波换能器(7)、体积可膨胀的气囊(1)，每个气囊(1)通过气囊气管(2)串接后与充气装置(11)连通，充气装置(11)通过对气囊(1)充气，使气囊(1)膨胀进而使声波换能器(7)与钻孔壁表面紧密接触；所述信号激发装置(13)用于在钻孔外敲击岩壁激发声波信号，同时通知信号采集仪(12)开始采集信号，所述声波换能器(7)用于接收所述声波信号，并将所述声波信号转化为电信号输出给信号采集仪(12)，所述信号采集仪(12)用于将声波换能器(7)传送的电信号存储并在屏幕上实时显示波形，并根据计算所得不同深度段岩体的波速值绘制不同深度段的深度波速曲线，依据曲线变化趋势划分松动圈厚度。2.如权利要求1所述的隧洞围岩波速和松动圈厚度测试装置，其特征在于：所述声波接收装置(14)还包括用于固定气囊(1)和声波换能器(7)的声波换能器固定装置。3.如权利要求2所述的隧洞围岩波速和松动圈厚度测试装置，其特征在于：所述声波换能器固定装置包括能容纳声波换能器(7)的外壳(8)、弹簧盖(4)，所述外壳(8)为上端开口、下部开口的空腔结构，声波换能器(7)可从上部开口装入外壳(8)的内腔，且声波换能器(7)的底部从下部开口伸出与钻孔岩体表面直接接触，所述外壳(8)上端盖设有弹簧盖(4)，弹簧盖(4)底部与声波换能器(7)之间连接有弹簧(5)，所述气囊(1)固定于弹簧盖(4)。4.如权利要求3所述的隧洞围岩波速和松动圈厚度测试装置，其特征在于：所述弹簧盖(4)上设有导线孔(10)，与声波换能器(7)连接的声波换能器电缆(3)从导线孔(10)穿出与相邻声波接收装置(14)的声波换能器(7)连接。5.如权利要求3所述的隧洞围岩波速和松动圈厚度测试装置，其特征在于：所述弹簧盖(5)两侧设有导气管槽，气囊(1)的两端连接有气囊气管(2)，气囊(1)两端的气囊气管(2)穿过弹簧盖(5)上的导气管槽将气囊(1)固定在弹簧盖(4)的上部，气囊气管(2)与相邻的声波接收装置(14)的气囊(1)连接。6.如权利要求3所述的隧洞围岩波速和松动圈厚度测试装置，其特征在于：所述充气装置(11)位于钻孔外，充气装置(11)通过充气管与外端的第一个气囊(1)连接，各个气囊(1)之间通过气囊气管(2)相通后向气囊(1)充气，通过气囊(1)膨胀对声波接...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖国强，周黎明，王法刚，李玉婕，周华敏，付代光，张杨，王复兴，张敏，陈志学，
申请(专利权)人：长江水利委员会长江科学院，
类型：发明
国别省市：湖北,42