小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统及方法，包括地面支持机构、铠装电缆和变形参数及地应力原位测试机构；变形参数及地应力原位测试机构包括电子控制模块、电机模块、应力解除模块，上、下岩体参数原位测试模块和井下电视模块；通过快速插头实现变形参数及地应力原位测试机构各模块之间的快速拼装，通过专用缆车控制变形参数及地应力原位测试机构在钻孔内升降，通过电子控制模块控制各模块动作，采集和传输信号到地面支持机构，通过井下电视模块识别井壁岩体地层信息，通过岩体参数原位测试模块将变形参数及地应力原位测试机构对中固定在孔内指定深度，实现直接在钻孔中对测试段岩体进行原位变形参数测试。数测试。数测试。

【技术实现步骤摘要】
小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统及方法


[0001]本专利技术属于岩土力学测量
，更具体地，涉及一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统及方法。

技术介绍

[0002]公路铁路等线路工程具有分布广泛、区域地质情况复杂多变等特征，目前相关工程活动已经深入到地下1000米以下，例如大相岭泥巴山隧道中有超过5000米以上的隧道埋深超过1000米，大瑞高速公路高黎贡山隧道的最大埋深达到1150米。特别是高地应力区对隧道的施工产生了极大影响，在软岩地层造成了侧鼓、底鼓等大变形问题，在硬岩地层则导致岩爆、大范围崩塌等工程危害，直接威胁到工程的施工安全，拖延施工进度，造成极大损失，因此了解地应力分布特征在岩土工程领域是至关重要的基础资料。应力解除法是一种得到国际岩石力学测试技术专业委员会推荐的地应力原位测试方法，该方法使用井壁一点处任意方向上的正应变与远场地应力之间的对应关系，反算得到地应力。与其他应力解除法原理相比，局部壁面应力解除法无需在孔底进行测试，理论上突破了孔深的限制，可以应用于深垂直钻孔中。但在应用于公路工程中时，新研发出的深钻孔局部壁面应力解除法还存在以下问题：（1）由于现有局部壁面应力解除法设备是针对大型页岩气开采勘察井设计的，外径大、重量大，设备运输、安装、下放困难，需要依靠专用设备和大型井架才能完成测试；但在公路工程中，现场勘探钻孔条件简陋、环境复杂，采用现有设备难以开展工作；（2）目前局部壁面应力解除法设备缺少井壁摄像设备，无法探明钻孔孔壁情况和岩性条件；（3）由于在1000米以浅的环境中岩芯采取率较低，通常无法通过室内试验的方式求取测试岩层的变形参数，因此需要在地应力测试过程中直接开展原位岩体变形力学参数；（4）现有局部壁面应力解除法设备中的钻头设备采用380V交流电机供电，但在线路工程勘察时，野外不具备相应的电源条件，因此需要采用自带蓄电池，且设备可以通过低压直流电驱动。
[0003]因此，急需一种整体体积小、运输和装配方便、井内下放便捷、能够直接观察钻孔孔壁岩性条件、能够自主供电、且能够直接在钻孔中开展岩体变形参数原位测试试验及原位地应力测量试验的局部壁面应力解除法岩体参数原位测试装置。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统及方法，整体体积小、运输和装配方便、井内下放便捷、能够直接观察钻孔孔壁岩性条件且能够直接在钻孔中开展岩体变形参数原位测试试验，能够解决现有的局部壁面应力解除法测试装置外径大、重量大，运输、安装、下放困难、无法探明钻孔孔壁情况和岩性条件、无法在地应力测试过程中直接开展原位岩体变形力学参数、传统地应力测量时采用交流电对工作环境的供电依赖性较大的一系列问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的一个方面提供一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统，包括地面支持机构、变形参数及地应力原位测试机构以及连接所述地面
支持机构和所述变形参数及地应力原位测试机构的铠装电缆；其中，所述地面支持机构包括两两相连专用缆车、地面控制显示模块以及太阳能光电电源模块；通过所述太阳能光电电源模块为所述地面控制显示模块和所述地面支持机构供电；通过所述铠装电缆实现所述变形参数及地应力原位测试机构和所述地面支持机构之间的数据传输；所述变形参数及地应力原位测试机构包括由上而下依次连接的电子控制模块、上岩体参数原位测试模块、电机模块、应力解除模块、下岩体参数原位测试模块、井下电视模块；通过在相邻两个模块之间设快速插头进行连接，在所述快速插头上设密封圈，实现各模块之间的快速拆卸、拼装和密封；通过所述专用缆车控制所述变形参数及地应力原位测试机构在钻孔内的下降和上升，通过所述电子控制模块控制所述上岩体参数原位测试模块、所述电机模块、所述应力解除模块、所述下岩体参数原位测试模块以及所述井下电视模块的动作，采集和传输各模块的传感信号到所述地面控制显示模块，通过所述上岩体参数原位测试模块和所述下岩体参数原位测试模块直接在钻孔中对测试段岩体进行原位变形参数测试并将所述变形参数及地应力原位测试机构对中固定在孔内指定深度，通过所述电机模块和所述应力解除模块进行井壁应力解除测试，通过所述井下电视识别井壁岩体地层信息，进而实现在地应力测试过程中直接开展原位岩体变形力学参数的测试。
[0006]进一步地，所述铠装电缆的一端与所述专用缆车相连，另一端与所述电子控制模块相连；所述电子控制模块包括与所述铠装电缆相连的电缆马笼头、与所述电缆马笼头相连的防水插头、与所述防水插头相连的电路板、用于安装所述电路板的电路板骨架以及设于所述电路板骨架外部的电子控制模块外壳。
[0007]进一步地，所述上岩体参数原位测试模块和所述下岩体参数原位测试模块结构相同，均包括岩体参数原位测试模块外壳、设于所述岩体参数原位测试模块外壳内部的千斤顶控制单元、高精度位移传感器、液压油腔、第一电路通道以及承压模块；所述千斤顶控制单元设于所述岩体参数原位测试模块外壳的内部中心位置；所述承压模块包括设于所述千斤顶控制单元一侧的第一承压单元和设于所述千斤顶控制单元另一侧的第二承压单元；所述高精度位移传感器在所述第一承压单元和所述第二承压单元内分别设置；通过所述千斤顶控制单元控制所述第一承压单元和所述第二承压单元向相反的方向伸出或收回；所述液压油腔和所述第一电路通道分别设于所述千斤顶控制单元与所述岩体参数原位测试模块外壳内壁的两侧剩余空间内；通过所述千斤顶控制单元控制微型千斤顶实现所述承压模块向孔壁方向的伸出和收回，实现所述承压模块对钻孔孔壁进行加压；通过设于所述承压模块内部的所述高精度位移传感器测量所述承压模块对钻孔孔壁施加压力过程中产生的微小变形；通过所述千斤顶控制单元控制所述承压模块对井壁进行加压的同时，能够实现所述变形参数及地应力原位测试机构在井内的推靠对中。
[0008]进一步地，所述电机模块包括电机模块外壳、油管通路、高速直流无刷电机、变速箱、电机传动轴以及第二电路通道；所述油管通路、所述高速直流无刷电机、所述变速箱以及所述第二电路通道均设于所述电机模块外壳内部；
所述高速直流无刷电机与所述电子控制模块相连；所述变速箱设于所述高速直流无刷电机上远离所述上岩体参数原位测试模块的一端；所述油管通路、所述第二电路通道分别设于所述高速直流无刷电机的两侧；所述电机模块上的所述快速插头设于所述电机模块外壳远离所述上岩体参数原位测试模块的一端；所述电机传动轴设于所述快速插头的中心，且其一端与所述变速箱相连，另一端与下部所述应力解除模块相连；所述电机传动轴的所述油管通路用于为液压油提供移动通道，其通过上方接口与所述上岩体参数原位测试模块中的所述液压油腔相连，通过下方接口与所述应力解除模块相连。
[0009]进一步地，所述应力解除模块包括应力解除模块外壳、应力解除窗口、钻机控制系统及伞形齿轮组、应力解除钻头、推移杆件、移动导板、第三电路通道以及应变测量模块；所述应力解除窗口设于所述应力解除模块外壳的侧面；所述钻机控制系统及伞形齿轮组靠近所述电机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统，其特征在于：包括地面支持机构（1）、变形参数及地应力原位测试机构（2）以及连接所述地面支持机构（1）和所述变形参数及地应力原位测试机构（2）的铠装电缆（3）；其中，所述地面支持机构（1）包括两两相连的专用缆车（11）、地面控制显示模块（12）以及太阳能光电电源模块（13）；通过所述太阳能光电电源模块（13）为所述地面控制显示模块（12）和所述地面支持机构（1）供电；通过所述铠装电缆（3）实现所述变形参数及地应力原位测试机构（2）和所述地面支持机构（1）之间的数据传输；所述变形参数及地应力原位测试机构（2）包括由上而下依次连接的电子控制模块（21）、上岩体参数原位测试模块（22）、电机模块（23）、应力解除模块（24）、下岩体参数原位测试模块（25）以及井下电视模块（26）；通过在相邻两个模块之间设快速插头（4），并在所述快速插头（4）上设密封圈（41），实现变形参数及地应力原位测试机构各模块之间的快速拆卸、拼装和密封；通过所述专用缆车（11）控制所述变形参数及地应力原位测试机构（2）在钻孔内的下降和上升，通过所述电子控制模块（21）控制所述变形参数及地应力原位测试机构（2）的其他各个模块的动作，采集和传输所述变形参数及地应力原位测试机构（2）的其他各个模块的传感信号到所述地面控制显示模块（12），通过所述上岩体参数原位测试模块（22）和所述下岩体参数原位测试模块（25）将所述变形参数及地应力原位测试机构（2）对中固定在孔内指定深度并直接在钻孔中对测试段岩体进行原位变形参数测试，通过所述电机模块（23）和所述应力解除模块（24）进行井壁应力解除测试，通过所述井下电视模块（26）识别井壁岩体地层信息，进而实现在地应力测试过程中直接开展原位岩体变形力学参数的测试。2.根据权利要求1所述的小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统，其特征在于：所述铠装电缆（3）的一端与所述专用缆车（11）相连，另一端与所述电子控制模块（21）相连；所述电子控制模块（21）包括与所述铠装电缆（3）相连的电缆马笼头（211）、与所述电缆马笼头（211）相连的防水插头（212）、与所述防水插头（212）相连的电路板（213）、用于安装所述电路板（213）的电路板骨架（214）以及设于所述电路板骨架（214）外部的电子控制模块外壳（215）。3.根据权利要求2所述的小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统，其特征在于：所述上岩体参数原位测试模块（22）和所述下岩体参数原位测试模块（25）结构相同，均包括岩体参数原位测试模块外壳（221）、设于所述岩体参数原位测试模块外壳（221）内部的千斤顶控制单元（222）、高精度位移传感器（223）、液压油腔（224）、第一电路通道（225）以及承压模块（226）；所述千斤顶控制单元（222）设于所述岩体参数原位测试模块外壳（221）的内部中心位置；所述承压模块（226）包括设于所述千斤顶控制单元（222）一侧的第一承压单元和设于所述千斤顶控制单元（222）另一侧的第二承压单元；所述高精度位移传感器（223）在所述第一承压单元和所述第二承压单元内分别设置；通过所述千斤顶控制单元（222）控制所述第一承压单元和所述第二承压单元向相反的方向伸出或收回；所述液压油腔（224）和所述第一电路通道（225）分别设于所述千斤顶控制单元（222）与所述岩体参数原位测试模块外壳（221）内壁的两侧剩余空间内；通过所述千斤顶控制单元（222）控制微型千斤顶实现所述承压模块（226）向孔壁方向
的伸出和收回，实现所述承压模块（226）对钻孔孔壁进行加压；通过设于所述承压模块（226）内部的所述高精度位移传感器（223）测量所述承压模块（226）对钻孔孔壁施加压力过程中产生的微小变形；通过所述千斤顶控制单元（222）控制所述承压模块（226）对井壁进行加压的同时，实现所述变形参数及地应力原位测试机构（2）在井内的推靠对中。4.根据权利要求3所述的小型局部壁面应力解除法岩体参数原位测试系统，其特征在于：所述电机模块（23）包括电机模块外壳（231）、油管通路（232）、高速直流无刷电机（233）、变速箱（234）、电机传动轴（235）以及第二电路通道（236）；所述油管通路（232）、所述高速直流无刷电机（233）、所述变速箱（234）以及所述第二电路通道（236）均设于所述电机模块外壳（231）内部；所述高速直流无刷电机（233）与所述电子控制模块（21）相连；所述变速箱（234）设于所述高速直流无刷电机（233）上远离所述上岩体参数原位测试模块（22）的一端；所述油管通路（232）、所述第二电路通道（236）分别设于所述高速直流无刷电机（233）的两侧；所述电机模块（23）上的所述快速插头（4）设于所述电机模块外壳（231）远离所述上岩体参数原位测试模块（22）的一端；所述电机传动轴（235）设于所述快速插头（4）的中心，且其一端与所述变速箱（234）相连，另一端与下部所述应力解除模块（24）相连；所述电机传动轴（235）的所述油管通路（232）用于为液压油提供移...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨建成，梁艳峰，茶增云，赵泽远，关凤林，宗芋君，郭跃文，汤华，秦雨樵，葛修润，吴振君，张勇慧，袁从华，邓琴，尹小涛，
申请(专利权)人：西双版纳景海高速公路建设投资有限公司中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：