[發明專利]隧洞圍巖波速和松動圈厚度測試裝置及方法

有效

• 申請號: 201910177002.0
• 申請日: 2019-03-08
• 公開（公告）號: CN109870229B
• 公開（公告）日: 2019-12-03
• 發明（設計）人: 肖國強;周黎明;王法剛;李玉婕;周華敏;付代光;張楊;王復興;張敏;陳志學
• 申請（專利權）人: 長江水利委員會長江科學院
• 主分類號: G01H5/00
• 分類號: G01H5/00;G01H11/06;G01H11/08;G01B17/02
• 代理公司: 42113 武漢楚天專利事務所
• 代理人: 孔敏<國際申請>=<國際公布>=<進入國

1.一種隧洞圍巖波速和松動圈厚度測試裝置，其特征在于：包括聲波接收裝置(14)、充氣裝置(11)、信號采集儀(12)、信號激發裝置(13)、可伸縮連接桿(6)，至少兩個聲波接收裝置(14)通過可伸縮連接桿(6)串接后設于鉆孔孔壁內，所述聲波接收裝置(14)包括聲波換能器(7)、體積可膨脹的氣囊(1)，每個氣囊(1)通過氣囊氣管(2)串接后與充氣裝置(11)連通，充氣裝置(11)通過對氣囊(1)充氣，使氣囊(1)膨脹進而使聲波換能器(7)與鉆孔壁表面緊密接觸；所述信號激發裝置(13)用于在鉆孔外敲擊巖壁激發聲波信號，同時通知信號采集儀(12)開始采集信號，所述聲波換能器(7)用于接收所述聲波信號，并將所述聲波信號轉化為電信號輸出給信號采集儀(12)，所述信號采集儀(12)用于將聲波換能器(7)傳送的電信號存儲并在屏幕上實時顯示波形，并根據計算所得不同深度段巖體的波速值繪制不同深度段的深度波速曲線，依據曲線變化趨勢劃分松動圈厚度；所述聲波接收裝置(14)還包括用于固定氣囊(1)和聲波換能器(7)的聲波換能器固定裝置，所述聲波換能器固定裝置包括能容納聲波換能器(7)的外殼(8)、彈簧蓋(4)，所述外殼(8)為上端開口、下部開口的空腔結構，聲波換能器(7)從上端開口裝入外殼(8)的內腔，且聲波換能器(7)的底部從下部開口伸出與鉆孔巖體表面直接接觸，所述外殼(8)上端蓋設有彈簧蓋(4)，彈簧蓋(4)底部與聲波換能器(7)之間連接有彈簧(5)，所述氣囊(1)固定于彈簧蓋(4)。

2.如權利要求1所述的隧洞圍巖波速和松動圈厚度測試裝置，其特征在于：所述彈簧蓋(4)上設有導線孔(10)，與聲波換能器(7)連接的聲波換能器電纜(3)從導線孔(10)穿出與相鄰聲波接收裝置(14)的聲波換能器(7)連接。

3.如權利要求1所述的隧洞圍巖波速和松動圈厚度測試裝置，其特征在于：所述彈簧蓋(4)兩側設有導氣管槽，氣囊(1)的兩端連接有氣囊氣管(2)，氣囊(1)兩端的氣囊氣管(2)穿過彈簧蓋(4)上的導氣管槽將氣囊(1)固定在彈簧蓋(4)的上部，氣囊氣管(2)與相鄰的聲波接收裝置(14)的氣囊(1)連接。

4.如權利要求1所述的隧洞圍巖波速和松動圈厚度測試裝置，其特征在于：所述充氣裝置(11)位于鉆孔外，充氣裝置(11)通過充氣管與外端的第一個氣囊(1)連接，各個氣囊(1)之間通過氣囊氣管(2)相通后向氣囊(1)充氣，通過氣囊(1)膨脹對聲波接收裝置(14)的彈簧蓋(4)施加一定壓力，然后通過彈簧(5)傳遞壓力使聲波換能器(7)與鉆孔孔壁巖體表面緊密接觸。

5.如權利要求1所述的隧洞圍巖波速和松動圈厚度測試裝置，其特征在于：所述外殼(8)的兩側分別設有一個連接桿螺母接頭(9)，可伸縮連接桿(6)通過外殼(8)上的連接桿螺母接頭(9)進行串聯，將各個聲波接收裝置(14)串聯組成氣壓串聯無水耦合聲波接收裝置。

6.一種隧洞圍巖波速和松動圈厚度測試方法，其特征在于使用權利要求1-5中任一項所述裝置進行，所述方法包括如下步驟：

步驟1：組裝聲波接收裝置(14)：將聲波換能器(7)放入外殼(8)內腔，聲波換能器(7)的底部插入外殼(8)的底部尖端內，外殼(8)上端固定彈簧蓋(4)，固定聲波換能器(7)，聲波換能器電纜(3)沿彈簧蓋(4)的導線孔(10)引出，體積可膨脹的氣囊(1)利用兩根氣囊氣管(2)穿過彈簧蓋(4)上的導氣管槽固定在彈簧蓋(4)的上部，根據工作需要可組裝多個接收裝置；

步驟2：組裝氣壓串聯無水耦合聲波接收裝置：可伸縮連接桿(6)兩端分別對準相鄰外殼(8)的連接桿螺母接頭(9)，旋轉擰緊，氣囊(1)的氣囊氣管(2)相連，第一個氣囊(1)的氣囊氣管(2)與鉆孔外的充氣裝置(11)相連，最后一個氣囊(1)的外端用螺帽密封，防治漏氣；第一個外殼(8)的外端螺母接頭與推拉桿相連，如此將接收裝置串聯成一個整體，形成氣壓串聯無水耦合聲波接收裝置，并依次測量各聲波換能器中心間的距離；

步驟3：用推拉桿將氣壓串聯無水耦合聲波接收裝置推送到指定鉆孔位置；

步驟4：通過充氣裝置(11)對體積可膨脹的氣囊(1)充氣，各個氣囊(1)膨脹，使聲波換能器(7)與鉆孔壁表面緊密接觸；

步驟5：在鉆孔孔口處利用信號激發裝置(13)激發聲波信號，并同步產生電信號，電信號輸入到信號采集儀(12)使其開始采集數據，聲波信號經過巖體發生振動，產生的振動信號傳播到聲波換能器(7)，并被聲波換能器(7)感應接收，聲波換能器(7)將振動信號轉化為電信號，通過聲波換能器電纜(3)輸送到鉆孔孔口外的信號采集儀(12)，將聲波換能器(7)傳送的電信號存儲并在屏幕上實時顯示波形，讀取各個聲波換能器(7)接收到的直達波的到達時間，并利用聲波換能器間距和相應直達波到達的時間差，計算出該段巖體的波速值，即完成一個試驗段的波速測試；

步驟6：釋放氣囊(1)中的氣體，氣囊(1)利用自重收縮，再用推拉桿移動氣壓串聯無水耦合聲波接收裝置到下一深度，重復步驟4和步驟5，進行下一個試驗段的波速測試；

步驟7：繪制不同深度段的深度波速曲線，依據曲線變化趨勢劃分松動圈厚度。