[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

本發明提供一種隧洞圍巖波速和松動圈厚度測試裝置，包括聲波接收裝置、充氣裝置、信號采集儀、信號激發裝置、可伸縮連接桿，至少兩個聲波接收裝置通過可伸縮連接桿串接后設于鉆孔孔壁內，聲波接收裝置包括聲波換能器、體積可膨脹的氣囊，每個氣囊通過氣囊氣管串接后與充氣裝置連通；信號激發裝置用于在鉆孔外敲擊巖壁激發聲波信號，聲波換能器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，信號采集儀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。本發明解決了鉆孔中無水情況下的巖體波速測試不能測試的問題以及巖體波速比水的波速小隧洞圍巖巖體波速不能測試的難題。

技術領域

本發明涉及巖石聲波波速測試技術領域，具體是一種隧洞圍巖波速和松動圈厚度測試裝置及方法。

背景技術

受爆破振動和卸荷等因素的影響，隧洞洞室周邊一定范圍內巖體的力學性狀會發生明顯劣化，通常稱為松動圈或松弛圈，松動圈厚度及其力學性狀是圍巖支護參數的重要依據。洞室開挖后要開展松動圈厚度測試工作，以驗證支護參數是否合理。

目前，國內外松動圈測試均采用鉆孔聲波法測試技術，根據測試獲得的巖體波速隨孔深的變化趨勢來劃分松動圈厚度，并利用波速的變化情況評價巖體的性狀。常規方法的具體操作如下：先預估洞室圍巖松動圈厚度，在洞室表面鉆孔，鉆孔深度應遠大于預估松動圈厚度，鉆孔孔內用清水沖洗干凈，并注滿清水，將一發雙收換能器(由一個發射換能器和兩個接收換能器組成)放置在鉆孔內的預定位置，發射換能器發射聲波信號，正常情況下，巖體波速大于水的波速，聲波信號在傳播過程中，遇到水和鉆孔壁巖體會發生折射，形成沿水和巖的分界面傳播的滑行波，滑行波以巖體波速向前滑行，比在水中傳播的直達波傳播速度快，滑行波最先到達接收傳感器，讀取接收傳感器接收到的波形中的初至波到達時間，并利用兩接收換能器之間的間距，即可計算出巖體波速，移動一發雙收換能器到下一個位置，同理，可獲得另一個測點的波速值，最后，繪制孔深波速曲線，根據孔深波速變化趨勢，即可確定松動圈厚度，并根據波速的絕對值，評價巖體的性狀。傳統松動圈測試技術的關鍵點是必須用水作耦合劑，利用水的波速比巖體波速小形成折射界面，波在分界面處產生滑行波進而獲得巖體波速。

但在遇到巖體完整性差、鉆孔不能儲存水以及巖體波速(比如泥巖類)比水的波速小的情況下(不能形成折射界面)，傳統技術就不能有效獲得巖體波速，進而就不能劃分洞室圍巖松動圈。

發明內容

本發明的目的在于提供一種隧洞圍巖波速和松動圈厚度測試裝置及方法，解決了鉆孔中無水情況下的巖體波速測試不能測試的問題，也解決了巖體波速比水的波速小隧洞圍巖巖體波速不能測試的難題，測試結果能夠真實高效地測定洞室圍巖松動圈厚度和性狀。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：

一種隧洞圍巖波速和松動圈厚度測試裝置，包括聲波接收裝置、充氣裝置、信號采集儀、信號激發裝置、可伸縮連接桿，至少兩個聲波接收裝置通過可伸縮連接桿串接后設于鉆孔孔壁內，所述聲波接收裝置包括聲波換能器、體積可膨脹的氣囊，每個氣囊通過氣囊氣管串接后與充氣裝置連通，充氣裝置通過對氣囊充氣，使氣囊膨脹進而使聲波換能器與鉆孔壁表面緊密接觸；所述信號激發裝置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開始采集信號，所述聲波換能器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，所述信號采集儀用于將聲波換能器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。

進一步的，所述聲波接收裝置還包括用于固定氣囊和聲波換能器的聲波換能器固定裝置。

進一步的，所述聲波換能器固定裝置包括能容納聲波換能器的外殼、彈簧蓋，所述外殼為上端開口、下部開口的空腔結構，聲波換能器可從上部開口裝入外殼的內腔，且聲波換能器的底部從下部開口伸出與鉆孔巖體表面直接接觸，所述外殼上端蓋設有彈簧蓋，彈簧蓋底部與聲波換能器之間連接有彈簧，所述氣囊固定于彈簧蓋。