隧洞围岩波速和松动圈厚度测试装置及方法论文和设计

全文摘要

本发明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。

主设计要求

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；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，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)从上端开口装入外壳(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)。

设计方案

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。

3.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：所述弹簧盖(4)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(4)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。

4.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)膨胀对声波接收装置(14)的弹簧盖(4)施加一定压力，然后通过弹簧(5)传递压力使声波换能器(7)与钻孔孔壁岩体表面紧密接触。

5.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：所述外壳(8)的两侧分别设有一个连接杆螺母接头(9)，可伸缩连接杆(6)通过外壳(8)上的连接杆螺母接头(9)进行串联，将各个声波接收装置(14)串联组成气压串联无水耦合声波接收装置。

6.一种隧洞围岩波速和松动圈厚度测试方法，其特征在于使用权利要求1-5中任一项所述装置进行，所述方法包括如下步骤：

步骤1：组装声波接收装置(14)：将声波换能器(7)放入外壳(8)内腔，声波换能器(7)的底部插入外壳(8)的底部尖端内，外壳(8)上端固定弹簧盖(4)，固定声波换能器(7)，声波换能器电缆(3)沿弹簧盖(4)的导线孔(10)引出，体积可膨胀的气囊(1)利用两根气囊气管(2)穿过弹簧盖(4)上的导气管槽固定在弹簧盖(4)的上部，根据工作需要可组装多个接收装置；

步骤2：组装气压串联无水耦合声波接收装置：可伸缩连接杆(6)两端分别对准相邻外壳(8)的连接杆螺母接头(9)，旋转拧紧，气囊(1)的气囊气管(2)相连，第一个气囊(1)的气囊气管(2)与钻孔外的充气装置(11)相连，最后一个气囊(1)的外端用螺帽密封，防治漏气；第一个外壳(8)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(11)对体积可膨胀的气囊(1)充气，各个气囊(1)膨胀，使声波换能器(7)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(13)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(12)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(7)，并被声波换能器(7)感应接收，声波换能器(7)将振动信号转化为电信号，通过声波换能器电缆(3)输送到钻孔孔口外的信号采集仪(12)，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，读取各个声波换能器(7)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(1)中的气体，气囊(1)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。

设计说明书

技术领域

本发明涉及岩石声波波速测试技术领域，具体是一种隧洞围岩波速和松动圈厚度测试装置及方法。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明采用如下技术方案：

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。

本发明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是本发明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是本发明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

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图1及图2，本发明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、信号激发装置13、可伸缩连接杆6。

所述声波接收装置14具有多个，包括声波换能器7、声波换能器固定装置以及体积可膨胀的气囊1，所述声波换能器7为耐压和密封性的动圈式传感器或压电陶瓷换能器，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，外壳8、弹簧盖7共同对声波换能器7进行固定。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的两侧分别设有一个连接杆螺母接头9，用于与可伸缩连接杆6连接。可伸缩连接杆6通过外壳8上的连接杆螺母接头9进行串联，将各个声波接收装置14串联组成气压串联无水耦合声波接收装置，并将其送入孔壁内指定测试点。

所述外壳8上端盖设有弹簧盖4，弹簧盖4与外壳8上端可为螺纹连接或螺钉连接，弹簧盖4底部与声波换能器7之间连接有弹簧5，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。所述气囊1固定于弹簧盖4，具体的，弹簧盖5两侧设有导气管槽，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。即气囊1的两端连接有气囊气管2，气囊气管2与相邻的声波接收装置14的气囊1连接。

多个声波接收装置14串联连接设于钻孔孔壁内，其中外端声波接收装置14的通过充气管与充气装置11连接，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膨胀对声波接收装置14的弹簧盖4施加一定压力，然后通过弹簧5传递压力使声波换能器7与钻孔孔壁岩体表面紧密接触，可确保声波换能器7与孔壁耦合良好。

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；所述信号激发装置13包括锤击振源或类似声波激发器，通过信号激发装置13在岩体表面激发声波信号，所述信号激发装置13上的触发开关15产生电信号，经同步电缆16输入到信号采集仪12，信号采集仪12在电信号激发瞬间开始采集信号。

外端声波接收装置14的左侧声波换能器电缆3与信号采集仪12通信连接，右侧声波换能器电缆3与相邻声波接收装置14的声波换能器7连接，声波换能器7可接收声波信号，并将其转化为电信号通过声波换能器电缆3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，读取各个声波换能器7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，进而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。

本发明提供一种隧洞围岩波速和松动圈厚度测试方法，其特征在于使用上述装置进行，所述方法包括如下步骤：

步骤1：组装声波接收装置14。将声波换能器7放入外壳8内腔，声波换能器7的底部插入外壳8的底部尖端内，外壳8上端固定弹簧盖5，固定声波换能器7，声波换能器电缆3沿弹簧盖5的导线孔10引出，体积可膨胀的气囊1利用两根气囊气管2穿过弹簧盖5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：组装气压串联无水耦合声波接收装置。可伸缩连接杆6两端分别对准相邻外壳8的连接杆螺母接头9，旋转拧紧，气囊1的气囊气管2相连，第一个气囊1的气囊气管2与钻孔外的充气装置11相连，最后一个气囊1的外端用螺帽密封，防治漏气。第一个外壳8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11对体积可膨胀的气囊1充气，各个气囊1膨胀，使声波换能器7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13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12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7，并被声波换能器7感应接收，声波换能器7将振动信号转化为电信号，通过声波换能器电缆3输送到钻孔孔口外的信号采集仪12，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，读取各个声波换能器7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1中的气体，气囊1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。

本发明突破了传统声波测试松动圈的局限性，该装置即解决了钻孔中无水情况下的岩体波速测试，也解决了岩体波速比水的波速小的情况下隧道围岩松动圈厚度测试，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。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明隧洞围岩波速和松动圈厚度测试装置，包括：充气装置、接收装置、信号激发装置、可伸缩连接杆和；本发明气压串联式无水耦合的隧洞围岩波速和松动圈厚度测试方法是通过声波换能器与钻孔孔壁岩体直接紧密接触来测定直达波在岩体中的传播波速，再利用钻孔深度和波速的变化趋势划分围岩松动圈厚度。本发明实施解决了钻孔中不能储水情况下的岩体波速测试，同时解决了岩体波速比水的波速小的情况下隧道围岩松动圈厚度测试，能真实有效的测定围岩波速和松动圈厚度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

设计图

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