专利名称：深长隧道不良地质和岩体力学性质超前探测装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种超前地质预报技术领域，尤其涉及一种深长隧道不良地质和岩体力学性质超前探测装置及方法。
背景技术：
隧道工程作为一种地质工程，隧道设计和施工前的工程地质勘察，虽然在一定程度上对隧道的地质状况进行了预测和预报，但由于岩体的复杂性，勘察资料与隧道开挖后的实际情况可能会有较大的出入。我国水利水电、交通领域中有大量隧道工程，地质灾害是制约隧道施工的关键因素，往往由于隧道前方地质情况不明、勘察资料无法完全准确反映施工掌子面前方的地质条件，导致施工带有很大盲目性，因而经常出现无法预料的地质灾害，如突水、突泥、坍塌、岩爆和有害气体等，这些由于开挖而诱发的各类地质灾害具有不可选择性、复杂性、特殊性及突发性，灾害一旦发生，轻则冲毁机具，淹没隧道，正常施工被迫中断；重则造成重大人员伤亡，产生巨大的经济损失，甚至有些地下工程会因此被迫停建或改线，常常成为制约隧道修建的最主要因素。因此，隧道岩土工程勘察和隧道施工地质超前预报是隧道施工过程中必不可少的重要环节。常规的隧道岩土工程勘察方法包括工程地质钻探、原位测试和室内试验等，其存在缺陷是1.室内试验周期长，耗资大，而且实验室环境下测定的岩体力学参数可能与实际现场数值有出入，因为实验室内脱离了原始的环境场，不存在应力、温度等约束条件，所以，室内试验很难获得未扰动下的物理力学参数。2.以往的超前地质预报方法,如TSP(tunnel seismic prediction的简称)、地质雷达等不能获取隧道前方30范围内的水体情况，钻孔往往存在“一孔之见”或“三孔之见”的局限性，也就是说，一个钻孔钻不到前方地质内的水体，有时三个钻孔也钻不到，无法全面准确地获取掌子面前方水体的存在情况。3.常规的隧道岩体力学参数都是通过提前钻孔取芯，然后再进行实验室内测得的，但是，深埋的长大隧道不便于在隧道开挖前钻取岩芯，即使有部分岩芯，也无法代表整个隧道的地质情况，隧道实时钻孔监测可以获取隧道各个部位的岩体力学参数和岩性变化情况。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术存在的上述问题和不足；提供一种深长隧道不良地质和岩体力学性质超前探测装置；本发明将钻孔与钻孔雷达相结合，利用传感器技术，实时采集钻机钻进的过程中转速、钻头位移、扭矩、推进力、打击能以及泵压等参数，通过对钻进参数的分析，可以实现对前方30米内地质体中岩体物理力学参数、节理裂隙分布及产状的准确预报，准确的判断探测钻孔周围IOm范围内有无水体情况，本发明无需进行室内试验，在现场便可以完成勘察工作，成本低、占用施工时间短，可以将履带式钻机直接开到隧道掌子面前方，在钻机钻进的同时得到相应的岩土体力学参数。
同时本发明还提供了深长隧道不良地质和岩体力学性质超前探测方法。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种深长隧道不良地质和岩体力学性质超前探测装置，包括钻机、感应系统、数据转换系统、数据分析系统，感应系统安装在钻机上，感应系统、数据转换系统、数据分析系统依次连接，所述的感应系统包括钻头位移采集单元、转速采集单元和压力采集单元。所述钻机包括钻架，钻架与滑块连接，钻架上设有动力头辅助装置，动力头辅助装置与动力头连接，动力头与钻杆连接，所述数据转换系统包括A/D转换器、单片机，A/D转换器将传感器采集的模拟数据转换成数字信号，单片机对接收的数字信号进行处理、并传向数据终端，A/D转换器与单片机连接；所述数据分析系统为计算机或者外部显示终端。所述钻头位移采集单元包括位移传感器，转速采集单元包括转速传感器，压力采集单元包括压力传感器，所述位移传感器为激光测距传感器，所述激光测距传感器、转速传感器、压力传感器通过接头及电缆与A/D转换器连接，单片机与上位机连接，激光测距传感器安装在钻架顶部额头上，转速传感器的探头设于钻机的动力头上，钻杆上设有探针，探针与转速传感器配合；压力传感器通过液压分支与液压管接头连接，液压管接头与液压管连接，液压泵通过液压管与动力头辅助装置连接，液压管的一端与压力滑块连接、另一端与液压表连接，液压管上设有压力表钻架。压力滑块用于失控情况下，控制液体的流速，防止液压过大损伤压力传感器。钻机采用RPD-150C型钻机，RPD-150C型钻机与柴油发动机连接。钻机通过5个液压缸实现大范围作业，钻进速度快，更换钻杆无需人工，可实现150米钻探、取芯，最大口径 225mm。深长隧道不良地质和岩体力学性质超前探测方法，包括以下步骤I)利用激光测距传感器对钻头位移进行测量；2)利用转速传感器对钻头转速进行测量；3)利用压力传感器对钻头压力进行测量。所述钻头位移测量步骤I)包括以下步骤⑴激光测距传感器安装在钻架顶部额头上，钻头的动力头辅助装置推动钻机动力头、钻杆钻入岩土体；⑵动力头向前移动，使激光测距传感器与标准靶之间距离逐渐缩小；⑶激光测距传感器发射激光束，校准激光测距传感器与标准靶的间距，测得动力头的移动距离，即是钻头的位移；⑷激光测距传感器将得到的模拟数据通过接头及电缆传输到A/D转换器，生成模拟信号；(5) A/D转换器将生成的模拟信号转换成数字信号，然后送入单片机；(6)单片机通过将数字信号以曲线的形式呈现在上位机上。所述钻头转速测量步骤2)包括以下步骤⑴钻头动力头辅助装置提供动力使钻机动力头推动钻杆钻入岩土体，同时动力头跟随着钻杆一起转动；⑵钻杆带动探针一起转动,探针转动的信息由转速传感器记录下来、并通过解译得到探针的转动速度；
⑶根据探针转动速度得到钻头的转速参数；⑷转速传感器将得到的模拟数据通过接头及转速传感器电缆传输到A/D转换器，生成模拟信号；(5) A/D转换器将生成的模拟信号转换成数字信号，然后送入单片机；(6)单片机将数字信号以曲线的形式呈现在上位机上。所述钻头压力测量步骤3)包括以下步骤⑴液压传感器安装在液压分支上，液压泵为动力输入装置，通过液压管传输给动力头辅助装置，再由动力头辅助装置推动动力头进行钻探；⑵动力头向前移动，液体通过滑块和压力计之间的液压管，流至与液压管接头，给液压传感器一定的压力；⑶对步骤(2)得到的压力通过计算标定，得到钻头前进时所受压力参数；⑷液压传感器将得到的模拟数据通数据线传输到A/D转换器，生成模拟信号；(5) A/D转换器将生成的模拟信号转换成数字信号，然后送入单片机；(6)单片机将数字信号以曲线的形式呈现在上位机上。本发明工作原理本发明利用传感器技术，实时采集钻机钻进的过程中转速、钻头位移、扭矩、推进力、打击能以及泵压等参数，通过对钻进参数的分析，可以实现对前方30米内地质体中岩体物理力学参数、节理裂隙分布及产状的准确预报，并配合钻孔雷达技术，探测钻孔周围10范围内有无水体情况。工作时，仪器钻进系统通过动力头的旋转推进力将钻杆钻入岩土体内部，随着钻杆的钻进，感应系统实时地采集转速、钻头位移、扭矩等数据，传感器将得到的模拟数据通过接头及电缆传输到数据转换系统内的A/D转换器，生成模拟信号，A/D转换器将生成的模拟信号转换成数字信号，然后送入单片机，单片机在数据分析系统内将数字信号以曲线的形式呈现在上位机上。本发明的有益效果1.本发明将钻孔与钻孔雷达相结合，利用传感器技术，实时采集钻机钻进的过程中转速、钻头位移、扭矩、推进力、打击能以及泵压等参数，实现对前方30米内地质体中岩体物理力学参数、节理裂隙分布及产状的准确预报，准确的判断隧道前方30米内、探测钻孔周围IOm范围内有无水体情况，探测准确度闻。2.本发明无需进行室内试验，能够在现场完成勘察工作，通过将履带式钻机直接开到隧道掌子面前方，在钻机钻进的同时得到相应的岩土体力学参数，操作简单、测量方便、成本低和耗时短的优点。
图1是本发明的效果示意图；图2是本发明的钻头位移参数采集示意图；图3是本发明的转速参数采集示意图；图4是本发明的压力参数采集示意图；图5是本发明的数据处理流程图；其中，1.钻架顶部额头，2.激光测距传感器，3.激光束，4.标准靶，5.滑块，6.动力头辅助装置，7.动力头，8.钻杆，9.岩土体，10.探针，11.转速传感器，12.转速传感器电缆，13.液压传感器，14.压力传感器电缆，15.压力表，16.压力滑块，17.液压管，18.液压分支，19.液压管接头，20. A/D转换器，21.单片机，22.上位机。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。结合图1至图5，一种深长隧道不良地质和岩体力学性质超前探测装置，包括钻机、感应系统、数据转换系统、数据分析系统，感应系统安装在钻机上，感应系统、数据转换系统、数据分析系统依次连接，所述的感应系统包括钻头位移采集单元、转速采集单元和压力采集单元。所述钻机包括钻架，钻架与滑块5连接，钻架上设有动力头辅助装置6，动力头辅助装置6与动力头7连接，动力头7与钻杆8连接，所述数据转换系统包括A/D转换器、单片机，A/D转换器将传感器采集的模拟数据转换成数字信号，单片机对接收的数字信号进行处理、并传向数据终端，A/D转换器与单片机连接；所述数据分析系统为计算机或者外部显示终端。安放在测试现场、实验室或者较远处的办公室。所述钻头位移采集单元包括位移传感器，转速采集单元包括转速传感器11，压力采集单元包括压力传感器13，所述位移传感器为激光测距传感器2，所述激光测距传感器
2、转速传感器11、压力传感器13通过接头及电缆与A/D转换器20连接，单片机21与上位机22连接，激光测距传感器2安装在钻架顶部额头I上，转速传感器11的探头设于钻机的动力头上，钻杆8上设有探针10，探针10与转速传感器11配合；压力传感器13通过液压分支18与液压管接头19连接，液压管接头19与液压管17连接，液压泵通过液压管17与动力头辅助装置6连接，液压管17与一端与压力滑块16连接、另一端与液压表连接，液压管17上设有压力表15。钻机采用RPD-150C型钻机，RPD-150C型钻机与柴油发动机连接。钻机通过5个液压缸实现大范围作业，钻进速度快，更换钻杆无需人工，可实现150米钻探、取芯，最大口径225mm,感应系统安装在钻机或者钻架上，用于获得钻机的钻进参数，包括钻头位移采集单元、转速采集单元和压力采集单元；深长隧道不良地质和岩体力学性质超前探测方法，包括以下步骤I)利用激光测距传感器2对钻头位移进行测量；2)利用转速传感器11对钻头转速进行测量；3)利用压力传感器13对钻头压力进行测量。所述钻头位移进行测量步骤包括⑴激光测距传感器2安装在钻架顶部额头I上，钻头的动力头辅助装置6推动钻机动力头7、钻杆8钻入岩土体9 ；⑵动力头7向前移动，使激光测距传感器2与标准靶4之间距离逐渐缩小；⑶激光测距传感器2发射激光束3，校准激光测距传感器2与标准靶4的间距，测得动力头7的移动距离，即是钻头的位移；⑷激光测距传感器2将得到的模拟数据通过接头及电缆传输到A/D转换器20，生成模拟信号；(5) A/D转换器20将生成的模拟信号转换成数字信号，然后送入单片机21 ；
(6)单片机21通过将数字信号以曲线的形式呈现在上位机22上；如图3所示，所述钻头转速测量步骤包括本发明的转速采集单元分为以下步骤⑴钻头动力头辅助装置6提供动力使钻机动力头7推动钻杆8钻入岩土体9，同时动力头7跟随着钻杆8一起转动；⑵钻杆8带动探针10 —起转动,探针10转动的信息由转速传感器11记录下来、并通过解译得到探针的转动速度；⑶根据探针转动速度得到钻头的转速参数；⑷转速传感器11将得到的模拟数据通过接头及转速传感器电缆12传输到A/D转换器20,生成模拟信号；(5) A/D转换器20将生成的模拟信号转换成数字信号，然后送入单片机21 ；(6)单片机21将数字信号以曲线的形式呈现在上位机23上；如图4所示，所述钻头压力测量步骤包括⑴液压传感器13安装在液压分支18上，液压泵为动力输入装置，通过液压管17传输给动力头辅助装置，再由动力头辅助装置推动动力头进行钻探；⑵动力头向前移动，液体通过滑块16和压力计15之间的液压管，流至与液压管接头19，给液压传感器13 —定的压力；⑶对步骤(2)得到的压力通过计算标定，得到钻头前进时所受压力参数；⑷液压传感器13将得到的模拟数据通数据线14传输到A/D转换器20，生成模拟
信号;(5) A/D转换器20将生成的模拟信号转换成数字信号，然后送入单片机21 ；(6)单片机21通过已经输入的功能程序，将数字信号以曲线的形式呈现在上位机22上；如图5所示，本发明包括仪器钻进系统、感应系统C、数据转换系统B和数据分析系统A，仪器钻进系统采用RPD-150C钻机，柴油发动机作为动力单元，钻机通过5个液压缸实现大范围作业，钻进速度快，更换钻杆无需人工，可实现150米钻探、取芯，最大口径225mm，感应系统C安装在钻机或者钻架上，用于获得钻机的钻进参数，包括钻头位移采集单元、转速采集单元和压力采集单元；数据转换系统B用于进行数据的传输与转化，包括1)A/D转换器20，将传感器采集的模拟数据转换成数字信号，2)单片机21，执行编好的功能程序，处理得到的数字信号，最终传向数据终端；数据分析系统A安放在测试现场、实验室或者较远处的办公室，可以是上位机22或者外部显示终端。工作时，仪器钻进系统通过动力头的旋转推进力将钻杆钻入岩土体内部，随着钻杆的钻进，感应系统实时地采集转速、钻头位移、扭矩等数据，传感器将得到的模拟数据通过接头及电缆传输到数据转换系统内的A/D转换器20，生成模拟信号，A/D转换器20将生成的模拟信号转换成数字信号，然后送入单片机21，单片机21通过已经输入的功能程序，在数据分析系统A内将数字信号以曲线的形式呈现在上位机22上。上述虽然结合附图对发明的具体实施方式
进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
权利要求
1.一种深长隧道不良地质和岩体力学性质超前探测装置，其特征是，包括钻机、感应系统、数据转换系统、数据分析系统，感应系统安装在钻机上，感应系统、数据转换系统、数据分析系统依次连接，所述的感应系统包括钻头位移采集单元、转速采集单元和压力采集单J Li ο
2.如权利要求1所述的深长隧道不良地质和岩体力学性质超前探测装置，其特征是，所述钻机包括钻架，钻架与滑块连接，钻架上设有动力头辅助装置，动力头辅助装置与动力头连接，动力头与钻杆连接，所述数据转换系统包括A/D转换器、单片机，A/D转换器将传感器采集的模拟数据转换成数字信号，单片机对接收的数字信号进行处理、并传向数据终端，A/D转换器与单片机连接；所述数据分析系统为计算机或者外部显示终端。
3.如权利要求1所述的深长隧道不良地质和岩体力学性质超前探测装置，其特征是，所述钻头位移采集单元包括位移传感器，转速采集单元包括转速传感器，压力采集单元包括压力传感器，所述位移传感器为激光测距传感器，所述激光测距传感器、转速传感器、压力传感器通过接头及电缆与A/D转换器连接，单片机与上位机连接，激光测距传感器安装在钻架顶部额头上，转速传感器的探头设于钻机的动力头上，钻杆上设有探针，探针与转速传感器配合；压力传感器通过液压分支与液压管接头连接，液压管接头与液压管连接，液压泵通过液压管与动力头辅助装置连接，液压管的一端与压力滑块连接、另一端与液压表连接，液压管上设有压力表钻架。
4.如权利要求1所述的深长隧道不良地质和岩体力学性质超前探测装置，其特征是，所述钻机采用RPD-150C型钻机，RPD-150C型钻机与柴油发动机连接。
5.利用权利要求1至4任意一项所述的深长隧道不良地质和岩体力学性质超前探测装置的方法，其特征是，包括以下步骤 1)利用激光测距传感器对钻头位移进行测量； 2)利用转速传感器对钻头转速进行测量； 3)利用压力传感器对钻头压力进行测量。
6.如权利要求5所述的深长隧道不良地质和岩体力学性质超前探测装置方法，其特征是，所述钻头位移测量步骤I)包括 (I)激光测距传感器安装在钻架顶部额头上，钻头的动力头辅助装置推动钻机动力头、钻杆钻入岩土体； ⑵动力头向前移动，使激光测距传感器与标准靶之间距离逐渐缩小； ⑶激光测距传感器发射激光束，进行校准与标准靶的间距，测得动力头的移动距离，即是钻头的位移； ⑷激光测距传感器将得到的模拟数据通过接头及电缆传输到A/D转换器，生成模拟信号; (5)A/D转换器将生成的模拟信号转换成数字信号，然后送入单片机； (6)单片机通过将数字信号以曲线的形式呈现在上位机上。
7.如权利要求5所述的深长隧道不良地质和岩体力学性质超前探测装置方法，其特征是，所述钻头转速测量步骤2)包括 (1)钻头动力头辅助装置提供动力使钻机动力头推动钻杆钻入岩土体，同时动力头跟随着钻杆一起转动；⑵钻杆带动探针一起转动，探针转动的信息由转速传感器记录下来、并通过解译得到探针的转动速度； ⑶根据探针转动速度得到钻头的转速参数； ⑷转速传感器将得到的模拟数据通过接头及转速传感器电缆传输到A/D转换器，生成模拟信号； (5)A/D转换器将生成的模拟信号转换成数字信号，然后送入单片机； (6)单片机将数字信号以曲线的形式呈现在上位机上。
8.如权利要求5所述的深长隧道不良地质和岩体力学性质超前探测装置方法，其特征是，所述钻头压力测量步骤3)包括 ⑴液压传感器安装在液压分支上，液压泵为动力输入装置，通过液压管传输给动力头辅助装置，再由动力头辅助装置推动动力头进行钻探； ⑵动力头向前移动，液体通过滑块和压力计之间的液压管，流至与液压管接头，给液压传感器一定的压力； ⑶对步骤(2)得到的压力通过计算标定，得到钻头前进时所受压力参数； ⑷液压传感器将得到的模拟数据通数据线传输到A/D转换器，生成模拟信号； (5)A/D转换器将生成的模拟信号转换成数字信号，然后送入单片机； (6)单片机将数字信号以曲线的形式呈现在上位机上。
全文摘要
本发明公开了一种深长隧道不良地质和岩体力学性质超前探测装置和方法，包括钻机、感应系统、数据转换系统、数据分析系统，感应系统安装在钻机上，感应系统、数据转换系统、数据分析系统依次连接，所述的感应系统包括钻头位移采集单元、转速采集单元和压力采集单元。本发明将钻孔与钻孔雷达相结合，利用传感器技术，实时采集钻机钻进的过程中转速、钻头位移、扭矩、推进力、打击能以及泵压等参数，实现对前方30米内地质体中岩体物理力学参数、节理裂隙分布及产状的准确预报，准确的探测钻孔周围10m范围内有无水体情况，成本低、占用施工时间短。
文档编号G01V11/00GK103018788SQ201210529458
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月10日 优先权日2012年12月10日
发明者李术才, 薛翊国, 田昊, 李海燕, 刘斌, 刘人太 申请人:山东大学