[发明专利]隧洞围岩波速和松动圈厚度测试装置及方法

说明书

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。

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。