[发明专利]一种工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置及其应用方法

说明书

本发明公开了一种工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置及其应用方法。该装置包括触探加载系统(1)、TBM超前钻杆(2)、液压加载系统(3)和控制系统(4)；所述触控加载系统(1)设置于TBM超前钻杆(2)前端的内部；液压加载系(3)统连接到触控加载系统(1)；控制系统(4)连接到触控加载系统(1)和液压加载系统(3)；所述触控加载系统通过压力传感器(13)和位移传感器(14)采集锥形探头(11)加载过程中的压力和位移数据；通过视频摄像机(15)记录加载过程中岩体表面的状态。本装置轻便小巧，操作简单，自动化程度高，可用于获取大量掌子面前方岩体力学参数，提供隧道支护依据，保障隧道施工安全。

技术领域

本发明属于岩体勘探领域，具体涉及一种工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置，特别涉及隧道掘进机(简称TBM)施工时，利用超前钻杆辅助获取掌子面前方岩体力学参数的装置及方法。

背景技术

岩体力学性质是影响TBM掘进的重要因素，单轴抗压强度、岩石硬度、耐磨性以及岩体完整性等都会影响TBM施工的效率。一方面，在隧道施工中，要便捷地测得准确的围岩力学参数，从而保证支护的强度、刚度和稳定性；另一方面，进行数值分析及数值模拟时需要大量的围岩岩体力学参数，才能得到可靠的结果。

目前，获取岩体力学参数的方法主要分为室内试验和原位试验。进行实内试验需要现场取芯，单轴试验、三轴试验、剪切试验和贯入试验等应用较广泛。岩体结构面的发育和分布会影响岩体完整性，在现场取芯时难以取到十分完整的岩芯，导致通过室内试验得到的岩石力学参数与工程岩体的实际参数之间存在误差；大量的取芯工作费时费力，同时也耽误隧道内的支护施工。

原位试验不需要采样，直接利用试验装置在现场对岩石进行试验。现阶段，原位试验获取岩体力学参数多采用钻孔原位测试装置(例如专利：CN108444815A)，在测试前需在岩壁上钻孔，再将测试装置固定，利用计算机控制试验过程并收集数据。但现有的钻孔原位测试方法需专门钻孔，且一般在TBM掘进后地段试验，若要测得掌子面前方的岩体力学参数，需停止施工；且测试时钻孔深度不易保证。

有鉴于此，在TBM的超前钻杆上做改进，设计创造出一种岩体力学参数超前钻孔原位试验仪，在TBM进行超前钻孔的同时，也可以测得掌子面前方岩体的力学参数。该技术可解决传统钻孔原位试验需单独钻孔，且难得到掌子面前方岩体力学参数的弊端；能方便地获取大量的岩体力学参数并节约试验成本。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置，并提供利用该装置对工程岩体进行超前钻孔原位试验的方法。该装置通过超前钻杆钻孔，施加油压推进锥形探头作用于钻孔岩壁，以获取大量的在不同岩性、不同钻孔深度的掌子面前方岩体的荷载-位移数据，进一步绘制得到相关曲线，再将所得数据换算成岩体的单轴抗压强度、模量及脆性等力学参数。这些参数既可用于隧道支护设计，也可用于数值模拟分析，将结果与实际对比。

本发明提供的技术方案如下：

本发明的目的之一在于提供一种工程岩体力学参数超前钻孔原位测试装置，包括触探加载系统(1)、TBM超前钻杆(2)、液压加载系统(3)和控制系统(4)；

所述触控加载系统(1)设置于TBM超前钻杆(2)前端的内部；

液压加载系(3)统连接到触控加载系统(1)；

控制系统(4)连接到触控加载系统(1)和液压加载系统(3)；

所述触控加载系统(1)包括锥形探头(11)、压力传感器(13)、位移传感器(14)、油缸(12)、视频摄像机(15)，通过压力传感器(13)和位移传感器(14)采集锥形探头(11)加载过程中的压力和位移数据；通过视频摄像机(15)记录加载过程中岩体表面的状态。