一种用于应力解除的可分离式同心三钻头及方法

1.本发明涉及土木工程钻探及地应力测量技术领域，尤其涉及一种用于应力解除的可分离式同心三钻头及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.在复杂地质环境地区，尤其是高地应力环境下进行隧道施工，常需要进行超前水平钻探技术来获取前方预开挖区域地应力大小和方向。避免因区域褶皱挤压导致构造应力过大，没有及时探查修改支护方案采取必要防治措施，而导致岩爆、大变形等大规模地质灾害的发生，造成严重的经济损失和人员伤亡，极大的延误工期。因此，及时探明前方预开挖区域地应力大小和方向，对隧道施工中预防重大地质灾害的发生显得尤为重要。
4.目前，比较成熟的测量地应力方法有水压致裂法、声发射法、套孔套芯应力解除法，其中，套孔套芯应力解除法是岩体测量中应用较广的方法。套孔套芯应力解除法是通过在岩壁上挖环形槽或在岩体内套孔，使一定大小的岩块从周围岩体内孤立出来，该处的应力即被解除，用应变计测量解除后的应变，根据应变计算获得地应力。然而，在使用上述技术获取前方地应力时，存在以下三个方面的问题：
①
需要占用单独的一环施工工序且测量过程中需要不断更换不同直径的钻头和钻杆，极大的耽误工期；
②
测量过程应保证钻孔水平，操作复杂，测量步骤繁琐，测量精度受人为因素影响大；
③
岩芯实现应力解除后发生的应变获取困难且对周围环境要求高。由于以上问题的存在，导致获取的地应力不准确。


技术实现要素：

5.本发明为了解决上述问题，提出了一种用于应力解除的可分离式同心三钻头及方法，实现了对地应力的准确测量。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.第一方面，提出了一种用于应力解除的可分离式同心三钻头，包括同轴设置的中破岩钻、中破环岩钻和外取芯钻，在中破岩钻钻杆上设置数据采集装置，数据采集装置与控制器连接；
8.数据采集装置，用于获取中破岩钻钻进预设长度，中破环岩钻和外取芯钻未钻进时岩芯的初始位置数据，中破岩钻钻进预设长度，外取芯钻钻至与中破岩钻钻头共面时岩芯变形后位置数据；
9.控制器，用于根据岩芯的初始位置数据和岩芯变形后位置数据，确定开挖区域的变形值，根据变形值获得开挖区域地应力。
10.第二方面，提出了一种用于应力解除的可分离式同心三钻头的地应力获取方法，包括：
11.将中破岩钻钻进预设长度，通过数据采集装置获取此时岩芯的初始位置数据；
12.将外取芯钻钻至与中破岩钻钻头共面，通过数据采集装置获取此时岩芯变形后位置数据；
13.控制器根据岩芯的初始位置数据和岩芯变形后位置数据，确定开挖区域的变形值，根据变形值获得开挖区域地应力。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
15.1、本发明通过在中破岩钻钻杆上设置数据采集装置，来获取岩芯的初始位置数据和岩芯变形后位置数据，测量过程不需要更换钻头钻杆，保证了数据采集装置采用同一个位置基准来获取不同数据，当采用该种方式获得数据计算获得开挖区域地应力时，保证了获取地应力的准确性。
16.2、本发明还根据中破环岩钻钻进过程中钻杆的推进力、扭矩和转速，计算了岩石的物理力学参数，该岩石的物理力学参数能真实的反应开挖区域的岩石性能，通过该岩石的物理力学参数和开挖区域的变形值，能够准确的计算出开挖区域地应力。
17.3、本发明在获取岩芯的初始位置数据、岩芯变形后位置数据和岩石的物理力学参数的全过程中，无需更换不同直径的钻头和钻杆，极大的简化了地应力测量的工作环节，极大的节约测量时间。
18.4、本发明的数据采集装置采用激光扫描仪，激光扫描仪实现套孔岩芯位移应变数据获取，数据采集过程无需粘贴应变片等操作，极大的提高测量精度，节约测量时间，减少人为因素对测量数据的影响。
19.5、本发明的可分离式同心三钻头，可实现一孔多点地应力测量，提高钻孔的利用率，获取多点数据有利于感知大区域内地应力场的分布情况。
20.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
21.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
22.图1为实施例1公开三钻头的平面示意图；
23.图2为实施例1公开的数据采集装置连接结构示意图；
24.图3为实施例1公开三钻头的工作流程图；
25.图4为实施例1公开的孔径变形和应力示意图。
26.其中：1、外取芯钻，2、中破环岩钻，3、中破岩钻，4、中破岩钻刀具，5、中破岩钻出风口，6、滚刀，7、刮刀，8、中破环岩钻排渣口，9、外取芯钻刀具，10、外取芯钻排渣口，11、中破岩钻钻杆，12、数据采集装置，13、透明防护罩，14、驱动电机，15、齿轮传动装置。
具体实施方式
27.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
28.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
29.实施例1
30.在该实施例中，公开了一种用于应力解除的可分离式同心三钻头，如图1、图2所示，包括同轴设置的中破岩钻3、中破环岩钻2和外取芯钻1，中破环岩钻2套设于中破岩钻3外部，外取芯钻1套设于中破岩钻3外部。
31.中破岩钻3包括相连接的中破岩钻钻头和中破岩钻钻杆11，中破岩钻钻头上设置中破岩钻刀具4和中破岩钻出风口5，中破岩钻出风口5与中破岩钻钻杆11相连通。
32.中破岩钻刀具4为凸起状坚硬半球体，中破岩钻钻头上设置多个中破岩钻刀具4，多个中破岩钻刀具4在中破岩钻钻头上均布设置，当中破岩钻3钻进时，中破岩钻刀具4可将岩石切割成细小的粉末状颗粒。
33.中破岩钻出风口5经由中破岩钻钻杆11与外界相连，可将外界的风经由中破岩钻钻杆11送至中破岩钻出风口5处吹出，将岩石切割出的粉末状颗粒吹走。
34.外取芯钻1包括相连接的外取芯钻钻头和外取芯钻钻杆，外取芯钻钻头上设置外取芯钻刀具9，外取芯钻刀具9上设置外取芯钻排渣口10。
35.外取芯钻刀具9的厚度与外取芯钻钻杆的壁厚相同，外取芯钻钻杆和外取芯钻刀具9的刚度，能够实现在外取芯钻1钻进过程中，垂直的将中心岩石与外界母岩分离。
36.通过外取芯钻排渣口10将外取芯钻1钻进过程中，外取芯钻刀具9切割岩石产生的岩渣排出。
37.外取芯钻刀具9为多个，多个外取芯钻刀具9在外取芯钻钻头上均布设置，且为了方便刀具更换，将外取芯钻刀具9与外取芯钻钻头采用螺栓连接，当外取芯钻刀具9损坏时，方便对外取芯钻刀具9进行更换。
38.中破环岩钻2包括相连接的中破环岩钻钻头和中破环岩钻钻杆；中破环岩钻钻头上设置滚刀6、刮刀7和中破环岩钻排渣口8。
39.滚刀6高度高于刮刀7高度，在中破环岩钻2钻进过程中，滚刀6率先切割岩石，刮刀7将滚刀切刀下的岩渣进行收集，收集的岩渣经中破环岩钻排渣口8排出。
40.滚刀6和刮刀7均为多个，多个滚刀6和刮刀7均在中破环岩钻钻头上均布设置，且滚刀6和刮刀7为间隔设置。
41.为了方便岩石颗粒和泥土等软弱物质经由刮刀旋转至排渣口排出，将刮刀7设置为不连续件，每个刮刀7包括多个刮刀段，相邻刮刀段间设置预留间距，岩石颗粒和泥土等软弱物质经该间距流至中破环岩钻排渣口8处排出。
42.为了方便更换，将滚刀6与中破环岩钻钻头可拆卸连接。
43.为了实现采用本实施例公开的三钻头进行地应力的测量，在中破岩钻钻杆11上设置数据采集装置12，通过数据采集装置12，获取中破岩钻、中破环岩钻和外取芯钻钻进过程中的岩石数据。
44.数据采集装置12与旋转驱动装置连接，旋转驱动装置能够驱动数据采集装置12绕中破岩钻钻杆轴向旋转，从而能够获得多个方向的岩芯的初始位置数据和岩芯变形后位置数据。
45.数据采集装置12优选为激光扫描仪，通过激光扫描仪的旋转获取钻进过程中的岩石数据。
46.具体的，数据采集装置12，用于获取中破岩钻4钻进预设长度，中破环岩钻2和外取
芯钻1未钻进时岩芯的初始位置数据，及中破岩钻4钻进预设长度，外取芯钻1钻至与中破岩钻钻头共面时岩芯变形后位置数据。
47.旋转驱动装置包括驱动电机14和齿轮传动装置15，驱动电机14通过齿轮传动装置15与数据采集装置12连接，驱动电机14工作，经齿轮传动装置15带动数据采集装置12绕中破岩钻钻杆的轴向旋转。
48.齿轮传动装置15包括相啮合的主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮与驱动电机14的输出轴连接，从动齿轮与数据采集装置12连接，驱动电机14固定于中破岩钻钻杆上。
49.为了防止钻进过程中，岩渣对数据采集装置和旋转驱动装置造成影响，本实施例在数据采集装置与旋转驱动装置的外部设置透明防护罩13，透明防护罩13与中破岩钻钻杆连接，通过透明防护罩13为数据采集装置和旋转驱动装置进行防护。
50.数据采集装置与控制器连接，控制器，用于根据岩芯的初始位置数据和岩芯变形后位置数据，确定开挖区域的变形值，根据变形值获得开挖区域地应力。
51.如图4所示，控制器获得开挖区域地应力的具体过程为：
52.根据岩芯变形后位置数据和岩芯的初始位置数据，获取钻进孔径的变形值；
53.根据钻进孔径的变形值和岩石的物理力学参数，获得开挖区域地应力。
54.其中，岩石的物理力学参数包括岩石的弹性模量和泊松比，获取过程为：获取中破岩钻4钻进预设长度，外取芯钻1钻至与中破岩钻钻头共面后，中破环岩钻2钻进至与中破岩钻钻头共面过程中钻杆的推进力、扭矩和转速；控制器根据钻杆的推进力、扭矩和转速，计算获得岩石的物理力学参数。
55.为了保证开挖区域地应力计算的准确性，计算了钻进孔径三个方向的变形值，通过该三个变形值，准确计算开挖区域地应力，防止了因采用单一方向变形值进行地应力计算时的误差问题。
56.控制器根据钻进孔径的变形值、岩石的物理力学参数和地应力计算模型，获得开挖区域地应力
57.地应力计算模型为：
[0058][0059][0060][0061]
式中，σ1和σ2为垂直钻孔轴线平面内的两个主应力值；d为初始钻进孔径，为根据岩芯的初始位置数据确定的孔径；u1，u2，u3为开挖区域处相互间隔60
°
的三个孔径方向的变形值；e为岩石的弹性模量；ν为泊松比；弹性模量e和泊松比ν通过中破环岩钻钻进过程中钻杆的推进力、扭矩和转速计算获得；β为u1和σ1之间的夹角，从u1逆时针到σ1为正，同时β的范围限制如下：
[0062]
当u2＞u3且u2+u3＜2u1时，0
°
≤β≤45
°
；
[0063]
当u2＞u3且u2+u3＞2u1时，45
°
≤β≤90
°
；
[0064]
当u2＜u3且u2+u3＞2u1时，90
°
≤β≤135
°
；
[0065]
当u2＜u3且u2+u3＜2u1时，135
°
≤β≤180
°
[0066]
假如开挖区域的钻孔轴线和一个主应力方向重合，且该方向主应力值也已知，譬如假设自重应力是一个主应力，且钻孔为垂直方向，那么一个钻孔的孔径变形测量也就能确定该点的三维应力状态；否则，确定垂直钻孔轴线的平面内的二维应力状态。
[0067]
采用本实施例公开的一种用于应力解除的可分离式同心三钻头测量地应力的具体过程，如图3所示，包括：
[0068]
将本实施例公开的一种用于应力解除的可分离式同心三钻头与钻机连接，将钻机开至掌子面前方一定距离处，将本实施例公开的可分离式同心三钻头同步钻进，即将中破岩钻、中破环岩钻和外取芯钻同步钻进至测量区域；之后，将中破岩钻3率先向前钻进，钻进预设长度后中破岩钻3停止转动，将数据采集装置12绕中破岩钻钻杆轴向旋转一周进行扫描，获取岩芯的初始位置数据；待岩芯的初始位置数据采集结束后，外取芯钻1开始向前钻进，钻进预设长度后停止，此时外取芯钻钻头与中破岩钻钻头到达同一平面，此时岩芯脱离原岩，岩芯因脱离约束发生形变，此时将数据采集装置12绕中破岩钻钻杆轴向旋转一周进行扫描，获取岩芯变形后位置数据；待岩芯变形后位置数据采集结束后，通过钻杆不同的推进力、扭矩、转速将中破环岩钻2开始向前钻进，根据钻杆的推进力、扭矩、转速获取中破环岩钻2钻进过程中岩石的物理力学参数，岩石的物理力学参数包括弹性模量、泊松比等；待中破环岩钻2钻进预设长度后，此时中破岩钻、中破环岩钻和外取芯钻的钻头达到同一平面，完成一次数据采集；三钻头可继续同步向前延伸钻进，到达下一个测量区域后，重复上述三钻头分离钻进过程，进行下一组数据采集；最后，控制器根据岩芯的初始位置数据和岩芯变形后位置数据，确定开挖区域的变形值，根据变形值和岩石的物理力学参数获得该处开挖区域的地应力状态。
[0069]
本实施例公开的一种用于应力解除的可分离式同心三钻头，通过在中破岩钻钻杆上设置数据采集装置，来获取岩芯的初始位置数据和岩芯变形后位置数据，测量过程不需要更换钻头钻杆，保证了数据采集装置采用同一个位置基准来获取不同数据，当采用该种方式获得数据计算获得开挖区域地应力时，保证了获取地应力的准确性；由于在获取岩芯的初始位置数据、岩芯变形后位置数据和岩石的物理力学参数的全过程中，无需更换不同直径的钻头和钻杆，极大的简化了地应力测量的工作环节，极大的节约测量时间。
[0070]
本实施例的数据采集装置采用激光扫描仪，激光扫描仪实现套孔岩芯位移应变数据获取，数据采集过程无需粘贴应变片等操作，极大的提高测量精度，节约测量时间，减少人为因素对测量数据的影响。
[0071]
本实施例的可分离式同心三钻头，可实现一孔多点地应力测量，提高钻孔的利用率，获取多点数据有利于感知大区域内地应力场的分布情况
[0072]
实施例2
[0073]
在该实施例中，公开了提出了一种用于应力解除的可分离式同心三钻头的地应力获取方法，包括：
[0074]
将中破岩钻钻进预设长度，通过数据采集装置获取此时岩芯的初始位置数据；
[0075]
将外取芯钻钻至与中破岩钻钻头共面，通过数据采集装置获取此时岩芯变形后位置数据；
[0076]
控制器根据岩芯的初始位置数据和岩芯变形后位置数据，确定开挖区域的变形值，根据变形值获得开挖区域地应力。
[0077]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于应力解除的可分离式同心三钻头，其特征在于，包括同轴设置的中破岩钻、中破环岩钻和外取芯钻，在中破岩钻钻杆上设置数据采集装置，数据采集装置与控制器连接；数据采集装置，用于获取中破岩钻钻进预设长度，中破环岩钻和外取芯钻未钻进时岩芯的初始位置数据，及中破岩钻钻进预设长度，外取芯钻钻至与中破岩钻的钻头共面时岩芯变形后位置数据；控制器，用于根据岩芯的初始位置数据和岩芯变形后位置数据，确定开挖区域的变形值，根据变形值获得开挖区域地应力。2.如权利要求1所述的一种用于应力解除的可分离式同心三钻头，其特征在于，数据采集装置与旋转驱动装置连接，旋转驱动装置能够驱动数据采集装置绕中破岩钻钻杆轴向旋转，。3.如权利要求2所述的一种用于应力解除的可分离式同心三钻头，其特征在于，旋转驱动装置包括驱动电机和齿轮传动装置，驱动电机通过齿轮传动装置与数据采集装置连接。4.如权利要求2所述的一种用于应力解除的可分离式同心三钻头，其特征在于，数据采集装置与旋转驱动装置的外部设置透明防护罩，透明防护罩与中破岩钻钻杆连接。5.如权利要求1所述的一种用于应力解除的可分离式同心三钻头，其特征在于，中破岩钻包括相连接的中破岩钻钻头和中破岩钻钻杆，中破岩钻钻头上设置中破岩钻刀具和中破岩钻出风口，中破岩钻出风口与中破岩钻钻杆相连通。6.如权利要求1所述的一种用于应力解除的可分离式同心三钻头，其特征在于，外取芯钻包括相连接的外取芯钻钻头和外取芯钻钻杆，外取芯钻钻头上设置外取芯钻刀具。7.如权利要求1所述的一种用于应力解除的可分离式同心三钻头，其特征在于，中破环岩钻包括相连接的中破环岩钻钻头和中破环岩钻钻杆；中破环岩钻钻头上设置滚刀和刮刀。8.如权利要求7所述的一种用于应力解除的可分离式同心三钻头，其特征在于，滚刀和刮刀均为多个，多个滚刀和刮刀在中破环岩钻钻头上间隔设置。9.如权利要求1所述的一种用于应力解除的可分离式同心三钻头，其特征在于，控制器获得开挖区域地应力的具体过程为：根据岩芯变形后位置数据和岩芯的初始位置数据，获取钻进孔径的变形值；根据钻进孔径的变形值和岩石的物理力学参数，获得开挖区域地应力；其中，岩石的物理力学参数获取过程为：获取中破岩钻钻进预设长度，外取芯钻钻至与中破岩钻钻头共面后，中破环岩钻钻进至与中破岩钻钻头共面过程中钻杆的推进力、扭矩和转速；根据钻杆的推进力、扭矩和转速，计算获得岩石的物理力学参数。10.一种用于应力解除的可分离式同心三钻头的地应力获取方法，其特征在于，包括：将中破岩钻钻进预设长度，通过数据采集装置获取此时岩芯的初始位置数据；将外取芯钻钻至与中破岩钻的钻头共面，通过数据采集装置获取此时岩芯变形后位置数据；控制器根据岩芯的初始位置数据和岩芯变形后位置数据，确定开挖区域的变形值，根据变形值获得开挖区域地应力。

技术总结
本发明公开的一种用于应力解除的可分离式同心三钻头及方法，包括同轴设置的中破岩钻、中破环岩钻和外取芯钻，在中破岩钻钻杆上设置数据采集装置，数据采集装置与控制器连接；数据采集装置，用于获取中破岩钻钻进预设长度，中破环岩钻和外取芯钻未钻进时岩芯的初始位置数据，及中破岩钻钻进预设长度，外取芯钻钻至与中破岩钻的钻头共面时岩芯变形后位置数据；控制器，用于根据岩芯的初始位置数据和岩芯变形后位置数据，确定开挖区域的变形值，根据变形值获得开挖区域地应力。实现了对地应力的准确测量。地应力的准确测量。地应力的准确测量。


技术研发人员：刘洪亮 刘洋 李术才 李利平 孙子正 成帅 杨光宇 范宏运 王心宇
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/8/4