一種氣動鑿巖機(jī)隨鉆探測設(shè)備的研發(fā)*

鄒紹銘，田湖南，譚 飛，姬同旭

(1.中國地質(zhì)大學(xué)，湖北 武漢 430074；2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；3.貴州省交通勘察設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550001）

目前，我國山嶺隧道的開挖仍以鉆爆法為主，其中利用氣動鑿巖機(jī)進(jìn)行鑿巖作業(yè)是最基本、最重要的一項(xiàng)工程任務(wù)。絕大多數(shù)的隧道鑿巖作業(yè)都是以人工操作氣動鑿巖機(jī)為主，由于人為因素主導(dǎo)成分較重，導(dǎo)致施工進(jìn)度和質(zhì)量把控成為難點(diǎn)。并且，鑿巖施工過程中常常會出現(xiàn)一些突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害情況，以水害和泥害最為常見[1]。

氣動鑿巖機(jī)在鑿巖過程中，鑿巖機(jī)與圍巖直接接觸，產(chǎn)生了大量的鉆進(jìn)信息，鉆進(jìn)信息中包含著豐富的地質(zhì)資料，能夠反映圍巖的質(zhì)量情況，是不良地質(zhì)體識別的重要參考依據(jù)[2-3]。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，鑿巖機(jī)操作人員可以根據(jù)鑿巖機(jī)振動的強(qiáng)烈程度判斷前方圍巖質(zhì)量，并通過傳感器將該種主觀感受量化，因此可從氣動鑿巖機(jī)破巖速度和振動響應(yīng)兩方面尋找圍巖與鑿巖機(jī)的聯(lián)系[4-5]。

文章針對隧道中常用的YT28型氣動鑿巖機(jī)，為其研發(fā)一套隨鉆探測設(shè)備，利用各類高精度傳感器，收集炮眼鉆進(jìn)信息，進(jìn)行圍巖質(zhì)量評價(jià)和不良地質(zhì)體判識，預(yù)防工程地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

1 隨鉆探測設(shè)備方案設(shè)計(jì)

1.1 隨鉆探測設(shè)備方案

隨鉆探測設(shè)備安裝的傳感器有激光位移、超聲波位移、拉線位移、三向加速度、傾角（2支）、沖擊力7支傳感器。位移傳感器可以用于監(jiān)測鑿巖機(jī)鉆進(jìn)進(jìn)尺，反映單位時(shí)間的破巖體積；加速度傳感器與沖擊力傳感器可以反映鑿巖機(jī)的振動強(qiáng)烈程度，振動加速度可以用于分析波形和頻譜特征；傾角傳感器主要用于測量機(jī)身和氣腿傾角；數(shù)據(jù)采集器主要采集鑿巖機(jī)工作時(shí)機(jī)身加速度波形、機(jī)身位移、氣腿伸長量及傾角等數(shù)據(jù)。

在隧道掌子面上進(jìn)行鑿巖鉆進(jìn)時(shí)，在機(jī)身和氣腿上安裝的加速度、超聲、傾角、沖擊力和傾角傳感器將會自動、實(shí)時(shí)地采集所需要的多種物理信號。信號通過一臺自主工作的數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行存儲，鉆進(jìn)結(jié)束后可將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，以便使用者進(jìn)行分析與處理。

1.2 硬件設(shè)備的選型

隨鉆探測設(shè)備共使用了6種類型的傳感器，其中激光位移傳感器、超聲波位移傳感器和拉線位移傳感器的作用都是監(jiān)測鑿巖過程中鑿巖機(jī)的鉆進(jìn)位移量，用于計(jì)算破巖速度。使用3支不同原理的位移傳感器是為了測試環(huán)境適應(yīng)度，通過現(xiàn)場試驗(yàn)篩選可以在噪聲、潮濕、粉塵和高強(qiáng)度振動鑿巖的環(huán)境下進(jìn)行正常數(shù)據(jù)采集工作的傳感器。

壓電式三向加速度傳感器主要功能為監(jiān)測記錄鑿巖機(jī)機(jī)體在鉆進(jìn)過程中3個(gè)方向產(chǎn)生的加速度值，X方向設(shè)置為主方向，即鑿巖機(jī)鉆進(jìn)方向。膜盒式?jīng)_擊力傳感器主要功能為監(jiān)測和記錄鑿巖機(jī)在鉆進(jìn)過程中氣腿與地面的沖擊力。在氣動鑿巖機(jī)的機(jī)身和氣腿分別安裝了一個(gè)傾角傳感器，主要功能是監(jiān)測氣腿、機(jī)身與地面的角度變化。

數(shù)據(jù)采集器采用電池供電的一體化設(shè)計(jì)，以采集卡和嵌入式主板為核心，內(nèi)部集成傳感器供電單元，確保各種傳感器可以正常運(yùn)行工作，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集器機(jī)箱采用防水、防塵全屏蔽設(shè)計(jì)，采集信號和數(shù)據(jù)導(dǎo)出的接口均進(jìn)行了特殊研制，能夠適應(yīng)使用現(xiàn)場潮濕泥濘、灰塵大的環(huán)境特點(diǎn)。

圖1 數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器分別接入1路超聲位移傳感器信號（激光與超聲波共用）、3路加速傳感器信號、2路傾角傳感器信號、1路壓力傳感器信號、1路拉線位移傳感器信號，共8個(gè)通道，實(shí)現(xiàn)8路同步采集工作，最高采樣率20K/CH。數(shù)據(jù)可本地保存，同時(shí)支持后期導(dǎo)出。數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)為自主工作模式，運(yùn)行啟動后自動進(jìn)行連續(xù)采集工作，同時(shí)配置大容量硬盤確保能存儲所采集的大量數(shù)據(jù)，測試結(jié)束后通過接口將采集數(shù)據(jù)導(dǎo)出以便建模分析處理。數(shù)據(jù)采集器主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)采集器主要技術(shù)參數(shù)表

1.3 硬件設(shè)備的安裝加固

設(shè)備方案中，超聲波位移傳感器、三向加速度傳感器、激光位移傳感器和傾角傳感器安裝于鑿巖機(jī)機(jī)身，拉線位移傳感器、壓力傳感器和傾角傳感器安裝于氣腿。

硬件設(shè)備接線先用塑料泡沫軟墊纏繞，再用硬質(zhì)塑料軟管進(jìn)行防護(hù)包裹。為使傳感器的現(xiàn)場安裝及拆卸更加快捷、便利，為兩種安裝位置設(shè)計(jì)制作了兩個(gè)高強(qiáng)度鋁合金材質(zhì)的安裝加固裝置，方便現(xiàn)場使用。

鑿巖機(jī)氣腿加固裝置上固定有拉線位移、沖擊力和傾角3支傳感器，該裝置采用螺紋連接方式，安裝于氣腿的伸縮桿和底爪之間，如圖2所示。

圖2 氣腿加固裝置與傳感器

鑿巖機(jī)機(jī)身加固裝置上固定有超聲波位移、激光位移、三向加速度和傾角4支傳感器，該裝置與鑿巖機(jī)機(jī)身的排氣口的固定方式為螺絲加固，裝置上配有鑿巖機(jī)排氣口罩，如圖3所示。

圖3 機(jī)身加固裝置與傳感器

2 隧道現(xiàn)場測試結(jié)果

2.1 硬件設(shè)備的現(xiàn)場情況

于四川峨邊縣成昆鐵路新林隧道進(jìn)行隨鉆探測設(shè)備測試。采集鑿巖機(jī)工作時(shí)機(jī)身加速度波形、機(jī)身鉆進(jìn)位移、氣腿伸長量及傾角等數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行傳感器篩選與測試硬件設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性。

安裝方案為機(jī)身傳感器設(shè)計(jì)了一個(gè)高強(qiáng)度鋁合金的加固裝置，將三向加速度傳感器、超聲位移傳感器、激光位移傳感器和傾角傳感器安裝在此裝置上，再用螺絲緊固在鑿巖機(jī)機(jī)身上面。加固裝置與4支傳感器的重量約2kg，由于機(jī)身振動加速度太大導(dǎo)致加固裝置也受到很強(qiáng)的往復(fù)振動力，現(xiàn)場測試幾分鐘后發(fā)現(xiàn)螺絲松動甚至加固裝置有脫落的趨勢。但是，為了真實(shí)有效地測試加速度，又不能采用彈簧橡膠等減震措施，故只能降低平臺重量。

拉線位移傳感器、傾角傳感器和沖擊力傳感器的加固裝置安裝在氣腿底部，離地較近，而隧道施工現(xiàn)場地面坑洼雜亂，導(dǎo)致該裝置容易受到地面石塊磕碰，因此也需要調(diào)整安裝位置。

2.2 監(jiān)測參數(shù)分析

（1）拉線位移傳感器采集的數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定可靠，位移量增加表示氣腿伸長，位移量減少到初始值表示氣腿回收。鑿巖時(shí)氣腿不斷伸長，當(dāng)釬桿進(jìn)入掌子面一段長度后氣腿需要進(jìn)行收回，氣腿收回的周期大約為150s，這表示鑿巖機(jī)的鑿巖速率較為穩(wěn)定。

（2）激光位移傳感器采集的數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，測得鑿巖機(jī)在120s內(nèi)，鉆進(jìn)位移量約800mm，平均鉆進(jìn)速率約400mm/min，可信度較高，基本適應(yīng)鑿巖機(jī)高強(qiáng)度的振動狀態(tài)。

（3）超聲位移傳感器采集的數(shù)據(jù)不理想，跳躍性大，數(shù)據(jù)曲線呈現(xiàn)階梯狀分布，未能真實(shí)反映機(jī)身向前的運(yùn)動軌跡。推測超聲波傳感器在現(xiàn)場受到較強(qiáng)的干擾，干擾源可能是鉆桿摩擦、現(xiàn)場各種噪聲等。這些干擾的頻譜能量分布都在超聲波位移傳感器的接收頻段范圍內(nèi)（20～40kHz），影響超聲波數(shù)據(jù)接收模塊的工作。

（4）氣腿與機(jī)身的傾角傳感器由于鑿巖機(jī)振動較大，每一個(gè)時(shí)刻的機(jī)身傾角與氣腿傾角都發(fā)生變化，導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)波動較大。采集的數(shù)據(jù)與拉線位移傳感器數(shù)據(jù)相似，也存約150s的變化周期，每一次氣腿伸長收回的過程中，傾角傳感器數(shù)據(jù)大致有一個(gè)先下降后回到初始值的特征。

（5）沖擊力傳感器采集的數(shù)據(jù)表明，氣腿底部的沖擊力變化幅度小。經(jīng)現(xiàn)場觀察和研究鑿巖機(jī)的工作原理，氣腿的推力主要是用于維持鑿巖機(jī)和釬桿穩(wěn)定，鑿巖機(jī)破巖主要靠活塞高速撞擊釬桿形成的沖擊力，而破巖沖擊力這一參數(shù)可以利用鉆進(jìn)過程中的振動加速度進(jìn)行間接反應(yīng)，沖擊力傳感器的布設(shè)位置需要進(jìn)一步調(diào)整。

（6）三向加速度傳感器數(shù)據(jù)采集較穩(wěn)定，合成加速度最大值＞500g（g表示重力加速度），振動加速度過大對傳感器安裝造成極大困難。在100ms范圍內(nèi)出現(xiàn)了4次鑿巖波形過程，每一次鑿巖的波形都由一組尖端脈沖組成，對應(yīng)一次鑿巖的物理過程，即鉆桿接觸巖石和巖石破裂的過程。每一次鑿巖的波形都由一組尖端脈沖組成，這些尖端脈沖具有共同形狀特征。從脈沖幅度變換來看，從小的脈沖幅度逐漸增大到最大峰值點(diǎn)再逐漸減小，最大峰值點(diǎn)出現(xiàn)的位置大部分在脈沖組的中間位置，每一組脈沖時(shí)間寬度即持續(xù)時(shí)間基本相同，在20～30ms，振動加速度波形如圖4所示。觀察不同鉆孔的振動加速度X方向的波形圖，發(fā)現(xiàn)單個(gè)波形具有相似的形狀特征，但不同圍巖級別的鉆孔數(shù)據(jù)間，波形的脈沖幅度與最大峰值具有明顯的差異。利用波形的此類特征作為識別圍巖級別的特征向量，可以在一定范圍上表現(xiàn)出圍巖堅(jiān)硬程度的不同，但還需要在大量現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐下進(jìn)行驗(yàn)證。因此，后期需針對不同圍巖級別進(jìn)行鑿鉆試驗(yàn)，并采集更多的數(shù)據(jù)來驗(yàn)證這個(gè)推測。

圖4 振動加速度波形圖

3 結(jié)論

（1）文章研發(fā)了基于YT28型氣動鑿巖機(jī)的隨鉆探測軟硬件設(shè)備，該套設(shè)備以鉆進(jìn)位移、振動加速度、沖擊力作為主要監(jiān)測參數(shù)，并以各類傳感器和數(shù)據(jù)采集器作為主要硬件模塊，同時(shí)根據(jù)傳感器不同的安裝位置，制作了機(jī)身和氣腿安裝加固裝置。

（2）在不影響正常鑿巖施工的前提下，設(shè)備可以有效采集炮眼鉆進(jìn)信息。隧道現(xiàn)場測試效果較好，設(shè)備性能可以滿足較長時(shí)間隨鉆探測要求。

（3）氣動鑿巖機(jī)的高強(qiáng)度振動對硬件設(shè)備的安裝與防護(hù)始終是一個(gè)巨大的考驗(yàn)，需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備方案。