本發(fā)明屬于深部工程監(jiān)測，特別是涉及一種多源動力擾動觸發(fā)圍巖破裂演化過程長時監(jiān)測裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、在深部工程施工過程中，地震區(qū)開挖隧道受到強震作用產(chǎn)生的地震波、tbm隧道開挖產(chǎn)生的持續(xù)振動、鉆爆法隧道開挖產(chǎn)生的爆破振動、臨近巖爆應(yīng)力波等多源動力擾動，使得深部工程圍巖受到長期的擾動影響，動力擾動對于圍巖內(nèi)部的破裂損傷難以監(jiān)測、評估。

2、深部工程開挖后，洞周切向應(yīng)力成倍增加，徑向應(yīng)力急劇減小，圍巖處于不利應(yīng)力狀態(tài)，多源動力擾動會誘發(fā)巖體開裂、裂紋不斷累積、承載力持續(xù)下降，甚至誘發(fā)時滯型巖爆。現(xiàn)場統(tǒng)計表明，絕大多數(shù)的時滯型巖爆為強烈或極強巖爆，危害性巨大，容易造成嚴重的人員傷亡和設(shè)備損毀。目前，多是基于巖性、工程地質(zhì)條件來預(yù)測時滯型巖爆，而忽略了動力擾動誘發(fā)因素。

3、深部圍巖的內(nèi)部振動監(jiān)測難度較大，工程現(xiàn)場測量應(yīng)力波困難，通過振動傳感器只能測得圍巖表面的振動數(shù)據(jù)，如何感知圍巖內(nèi)部三維應(yīng)力波頻幅特性等成為技術(shù)瓶頸。

4、目前，一般采用石膏粉加水凝固的方式實現(xiàn)振動傳感器與圍巖的耦合，這種耦合方式在強震發(fā)生時，劇烈振動容易導(dǎo)致振動傳感器和圍巖檢測面發(fā)生局部脫離，導(dǎo)致檢測效果不佳或不準的情況發(fā)生。在振動測試完成后，振動傳感器的拆卸困難，振動傳感器探頭表面附著的石灰粉難以清理，影響振動傳感器的后續(xù)使用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種多源動力擾動觸發(fā)圍巖破裂演化過程長時監(jiān)測裝置及方法，能夠在鉆孔內(nèi)實現(xiàn)成像和振動的一體化監(jiān)測，振動監(jiān)測時通過機械升降方式實現(xiàn)傳感器與圍巖的耦合及解耦，實現(xiàn)動力擾動波前后圍巖狀態(tài)的監(jiān)測，識別動力擾動作用下巖體裂隙的萌生、擴展、貫通情況，用于評估三維應(yīng)力波誘發(fā)圍巖內(nèi)部的破裂損傷，可以實現(xiàn)風險區(qū)域圍巖破裂演化過程的長時連續(xù)監(jiān)測。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種多源動力擾動觸發(fā)圍巖破裂演化過程長時監(jiān)測裝置，包括機身框架、孔壁圍巖圖像采集模塊、孔壁多源振動監(jiān)測模塊、孔內(nèi)行走模塊及監(jiān)測信號存儲與傳輸模塊；所述孔壁圍巖圖像采集模塊設(shè)置在機身框架最前端；所述孔壁多源振動監(jiān)測模塊設(shè)置在孔壁圍巖圖像采集模塊后方的機身框架上；所述孔內(nèi)行走模塊設(shè)置在孔壁多源振動監(jiān)測模塊后方的機身框架上；所述監(jiān)測信號存儲與傳輸模塊設(shè)置在機身框架最后端，監(jiān)測信號存儲與傳輸模塊通過電纜線或無線網(wǎng)絡(luò)與鉆孔外部的計算機進行通信連接。

3、所述孔壁圍巖圖像采集模塊包括360°全景攝像機、透明保護罩、led照明燈及錐形反射鏡；所述360°全景攝像機設(shè)置在透明保護罩的中心處；所述led照明燈位于透明保護罩內(nèi)，led照明燈沿360°全景攝像機圓周方向均勻分布；每個所述led照明燈均配置有一個錐形反射鏡，led照明燈設(shè)置在錐形反射鏡中心處。

4、所述孔壁多源振動監(jiān)測模塊包括傳感器升降執(zhí)行機構(gòu)和三軸振動監(jiān)測傳感器總成；所述傳感器升降執(zhí)行機構(gòu)設(shè)置在機身框架上，所述三軸振動監(jiān)測傳感器總成設(shè)置在傳感器升降執(zhí)行機構(gòu)上。

5、所述傳感器升降執(zhí)行機構(gòu)包括第一電動推桿、第一平移滑桿、第一連桿、升降支撐架、第一升降滑桿及第二升降滑桿；所述第一電動推桿水平固裝在機身框架底部，第一電動推桿的動力輸出軸端部鉸接在第一平移滑桿的中部，第一平移滑桿與第一電動推桿垂直分布；在所述機身框架上設(shè)置有水平滑槽；所述第一平移滑桿端部位于水平滑槽內(nèi)，第一平移滑桿沿水平滑槽具有直線平移自由度；所述第一連桿采用平行雙桿結(jié)構(gòu)，第一連桿下端鉸接在第一平移滑桿上，第一連桿上端鉸接在升降支撐架中部；所述升降支撐架水平設(shè)置，所述三軸振動監(jiān)測傳感器總成安裝在升降支撐架上方；所述第一升降滑桿水平安裝在升降支撐架前端，所述第二升降滑桿水平安裝在升降支撐架后端，第一升降滑桿、第二升降滑桿與第一平移滑桿平行分布；在所述機身框架上設(shè)置有第一豎直滑槽和第二豎直滑槽；所述第一升降滑桿端部位于第一豎直滑槽內(nèi)，第一升降滑桿沿第一豎直滑槽具有直線升降自由度；所述第二升降滑桿端部位于第二豎直滑槽內(nèi)，第二升降滑桿沿第二豎直滑槽具有直線升降自由度。

6、所述三軸振動監(jiān)測傳感器總成包括三軸加速度傳感器、聲發(fā)射傳感器、溫度傳感器及脈沖傳感器，所述三軸加速度傳感器、聲發(fā)射傳感器、溫度傳感器及脈沖傳感器集成安裝在耦合外殼中。

7、所述孔內(nèi)行走模塊包括下行走雙出軸電機、下行走輪、第一上行走雙出軸電機、第一上行走輪、第二上行走雙出軸電機、第二上行走輪及上行走輪升降執(zhí)行機構(gòu)；所述下行走雙出軸電機水平固裝在機身框架底部，所述下行走輪安裝在下行走雙出軸電機的電機軸上；所述上行走輪升降執(zhí)行機構(gòu)設(shè)置在機身框架上方；所述第一上行走雙出軸電機和第二上行走雙出軸電機并列設(shè)置在上行走輪升降執(zhí)行機構(gòu)上；所述第一上行走輪安裝在第一上行走雙出軸電機的電機軸上；所述第二上行走輪安裝在第二上行走雙出軸電機的電機軸上；在所述機身框架前端設(shè)置有第一下從動輪，在機身框架后端設(shè)置有第二下從動輪。

8、所述上行走輪升降執(zhí)行機構(gòu)包括第二電動推桿、第二平移滑桿、水平滑軌、第二連桿、第一搖桿、第二搖桿及第三連桿；所述第二電動推桿水平設(shè)置在機身框架上方，第二電動推桿的動力輸出軸鉸接在第二平移滑桿的中部，第二平移滑桿與第二電動推桿垂直分布；所述水平滑軌采用平行雙軌結(jié)構(gòu)，水平滑軌位于第二電動推桿兩側(cè)的機身框架上，所述第二平移滑桿端部位于水平滑軌內(nèi)，第二平移滑桿沿水平滑軌具有直線平移自由度；所述第一搖桿采用平行雙桿結(jié)構(gòu)，第一搖桿下端鉸接在機身框架上，第一搖桿與孔壁多源振動監(jiān)測模塊相鄰，所述第一上行走雙出軸電機固定安裝在第一搖桿上端；所述第二搖桿采用平行雙桿結(jié)構(gòu)，第二搖桿下端鉸接在機身框架上，第二搖桿與監(jiān)測信號存儲與傳輸模塊相鄰，所述第二上行走雙出軸電機固定安裝在第二搖桿上端；所述第二連桿采用平行雙桿結(jié)構(gòu)，第二連桿下端鉸接在第二平移滑桿中部，第二連桿上端鉸接在第二搖桿中部；所述第三連桿采用平行雙桿結(jié)構(gòu)，第三連桿前端鉸接在第一搖桿中部，第三連桿后端鉸接在第二搖桿中部；由所述第一搖桿、第三連桿、第二搖桿及機身框架構(gòu)成平行四邊形機構(gòu)。

9、一種多源動力擾動觸發(fā)圍巖破裂演化過程長時監(jiān)測方法，采用了所述的多源動力擾動觸發(fā)圍巖破裂演化過程長時監(jiān)測裝置，包括如下步驟：

10、步驟一：將多源動力擾動觸發(fā)圍巖破裂演化過程長時監(jiān)測裝置送入鉆孔內(nèi)，使下行走輪、第一下從動輪及第二下從動輪與圍巖孔壁接觸；

11、步驟二：啟動上行走輪升降執(zhí)行機構(gòu)，使第一上行走輪和第二上行走輪與圍巖孔壁接觸；

12、步驟三：在計算機中對振動監(jiān)測點位、振動監(jiān)測時長、異常振動頻率、孔壁圍巖圖像采集模塊運行時間間隔進行設(shè)定；

13、步驟四：啟動下行走雙出軸電機、第一上行走雙出軸電機及第二上行走雙出軸電機，驅(qū)動下行走輪、第一上行走輪和第二上行走輪轉(zhuǎn)動，帶動多源動力擾動觸發(fā)圍巖破裂演化過程長時監(jiān)測裝置移動到振動監(jiān)測點位處；

14、步驟五：啟動傳感器升降執(zhí)行機構(gòu)，向上抬升三軸振動監(jiān)測傳感器總成，使三軸振動監(jiān)測傳感器總成與圍巖孔壁耦合接觸；

15、步驟六：啟動三軸振動監(jiān)測傳感器總成，開啟振動監(jiān)測；

16、步驟七：當達到振動監(jiān)測時長后，啟動傳感器升降執(zhí)行機構(gòu)，使三軸振動監(jiān)測傳感器總成與圍巖孔壁脫離接觸實現(xiàn)解耦，直到三軸振動監(jiān)測傳感器總成回落至初始位置；

17、步驟八：啟動下行走雙出軸電機、第一上行走雙出軸電機及第二上行走雙出軸電機，驅(qū)動下行走輪、第一上行走輪和第二上行走輪轉(zhuǎn)動，帶動多源動力擾動觸發(fā)圍巖破裂演化過程長時監(jiān)測裝置移動到孔口位置處；

18、步驟九：啟動孔壁圍巖圖像采集模塊，同時控制多源動力擾動觸發(fā)圍巖破裂演化過程長時監(jiān)測裝置從孔口位置處向孔底位置處移動，移動過程中通過孔壁圍巖圖像采集模塊對圍巖孔壁進行完整圖像采集；

19、步驟十：當圍巖孔壁的完整圖像采集結(jié)束后，控制多源動力擾動觸發(fā)圍巖破裂演化過程長時監(jiān)測裝置移動回振動監(jiān)測點位處；

20、步驟十一：重復(fù)步驟五至步驟十，進行圍巖破裂演化過程的長時連續(xù)監(jiān)測。

21、本發(fā)明的有益效果：

22、本發(fā)明的多源動力擾動觸發(fā)圍巖破裂演化過程長時監(jiān)測裝置及方法，能夠在鉆孔內(nèi)實現(xiàn)成像和振動的一體化監(jiān)測，振動監(jiān)測時通過機械升降方式實現(xiàn)傳感器與圍巖的耦合及解耦，實現(xiàn)動力擾動波前后圍巖狀態(tài)的監(jiān)測，識別動力擾動作用下巖體裂隙的萌生、擴展、貫通情況，用于評估三維應(yīng)力波誘發(fā)圍巖內(nèi)部的破裂損傷，可以實現(xiàn)風險區(qū)域圍巖破裂演化過程的長時連續(xù)監(jiān)測。