趙清爽

巖體靜彈性模量是水利水電等大型工程建設(shè)中非常重要的巖體參數(shù)，即地下巖體能夠承受多大壓力，在什么樣的情況下會(huì)超出巖石的彈性承受極限，這項(xiàng)信息至關(guān)重要，直接關(guān)系到施工安全、工程安全，若馬虎過關(guān)，相當(dāng)于早早地給工程施工乃至項(xiàng)目建筑埋下了一顆定時(shí)炸彈，后果不堪設(shè)想。

獲取這項(xiàng)關(guān)鍵信息的技術(shù)設(shè)備是物探領(lǐng)域的一項(xiàng)專業(yè)測試儀器，這臺(tái)儀器有著碗口粗細(xì)的鋼制探頭，拖著長長的尾巴，一頭扎進(jìn)深深的洞穴，一會(huì)兒工夫，關(guān)于洞穴內(nèi)巖體的硬度情況、地質(zhì)狀況信息便以準(zhǔn)確數(shù)據(jù)和形象曲線的形式展現(xiàn)在旁邊的主機(jī)屏幕上。這就是由黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司自主研發(fā)的全自動(dòng)智能化鉆孔彈模測試儀。

過去類似的深層巖體測試儀器，笨重而遲緩，儀表計(jì)數(shù)靠人工，一邊加壓一邊讀數(shù)，表盤指針擺動(dòng)不停，數(shù)據(jù)無法精確讀取，代表地下巖體承壓能力、彈性狀況的曲線圖示也需要根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工繪制，易造成人為誤差。

而全自動(dòng)智能化鉆孔彈模測試儀則將探測過程全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，避免了人工誤差，工作效率高，探測結(jié)果精準(zhǔn)，精確度可達(dá)到小數(shù)點(diǎn)位后4位。

除此之外，全自動(dòng)智能化鉆孔彈模測試儀還在許多方面取得了創(chuàng)新和突破。

宮燈形設(shè)計(jì)

黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司物探院項(xiàng)目組早在2003年就發(fā)出疑問，“為什么從一開始國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家的測試儀探頭都是單側(cè)承壓板，而不是雙側(cè)對稱的呢？雙側(cè)對稱的到底行不行，是否更加合理？”經(jīng)過幾年不懈努力研究和眾多專家的評估，項(xiàng)目組認(rèn)為雙側(cè)伸出承壓板是合理的 ，因?yàn)樗淖兞藴y試過程中壓力單向加載造成的誤差，克服了受力不對稱的技術(shù)難題。這是國內(nèi)外首次將探頭工作時(shí)內(nèi)部受壓伸出以感知地底深層巖體彈性狀況的承壓板設(shè)計(jì)為兩側(cè)對稱的“宮燈”形狀，2010年9月成功申請國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局“外觀設(shè)計(jì)型專利”。

最佳角度

全自動(dòng)智能化鉆孔彈模測試儀探頭上的承壓板與受測洞壁接觸形成的弧形角度采用25度，即半角12.5度，這是與其他同類儀器不同的地方，之所以精確到12.5度，是經(jīng)過理論研究和大量比對試驗(yàn)確定下來的最優(yōu)角度，它解決了承壓板與鉆孔孔壁匹配不好而導(dǎo)致測試結(jié)果誤差較大的問題。

之前項(xiàng)目組在使用從廠家購置儀器的過程中發(fā)現(xiàn)，這些儀器都與實(shí)際情況存在較大誤差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了應(yīng)用要求，比如，美國生產(chǎn)的同類儀器——古德曼千斤頂，其半接觸角為45度，工作原理是利用千斤頂，通過剛性承壓板給孔壁施加一對橫向壓力，同時(shí)測量孔徑變形，其測量結(jié)果的準(zhǔn)確性較低，國內(nèi)外存在爭論較多。

最優(yōu)角度的選擇從某種程度上決定了測試結(jié)果的準(zhǔn)確度，角度大小決定了承壓板與孔壁接觸緊密程度的高低，接觸越緊密，承壓板與孔壁之間的空隙就越小，就越能夠反映真實(shí)情況；反之，接觸不好，可能加大誤差。

測量精度的提高還與承壓板伸縮位移量有關(guān)，由于探頭本來就小，里面需要安裝電路、油路、千斤頂、數(shù)據(jù)線等復(fù)雜而精密的元件，空間有限，因此，承壓板伸縮位移量非常有限。

國內(nèi)生產(chǎn)的同類儀器，量程一般只有6～10毫米，在成孔過程中由于受到擾動(dòng)而使鉆孔孔徑偏大時(shí)就無法開展工作。

黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)公司物探院研制的全自動(dòng)智能化鉆孔彈模測試儀探頭位移則能夠達(dá)到15～20毫米，自主研制的大口徑探頭位移可達(dá)300毫米。這樣，探頭測試適應(yīng)了各種特殊情況，而且在不同情況下可選擇合適大小的探頭，仍能夠保障正常工作，大大提高了工作效率和測量精度。

大口徑鉆孔與自動(dòng)判穩(wěn)

大口徑鉆孔（直徑為800～1100毫米）探頭，是項(xiàng)目組在黃河 古賢工地上遇到了難題，迫不得已研制出來的。一般情況下，鉆孔直徑都是75毫米或者90毫米的標(biāo)準(zhǔn)，超大的鉆孔很少見，生產(chǎn)廠家也從來沒有做過超大直徑的鉆頭。但是，在古賢工地勘測過程中，需要測試直徑1000毫米左右的超大孔徑內(nèi)巖體的彈性力學(xué)指標(biāo)。這下問題就出來了，沒有合適的探頭，項(xiàng)目組成員們就開始鉆研、制訂設(shè)計(jì)方案，跟生產(chǎn)廠家進(jìn)行溝通，最終研制出滿足要求的大口徑原位彈性模量測試儀。

主機(jī)中的信息采集板，作用是將地底巖體的壓力、變形等有關(guān)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)的關(guān)鍵元件，完全是由項(xiàng)目組負(fù)責(zé)人之一馬若龍自主研發(fā)的。

該儀器壓力和位移全部采用自動(dòng)化讀數(shù)，大大減少了人工讀數(shù)造成的誤差，提高了精度，推動(dòng)承壓板伸出的內(nèi)部壓力極限的擴(kuò)大也使得儀器在遇到高硬度巖石的時(shí)候能夠正常工作。據(jù)介紹，一般的同類儀器工作壓力在40～60兆帕之間，但是“精靈鼠”工作壓力可達(dá)到75～85兆帕。

另外，幾經(jīng)改進(jìn)的儀器具有自動(dòng)判穩(wěn)（即根據(jù)事先設(shè)定的參數(shù)自動(dòng)控制各個(gè)節(jié)點(diǎn)以及各個(gè)等級(jí)的數(shù)據(jù)記錄）的功能，方便快捷，還具有超限自動(dòng)報(bào)警的功能，這對昂貴精密的儀器是一種自動(dòng)保護(hù)。

由于儀器過于笨重，不便于攜帶操作，項(xiàng)目組就集中攻關(guān)，不斷改進(jìn)設(shè)備，集成操作系統(tǒng)，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)化系統(tǒng)，使儀器越來越輕便，越來越自動(dòng)化，而且越來越精確。

2011年7月25日，由華北水利水電學(xué)院、中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院、黃河水利委員會(huì)、河南省建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督總站、中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限公司、河南省水利勘測有限公司、河南省交通規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院、鄭州大學(xué)的專家組成的鑒定委員會(huì)對全自動(dòng)智能化鉆孔彈模測試儀進(jìn)行鑒定，一致認(rèn)為全自動(dòng)智能化鉆孔彈模測試儀根據(jù)預(yù)設(shè)工作參數(shù)，可快速、自動(dòng)、準(zhǔn)確地獲得巖體的壓力—變形曲線。該成果已在黃河古賢、青海黃藏寺、四川錦屏等國家大型水利水電工程中應(yīng)用，具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，推廣前景廣闊。成果在以下方面取得了創(chuàng)新和突破：

1. 首次研制了大口徑鉆孔（直徑800～1100毫米）原位彈性（變形）模量測試儀。

2. 研究采用了最優(yōu)半接觸角（12.5度），解決了承壓板與鉆孔孔壁匹配不好而導(dǎo)致測試結(jié)果誤差較大的問題。

3. 探頭設(shè)計(jì)采用“宮燈形”結(jié)構(gòu)，單向加載，克服了受力不對稱的技術(shù)難題，測試結(jié)果更加符合實(shí)際。

4. 直徑75毫米、直徑90毫米探頭位移測試量程分別達(dá)到了15毫米和20毫米，最大工作壓力分別達(dá)到了75兆帕和85兆帕，位移量程和工作壓力均超過了國內(nèi)外同類產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)。

5. 儀器的記錄和判穩(wěn)均根據(jù)儀器在開始測試前設(shè)定的參數(shù)自動(dòng)控制，具有自動(dòng)判穩(wěn)和超限自動(dòng)報(bào)警功能。

鑒定委員會(huì)一致認(rèn)為，該成果總體達(dá)到國際先進(jìn)水平，在大口徑測試和探頭結(jié)構(gòu)方面達(dá)到國際領(lǐng)先水平?！?