巖體靜彈性模量是水利水電等大型工程建設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超出巖石的彈性承受極限，這項信息至關重要，直接關系到施工安全、工程安全，若馬虎過關，相當于早早地給工程施工乃至項目建筑埋下了一顆定時炸彈，后果不堪設想。

獲取這項關鍵信息的技術設備是物探領域的一項專業(yè)測試儀器，這臺儀器有著碗口粗細的鋼制探頭，拖著長長的尾巴，一頭扎進深深的洞穴，一會兒工夫，關于洞穴內(nèi)巖體的硬度情況、地質(zhì)狀況信息便以準確數(shù)據(jù)和形象曲線的形式展現(xiàn)在旁邊的主機屏幕上。這就是由黃河勘測規(guī)劃設計有限公司自主研發(fā)的全自動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，儀表計數(shù)靠人工，一邊加壓一邊讀數(shù)，表盤指針擺動不停，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)進行人工繪制，易造成人為誤差。

而全自動智能化鉆孔彈模測試儀則將探測過程全部實現(xiàn)自動化，避免了人工誤差，工作效率高，探測結果精準，精確度可達到小數(shù)點位后4位。

除此之外，全自動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。

宮燈形設計

黃河勘測規(guī)劃設計有限公司物探院項目組早在2003年就發(fā)出疑問，“為什么從一開始國內(nèi)外科研機構和生產(chǎn)廠家的測試儀探頭都是單側承壓板，而不是雙側對稱的呢？雙側對稱的到底行不行，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，項目組認為雙側伸出承壓板是合理的 ，因為它改變了測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難題。這是國內(nèi)外首次將探頭工作時內(nèi)部受壓伸出以感知地底深層巖體彈性狀況的承壓板設計為兩側對稱的“宮燈”形狀，2010年9月成功申請國家知識產(chǎn)權局“外觀設計型專利”。

最佳角度

全自動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致測試結果誤差較大的問題。

之前項目組在使用從廠家購置儀器的過程中發(fā)現(xiàn)，這些儀器都與實際情況存在較大誤差，遠遠滿足不了應用要求，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，同時測量孔徑變形，其測量結果的準確性較低，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果的準確度，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，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而使鉆孔孔徑偏大時就無法開展工作。

黃河勘測規(guī)劃設計公司物探院研制的全自動智能化鉆孔彈模測試儀探頭位移則能夠達到15～20毫米，自主研制的大口徑探頭位移可達300毫米。這樣，探頭測試適應了各種特殊情況，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。

大口徑鉆孔與自動判穩(wěn)

大口徑鉆孔（直徑為800～1100毫米）探頭，是項目組在黃河 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毫米的標準，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)巖體的彈性力學指標。這下問題就出來了，沒有合適的探頭，項目組成員們就開始鉆研、制訂設計方案，跟生產(chǎn)廠家進行溝通，最終研制出滿足要求的大口徑原位彈性模量測試儀。

主機中的信息采集板，作用是將地底巖體的壓力、變形等有關指標轉化為數(shù)據(jù)的關鍵元件，完全是由項目組負責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，推動承壓板伸出的內(nèi)部壓力極限的擴大也使得儀器在遇到高硬度巖石的時候能夠正常工作。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”工作壓力可達到75～85兆帕。

另外，幾經(jīng)改進的儀器具有自動判穩(wěn)（即根據(jù)事先設定的參數(shù)自動控制各個節(jié)點以及各個等級的數(shù)據(jù)記錄）的功能，方便快捷，還具有超限自動報警的功能，這對昂貴精密的儀器是一種自動保護。

由于儀器過于笨重，不便于攜帶操作，項目組就集中攻關，不斷改進設備，集成操作系統(tǒng)，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的自動化系統(tǒng)，使儀器越來越輕便，越來越自動化，而且越來越精確。

2011年7月25日，由華北水利水電學院、中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院、黃河水利委員會、河南省建設工程質(zhì)量監(jiān)督總站、中水北方勘測設計研究有限公司、河南省水利勘測有限公司、河南省交通規(guī)劃勘測設計院、鄭州大學的專家組成的鑒定委員會對全自動智能化鉆孔彈模測試儀進行鑒定，一致認為全自動智能化鉆孔彈模測試儀根據(jù)預設工作參數(shù)，可快速、自動、準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用，具有顯著的社會經(jīng)濟效益，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致測試結果誤差較大的問題。

3. 探頭設計采用“宮燈形”結構，單向加載，克服了受力不對稱的技術難題，測試結果更加符合實際。

4. 直徑75毫米、直徑90毫米探頭位移測試量程分別達到了15毫米和20毫米，最大工作壓力分別達到了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)品的技術指標。

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

鑒定委員會一致認為，該成果總體達到國際先進水平，在大口徑測試和探頭結構方面達到國際領先水平。■