地鼠神探
發布日期：2011-08-15
編輯：劉湍康 楊紅云
來源：劉湍康 楊紅云
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邂逅“精靈鼠”
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，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測試儀器，記者在古賢勘測工地上見到了這臺設備，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，一會兒功夫，關于洞穴內巖體的硬度情況、地質狀況信息便以準確數據和形象曲線的形式展現在旁邊的主機屏幕上，不愧是集高科技于一身的“精靈鼠”。
記者也曾見過類似的深層巖體測試儀器，笨重而遲緩，儀表計數靠人工，一邊加壓一邊讀數，表盤指針擺動不停，數據無法精確讀取，代表地下巖體承壓能力、彈性狀況的曲線圖示也需要根據記錄的數據進行人工繪制，造成人為誤差。
“精靈鼠”之“神”就在于其探測過程全部實現自動化，避免了人工誤差，工作效率高，探測結果精準，精確度可達到小數點位后4位。
“精靈鼠”在物探領域有自己專業的名字，其全稱是“全自動智能化鉆孔彈模測試儀”，目前這種儀器已經在黃河古賢、青海黃藏寺、四川錦屏等國家大型水利水電工程中應用，顯示出了顯著的社會效益和經濟效益，推廣前景廣闊。
該項目探頭設計已經獲得兩項國家專利，在上個月剛剛進行的由河南省科學技術廳組織召開的科技成果鑒定會上，鑒定委員會的專家們一致認為，該成果總體達到國家先進水平，在大口徑測試和探頭結構方面達到國際領先水平，并建議對整體儀器申報國家發明專利，加大成果推廣應用。
一個思維跨越成就一項發明專利
該儀器的探頭部分之所以能夠獲得國家發明專利，是因為它在國內外首次將探頭工作時內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，“以前的儀器全部都是單側伸出”，該儀器研制項目的主要負責人、黃河勘測規劃設計研究院有限公司物探院的高級工程師胡偉華告訴記者。
雙側伸出承壓板的合理之處在于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，看似簡單的一個思維跳越，卻阻隔了測試儀多少年的技術進步。“宮燈形”的設計也因此于2010年9月成功申請國家知識產權局“外觀設計型專利”。
“為什么從一開始國內外科研機構和生產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？”一連串的問號在2003年就已經出現在黃河勘測規劃設計研究院有限公司物探院職工的頭腦里，帶著疑問，項目組成員查閱了大量國內外相關資料，咨詢了不少業界的專家，認定雙側對稱的設計是可行的，并且是合理的，從那時起，項目組成員便開始了前期的探索。
如同許許多多成功的例子一樣，黃河勘測規劃設計研究院有限公司的項目組是第一個敢于吃螃蟹的人。看似簡單的問題，大家都熟視無睹，只有他們第一個提出、認真考慮了這個問題，并且付諸行動，用辛勤和汗水澆開了成功之花。
精益求精催生最佳匹配角度
物理專業領域常用半角來說明弧形接觸面大小，“精靈鼠”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，是我們經過理論研究和大量比對試驗確定下來的最優角度，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。”
“最早的時候，我們在使用從廠家購置儀器的過程中發現，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，”項目組成員告訴記者，“比如，當前，美國生產的同類儀器――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，國內外存在爭論較多。”
最優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，只能是加大誤差。
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、數據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。
國內生產的同類儀器，量程一般只有6毫米～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毫米～20毫米，剛剛研制成功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。
生產應用需求拉動研發進程
“可以說，全自動智能化鉆孔彈模測試儀是生產實踐與理論研究相結合的產物，我們雖然不是專門的科研單位，但是，生產實踐的需要促使我們去研制一些適合工程應用的東西。”胡偉華說。
社會上，科研與生產脫節的問題存在，科研單位只作科研不注重生產應用，生產單位只生產不搞科研，有需求但是卻得不到滿足。從2003年開始，當物探院的職工們在生產應用過程中發現社會上生產的測試儀器滿足不了工程需要時，就已經開始琢磨如何研發出精確的合乎要求的儀器。
近期研制成功的大口徑鉆孔（直徑達到800毫米～1100毫米）探頭，就是在古賢工地上遇到了難題，迫不得已而研制出來的。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、制定設計方案，跟生產廠家進行溝通，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據的關鍵元件，完全是由項目組負責人之一馬若龍自主研發的，記者采訪時得知，這位剛剛喜獲貴子的年輕小伙子是計算機軟件方面有著七、八年工作經驗的老手，肯吃苦耐勞，愛好刻苦鉆研，有不達目的決不罷休的勁頭，這也許是項目組成員共有的特質，是他們取得成功的法寶。
該儀器壓力和位移全部采用自動化讀數，大大減少了人工讀數造成的誤差，提高了精度，推動承壓板伸出的內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，幾經改進的儀器具有自動判穩（即根據事先設定的參數自動控制各個節點以及各個等級的數據記錄）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。
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，研發具有自主知識產權的自動化系統，使儀器越來越輕便，越來越自動化，而且越來越精確。
這些都是項目組成員在應用實踐過程中根據需要不斷摸索、不斷改進的結果， “以后我們還會繼續改進，沒有最好，只有更好”，項目組成員一致表示。
汗水與智慧煉造“地鼠神探”
“研制過程中有苦、有酸也有甜，”胡偉華說。采訪過程中，項目組成員們談起幾年來的研發過程，都頗有感觸。
胡偉華回憶，在最初階段，對測試儀器工作原理還不甚了解的時候，項目組成員分頭瘋狂查找資料，借助黃委檔案館的優勢資源，投入大量資金，搜索獲取國內外最新相關研究成果、論文以及儀器生產的資料。到各大科研院校咨詢業界的專家、教授，來來回回跑了無數趟。并且邊進行生產實踐邊進行探索學習，對購買到的同類儀器進行研究，了解儀器的工作原理，以及各類儀器的優點和缺點。
有了初步的想法以后，項目組成員們開始嘗試做儀器設計，積極與生產廠家溝通，不厭其煩的輾轉于北京、上海等知名廠家之間，帶著自己做出的儀器設計圖，告訴他們自己的設想和要求，通過努力，一步一步地向著既定的目標前進。
項目組的負責人之一耿瑜平回憶，在進行比對實驗的時候，已經記不起來總共做了多少次試驗。職工們自己制作混凝土實驗體，長、寬、高達數米，大熱的夏天，揮汗如雨，澆筑、抬運混凝土塊，進行鉆孔、測試試驗。
項目組的楊紅云印象深刻，在古賢工地上，邊生產邊進行試驗，趴在大山里幾十米深的濕漉漉的孔洞里進行測試，雖然外邊艷陽高照，里面卻是冷颼颼的，加之陰暗潮濕，身強體壯的年輕小伙也經不住會感冒發燒。
項目組的成員回憶說，他們曾經連續幾個月不分晝夜推導一組公式，這組公式關系到儀器的研制成功與否，十分重要，“在那些日子里，不知道哪天是星期幾，也分不清白天黑夜，吃住都在實驗室，完完全全投入，忘掉了其他的一切。”
項目組成員張毅說，由于探頭在地底深處工作，避免不了水的浸泡，所以探頭的防水性能必須得過關。在進行防水試驗的時候，曾經嘗試了很多方法，有物理的，也有化學的，經歷了無數次試驗，而且一次防水試驗就得觀察上幾天，以確保儀器絲毫不會進水。
項目組成員一致認為，項目組成員水平再高、工作再努力，沒有黃河勘測規劃設計研究院有限公司和物探院的大力支持是不行的。在該項目上，黃河勘測規劃設計研究院有限公司自主立項，投入大量資金，物探院領導高度重視，親自參與，院長郭玉松負責試驗方案設計、技術指導，副院長謝向文負責主機和傳感器設計、技術指導，總工程師毋光榮負責總體技術方案制定，正是有了上級領導的關懷和干部職工團結一致的精神，項目才取得了優異的成績。
艱苦研發的日子已經成為過去，儀器的研制成功使所有項目組成員感到自豪，“地鼠神探”已經在多個大型水利水電工地上得到應用，發揮出喜人的社會效益和經濟效益，“今年，中央一號文件出臺，加快水利改革與發展，水利水電施工項目必然增多，全自動智能化鉆孔彈模測試儀的推廣應用前景廣闊，” 郭玉松院長對此充滿信心。