專利名稱：地下工程圍巖位移實時觀測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種地下工程圍巖位移觀測裝置，更具體涉及一種用于圍巖表面和內(nèi) 部位移實時觀測的裝置，適用于隧道、洞庫、礦山巷道、水電廠房等地下工程建設(shè)中的位移 監(jiān)測。
背景技術(shù)：
圍巖變形監(jiān)測是地下工程建設(shè)中動態(tài)調(diào)整施工方案，確定支護(hù)時機(jī)與參數(shù)的重要 依據(jù)。地下工程的圍巖變形監(jiān)測包括表面和內(nèi)部位移監(jiān)測，圍巖內(nèi)部位移的測量一般采用 多點位移計，而圍巖表面位移一般采用收斂計或者全站儀觀測。為了確定圍巖物理力學(xué)參 數(shù)和原巖應(yīng)力場，必須同時獲取兩種位移數(shù)據(jù)。因為多點位移計獲得的圍巖內(nèi)部位移不是 絕對的位移，而是測量鉆孔表面與孔內(nèi)固定測點之間的距離變化，要知道圍巖內(nèi)部測點的 真正空間位移，必須同時了解孔口表面的空間位置變化。目前工程上，這兩種位移是分開觀 測的，甚至是兩組觀測人員在不同時間進(jìn)行，信息不能及時整合；而且大多處于手工測量、 人工讀數(shù)的狀態(tài)，費力費時，對實施新奧法施工中的圍巖參數(shù)反分析、動態(tài)施工方案調(diào)整十 分不利，常常造成設(shè)計方案和施工組織修改調(diào)整的延誤，容易造成工程安全隱患或浪費，而 且影響施工進(jìn)度。因此，需要發(fā)展同時觀測圍巖內(nèi)部和表面位移的實時監(jiān)測方法和裝置。圍巖表面位移大多使用收斂計測量，為方便測量讀數(shù)，人們研制了多種裝置，例如 中國專利99232088公開的可旋機(jī)身收斂計，通過旋轉(zhuǎn)機(jī)身，改善了斷面較大的隧道開挖是 需登高讀數(shù)的不利狀況，又如中國專利99244887公開的電動數(shù)顯收斂計，通過數(shù)字顯示的 方式，加快了操作人員的讀數(shù)過程?；虿捎萌緝x非接觸觀測，例如中國專利200310111644 公開的一種地下洞室、隧道非接觸式收斂監(jiān)測的方法，利用全站儀和靶標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離圍巖 表面變形收斂的快速監(jiān)測。圍巖內(nèi)部位移的測量一般采取多點位移計，測量時大部分采用人工進(jìn)行測尺讀 數(shù)，例如中國專利92229267公開的多點位移計，采用鋼性測桿代替鋼絲傳遞錨頭位移量進(jìn) 行讀數(shù)；中國專利200710052926公開的機(jī)械式多點位移計，通過主、副尺結(jié)合，提高了測量 量程；中國專利CN2725847Y公開的大位移量直讀式多點位移計，通過長軟尺和放大鏡觀測 窗口，進(jìn)行巖石內(nèi)部大位移的測量讀數(shù)。另一類電磁類型的位移測量裝置，也是采用人工讀 數(shù)的方式。例如中國專利93236366公開的無線鉆孔多點位移計，利用測桿探測器與圍巖鉆 孔內(nèi)被測磁鐵結(jié)合測量磁鐵位移；中國專利902247905公開的多點位移計，利用懸臂梁應(yīng) 變片電壓，測量鋼弦絲的位移。這一類技術(shù)及相應(yīng)的儀器裝置在實際應(yīng)用中存在一些不足之處1)無法同時進(jìn) 行圍巖內(nèi)部位移和工程表面位移的測量，影響了數(shù)據(jù)反饋的實時性；2)為了避免兩種設(shè)備 裝置的相互影響，圍巖表面位移測點和內(nèi)部位移測孔孔口有較大的距離，對獲取真實的圍 巖內(nèi)部位移不利。3)對于圍巖內(nèi)部位移的測量和收斂計等表面監(jiān)測，需要人工接近測量孔 進(jìn)行讀數(shù)，對于大斷面的地下空間工程，人員難以爬高測量，故不易實施；且由于需要腳手 架、梯子或臺車等協(xié)助，影響正常施工。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于提供一種地下工程圍巖位移的實時觀測裝置，能遠(yuǎn)距離、方 便地直接觀測得到圍巖表面位移和內(nèi)部測點的位移，有利于地下工程圍巖變形反分析參數(shù) 的準(zhǔn)確獲得和施工方案的快速調(diào)整。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種地下工程圍巖位移實時觀測的裝置，它包括位移轉(zhuǎn)盤、外反光膜片、內(nèi)反光 膜片、鋼絲線、支架、重錘、全站儀和計算機(jī)。其特征在于有內(nèi)反光膜片和外反光膜片，外反 光膜片和位移轉(zhuǎn)盤同軸安裝，位移轉(zhuǎn)盤遮蓋住外反光膜片；外反光膜片與支架固定連接，不 隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動；外反光膜片表面以轉(zhuǎn)軸為圓心灰度切向漸變；位移轉(zhuǎn)盤以轉(zhuǎn)軸為圓心均勻?qū)?稱地分布有三個窗口 ；轉(zhuǎn)軸端面上裝置有內(nèi)反光膜片；轉(zhuǎn)軸上繞裝鋼絲，鋼絲前端與圍巖 測點連接，后端與重錘連接，鋼絲的移動可以無滑動地帶動轉(zhuǎn)軸和位移轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)；全站儀與 計算機(jī)相連，計算機(jī)內(nèi)裝有軟件，可通過全站儀實時記錄內(nèi)反光膜片反射的全站儀測距激 光，計算得到觀測裝置的空間絕對位置；實時記錄外反光膜片反射的全站儀照準(zhǔn)激光；通 過分析反射激光的灰度模式，得到位移轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動角度，結(jié)合觀測裝置空間位置數(shù)據(jù)，進(jìn)一 步計算得到圍巖表面和內(nèi)部測點的位移數(shù)值和空間位置。本發(fā)明具有以下的優(yōu)點和效果①可同時實施圍巖表面和內(nèi)部位移觀測，速度快，對圍巖變形的實時分析和施工 方案的快速調(diào)整十分有利；②可準(zhǔn)確地獲得圍巖內(nèi)部的絕對位移，對圍巖參數(shù)反演和穩(wěn)定性分析有利；③在隧道、礦山巷道等地下工程施工中可以方便地進(jìn)行遠(yuǎn)距離觀測，減少了對正 常施工的影響，同時提高了觀測人員的操作安全性。④測量時自發(fā)射激光，無需輔助照明；⑤測量量程大，監(jiān)測精度高，避免了人工目測位移計標(biāo)尺的誤差。


圖1為一種圍巖位移實時觀測裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為一種反光裝置正視圖。圖3為一種反光裝置側(cè)視圖。圖4為一種外反光膜片示意圖。圖5為一種內(nèi)反光膜片示意圖。圖6為一種反射激光信號分析示意圖。其中計算機(jī)1、全站儀2、位移轉(zhuǎn)盤3、窗口 4、轉(zhuǎn)軸5、鋼絲6、測點錨固頭7、外反 光膜片8、重錘9、內(nèi)反光膜片10和支架11。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明一種圍巖內(nèi)部位移光學(xué)觀測裝置，由計算機(jī)1、全站儀2、位移轉(zhuǎn)盤3、窗口 4、轉(zhuǎn)軸 5、鋼絲6、測點錨固頭7、外反光膜片8、重錘9、內(nèi)反光膜片10和支架11組成。其特征在于外反光膜片8與位移轉(zhuǎn)盤3同軸安裝在支架11上，位移轉(zhuǎn)盤3遮蓋外反光膜片8 ；轉(zhuǎn)軸5上 繞裝鋼絲6，鋼絲6前端與圍巖測量鉆孔內(nèi)的測點錨固頭7連接，鋼絲6后端與重錘9連接， 鋼絲6可以無滑動地帶動轉(zhuǎn)軸5和位移轉(zhuǎn)盤3轉(zhuǎn)動；外反光膜片8與支架11固定連接；外 反光膜片8反光表面以轉(zhuǎn)軸5軸線為圓心灰度漸變；位移轉(zhuǎn)盤3以轉(zhuǎn)軸5軸線為圓心均勻 對稱地分布有窗口 4三個；全站儀2與計算機(jī)1相連，計算機(jī)1內(nèi)裝有分析軟件(“隧道變 形監(jiān)測系統(tǒng)”，軟件著作權(quán)登記號2007SR01365)，可實時記錄內(nèi)反光膜片10反射的全站儀2 測距激光，以及通過位移轉(zhuǎn)盤3上窗口 4中外反光膜片8和內(nèi)反光膜片10反射回來的全站 儀2照準(zhǔn)激光，通過分析多窗口形成的激光四峰值結(jié)構(gòu)灰度信號得到測點錨固頭7表征的 圍巖絕對位移數(shù)據(jù)。如圖1、圖2和圖3所示，計算機(jī)1與全站儀2相連，組成觀測分析部分，可實時觀 測記錄內(nèi)反光膜片10的距離和角度，得到圍巖表面位置；同時可實時記錄通過位移轉(zhuǎn)盤3 上窗口 4中由外反光膜片8反射回來的激光與反光膜片10反射回來的激光，計算機(jī)1中軟 件分析激光灰度信號，如圖6所示，呈現(xiàn)四峰值結(jié)構(gòu)。根據(jù)事先標(biāo)定的數(shù)據(jù)，得到當(dāng)前位移 轉(zhuǎn)盤3的旋轉(zhuǎn)位置，結(jié)合由內(nèi)反光膜片10觀測得到的觀測裝置空間位置，進(jìn)一步計算得到 圍巖表面和內(nèi)部的移動距離和絕對位置。鋼絲6與測點錨固頭7連接，鋼絲6繞過轉(zhuǎn)軸5與重錘9連接，鋼絲6的移動可以 無滑動地帶動轉(zhuǎn)軸5旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)軸5裝在支架7上，可自由轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)軸5端面裝有內(nèi)反光膜 片10，配合全站儀2進(jìn)行測距測角。外反光膜片8固定裝在支架7上，不隨轉(zhuǎn)軸5旋轉(zhuǎn)；位 移轉(zhuǎn)盤3固定在轉(zhuǎn)軸5上，隨轉(zhuǎn)軸5旋轉(zhuǎn)，并遮蓋住外反光膜片8。鋼絲6繞裝在轉(zhuǎn)軸5上， 鋼絲6前端與測點錨固頭7連接，后端與重錘9連接，鋼絲6的移動可以無滑動地帶動轉(zhuǎn)軸 5和位移轉(zhuǎn)盤3旋轉(zhuǎn)；位移轉(zhuǎn)盤3上以轉(zhuǎn)軸5軸線為圓心，均勻?qū)ΨQ地分布有窗口 4三個， 可透過外部遠(yuǎn)處的全站儀2發(fā)射的照準(zhǔn)激光。外反光膜片8被位移轉(zhuǎn)盤3遮蓋，可以通過 窗口 4有效反射全站儀2發(fā)射的照準(zhǔn)激光。如圖4所示，外反光膜片8呈環(huán)形條帶，順時針 或者逆時針灰度漸變。如圖5所示，內(nèi)反光膜片10為圓形，采用帶中心瞄準(zhǔn)標(biāo)記。支架11 固定在圍巖測量鉆孔外巖石表面，起支撐作用。測點錨固頭7位于圍巖測量鉆孔內(nèi)，測點錨 固頭7與巖石固定連接。具體實施時，計算機(jī)1采用具備串行口的便攜機(jī)或臺式機(jī)，可與全站儀2通信交換 信息，獲取測距、測角數(shù)據(jù)和激光反射成像數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析計算。全站儀2采用CCD成像型 電子全站儀，可選用的型號有Topcon MS系列、徠卡TPS1200系列等。鋼絲6采用銦鋼絲或 高強(qiáng)度不銹鋼絲。位移轉(zhuǎn)盤3采用亞光黑色塑料盤制作，圓盤外直徑略大于外反光膜片8 外直徑，內(nèi)直徑與轉(zhuǎn)軸5相同，與轉(zhuǎn)軸5固定連接，盤面上以轉(zhuǎn)軸5軸線為圓心均勻?qū)ΨQ開 有窗口 4三個(窗口間呈120度間距分布)，使得計算機(jī)1對激光多峰值結(jié)構(gòu)灰度信號的 分辨更穩(wěn)定更容易。轉(zhuǎn)軸5端面裝有內(nèi)反光膜片10，配合全站儀2實現(xiàn)測距測角。內(nèi)反光 膜片10呈圓形，采用帶中心標(biāo)記的Leica或Topcon測量反光膜制成，灰度均勻。內(nèi)反光膜 片10轉(zhuǎn)軸5同軸轉(zhuǎn)動，其中心不發(fā)生側(cè)移，與位移轉(zhuǎn)盤3及外反光膜片8具有固定的相對 位置關(guān)系，保證全站儀2的望遠(yuǎn)瞄準(zhǔn)和反射激光分析的準(zhǔn)確度。外反光膜片8呈環(huán)狀，采用 3M 鉆石級反光膜、Leica或Topcon測量反光膜，外直徑10 20厘米，上覆透明薄膜，透明 薄膜采用電鍍印刷級PC薄膜或者PET薄膜印刷制成。外反光膜片8反射區(qū)域灰度為順時 針或者逆時針漸變，透光率最低處不低于50% ；外反光膜片8內(nèi)直徑比轉(zhuǎn)軸5直徑略大，套裝在轉(zhuǎn)軸5上，不隨轉(zhuǎn)軸5旋轉(zhuǎn)，背面固定在支架11上。支架11采用不銹鋼制作，可用螺 栓固定在圍巖測量鉆孔孔口的巖石上。轉(zhuǎn)軸5采用不銹鋼制作，裝在支架11上，可以穩(wěn)定 旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)軸5與鋼絲6接觸表面進(jìn)行粗糙化處理，以保證鋼絲6在測點錨固頭7和重錘 9牽引下移動的時候，不發(fā)生轉(zhuǎn)軸5與鋼絲6的相對滑動，防止位移測量出現(xiàn)誤差。測點錨 固頭7可采用膨脹木、螺栓錨固等方式與圍巖測量鉆孔內(nèi)巖石固定。本發(fā)明的工作過程如下①全站儀2照準(zhǔn)激光照射步進(jìn)旋轉(zhuǎn)的外反光膜片8與內(nèi)反光膜片10，得到反射光 后記錄，與全站儀2照準(zhǔn)激光單獨照射內(nèi)反光膜片10的反光光線對比，形成灰度模式基準(zhǔn)， 記錄。②將觀測裝置連接好后，通過支架11固定在圍巖測量鉆孔孔口巖壁上，測點錨固 頭7與孔內(nèi)巖石固定，放置好重錘9后，鋼絲6緊繃，設(shè)置為初始狀態(tài)；③全站儀2自由設(shè)站，瞄準(zhǔn)內(nèi)反光膜片10中心，進(jìn)行首次激光位置測量，得到觀測 裝置的空間絕對位置，記錄；④同時啟動全站儀2照準(zhǔn)激光，照射外反光膜片8與內(nèi)反光膜片10，計算機(jī)1通過 全站儀2獲取反射激光信號，分析并記錄反射激光灰度模式，設(shè)置為圍巖內(nèi)部變形初始零 位置；⑤地下工程圍巖各部分位移時，內(nèi)部固定的測點錨固頭7與重錘9牽引鋼絲6，帶 動位移轉(zhuǎn)盤3轉(zhuǎn)動，與外反光膜片8有一個角度錯動；⑥在一定時間間隔后再次觀測該處圍巖位移情況，全站儀2瞄準(zhǔn)內(nèi)反光膜片10中 心，測距激光測量、計算，得到觀測裝置的絕對位移；全站儀2照準(zhǔn)激光照射外反光膜片8與 內(nèi)反光膜片10，獲取反射光后分析光線灰度模式，對比計算得到位移轉(zhuǎn)盤3的相對轉(zhuǎn)動角 度，得到圍巖內(nèi)部測點與觀測裝置的相對移動距離，結(jié)合觀測裝置的絕對位移，計算得到圍 巖內(nèi)部測點的絕對位移；⑦根據(jù)工程圍巖觀測要求，重復(fù)觀測，計算機(jī)1記錄。
權(quán)利要求
一種圍巖位移實時觀測裝置，包括計算機(jī)(1)、全站儀(2)、位移轉(zhuǎn)盤(3)、測點錨固頭(7)、外反光膜片(8)、反光膜片(10)，其特征在于計算機(jī)(1)與全站儀(2)相連，計算機(jī)(1)內(nèi)裝有分析軟件，轉(zhuǎn)軸(5)端面上裝有內(nèi)反光膜片(10)，測點錨固頭(7)與鋼絲(6)連接，鋼絲(6)繞過轉(zhuǎn)軸(5)與重錘(9)連接，位移轉(zhuǎn)盤(3)和外反光膜片(8)同軸安裝，位移轉(zhuǎn)盤(3)遮蓋外反光膜片(8)，測點錨固頭(7)與圍巖測量鉆孔內(nèi)巖壁固定連接，外反光膜片(8)與支架(11)固定連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圍巖位移實時觀測裝置，其特征在于所述的外反光膜 片(8)為測量反光膜，外反光膜片(8)直徑10 20厘米，反光灰度漸變。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圍巖位移實時觀測裝置，其特征在于所述的內(nèi)反光膜 片(10)為測量反光膜，內(nèi)反光膜片(10)直徑小于轉(zhuǎn)軸(5)端面直徑，帶有中心標(biāo)志。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圍巖位移實時觀測裝置，其特征在于所述的位移轉(zhuǎn)盤 (3)以轉(zhuǎn)軸(5)軸線為圓心均勻?qū)ΨQ地分布有窗口(4)三個。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種圍巖位移實時觀測裝置，包括計算機(jī)、全站儀、位移轉(zhuǎn)盤、內(nèi)反光膜片、外反光膜片、鋼絲。外反光膜片和位移轉(zhuǎn)盤同軸安裝；外反光膜片表面以轉(zhuǎn)軸為圓心灰度切向漸變；位移轉(zhuǎn)盤以轉(zhuǎn)軸為圓心均勻?qū)ΨQ地分布有三個窗口；轉(zhuǎn)軸端面上裝置有內(nèi)反光膜片；轉(zhuǎn)軸上繞裝鋼絲，鋼絲前端與圍巖測點連接，后端與重錘連接；測點錨固頭與圍巖測量鉆孔內(nèi)巖壁固定連接。全站儀與計算機(jī)相連，計算機(jī)內(nèi)裝有軟件，可通過全站儀實時記錄內(nèi)反光膜片反射的全站儀測距激光，與外反光膜片反射的全站儀照準(zhǔn)激光。該裝置能同時、非接觸地觀測得到圍巖表面和內(nèi)部測點的位移，有利于地下工程圍巖變形的快速測量和穩(wěn)定性的實時分析研究。
文檔編號G01B11/26GK101886914SQ201010204629
公開日2010年11月17日 申請日期2010年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月13日
發(fā)明者劉小燕, 劉泉聲, 張程遠(yuǎn) 申請人:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所