CN101886914A - 地下工程围岩位移实时观测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种围岩位移实时观测装置，包括计算机、全站仪、位移转盘、内反光膜片、外反光膜片、钢丝。外反光膜片和位移转盘同轴安装；外反光膜片表面以转轴为圆心灰度切向渐变；位移转盘以转轴为圆心均匀对称地分布有三个窗口；转轴端面上装置有内反光膜片；转轴上绕装钢丝，钢丝前端与围岩测点连接，后端与重锤连接；测点锚固头与围岩测量钻孔内岩壁固定连接。全站仪与计算机相连，计算机内装有软件，可通过全站仪实时记录内反光膜片反射的全站仪测距激光，与外反光膜片反射的全站仪照准激光。该装置能同时、非接触地观测得到围岩表面和内部测点的位移，有利于地下工程围岩变形的快速测量和稳定性的实时分析研究。

Description

地下工程围岩位移实时观测装置

技术领域

本发明涉及一种地下工程围岩位移观测装置，更具体涉及一种用于围岩表面和内部位移实时观测的装置，适用于隧道、洞库、矿山巷道、水电厂房等地下工程建设中的位移监测。

背景技术

围岩变形监测是地下工程建设中动态调整施工方案，确定支护时机与参数的重要依据。地下工程的围岩变形监测包括表面和内部位移监测，围岩内部位移的测量一般采用多点位移计，而围岩表面位移一般采用收敛计或者全站仪观测。为了确定围岩物理力学参数和原岩应力场，必须同时获取两种位移数据。因为多点位移计获得的围岩内部位移不是绝对的位移，而是测量钻孔表面与孔内固定测点之间的距离变化，要知道围岩内部测点的真正空间位移，必须同时了解孔口表面的空间位置变化。目前工程上，这两种位移是分开观测的，甚至是两组观测人员在不同时间进行，信息不能及时整合；而且大多处于手工测量、人工读数的状态，费力费时，对实施新奥法施工中的围岩参数反分析、动态施工方案调整十分不利，常常造成设计方案和施工组织修改调整的延误，容易造成工程安全隐患或浪费，而且影响施工进度。因此，需要发展同时观测围岩内部和表面位移的实时监测方法和装置。

围岩表面位移大多使用收敛计测量，为方便测量读数，人们研制了多种装置，例如中国专利99232088公开的可旋机身收敛计，通过旋转机身，改善了断面较大的隧道开挖是需登高读数的不利状况，又如中国专利99244887公开的电动数显收敛计，通过数字显示的方式，加快了操作人员的读数过程。或采用全站仪非接触观测，例如中国专利200310111644公开的一种地下洞室、隧道非接触式收敛监测的方法，利用全站仪和靶标进行远距离围岩表面变形收敛的快速监测。

围岩内部位移的测量一般采取多点位移计，测量时大部分采用人工进行测尺读数，例如中国专利92229267公开的多点位移计，采用钢性测杆代替钢丝传递锚头位移量进行读数；中国专利200710052926公开的机械式多点位移计，通过主、副尺结合，提高了测量量程；中国专利CN2725847Y公开的大位移量直读式多点位移计，通过长软尺和放大镜观测窗口，进行岩石内部大位移的测量读数。另一类电磁类型的位移测量装置，也是采用人工读数的方式。例如中国专利93236366公开的无线钻孔多点位移计，利用测杆探测器与围岩钻孔内被测磁铁结合测量磁铁位移；中国专利902247905公开的多点位移计，利用悬臂梁应变片电压，测量钢弦丝的位移。

这一类技术及相应的仪器装置在实际应用中存在一些不足之处：1)无法同时进行围岩内部位移和工程表面位移的测量，影响了数据反馈的实时性；2)为了避免两种设备装置的相互影响，围岩表面位移测点和内部位移测孔孔口有较大的距离，对获取真实的围岩内部位移不利。3)对于围岩内部位移的测量和收敛计等表面监测，需要人工接近测量孔进行读数，对于大断面的地下空间工程，人员难以爬高测量，故不易实施；且由于需要脚手架、梯子或台车等协助，影响正常施工。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种地下工程围岩位移的实时观测装置，能远距离、方便地直接观测得到围岩表面位移和内部测点的位移，有利于地下工程围岩变形反分析参数的准确获得和施工方案的快速调整。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种地下工程围岩位移实时观测的装置，它包括：位移转盘、外反光膜片、内反光膜片、钢丝线、支架、重锤、全站仪和计算机。其特征在于：有内反光膜片和外反光膜片，外反光膜片和位移转盘同轴安装，位移转盘遮盖住外反光膜片；外反光膜片与支架固定连接，不随转轴转动；外反光膜片表面以转轴为圆心灰度切向渐变；位移转盘以转轴为圆心均匀对称地分布有三个窗口；转轴端面上装置有内反光膜片；转轴上绕装钢丝，钢丝前端与围岩测点连接，后端与重锤连接，钢丝的移动可以无滑动地带动转轴和位移转盘旋转；全站仪与计算机相连，计算机内装有软件，可通过全站仪实时记录内反光膜片反射的全站仪测距激光，计算得到观测装置的空间绝对位置；实时记录外反光膜片反射的全站仪照准激光；通过分析反射激光的灰度模式，得到位移转盘的转动角度，结合观测装置空间位置数据，进一步计算得到围岩表面和内部测点的位移数值和空间位置。

本发明具有以下的优点和效果：

①可同时实施围岩表面和内部位移观测，速度快，对围岩变形的实时分析和施工方案的快速调整十分有利；

②可准确地获得围岩内部的绝对位移，对围岩参数反演和稳定性分析有利；

③在隧道、矿山巷道等地下工程施工中可以方便地进行远距离观测，减少了对正常施工的影响，同时提高了观测人员的操作安全性。

④测量时自发射激光，无需辅助照明；

⑤测量量程大，监测精度高，避免了人工目测位移计标尺的误差。

附图说明

图1为一种围岩位移实时观测装置结构示意图。

图2为一种反光装置正视图。

图3为一种反光装置侧视图。

图4为一种外反光膜片示意图。

图5为一种内反光膜片示意图。

图6为一种反射激光信号分析示意图。

其中：计算机1、全站仪2、位移转盘3、窗口4、转轴5、钢丝6、测点锚固头7、外反光膜片8、重锤9、内反光膜片10和支架11。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：

一种围岩内部位移光学观测装置，由计算机1、全站仪2、位移转盘3、窗口4、转轴5、钢丝6、测点锚固头7、外反光膜片8、重锤9、内反光膜片10和支架11组成。其特征在于：外反光膜片8与位移转盘3同轴安装在支架11上，位移转盘3遮盖外反光膜片8；转轴5上绕装钢丝6，钢丝6前端与围岩测量钻孔内的测点锚固头7连接，钢丝6后端与重锤9连接，钢丝6可以无滑动地带动转轴5和位移转盘3转动；外反光膜片8与支架11固定连接；外反光膜片8反光表面以转轴5轴线为圆心灰度渐变；位移转盘3以转轴5轴线为圆心均匀对称地分布有窗口4三个；全站仪2与计算机1相连，计算机1内装有分析软件(“隧道变形监测系统”，软件著作权登记号2007SR01365)，可实时记录内反光膜片10反射的全站仪2测距激光，以及通过位移转盘3上窗口4中外反光膜片8和内反光膜片10反射回来的全站仪2照准激光，通过分析多窗口形成的激光四峰值结构灰度信号得到测点锚固头7表征的围岩绝对位移数据。

如图1、图2和图3所示，计算机1与全站仪2相连，组成观测分析部分，可实时观测记录内反光膜片10的距离和角度，得到围岩表面位置；同时可实时记录通过位移转盘3上窗口4中由外反光膜片8反射回来的激光与反光膜片10反射回来的激光，计算机1中软件分析激光灰度信号，如图6所示，呈现四峰值结构。根据事先标定的数据，得到当前位移转盘3的旋转位置，结合由内反光膜片10观测得到的观测装置空间位置，进一步计算得到围岩表面和内部的移动距离和绝对位置。

钢丝6与测点锚固头7连接，钢丝6绕过转轴5与重锤9连接，钢丝6的移动可以无滑动地带动转轴5旋转。转轴5装在支架7上，可自由转动。转轴5端面装有内反光膜片10，配合全站仪2进行测距测角。外反光膜片8固定装在支架7上，不随转轴5旋转；位移转盘3固定在转轴5上，随转轴5旋转，并遮盖住外反光膜片8。钢丝6绕装在转轴5上，钢丝6前端与测点锚固头7连接，后端与重锤9连接，钢丝6的移动可以无滑动地带动转轴5和位移转盘3旋转；位移转盘3上以转轴5轴线为圆心，均匀对称地分布有窗口4三个，可透过外部远处的全站仪2发射的照准激光。外反光膜片8被位移转盘3遮盖，可以通过窗口4有效反射全站仪2发射的照准激光。如图4所示，外反光膜片8呈环形条带，顺时针或者逆时针灰度渐变。如图5所示，内反光膜片10为圆形，采用带中心瞄准标记。支架11固定在围岩测量钻孔外岩石表面，起支撑作用。测点锚固头7位于围岩测量钻孔内，测点锚固头7与岩石固定连接。

具体实施时，计算机1采用具备串行口的便携机或台式机，可与全站仪2通信交换信息，获取测距、测角数据和激光反射成像数据，进行分析计算。全站仪2采用CCD成像型电子全站仪，可选用的型号有Topcon MS系列、徕卡TPS1200系列等。钢丝6采用铟钢丝或高强度不锈钢丝。位移转盘3采用亚光黑色塑料盘制作，圆盘外直径略大于外反光膜片8外直径，内直径与转轴5相同，与转轴5固定连接，盘面上以转轴5轴线为圆心均匀对称开有窗口4三个(窗口间呈120度间距分布)，使得计算机1对激光多峰值结构灰度信号的分辨更稳定更容易。转轴5端面装有内反光膜片10，配合全站仪2实现测距测角。内反光膜片10呈圆形，采用带中心标记的Leica或Topcon测量反光膜制成，灰度均匀。内反光膜片10转轴5同轴转动，其中心不发生侧移，与位移转盘3及外反光膜片8具有固定的相对位置关系，保证全站仪2的望远瞄准和反射激光分析的准确度。外反光膜片8呈环状，采用3M^TM钻石级反光膜、Leica或Topcon测量反光膜，外直径10～20厘米，上覆透明薄膜，透明薄膜采用电镀印刷级PC薄膜或者PET薄膜印刷制成。外反光膜片8反射区域灰度为顺时针或者逆时针渐变，透光率最低处不低于50％；外反光膜片8内直径比转轴5直径略大，套装在转轴5上，不随转轴5旋转，背面固定在支架11上。支架11采用不锈钢制作，可用螺栓固定在围岩测量钻孔孔口的岩石上。转轴5采用不锈钢制作，装在支架11上，可以稳定旋转。

转轴5与钢丝6接触表面进行粗糙化处理，以保证钢丝6在测点锚固头7和重锤9牵引下移动的时候，不发生转轴5与钢丝6的相对滑动，防止位移测量出现误差。测点锚固头7可采用膨胀木、螺栓锚固等方式与围岩测量钻孔内岩石固定。

本发明的工作过程如下：

①全站仪2照准激光照射步进旋转的外反光膜片8与内反光膜片10，得到反射光后记录，与全站仪2照准激光单独照射内反光膜片10的反光光线对比，形成灰度模式基准，记录。

②将观测装置连接好后，通过支架11固定在围岩测量钻孔孔口岩壁上，测点锚固头7与孔内岩石固定，放置好重锤9后，钢丝6紧绷，设置为初始状态；

③全站仪2自由设站，瞄准内反光膜片10中心，进行首次激光位置测量，得到观测装置的空间绝对位置，记录；

④同时启动全站仪2照准激光，照射外反光膜片8与内反光膜片10，计算机1通过全站仪2获取反射激光信号，分析并记录反射激光灰度模式，设置为围岩内部变形初始零位置；

⑤地下工程围岩各部分位移时，内部固定的测点锚固头7与重锤9牵引钢丝6，带动位移转盘3转动，与外反光膜片8有一个角度错动；

⑥在一定时间间隔后再次观测该处围岩位移情况，全站仪2瞄准内反光膜片10中心，测距激光测量、计算，得到观测装置的绝对位移；全站仪2照准激光照射外反光膜片8与内反光膜片10，获取反射光后分析光线灰度模式，对比计算得到位移转盘3的相对转动角度，得到围岩内部测点与观测装置的相对移动距离，结合观测装置的绝对位移，计算得到围岩内部测点的绝对位移；

⑦根据工程围岩观测要求，重复观测，计算机1记录。

Claims (4)

1.一种围岩位移实时观测装置，包括计算机(1)、全站仪(2)、位移转盘(3)、测点锚固头(7)、外反光膜片(8)、反光膜片(10)，其特征在于：计算机(1)与全站仪(2)相连，计算机(1)内装有分析软件，转轴(5)端面上装有内反光膜片(10)，测点锚固头(7)与钢丝(6)连接，钢丝(6)绕过转轴(5)与重锤(9)连接，位移转盘(3)和外反光膜片(8)同轴安装，位移转盘(3)遮盖外反光膜片(8)，测点锚固头(7)与围岩测量钻孔内岩壁固定连接，外反光膜片(8)与支架(11)固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种围岩位移实时观测装置，其特征在于：所述的外反光膜片(8)为测量反光膜，外反光膜片(8)直径10～20厘米，反光灰度渐变。

3.根据权利要求1所述的一种围岩位移实时观测装置，其特征在于：所述的内反光膜片(10)为测量反光膜，内反光膜片(10)直径小于转轴(5)端面直径，带有中心标志。

4.根据权利要求1所述的一种围岩位移实时观测装置，其特征在于：所述的位移转盘(3)以转轴(5)轴线为圆心均匀对称地分布有窗口(4)三个。

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