CN101886916B - 围岩内部变形光学观测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种围岩内部变形光学观测装置，包括钢丝、位移转盘、反光膜片、全站仪、计算机、转轴、重锤，测点锚固头与围岩测量钻孔内岩壁固定连接，转轴装在孔口支架上，位移转盘和反光膜片同轴安装在孔口支架上，位移转盘遮盖反光膜片，转轴上绕装钢丝，钢丝与重锤连接，反光膜片与孔口支架固定连接，全站仪与计算机相连，计算机内装有分析软件，反光膜片能反射全站仪发射的照准激光。位移转盘以转轴轴线为圆心均匀对称地分布有窗口。该装置能远距离、方便直接地观测得到围岩内部测点的相对位移，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

围岩内部变形光学观测装置

技术领域

本发明涉及一种围岩变形观测装置，更具体涉及一种用于围岩内部变形光学观测的装置，适用于隧道、矿山巷道等地下工程开挖空间围岩内部的变形观测。

背景技术

近年来，我国公路铁路交通、水利水电、城市地铁等重大基础设施建设蓬勃兴起、迅速发展，伴随而来的是隧洞工程(隧道、地下洞库、地下厂房、巷道网络)的大量兴建。在我国目前的隧道修建中，新奥法的采用越来越普遍，积累了大量的施工经验，在我国常称为“锚喷构筑法”，即所谓的动态观测设计施工方法。新奥法在初期支护中主张采用锚杆、挂网、喷射混凝土等手段将围岩与喷锚支护连成一个整体共同受力，最大限度地利用围岩自身承载能力，不仅节约了支护材料和资源，也获得了更好的支护效果，具有显著的优越性。其精髓是基于变形监测和围岩反分析的动态支护方案设计，须在施工过程中对围岩变形进行跟踪监测，根据监测信息及时调整计算模型，通过反分析进一步确定围岩物理力学参数和原岩应力场，对设计方案和施工组织进行修改调整，以确保隧洞围岩的稳定和设备人员的安全。

围岩变形监测是确定围岩参数的依据，其中，内部变形是非常重要的监测内容。目前，隧洞施工中的围岩内部变形监测处于手工测量、人工读数的状态，不仅费力，更重要的是耗时多，监测信息反馈周期长，围岩变形数据的获取和处理不及时，使得施工过程中的围岩参数与地应力场反分析和稳定性分析计算难以实时进行，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。

围岩内部变形的测量一般采取多点位移计，测量时大部分采用尺子进行读数，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，并进行读数；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，实现岩石内部大位移的测量；中国专利200710052926公开的机械式多点位移计，通过主尺和副尺结合，提高了测量精度和量程。除了机械类型的位移计，还有电磁类型的位移测量装置。例如中国专利902247905公开的多点位移计，利用悬臂梁上的应变片转化位移为电压，测量钢弦丝的位移；中国专利93236366公开的无线钻孔多点位移计，利用测杆探测器接近围岩钻孔内固定的被测磁铁，得到接近信号后通过测杆读出磁铁位置。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)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，且人为读数的误差较大；2)人员测量需要脚手架、梯子或台车等协助，阻碍了隧道施工过程中车辆和人员通过，影响正常施工。因此在隧道、矿山巷道等地下工程建设中，造成了很多该用不用、该密切监测却因为测量困难而流于形式的状况。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种地下工程围岩内部变形光学观测装置，结构简单，能远距离、方便直接地观测得到围岩内部测点的变形，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。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种地下工程围岩内部变形光学观测的装置，它包括：位移转盘、反光膜片、钢丝线、孔口支架、重锤、全站仪和计算机。其特征在于：测点锚固头与围岩测量钻孔内岩壁固定连接，转轴装在孔口支架上，测点锚固头与钢丝连接，钢丝绕过转轴与重锤连接，位移转盘和反光膜片同轴安装在孔口支架上，位移转盘遮盖反光膜片，转轴上绕装钢丝，钢丝与重锤连接，反光膜片与孔口支架固定连接。测点锚固头位与围岩测量钻孔内岩壁固定连接，转轴装在孔口支架上，带窗口的位移转盘和反光膜片同轴安装，位移转盘遮盖住反光膜片；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四个窗口，使得外部可以观测到反光膜片；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；反光膜片与孔口支架固定连接，不随转轴转动；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通过位移转盘窗口反射的全站仪激光，分析激光的灰度模式，得到位移转盘的转动角度，进一步计算得到围岩内部测点位移数值。

本发明具有以下的优点和效果：①可快速进行围岩内部变形的观测；由于采用了全站仪光学测量、计算机软件分析，对围岩稳定性的实时分析十分有利；②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，不影响施工车辆正常交通，节约施工时间；同时使得观测人员可以远离危险区域进行操作，安全性更高。③测量量程大，仅仅受限于钢丝长度。④监测精度高，由于采用了变比例轮盘转动定位，精度可以达到1mm以上，同时避免了人工目测位移计标尺的误差。⑤测量时自发射激光，无需辅助照明。

附图说明

图1为一种围岩内部变形光学观测装置连接示意图。

图2A为一种反光装置正视示意图。

图2B为一种反光装置侧视示意图。。

图3A和图3B为一种反光膜片原理图。

图4为反光信号分析示意图。

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：

一种围岩内部变形光学观测装置，由测点锚固头1、钢丝2、位移转盘3、反光膜片4、全站仪5、计算机6、孔口支架7、转轴8、重锤9、十字标志10和窗口11组成。其特征在于：测点锚固头1与围岩测量钻孔内岩壁固定连接。转轴8装在孔口支架7上，测点锚固头1与钢丝2连接，钢丝2绕过转轴8与重锤9连接，位移转盘3和反光膜片4同轴安装在孔口支架7上，位移转盘3遮盖反光膜片4；转轴8上绕装钢丝2，钢丝2前端与围岩测量钻孔内的测点锚固头1连接，后端与重锤9连接，钢丝2可以无滑动地带动转轴8和位移转盘3转动；反光膜片4与孔口支架7固定连接；反光膜片4有效反光表面以转轴8轴心为圆心灰度渐变；位移转盘3以转轴8轴线为圆心均匀对称地分布有窗口11四个，使得外部可以观测到反光膜片4；全站仪5与计算机6相连，计算机6内装有分析软件，软件名称为“隧道变形监测系统”，软件著作权登记号2007SR01365，可实时记录通过位移转盘3上窗口11中反射回来的激光，通过分析多个窗口形成的激光多峰值结构灰度信号得到测点锚固头1表征的围岩位移数据。所述的反光膜片4可以有效反射全站仪5发射的照准激光。

如图1所示，测点锚固头1与钢丝2连接，钢丝2绕过转轴8与重锤9连接，钢丝2的移动可以无滑动地带动转轴8旋转。测点锚固头1位于围岩测量钻孔内，测点锚固头1与岩石固定连接。转轴8装在孔口支架7上，可自由转动。如图2所示，反光膜片4固定装在孔口支架7上，不随转轴8旋转；位移转盘3固定在转轴8上，随转轴8旋转，并遮盖住反光膜片4。钢丝2绕装在转轴8上，钢丝2前端与测点锚固头1连接，后端与重锤9连接，钢丝2的移动可以无滑动地带动转轴8和位移转盘3旋转；位移转盘3上以转轴8轴线为圆心，均匀对称地分布有窗口11四个，使得外部远处的全站仪5可以观测到反光膜片4。反光膜片4表面被位移转盘3遮盖住的部分为有效反射部分，可以通过窗口11有效反射全站仪5发射的照准激光。转轴8轴心上有十字标志10，用于全站仪5的望远瞄准。如图3A、3B所示，反光膜片4由高反光膜片(图3A)和透明薄膜(图3B)叠合制作而成，能有效反射激光的部分为环形条带，透明度渐变。孔口支架7固定在围岩测量钻孔外岩石表面，起支撑作用。

全站仪5与计算机6相连，组成观测分析部分，可实时记录通过位移转盘3上窗口11中由反光膜片4反射回来的激光，计算机6中软件分析激光灰度信号，如图4所示，呈现多峰值结构。根据事先标定的峰值结构数据，得到当前位移转盘3的旋转位置，进而计算得到围岩相对移动的距离。

反光膜片4和转轴8的半径比率在大于1的范围，其有效反射的环形区域径向宽度大于窗口11径向宽度，窗口11在位移转盘3径向上的位置可变化，以改变钢丝2移动距离与窗口11切向移动距离的比率，使得钢丝2移动位移的分辨能力达到1mm及以上。

具体实施时，测点锚固头1可采用膨胀木、爪钩等，以注浆、机械紧固和锚固剂等方式与围岩测量钻孔内岩石固定；钢丝2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，圆盘外直径略大于反光膜片4有效反光部分，内直径与转轴8相同，与转轴8固定连接，盘面上以转轴8轴线为圆心均匀对称开有窗口11，可以为四个(窗口呈90度间距分布)，使得计算机6对激光多峰值结构灰度信号的分辨更稳定更容易。反光膜片4采用3M^TM钻石级反光膜、Leica或Topcon测量反光膜，反光膜片4边长10～20厘米，在反光膜片4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。能反射全站仪5发射的照准激光。反光膜片4有效反射区域(被位移转盘3遮盖住的环带状部分)灰度渐变，透光率最低处不低于50％；未被位移转盘3遮盖的部分为黑色不透明，阻止反光膜反射激光干扰软件数据分析过程。反光膜片4中心有圆孔，套装在转轴8上，不随转轴8旋转，背面固定在孔口支架7上。孔口支架7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。重锤9由不锈钢制作，根据钢丝2长度确定重量，确保钢丝2绷紧。全站仪5采用CCD成像型电子全站仪，可选用的型号有Topcon 900系列、徕卡TPS1200系列等；计算机6采用具备串行口的便携机或台式机，可与全站仪5通信交换信息，获取激光反射成像数据进行分析计算。转轴8采用不锈钢制作，装在孔口支架7上，可以稳定旋转，外端面上有十字标志10，刻线涂黑制作，十字标志10与转轴8同轴转动，其中心不发生侧移，保证与位移转盘3及反光膜片4具有固定的相对位置关系，利于提高全站仪5的望远瞄准和反射激光分析的准确性。

转轴8与钢丝2接触表面粗糙化处理，保证钢丝2在测点锚固头1和重锤9牵引下移动的时候，不发生转轴8与钢丝2的相对滑动，避免位移测量出现误差。反光膜片4有效反射环形区域外侧半径和转轴8的半径比率取2～4倍，其有效反射环形区域径向宽度取窗口11径向宽度的2倍，窗口11在位移转盘3径向上的位置贴紧外边缘，钢丝2移动距离与窗口11切向移动距离的比率为1∶2，使得测点锚固头1移动位移的分辨能力达到1mm以上。

本发明的工作过程如下：

①反光膜片4在0-90度之间以微小角度步进旋转，全站仪5激光照射，记录每一步的反射光CCD图像，形成一系列的灰度模式基准值，储存。

②将观测装置连接好后，通过孔口支架7固定在围岩测量钻孔孔口岩壁上，测点锚固头1与孔内岩石固定，放置好重锤9后，钢丝2紧绷，设置为初始状态；

③全站仪5自由设站，瞄准装置十字标志10中心，进行首次激光位移测量，激光照射反光膜片4，计算机6通过全站仪5获取反射激光信号，分析并记录反射激光灰度模式，设置为初始零位移；

④地下工程围岩深部有微小位移时，与岩壁固定的测点锚固头1与重锤9牵引钢丝2，带动位移转盘3转动，与反光膜片4有一个角度错动；

⑤在较短时间间隔后再次观测该处围岩内部变形情况，全站仪5瞄准装置十字标志10中心，全站仪5激光照射反光膜片4，获取反射光CCD图像后分析光线灰度模式，对比基准值计算得到位移转盘3的相对转动角度，得到测点锚固头1，即围岩内部测点的相对移动距离；

⑥根据隧道等工程的围岩变形观测要求，重复观测，计算机6记录。

Claims (3)

1.一种围岩内部变形光学观测装置，包括测点锚固头(1)、钢丝(2)、位移转盘(3)、反光膜片(4)、全站仪(5)、计算机(6)、转轴(8)、重锤(9)，其特征在于：测点锚固头(1)与围岩测量钻孔内岩壁固定连接，转轴(8)装在孔口支架(7)上，测点锚固头(1)与钢丝(2)连接，钢丝(2)绕过转轴(8)与重锤(9)连接，位移转盘(3)和反光膜片(4)同轴安装在孔口支架(7)上，位移转盘(3)遮盖反光膜片(4)，转轴(8)上绕装钢丝(2)，钢丝(2)与重锤(9)连接，反光膜片(4)与孔口支架(7)固定连接，全站仪(5)与计算机(6)相连，计算机(6)内装有分析软件；所述的位移转盘(3)以转轴(8)轴线为圆心均匀对称地分布有窗口(11)；全站仪(5)可发射激光照射反光膜片(4)，反光膜片(4)上覆有灰度渐变的透明薄膜，能反射全站仪(5)发射的照准激光；计算机(6)通过全站仪(5)获取反射激光信号，分析并记录反射激光灰度模式。

2.根据权利要求1所述的一种围岩内部变形光学观测装置，其特征在于：所述的反光膜片(4)为测量反光膜，反光膜片(4)边长10～20厘米。

3.根据权利要求1所述的一种围岩内部变形光学观测装置，其特征在于：所述的窗口(11)有四个。

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