CN102168948B - 围岩内部位移的远距离观测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于工程测量技术领域，涉及一种围岩内部位移的远距离观测装置，包括带转轴的支架和多个圆环状的位移转盘，位移转盘内圆圆周处带凸缘，套装于转轴上，可绕转轴转动，遮光板固定在转轴上，推紧并遮盖位移转盘；位移转盘外径往遮光板侧依次减小，且朝向遮光板面圆周处有环状编码；遮光板上有窗口，从窗口可以观察到所有位移转盘上的环状编码；测点锚固头和钢丝连接，钢丝绕过位移转盘的凸缘，通过动滑轮两两连接，动滑轮上挂一重锤，使钢丝保持绷紧状态；还包括观测环状编码的望远镜组，图像传感器在望远镜组之后，并与计算机相连。本装置在地下工程施工中可以方便地进行远距离观测。

Description

围岩内部位移的远距离观测装置

技术领域

本发明涉及一种围岩位移观测装置，属于工程测量技术领域。

背景技术

近年来，我国重大基础设施建设蓬勃发展，隧洞工程（隧道、地下洞库、地下厂房、巷道网络）大量兴建。工程建设中普遍使用的新奥法，主张在初期支护中采用锚杆、挂网、喷射混凝土等手段将围岩与喷锚支护连成共同受力体，最大限度地利用围岩自身承载能力，节约支护材料，并可获得更好的支护效果。为达到其动态施工的要求，必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，反演确定围岩物理力学参数和原岩应力场，指导设计和施工方案的动态调整。

围岩变形监测是确定围岩参数的依据，其中，内部位移是非常重要的监测内容。目前，隧洞施工中的围岩内部位移监测多采用手工测量、人工读数，不仅费力，而且耗时多，监测信息反馈周期长，使得地应力场反分析和稳定性分析计算难以实时进行；而且内部变形的测量需要现场原位操作，既影响工程施工进度，又造成安全隐患。

围岩内部位移的测量一般采取多点位移计，测量时通常采用尺子进行读数，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。这类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

本发明所要解决的技术问题在于提供一种围岩内部位移的远距离观测装置，能远距离、方便地观测到围岩内部多个测点的变形，量程大、精度高。

本发明提供的围岩内部位移的远距离观测装置，包括带转轴的支架和多个圆环状的位移转盘，位移转盘内圆圆周处带凸缘，套装于转轴上，可绕转轴转动，遮光板固定在转轴上，推紧并遮盖位移转盘；位移转盘外径往遮光板侧依次减小，且朝向遮光板面圆周处有环状编码；遮光板上有窗口，从窗口可以观察到所有位移转盘上的环状编码；测点锚固头和钢丝连接，钢丝绕过位移转盘的凸缘，通过动滑轮两两连接，动滑轮上挂一重锤，使钢丝保持绷紧状态；还包括观测环状编码的望远镜组，图像传感器在望远镜组之后，并与计算机相连。

在使用过程中，将多个测点锚固头与围岩测量钻孔内岩壁固定连接，支架固定在钻孔围岩上，测点锚固头与钢丝连接，钢丝绕过转轴在动滑轮上两两连接，钢丝的移动可以无相对滑动地带动位移转盘旋转；多个不同直径的位移转盘同轴安装在转轴上，带窗口的遮光板遮盖位移转盘；每个位移转盘表面都有环状编码；遮光板上的窗口使得外部可以同时观测到多个不同直径的位移转盘上的环状编码；图像传感器在望远镜组之后，可接收位移转盘编码的光学成像；图像传感器与计算机相连，计算机内装有软件，可通过实时记录通过位移转盘窗口暴露的环状编码，分析得到每个位移转盘的转动角度，进一步计算得到围岩内部多个测点的位移数值。

实际应用中，作为一种优选，

位移装盘的凸缘的高度比钢丝直径大1~2mm，使得钢丝横向位移的空间减少。这样可以进一步提高测量的精度。

遮光板上的窗口为矩形。

位移转盘为聚丙烯材料制成。

本发明中所述的环状编码可采用已有的水准仪条码尺编码（参见专利CN100470197C公布的条码和编码解码方法）。

在工程应用中，望远镜组固定，避免观测系统本身定位的误差对观测结果的影响。使用本发明装置来观测围岩内部变形的过程如下： 

① 将观测装置的测点锚固头与围岩钻孔壁固定连接，钢丝经由动滑轮在重锤作用下均衡拉紧；通过望远镜组在图像传感器上成像，记录每个位移转盘露出编码的初始位置。

②测点锚固头在围岩内部变形的作用下，通过钢丝带动以微小角度步进旋转位移转盘。通过望远镜组和图像传感器观测每个位移转盘的编码，在计算机中解码得到每个位移转盘的旋转角度，与上一次每个位移转盘的位置分别对比，得到多个测点锚固头，即围岩内部多个测点的自身移动距离。

③在较短时间间隔后再次观测该处围岩内部变形情况，保证转盘旋转不超过半圈，记录每一步多个测点的自身移动距离，储存；

④根据矿业巷道、隧道等地下工程的围岩变形观测要求，重复观测，为围岩稳定性计算提供数据。

本发明具有以下的有益效果：①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；②可快速进行围岩内部多个测点的变形观测；由于采用了望远式光学测量、计算机软件分析，处理速度快，对短时间间隔的高密度测量和围岩稳定性实时分析十分有利。③测量量程大，仅仅受限于钢丝长度。④监测精度高，采用变比例位移轮盘来定位，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价格低廉，易于制作。

附图说明

图1 为本发明装置的整体结构示意图。

图2 为本发明装置遮光板局部结构示意图。

图3为本发明装置转轴局部结构示意图。

其中1-支架，2-转轴，3-位移转盘，4-凸缘，5-锚固头，6-钢丝，7-动滑轮，8-重锤，9-环状编码，10-遮光板，11-窗口，12-望远镜组，13-图像感应器，14-计算机。

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。

本发明提供的围岩内部位移的远距离观测装置，包括带转轴2的支架1和多个圆环状的位移转盘3，位移转盘3内圆圆周处带凸缘4，套装于转轴2上，可绕转轴2转动，遮光板10固定在转轴2上，推紧并遮盖位移转盘3；位移转盘3外径往遮光板侧依次减小，且朝向遮光板10面圆周处有环状编码9；遮光板10上有窗口11，从窗口11可以观察到所有位移转盘3上的环状编码9；测点锚固头5和钢丝6连接，钢丝6绕过位移转盘3的凸缘4，通过动滑轮7两两连接，动滑轮7上挂一重锤8，使钢丝6保持绷紧状态；还包括观测环状编码9的望远镜组12，图像传感器13在望远镜组12之后，并与计算机14相连。

遮光板10上的窗口11为一个矩形。

支架1固定在围岩测量钻孔外岩石表面，起支撑作用。

由于位移转盘3是圆环状的，外圆直径远大于内圆直径。当钢丝6移动一段距离，带动位移转盘3移动一定角度时，位于外圆圆周处的环状编码9能放大钢丝的位移。使得本发明装置对钢丝6移动位移的分辨能力达到1mm以上。

具体实施时，测点锚固头5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6采用铟钢丝或高强度不锈钢丝。带凸缘4的位移转盘3采用高强度的塑料如聚丙烯一体成型。转盘外径小于遮光板10，转盘内径与转轴2相近，比转轴直径大1~2mm，与转轴2嵌套连接；可以平顺地在转轴2上转动。位移转盘3紧贴外沿部分印制有白色底的环状编码9。位移转盘外圆直径从支架1侧起依次减小，使得靠近望远镜组12的转盘不遮挡靠近支架侧的位移转盘上的环状编码。

遮光板10为黑色不透明矩形，中心有孔，可紧密套装在转轴2上，边长大于位移转盘3的直径，阻止窗口11周围的背景光线干扰软件数据分析过程。遮光板10上开有窗口11，窗口11为矩形，使得外部可以同时观测到不同位移转盘上的环状编码9，编码可采用已有的远近分级兼容编码（发明专利CN100470197C），以适应望远镜远成像观测。

钢丝6绕过动滑轮7相连接，动滑轮7再与重锤8连接，动滑轮7与重锤8均由不锈钢制作，根据钢丝6长度确定大小和重量，确保钢丝6均衡放置且绷紧。

带转轴的支架1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。套装在转轴2上的位移转盘3可以围绕转轴同轴转动，其中心不发生侧移，并且利用遮光板10将位移转盘3向支架1方向顶紧，使之不发生沿轴向的滑动，利于提高计算机14对于位移分析的准确性。

凸缘4与钢丝6接触的表面粗糙化处理，保证钢丝6在测点锚固头5和重锤8和动滑轮7的牵引下移动的时候，不发生钢丝6与凸缘4之间的相对滑动，避免位移测量出现误差。位移转盘的凸缘4的高度比钢丝6直径大1~2mm，使得钢丝横向位移的空间减少。这样可以进一步提高测量的精度。

图像感应器13采用CCD或者CMOS，配备有接口电路；计算机14采用具备图像采集卡的便携机或台式机，可与图像感应器13通信交换数据，获取环状编码9通过望远镜组12光学成像的数据，由计算机14进行分析计算。

在工程应用中，望远镜组固定，避免观测系统本身定位的误差对观测结果的影响。使用本发明装置来观测围岩内部变形的过程如下： 

① 将观测装置的测点锚固头5与围岩钻孔壁固定连接，钢丝6经由动滑轮7在重锤8作用下平衡拉紧，钢丝6绕在凸缘4上；环状编码9通过望远镜组12在图像传感器13上成像，记录每个位移转盘3露出编码的图像。

②计算编码中心线位置，确定转盘3的初始位置。编码和解码方法解码方式参见发明专利CN100470197C。第一步，粗测。直接对获得的近码或者远码译码产生粗测值，译码方法可以查表法、也可以根据码序方程计算实现。 第二步：精测。对载码（比例码）相对中线的起始相位进行测量，得到更精确的编码中心线位置，也就是位移转盘3的初始位置。对于不同远近的观测点，编码可采用已有的远近分级兼容编码，以适应望远镜成像分辨能力因观测距离远近造成的差异，保证转盘角度转动值的高精度计算。

③位移转盘3在围岩内部变形的作用下，通过钢丝6带动以微小角度步进旋转，通过望远镜组12和图像传感器13观测每个位移转盘3的环形编码9，在计算机中解码得到每个位移转盘的旋转角度，与上一次每个位移转盘的位置分别对比，得到多个测点锚固头，即围岩内部多个测点的自身移动距离。

④在较短时间间隔后再次观测该处围岩内部变形情况，保证转盘旋转不超过半圈，记录每一步多个测点的自身移动距离，储存；

⑤根据矿业巷道、隧道等地下工程的围岩变形观测要求，重复观测，计算机14记录，为围岩稳定性计算提供数据。

Claims (4)

1.一种围岩内部位移的远距离观测装置，其特征在于，包括带转轴(2)的支架(1)和多个圆环状的位移转盘(3)，位移转盘(3)内圆圆周处带凸缘(4)，套装于转轴(2)上，可绕转轴(2)转动，遮光板(10)固定在转轴(2)上，推紧并遮盖位移转盘(3)；位移转盘(3)外径往遮光板侧依次减小，且朝向遮光板(10)面圆周处有环状编码(9)；遮光板(10)上有窗口(11)，从窗口(11)可以观察到所有位移转盘(3)上的环状编码(9)；多个测点锚固头(5)和钢丝(6)连接，钢丝(6)绕过位移转盘(3)的凸缘(4)，通过动滑轮(7)两两连接，动滑轮(7)上挂一重锤(8)，使钢丝(6)保持绷紧状态；还包括观测环状编码(9)的望远镜组(12)，图像传感器(13)在望远镜组(12)之后，并与计算机(14)相连。

2.如权利要求1所述的观测装置，其特征在于，位移转盘(3)的凸缘(4)的高度比钢丝(6)直径大1～2mm。

3.如权利要求1或2所述的观测装置，其特征在于，遮光板(10)上的窗口(11)为矩形。

4.如权利要求1或2所述的观测装置，其特征在于，位移转盘(3)为聚丙烯材料制成。

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