CN105201434A - 一种深孔地应力测试中空心包体的推送与定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深孔地应力测试中空心包体的推送与定位装置，包括定位杆，定位杆的前端的顶部设置有顶部定位槽、水平定位槽和包体线缆定位槽，定位杆从前端到后端依次设置有第一组定位支撑和第二组定位支撑，定位杆的前端还设置有摄像头，定位杆上还水平设置有三维电子罗盘，定位杆的后端连接有若干个推送杆。本发明还公开了一种深孔地应力测试中空心包体的推送与定位方法，包括孔口空间方位测量步骤、空心包体推送步骤、空心包体进小孔步骤、空心包体安装方位测量步骤。本发明在孔中推送效率高，能够保证包体顺利进入小孔，并可准确确定空心包体的空间方位，提高地应力测试精度，且结构简单、可快速拼接。

Description

一种深孔地应力测试中空心包体的推送与定位装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程测试技术，具体涉及一种深孔地应力测试中空心包体的推送与定位装置，还涉及一种深孔地应力测试中空心包体的推送与定位方法。

背景技术

随着人类对地下空间的开发与运用，地下工程已成为人类生存环境中不可或缺的组成部分。在地下工程的设计与施工过程中，原岩地应力水平直接决定着结构的支护设计、结构的断面形式、施工方法等，准确测量原岩地应力水平是确保结构安全稳定、进行支护设计优化的必要条件。

目前，空心包体钻孔应力解除法是测量地下工程原岩应力最常用的方法之一。采用该方法进行地应力测试时，将包体安全进入小孔并准确测量包体安装方位直接决定测试的精度与成败。当测试孔深较小时，推送杆的相对刚度较大，能够较好地控制包体的旋转方位，避免包体导向杆触碰大孔壁，确保其顺利进入小孔；同时，测试孔轴线近似一直线，钻孔造成的轴线弯曲引起的包体安装空间角度变化可以忽悠不计。但是，随着人类地下工程建造技术的提高，地下工程的埋深与断面尺寸均不断增加，埋深与断面尺寸的增加必然导致测试孔深度的增加。随着测试孔深的增加，推送杆的相对刚度减小，在推送过程中也会出现弯曲，安装人员无法辩明小孔位置时，易使包体导向杆顶住大孔底部，造成固定销折断、胶粘剂挤出，致使测试失败。同时，在深孔地应力测试中，钻孔弯曲、推杆弯曲、包体旋转均会造成包体空间方位与洞口间的差异，后续地应力计算过程中包体安装的空间方位不易确定，造成测试结果的不准确。因此，开发一种深孔应力解除地应力测试的包体推送与定位装置具有较高的工程运用价值。

发明内容

本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种深孔地应力测试中空心包体的推送与定位装置，还提供一种深孔地应力测试中空心包体的推送与定位方法。

一种深孔地应力测试中空心包体的推送与定位装置，包括定位杆，定位杆的前端的顶部设置有顶部定位槽，定位杆的前端的两侧分别设置有水平定位槽，两个水平定位槽位于水平平面，定位杆的底部设置有包体线缆定位槽，定位杆从前端到后端依次设置有第一组定位支撑和第二组定位支撑，第一组定位支撑和第二组定位支撑均包括一个顶部定位支撑和至少两个底部定位支撑，第一组定位支撑的顶部定位支撑和第二组定位支撑的顶部定位支撑均位于同一垂直平面，定位杆的前端还设置有摄像头，定位杆上还水平设置有三维电子罗盘，定位杆的后端连接有若干个推送杆。

如上所述的第一组定位支撑和第二组定位支撑上的顶部定位支撑和底部定位支撑均防磁化不锈钢钢筋弯曲而成，弯曲部分均采用弧面过渡，第一组定位支撑和第二组定位支撑上的顶部定位支撑和底部定位支撑与定位杆的连接面均为与定位杆外壁轮廓适配的圆弧面。

如上所述的第一组定位支撑和第二组定位支撑上的底部定位支撑均为2个，底部定位支撑且与同组的顶部定位支撑呈120夹角。

如上所述的推送杆两端分别设置有推送杆公头和推送杆母头，推送杆公头设有推送杆定位卡槽及可滑动螺帽，推送杆母头内部设有与推送杆定位卡槽适配的推送杆定位卡销，推送杆母头的外部设有与可滑动螺帽匹配的外螺纹。

如上所述的推送杆公头为圆筒状，推送杆定位卡槽沿推送杆公头纵向方向设置在推送杆公头的外壁，推送杆定位卡销设置在推送杆母头的内壁。

如上所述的定位杆的后端设置有与推送杆母头的外螺纹适配的内螺纹槽孔，与定位杆的后端连接的推送杆的推送杆母头设置在内螺纹槽孔内，定位杆-推送杆定位螺钉依次穿过定位杆和推送杆母头进行定位。

一种深孔地应力测试中空心包体的推送与定位方法，包括以下步骤：

孔口空间方位测量步骤：

将定位杆放置于测试孔孔口，旋转定位杆使三维电子罗盘工作平面与穿过测试孔中心线的竖直面垂直，采用地质罗盘测量测试孔的空间方位，将三维电子罗盘与地质罗盘的测量结果进行比较对照，当两者相差在允许误差范围内时，记录三维电子罗盘测得的测试孔的空间方位；

空心包体推送步骤：

依次连接各个推送杆并不断向测试孔的大孔中推送，推送过程中计量推送距离并通过摄像头观测空心包体的位置，直至空心包体接近大孔底壁；

空心包体进小孔步骤：

通过摄像头观察包体导向杆与位于大孔底壁的小孔的相对位置，若包体导向杆与小孔的中心偏差较大，则通过三维电子罗盘记录此时包体的旋转方位θ₁，而后通过旋转推送杆使包体导向杆与小孔对中，待包体导向杆与小孔对中时，继续向前推送包体使包体顺利进入小孔，当包体到达小孔中的目标位置，继续匀速、缓慢地推进以挤出包体的全部胶体，使包体与小孔壁粘合在一起；

空心包体安装方位测量步骤：

待包体胶体被固化后，将三维电子罗盘连接外部电脑，读取三维电子罗盘的空间方位，并计算空心包体的空间方位，然后缓慢拉出定位杆，同时一人在测试孔口负责将包体电缆拉紧。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、支撑采用不锈钢钢筋弯曲而成，弯曲部位均采用圆滑过渡，防止被碎石或岩体交界面卡住，提高支架在洞壁上的滑动性与通过性，提高包体推送效率。同时，两组支撑结构简单、易于加工、连接刚度大、稳定性好，有利于居中包体且可保证推送过程中包体旋转角的稳定，避免包体触碰孔壁而损坏并能提高进上孔效率。

2、推送杆同时采用卡槽与螺纹连接，具有较高的环向旋转刚度与轴向拉伸刚度，能够适应深孔测试条件，确保后续挤胶过程推力的稳定；同时，包体顶部定位槽-顶部定位支撑-罗盘坚向连接螺钉-一号抢着杆连接螺栓-推送杆卡销位于一条直线，在包体在推送过程中，保证了包体旋转方位的稳定。

3、通过自发光摄像头确定包体导向杆与小孔的相对位置，使包体顺利进入小孔中，能够避免因无法判别导向杆与小孔的相对位置，盲目推送使导向杆触碰大孔底胶体被挤出，导致测试失败。

4、采用三维电子罗盘来确定包体实际安装空间方位，改进了以往假定孔壁平直方法的不精确性，提高了深孔地应力测试时的精度。

附图说明

图1为包体推送定位装置整体图；

图2（a）为定位支撑主视结构图；

图2（b）为定位支撑侧视结构图；

图3为定位杆结构图；

图4（a）为三维电子罗盘定位平台主视结构图；

图4（b）为三维电子罗盘定位平台侧视结构图；

图4（c）为三维电子罗盘定位平台俯视结构图；

图5为推送杆结构图。

其中，1-定位杆，2-第一组定位支撑，3-第二组定位支撑，4-三维电子罗盘，5-三维电子罗盘定位平台，6-摄像头，7-1号推送杆，8-顶部定位槽，9-水平定位槽，10-定位杆-推送杆定位螺钉，11-推送杆定位卡槽，12-可滑动螺帽，13-空心包体，14-小孔，15-大孔，16-包体线缆定位槽，17-包体导向杆，18-大孔底壁，19-顶部定位支撑，20-底部定位支撑，21-支撑与定位杆的连接面，22-支撑定位螺钉，23-罗盘平台水平螺钉，24-罗盘平台竖向螺钉，25-罗盘定位螺钉，26-推送杆公头，27-推送杆母头，28-推送杆定位卡销。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对发明作进一步的说明。

实施例1：

一种深孔地应力测试中空心包体的推送与定位装置，包括定位杆1，定位杆1的前端的顶部设置有顶部定位槽8，定位杆1的前端的两侧分别设置有水平定位槽9，两个水平定位槽9位于水平平面，定位杆1的底部设置有包体线缆定位槽16，定位杆1从前端到后端依次设置有第一组定位支撑2和第二组定位支撑3，第一组定位支撑2和第二组定位支撑3均包括一个顶部定位支撑19和至少两个底部定位支撑20，第一组定位支撑2的顶部定位支撑和第二组定位支撑3的顶部定位支撑均位于同一垂直平面，定位杆1的前端还设置有摄像头6，定位杆1上还水平设置有三维电子罗盘4，定位杆1的后端连接有若干个推送杆。

第一组定位支撑2和第二组定位支撑3上的顶部定位支撑19和底部定位支撑20均防磁化不锈钢钢筋弯曲而成，弯曲部分均采用弧面过渡，第一组定位支撑2和第二组定位支撑3上的顶部定位支撑19和底部定位支撑20与定位杆1的连接面21均为与定位杆1外壁轮廓适配的圆弧面。

第一组定位支撑2和第二组定位支撑3上的底部定位支撑20均为2个，底部定位支撑20且与同组的顶部定位支撑19呈120夹角。

推送杆两端分别设置有推送杆公头26和推送杆母头27，推送杆公头26设有推送杆定位卡槽11及可滑动螺帽12，推送杆母头27内部设有与推送杆定位卡槽11适配的推送杆定位卡销28，推送杆母头27的外部设有与可滑动螺帽12匹配的外螺纹。

推送杆公头26为圆筒状，推送杆定位卡槽11沿推送杆公头26纵向方向设置在推送杆公头26的外壁，推送杆定位卡销28设置在推送杆母头27的内壁。

定位杆1的后端设置有与推送杆母头27的外螺纹适配的内螺纹槽孔，与定位杆1的后端连接的推送杆的推送杆母头27设置在内螺纹槽孔内，定位杆-推送杆定位螺钉10依次穿过定位杆1和推送杆母头27进行定位。

定位杆1采用防磁化不锈钢钢管，外径可取30mm，内径22mm，长度1.2m。前端开四个定位槽，包括1个顶部定位槽8，2个水平定位槽9，1个线缆定位槽16。定位槽（8、9）宽5mm，长35mm；线缆定位槽16宽10mm，长20cm。定位杆1后端内径与1号推送杆7的推送杆母头27外径适配，推送杆母头27设置有外螺纹，推送杆母头27上贯穿有定位孔，定位杆1设有与推送杆母头27匹配的内螺纹及定位孔，定位杆-推送杆定位螺钉10穿过定位孔将定位杆1的端部和推送杆母头27紧固。

第一组定位支撑2和第二组定位支撑3均采用外径16mm的防磁化不锈钢钢筋弯曲而成，弯曲部分均采用弧面过渡，以提高第一组定位支撑2和第二组定位支撑3在大孔15中的通过性。第一组定位支撑2和第二组定位支撑3均通过定位螺钉22与定位杆1连接，定位螺钉22采用M8*16mm。第一组定位支撑2和第二组定位支撑3与定位杆的连接面21均采用圆弧面，以提高螺钉连接稳定性。第一组定位支撑2距定位杆1前端包体定位槽8的长度为40cm，两组定位支撑间隔60cm，每组定位支撑中的三个定位支撑在定位杆1的圆弧面上按间隔120度均匀分布，其中顶部支撑19处于竖直向，两个底部支撑20与孔壁接触的两条线组成一定位平面。两组定位支撑（2、3）与定位杆1连接完成后，确保两组定位支撑（2、3）的定位平面重合。

推送杆7为不锈钢空心圆管，长度取1.8m，外径18mm，壁厚3mm，两端分别为推送杆公头26与推送杆母头27，推送杆公头26设有推送杆定位卡槽11及可滑动螺帽12，推送杆母头27内部设有与推送杆定位卡槽11对应的推送杆定位卡销28，推送杆母头27的外部设有与可滑动螺帽12匹配的外螺纹；推送杆定位卡销28长70mm，可滑动螺帽长40mm，推送杆公头26与推送杆母头27间采用内卡销和卡槽定位，同时采用可滑动螺帽12将推送杆定位卡槽11和推送杆定位卡销28箍紧。

三维电子罗盘定位平台5为PVC材质圆筒，在顶部切出一平台而成。将三维电子罗盘定位平台5通过罗盘平台水平螺钉23与罗盘平台竖向螺钉24连接至定位杆1上，罗盘平台竖向螺钉孔位于第一组定位支撑2和第二组定位支撑3的顶部支撑所在平面；而后将三维电子罗盘通过罗盘定位螺钉25固定至三维电子罗盘定位平台5上，并保证罗盘定位螺钉25与罗盘平台竖向定位螺钉24平行。

摄像头6固定至定位杆1的前端，在保证摄像头6不影响包体13进小孔14的情况下，尽量将其靠前放置，以清晰观测包体进小孔的整个过程。

待包体预处理完成后，将包体13放入定位杆1前端的定位槽（8、9）中，包体线缆通过包体线缆定位槽16。待线缆穿出包体线缆定位槽16后，将其逐渐过渡至定位杆1的顶部。以避免包体线缆在推送过程中与大孔15壁摩擦损坏。罗盘线缆分段固定至定位杆顶部。摄像头线缆分段固定至定位杆顶部。

一种深孔地应力测试中空心包体的推送与定位方法，包括以下步骤

孔口空间方位测量步骤：

连接完成后，将定位杆1放置于测试孔孔口，旋转定位杆1使三维电子罗盘4工作平面与穿过测试孔中心线的竖直面垂直，此时，三维电子罗盘4工作平面与测试孔的走向、倾向及倾角相同。将三维电子罗盘4电缆连接便携式电脑上，读取三维电子罗盘的空间方位，获得测试孔的走向、倾向及倾角；同时，采用地质罗盘测量测试孔的空间方位。将三维电子罗盘与地质罗盘的测量结果进行比较对照，当两者相差较大时查明原因，当两者相差在允许误差范围内时，记录三维电子罗盘4测得的测试孔的空间方位。

空心包体推送步骤：

将定位杆1与1号推送杆7通过螺纹连接，并通过定位杆-推送杆定位螺钉10定位，连接完成后将其向大孔15中推送。各个推送杆之间采用推送杆定位卡槽11和推送杆定位卡销28定位，通过可滑动螺帽12固定，并尽量保持推送杆定位卡槽11的角度相对稳定，依次可稳定空心包体13绕大孔15轴线的旋转角。依次连接后续各个推送杆并不断向大孔15中推送，推送过程中计量推送距离并通过摄像头6观测空心包体13的位置，直至空心包体13接近大孔底壁18。

空心包体进小孔步骤：

由于钻孔过程中引起的孔径误差以及导向杆连接时不居中，导向杆与小孔的中心线通常不重合。此时，通过摄像头6观察包体导向杆17与小孔14的相对位置，若两者中心偏差较大，则通过三维电子罗盘记录此时包体的旋转方位θ₁，而后通过旋转推送杆使两者对中。避免盲目推进使包体导向杆17触碰大孔底壁18，胶体流出导致测试失败。待包体导向杆17与小孔14对中时，继续向前推送包体使包体顺利进入小孔14。当包体到达小孔14中的目标位置，继续匀速、缓慢地推进以挤出全部胶体，使包体与小孔14壁粘合在一起。

空心包体安装方位测量步骤：

在深孔中测试时，除旋转角以外，钻孔轴线弯曲会导致的包体倾角变化，因此，必须准确获取包体最终安装的空间方位。通过上述装置与方法，三维电子罗盘4所在平面与空心包体两个水平定位槽9形成的平面平行，因此，可通过读取三维电子罗盘的空间方位获得空心包体所承载传感器的安装方位。待包体胶体被固化后，将三维电子罗盘电缆连接外部电脑，读取三维电子罗盘4的空间方位，并计算空心包体每一传感器的空间方位。然后缓慢拉出推送装置，同时一人在孔口负责将包体电缆拉紧，以免装置拉出过程中破坏包体电缆。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种深孔地应力测试中空心包体的推送与定位装置，包括定位杆（1），其特征在于，定位杆（1）的前端的顶部设置有顶部定位槽（8），定位杆（1）的前端的两侧分别设置有水平定位槽（9），两个水平定位槽（9）位于水平平面，定位杆（1）的底部设置有包体线缆定位槽（16），定位杆（1）从前端到后端依次设置有第一组定位支撑（2）和第二组定位支撑（3），第一组定位支撑（2）和第二组定位支撑（3）均包括一个顶部定位支撑（19）和至少两个底部定位支撑（20），第一组定位支撑（2）的顶部定位支撑和第二组定位支撑（3）的顶部定位支撑均位于同一垂直平面，定位杆（1）的前端还设置有摄像头（6），定位杆（1）上还水平设置有三维电子罗盘（4），定位杆（1）的后端连接有若干个推送杆。

2.根据权利要求1所述的一种深孔地应力测试中空心包体的推送与定位装置，其特征在于，所述的第一组定位支撑（2）和第二组定位支撑（3）上的顶部定位支撑（19）和底部定位支撑（20）均防磁化不锈钢钢筋弯曲而成，弯曲部分均采用弧面过渡，第一组定位支撑（2）和第二组定位支撑（3）上的顶部定位支撑（19）和底部定位支撑（20）与定位杆（1）的连接面（21）均为与定位杆（1）外壁轮廓适配的圆弧面。

3.根据权利要求2所述的一种深孔地应力测试中空心包体的推送与定位装置，其特征在于，所述的第一组定位支撑（2）和第二组定位支撑（3）上的底部定位支撑（20）均为2个，底部定位支撑（20）且与同组的顶部定位支撑（19）呈120夹角。

4.根据权利要求1所述的一种深孔地应力测试中空心包体的推送与定位装置，其特征在于，所述的推送杆两端分别设置有推送杆公头（26）和推送杆母头（27），推送杆公头（26）设有推送杆定位卡槽（11）及可滑动螺帽（12），推送杆母头（27）内部设有与推送杆定位卡槽（11）适配的推送杆定位卡销（28），推送杆母头（27）的外部设有与可滑动螺帽（12）匹配的外螺纹。

5.根据权利要求4所述的一种深孔地应力测试中空心包体的推送与定位装置，其特征在于，所述的推送杆公头（26）为圆筒状，推送杆定位卡槽（11）沿推送杆公头（26）纵向方向设置在推送杆公头（26）的外壁，推送杆定位卡销（28）设置在推送杆母头（27）的内壁。

6.根据权利要求4所述的一种深孔地应力测试中空心包体的推送与定位装置，其特征在于，所述的定位杆（1）的后端设置有与推送杆母头（27）的外螺纹适配的内螺纹槽孔，与定位杆（1）的后端连接的推送杆的推送杆母头（27）设置在内螺纹槽孔内，定位杆-推送杆定位螺钉（10）依次穿过定位杆（1）和推送杆母头（27）进行定位。

7.一种深孔地应力测试中空心包体的推送与定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

孔口空间方位测量步骤：

将定位杆（1）放置于测试孔孔口，旋转定位杆（1）使三维电子罗盘（4）工作平面与穿过测试孔中心线的竖直面垂直，采用地质罗盘测量测试孔的空间方位，将三维电子罗盘（4）与地质罗盘的测量结果进行比较对照，当两者相差在允许误差范围内时，记录三维电子罗盘（4）测得的测试孔的空间方位；

空心包体推送步骤：

依次连接各个推送杆并不断向测试孔的大孔（15）中推送，推送过程中计量推送距离并通过摄像头（6）观测空心包体（13）的位置，直至空心包体（13）接近大孔底壁（18）；

空心包体进小孔步骤：

通过摄像头（6）观察包体导向杆（17）与位于大孔底壁（18）的小孔（14）的相对位置，若包体导向杆（17）与小孔（14）的中心偏差较大，则通过三维电子罗盘（4）记录此时包体的旋转方位θ₁，而后通过旋转推送杆使包体导向杆（17）与小孔（14）对中，待包体导向杆（17）与小孔（14）对中时，继续向前推送包体使包体顺利进入小孔（14），当包体到达小孔（14）中的目标位置，继续匀速、缓慢地推进以挤出包体的全部胶体，使包体与小孔（14）壁粘合在一起；

空心包体安装方位测量步骤：

待包体胶体被固化后，将三维电子罗盘（4）连接外部电脑，读取三维电子罗盘（4）的空间方位，并计算空心包体的空间方位，然后缓慢拉出定位杆（1），同时一人在测试孔口负责将包体电缆拉紧。