CN106595508A - 一种用于岩土模型试验围岩变形测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于岩土模型试验围岩变形测量装置及测量方法，包括限位机构、升降机构、传动杆、激光测距机构和激光标定机构，其中，所述升降机构上设置限位机构，传动杆设置于限位机构前端，所述传动杆前端设置有激光测距机构和激光标定机构；激光测距机构的激光发射器中轴线经过所述传动杆的轴线并与之垂直；所述激光标定机构的激光发射器置于所述传动杆的轴心位置，所述限位机构与所述激光测距机构在同一与所述传动杆中轴线垂直的平面上。本发明可以利用激光测距机构精准高效的进行围岩变形探测，得到对隧道开挖过程中围岩变形的模拟试验的高精度结果。

Description

一种用于岩土模型试验围岩变形测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及土木工程领域，尤其涉及一种用于岩土模型试验围岩变形测量装置及其测量方法。

背景技术

我国已经是世界上隧道修建规模与难度最大的国家，在隧道施工中面对各种复杂地质条件需要结合实际采用不同修建方法。岩土模型试验在一定情况下能够模拟隧道修建过程中围岩变化情况，具有高效经济，高仿真度等诸多优势，我国的隧道建设将会越来越多的参考岩土模型试验结果。位移或变形是岩土工程围岩力学特性与所处应力环境相互作用的结果，是分析和评价岩土工程安全稳定性最常用的指标，同时，也是试验中最为重要的量测内容之一，是模型试验至关重要的一步，也是所得结果是整个试验结果的直接体现。在模型试验中，围岩变形量的测量要求精度极高，测量误差将放大几十倍于实际工程应用中，而测量围岩变形的及时性也会对测量结果造成很大的影响。

传统测量方法中最常用的是应用铟钢尺直接测量方法，具有方便简捷，操作简单，成本低廉的优点，在当前模型试验围岩变形测量中发挥了巨大的作用，但由于铟钢尺测量精度低，观测者感官鉴别能力所限以及技术熟练程度不同，环境等条件的微小改变所造成的较大的系统误差，偶然误差，会很大影响测量结果准确性。近年来，随着数字相机的普及，数字照相量测技术得到迅速发展和广泛应用。在岩土工程相关试验研究中，数字照相量测已被作为一种先进的变形测试手段。该方法需要数字照相机以及相配套的软件系统，能对围岩变化情况做到及时的记录，相对于传统的测量手段，该方法大大提高了时效性，减小了偶然误差的产生。但是，目前的数字照相量测方法应用于隧道施工的模型试验也存在很多不足。首先，该方法对处理隧道模型这种纵深大、遮挡率高的事物存在着先天不足，很难反应真实的围岩情况；其次，相机拍摄的数字相片会产生一定变形，从而影响精度；第三，该方法成本高昂，需要专门的定焦相机，同时，对测量分析人员技术要求较高，不但要准确的调整图像的灰度等参数，进行图像增强，去噪等准备工作，还有熟练掌握相应配套软件。

综上所述，在岩土模型试验围岩变形量测工作中，尚缺乏一种精度高，时效性强，操作简单的方法以及该方法所需要的装置。因此需要一种在岩土模型试验中对围岩变形进行量测的装置，能够克服现有方法的不足，为模型试验中对围岩变形高精度高时效性测量提供一条可行途径。

现有的模型试验围岩变形测量装置，存在以下缺点：

1、一般测量装置精度低，时效性差，不能精确的测得围岩变化量。

2、对于具有模拟狭窄隧道的实验装置，不能进行有效的测量；

3、测量装置不能及时上传计算机，或者不能自动上传数据，造成工作量大，粗差较多的现状。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种用于岩土模型试验围岩变形测量装置及其测量方法，本发明可以利用激光测距机构精准高效的进行围岩变形探测，得到对隧道开挖过程中围岩变形的模拟试验的高精度结果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于岩土模型试验围岩变形测量装置，包括限位机构、升降机构、传动杆、激光测距机构和激光标定机构，其中，所述升降机构上设置限位机构，传动杆设置于限位机构前端，所述传动杆前端设置有激光测距机构和激光标定机构；

所述激光测距机构的激光发射器中轴线经过所述传动杆的轴线并与之垂直；所述激光标定机构的激光发射器置于所述传动杆的轴心位置，所述限位机构与所述激光测距机构在同一与所述传动杆中轴线垂直的平面上。

所述传动杆套装于限位机构内部，且限位机构内设置有螺纹，与传动杆外径螺纹相配合。

所述传动杆连接有传动装置，传动装置带动传动杆正向或逆向旋转。

所述激光测距机构和激光标定机构连接有信号传输装置。

所述传动杆上设置有齿轮。

所述传动装置，包括电机、减速齿轮和传动齿轮，所述电机的传动杆上设置有电机齿轮，所述电机齿轮与减速齿轮啮合，所述减速齿轮与传动杆后端啮合。

所述传动杆前段外径与限位机构的内径相同，两者表面为相互啮合螺纹结构，传动杆后段剖面是齿轮结构，并有一定延伸长度，与传动装置的传动齿轮啮合。

所述限位机构、升降机构之间设置有多轴位移微调装置，以调整限位机构的高度和水平方向。

基于上述装置的工作方法，包括以下步骤：

(1)在隧道模型前放置测量装置，并调整至水平，将传动杆前方粗略对准隧道模型掌子面中心，此时传动杆处于初始状态；

(2)打开激光标定机构，将激光发射器投射的光斑调整至掌子面中心，并在光斑处做好标记；

(3)打开激光限位机构，将激光发射器投射光斑调整至隧道模型开挖起始位置；

(4)开启传动装置使传动杆在限位机构的作用下向前转动，带动激光测距机构转动，使激光测距机构旋转扫描隧道围岩，所述激光测距机构得到点云数据通过信号传输装置实时传输到计算机；

(5)在传动杆前方到达隧道掌子面时关闭传动装置，做好标记，再使传动装置逆向运动，直至传动杆离开隧道模型。

本发明的有益效果为：

(1)本装置应用在岩土模型试验围岩变形测量中，利用激光测距方式得到点云数据，比传统测量方法更加准确高效。

(2)本装置应用在测量岩土模型试验围岩变形前，通过所述激光标定机构、固定装置、多轴位移微调装置，可以精确的调整传动杆所在位置，避免了因为装置移动造成测量偏差。

(3)本装置所述传动杆上具有与限位机构啮合的螺纹，能够使测距装置轴向位移与旋转角度成确定的比例关系，不用单独计算因轴向位移而造成的测量误差，测量更加精准方便。

(4)本装置利用激光标定机构，激光限位机构，结合固定装置，多轴位移微调装置可以确定该装置的空间坐标，能够实现重复测量，边开挖边测量，并能够得到精确的围岩变化量随着时间变化的变形量测数据，克服了传统测量装置实时性差的缺点。

(5)本装置所述信号传输装置，能够实时的将激光点云数据上传的计算机，通过计算机相应软件处理，得到比传统测量更加真实的试验结果。

(6)本装置所述控制装置，能够实现计算机远程操作，避免人为操作带来的较大误差；能够实现定时自动测量，大大节省了劳动强度。

(7)本装置通过控制装置，信号传输装置，能够在真空容器中进行实时测量，克服了传统测量装置无法在极端条件下实时测量的缺点。

(8)本装置所述传动杆能够通过狭长隧道模型，克服了在狭长隧道模型下传统测量装置无法使用的情况。

附图说明

图1是本装置整体示意图。

图2是限位机构、传动杆、激光限位机构、激光标定机构和激光测距机构整体结构示意图。

图3是传动装置与传动杆剖面结构图。

图4是本装置在模型试验前安放示意图。

图中：1升降杆，2竖向位移微调装置，3支撑套筒，4底座，5激光测距射线，6激光测距机构，7激光标定射线，8激光标定机构，9传动杆前端，10限位机构，11纵向位移微调装置，12横向位移微调装置，13激光限位机构，14激光测距机构激光发射器，15信号传输装置连接排线，16限位机构内径螺纹，17传动杆中段外径螺纹，18传动杆中段，19传动杆末段，20传动装置，21信号传输装置，22减速齿轮，23电机，24电机传动杆，25电机齿轮。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种用于岩土模型试验围岩变形测量装置，包括限位机构、传动杆、激光测距机构、激光标定机构，激光限位机构、传动装置、固定装置、多轴位移微调装置、信号传输装置和控制装置；所述传动杆在所述限位机构上；所述激光测距机构、激光标定机构、激光限位机构置于所述传动杆前部，所述传动杆的后部与所述传动装置连接，所述限位机构在所述固定装置上，所述多轴位移微调装置置于所述固定装置上。

所述激光测距机构激光发射器中轴线经过所述传动杆轴线并与之垂直；所述激光标定机构激光发射器置于所述传动杆前方，发射器置于所述传动杆轴心；所述激光限位机构与所述激光测距机构在同一与所述传动杆中轴线垂直的平面上。

当该装置安装到位后，通过所述控制装置控制所述传动装置，所述传动装置带动所述传动杆旋转，通过所述限位机构使所述传动杆旋转向前移动，带动所述激光测距机构、激光限位机构旋转，进行对围岩测量，通过所述信号传输装置将信号传输到计算机上。

在本装置进出隧道模型前，通过所述激光标定机构、固定装置、多轴位移微调装置，可以精确的调整所在位置，避免了因为装置移动造成测量偏差。

本装置工作效率高，测量快速高效精准，使用方便。传动杆上具有与限位机构啮合的螺纹，能够使测距装置轴向位移与旋转角度成确定的比例关系，不用单独计算因轴向位移而造成的测量误差，测量更加精准方便。

通过激光标定机构，激光限位机构，结合固定装置，多轴位移微调装置可以确定该装置的空间坐标，能够实现重复测量，边开挖边测量，并能够得到精确的围岩变化量随着时间变化的变形量测数据，克服了传统测量装置实时性差的缺点。

通过所述信号传输装置，能够实时的将激光点云数据上传的计算机，通过计算机相应软件处理，得到比传统测量更加真实的试验结果。

通过所述控制装置，能够实现计算机远程操作，避免人为操作带来的较大误差；能够实现定时自动测量，大大节省了劳动强度。

该装置通过控制装置，信号传输装置，能够在真空容器中进行实时测量，克服了传统测量装置无法在极端条件下实时测量的缺点。

所述传动杆能够通过狭长隧道模型，克服了在狭长隧道模型下传统测量装置无法使用的情况。

如图2所示，传动杆前段安置激光测距机构、激光标定机构，激光限位机构，激光测距机构激光发射器发射方向垂直于传动杆轴线方向，激光测距机构接收器激光感应器位于传动杆轴线上，激光限位机构激光发射器发射方向垂直于传动杆轴线方向，并与激光测距机构激光发射器发射方向在同一平面内。激光标定机构激光发射器位于传动杆周线上，激光发射方向与轴线在同一直线。

如图3所示，传动装置由电机，减速齿轮，传动齿轮组成；控制装置控制传动装置的电机正向或逆向转动；信号传输装置将信号实时传输到相应的计算机处理软件中。

需要进一步说明的是，限位机构内径，传动杆前段外径相同，两者表面为相互啮合螺纹结构，传动杆后段剖面是齿轮结构，并有一定延伸长度，与传动装置的传动齿轮啮合。传动杆转动时，限位机构固定不动，由于啮合螺纹作用，传动杆旋转角度与传动杆前进距离成已知比例。

一种用于岩土模型试验围岩变形测量装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：在隧道模型前放置测量装置，并将该装置底座调整至水平，将传动杆前方粗略对准隧道模型掌子面中心，此时传动杆处于初始状态；

步骤2：打开激光标定机构，通过调整多轴位移微调装置中的横向，竖向位移微调装置将激光发射器投射的光斑调整至掌子面中心，并在光斑处做好标记；

步骤3：打开激光限位机构，通过调整多轴位移微调装置中的纵向位移调整装置，将激光发射器投射光斑调整至隧道模型开挖起始位置；

步骤4：开启控制装置，传动装置使传动杆在限位机构的作用下向前转动，带动激光测距机构转动，使激光测距机构旋转扫描隧道围岩，所述激光测距机构得到点云数据通过信号传输装置实时传输到计算机；

步骤5：在传动杆前方到达隧道掌子面时通过所述控制装置关闭所述传动装置，做好标记，再使传动装置逆向运动，直至传动杆离开隧道模型。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种用于岩土模型试验围岩变形测量装置，其特征是：包括限位机构、升降机构、传动杆、激光测距机构和激光标定机构，其中，所述升降机构上设置限位机构，传动杆设置于限位机构前端，所述传动杆前端设置有激光测距机构和激光标定机构；

所述激光测距机构的激光发射器中轴线经过所述传动杆的轴线并与之垂直；所述激光标定机构的激光发射器置于所述传动杆的轴心位置，所述限位机构与所述激光测距机构在同一与所述传动杆中轴线垂直的平面上。

2.如权利要求1所述一种用于岩土模型试验围岩变形测量装置，其特征是：所述传动杆套装于限位机构内部，且限位机构内设置有螺纹，与传动杆外径螺纹相配合。

3.如权利要求1所述一种用于岩土模型试验围岩变形测量装置，其特征是：所述传动杆连接有传动装置，传动装置带动传动杆正向或逆向旋转。

4.如权利要求1所述一种用于岩土模型试验围岩变形测量装置，其特征是：所述激光测距机构和激光标定机构连接有信号传输装置。

5.如权利要求1所述一种用于岩土模型试验围岩变形测量装置，其特征是：所述传动杆上设置有齿轮。

6.如权利要求3所述一种用于岩土模型试验围岩变形测量装置，其特征是：所述传动装置，包括电机、减速齿轮和传动齿轮，所述电机的传动杆上设置有电机齿轮，所述电机齿轮与减速齿轮啮合，所述减速齿轮与传动杆后端啮合。

7.如权利要求1所述一种用于岩土模型试验围岩变形测量装置，其特征是：所述传动杆前段外径与限位机构的内径相同，两者表面为相互啮合螺纹结构，传动杆后段剖面是齿轮结构，并有一定延伸长度，与传动装置的传动齿轮啮合。

8.如权利要求1所述一种用于岩土模型试验围岩变形测量装置，其特征是：所述限位机构、升降机构之间设置有多轴位移微调装置，以调整限位机构的高度和水平方向。

9.基于权利要求1-8中任一项所述的装置的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)在隧道模型前放置测量装置，并调整至水平，将传动杆前方粗略对准隧道模型掌子面中心，此时传动杆处于初始状态；

(2)打开激光标定机构，将激光发射器投射的光斑调整至掌子面中心，并在光斑处做好标记；

(3)打开激光限位机构，将激光发射器投射光斑调整至隧道模型开挖起始位置；

(4)开启传动装置使传动杆在限位机构的作用下向前转动，带动激光测距机构转动，使激光测距机构旋转扫描隧道围岩，所述激光测距机构得到点云数据通过信号传输装置实时传输到计算机；

(5)在传动杆前方到达隧道掌子面时关闭传动装置，做好标记，再使传动装置逆向运动，直至传动杆离开隧道模型。