CN110925546A - 隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置以及采集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置以及采集方法，装置包括：地质雷达天线盒、天线盒安装板、伸缩悬臂、连接座、轴承座、驱动机构、配重杆、配重块、伸缩立柱、支撑脚连接座、支撑脚和滚轮；伸缩悬臂和配重杆同轴固定安装到连接座；伸缩悬臂的外端固定安装天线盒安装板；天线盒安装板上面装配地质雷达天线盒；配重杆的外端固定安装配重块；连接座通过轴承座与驱动机构连接。本发明大大降低人工操作难度，减小操作人员工作强度，保障操作人员和设备的安全；数据采集点可以布满整个掌子面并且提高采集数据的精确程度；通过三维建模以及后续的数据分析处理技术，可得到更精确的超前预报数据；节省空间并且方便搬运。

Description

隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置以及采集方法
技术领域
本发明属于地质雷达超前预报检测技术领域，具体涉及一种隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置以及采集方法。
背景技术
隧道施工过程中往往面临着较为复杂的地质条件，比如断层、溶洞、破碎岩体等不良地质体形成的隧道塌腔，在强风化作用下形成的软性围岩以及富水环境下不稳定岩层形成的塌方。为了保证施工人员以及财产的安全，超前地质预报成为隧道施工过程中必不可少的工作环节。地质雷达探测作为一种方便快捷的无损短程物探方法，在超前地质预报中得到了广泛应用。
目前，在隧道施工过程中，地质雷达探测采取的主要方式为：人工手持地质雷达天线接触岩体的方式进行探测，此种探测方法存在以下缺点：(1)操作人员必须近距离接触掌子面，但是，掌子面附近的隧道没有进行支护，存在掉块、坍塌的可能，从而使操作人员和设备的安全得不到保证；(2)人工手持雷达天线探测时，雷达天线移动的速度完全取决于操作人员的运动能力，移动速度不均匀，最终用于三维建模的数据与坐标点对应关系不准确，导致分析结果与实际不符，检测效果不佳；(3)由于地质雷达天线自重比较大，而且掌子面附近地面情况比较复杂，人工抬举地质雷达天线的方式大大增加了操作人员的工作难度，工作强度大；(4)人工手持地质雷达天线运动，运动轨迹占整个掌子面的比例比较小，采集到的数据较少。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置以及采集方法，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置，包括：地质雷达天线盒(1)、天线盒安装板(2)、伸缩悬臂(3)、连接座(4)、轴承座(5)、驱动机构、配重杆(8)、配重块(9)、伸缩立柱(10)、支撑脚连接座(11)、支撑脚(12)和滚轮(14)；
所述伸缩悬臂(3)和所述配重杆(8)同轴固定安装到所述连接座(4)；所述伸缩悬臂(3)的外端固定安装所述天线盒安装板(2)；所述天线盒安装板(2)上面装配所述地质雷达天线盒(1)；所述配重杆(8)的外端固定安装所述配重块(9)；所述连接座(4)通过所述轴承座(5)与所述驱动机构连接；
所述伸缩立柱(10)的底端固定安装所述滚轮(14)；所述伸缩立柱(10)的顶端与所述连接座(4)固定；所述支撑脚连接座(11)套于所述伸缩立柱(10)的外面，可沿所述伸缩立柱(10)上下滑动；所述支撑脚连接座(11)的外周均匀铰接安装若干个所述支撑脚(12)。
优选的，所述驱动机构包括减速机(6)和伺服电机(7)；
所述伺服电机(7)通过所述减速机(6)与所述轴承座(5)连接。
优选的，所述伸缩悬臂(3)为三节伸缩悬臂，分别为第一伸缩悬臂、第二伸缩悬臂和第三伸缩悬臂；所述第一伸缩悬臂和所述第二伸缩悬臂均为悬臂伺服电机驱动的丝杠线轨结构；所述第三伸缩悬臂为悬臂伺服电机驱动的电伸缩缸结构。
优选的，所述支撑脚(12)为伸缩式支撑脚。
优选的，所述滚轮(14)为橡胶滚轮。
优选的，还包括控制箱(13)；所述控制箱(13)与所述驱动机构电连接。
本发明还提供一种隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置的采集方法，包括以下步骤：
步骤1，将隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置牵引移动到掌子面前方指定位置；
步骤2，根据隧道掌子面的实际高度调整伸缩立柱(10)的伸缩高度，从而调整隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置的整体高度，使地质雷达天线盒(1)旋转时经过本次测试所需的数据采集位置；
步骤3，在伸缩立柱(10)的高度调节到位后，沿伸缩立柱(10)滑动支撑脚连接座(11)，同时绕伸缩立柱(10)旋转支撑脚连接座(11)，从而调节支撑脚连接座(11)的高度和方向，再结合调节支撑脚(12)的打开角度，使支撑脚(12)平衡支撑整体装置；然后，拧紧螺钉锁定支撑脚连接座(11)的高度和方向；
步骤4，通过悬臂伺服电机的动作调节伸缩悬臂(3)的长度，使伸缩悬臂(3)伸长到第一指定长度R1；
然后，驱动机构通过轴承座(5)带动伸缩悬臂(3)、配重杆(8)、配重块(9)、地质雷达天线盒(1)和天线盒安装板(2)形成的整体旋转件以可控并且均匀的速度进行旋转运动；在整体旋转件旋转过程中，地质雷达天线盒(1)同步进行数据采集，从而完成以R1为半径的圆周方向的数据采集；
当地质雷达天线盒(1)旋转一圈后，使伸缩悬臂(3)伸长到第二指定长度R2，再使伸缩悬臂(3)旋转一圈，从而使地质雷达天线盒(1)完成以R2为半径的圆周方向的数据采集；
依此类推，通过多次改变伸缩悬臂(3)的长度，从而改变旋转直径，使地质雷达天线盒(1)完成不同半径圆周方向的数据采集，直到数据采集点布满整个掌子面，即得到模拟整个掌子面的超前预报检测数据。
本发明提供的隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置以及采集方法具有以下优点：
本发明大大降低人工操作难度，减小操作人员工作强度，保障操作人员和设备的安全；数据采集点可以布满整个掌子面并且提高采集数据的精确程度；通过三维建模以及后续的数据分析处理技术，可得到更精确的超前预报数据；节省空间并且方便搬运。
附图说明
图1为本发明提供的隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置的结构示意图；
图2为本发明提供的隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置的使用场景图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置，用于辅助隧道施工过程中地质雷达超前预报检测，本发明完全能够解决现有人工检测存在的各种缺陷，本装置安装简便，通过遥控即可控制地质雷达天线盒运动，从而同步实现掌子面数据采集，大大降低操作人员的工作强度；伺服控制地质雷达天线盒的转动，运动速度均匀，可以得出每一次采集数据时的精确坐标，准确建三维模型；通过旋转方式，地质雷达天线沿着圆弧轨迹运动，多次改变旋转半径，可以得到整个断面的超前探测数据，为建模和分析提供更有利的支撑。
本发明提供精确的超前预报数据，使地质雷达探测数据采集点覆盖隧道整个掌子面，相比现有操作方式，检测更客观，更贴近实际，为设计和施工提供精准数据支撑。保证检测人员和设备的安全，减少施工过程中不必要的损失。提高检测工作自动化程度，减轻操作人员工作强度，降低了超前预报检测工作对人员的个人能力和熟练程度的依赖性。
参考图1，隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置包括：地质雷达天线盒1、天线盒安装板2、伸缩悬臂3、连接座4、轴承座5、驱动机构、配重杆8、配重块9、伸缩立柱10、支撑脚连接座11、支撑脚12和滚轮14；
伸缩悬臂3为三节伸缩悬臂，分别为第一伸缩悬臂、第二伸缩悬臂和第三伸缩悬臂；第一伸缩悬臂和第二伸缩悬臂均为悬臂伺服电机驱动的丝杠线轨结构；第三伸缩悬臂为悬臂伺服电机驱动的电伸缩缸结构。因此，三节伸缩悬臂均为伺服电机驱动，可以精确控制伸缩悬臂伸缩的长度。
伸缩悬臂3和配重杆8同轴固定安装到连接座4；伸缩悬臂3的外端固定安装天线盒安装板2；天线盒安装板2上面装配地质雷达天线盒1，例如，地质雷达天线盒1通过快装螺钉安装；配重杆通过特殊快装夹具装配并与伸缩悬臂3成一条直线状态。
配重杆8的外端固定安装配重块9；配重块9通过快装螺钉安装；
连接座4通过轴承座5与驱动机构连接；具体的，驱动机构包括减速机6和伺服电机7；伺服电机7通过减速机6与轴承座5连接。
因此，伺服电机7配合大变速比减速机，输出足够的扭矩，通过轴承座带动伸缩悬臂3和配重杆8同时转动。而当伸缩悬臂3转动时，即带动地质雷达天线盒1转动，从而使地质雷达天线盒1进行不同位置的数据采集。
伸缩立柱10为多节伸缩装置，可以通过液压、电动或者气动方式驱动自动伸缩，根据隧道实际高度调节支架高度至3—5米。
伸缩立柱10的底端固定安装滚轮14；滚轮14采用橡胶滚轮。
伸缩立柱10的顶端与连接座4固定；支撑脚连接座11套于伸缩立柱10的外面，可沿伸缩立柱10上下滑动；支撑脚连接座11的外周均匀铰接安装若干个支撑脚12。其中，支撑脚12可以利用支撑脚连接座11在伸缩立柱10上转动或者滑动，调节支撑点角度和高度，支撑脚12为伸缩式支撑脚，人工调节到适合的长度，支撑整个装置，达到平衡的状态。
还包括控制箱13；控制箱13与驱动机构电连接。
本发明还提供一种隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置的采集方法，参考图2，包括以下步骤：
步骤1，将隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置牵引移动到掌子面前方指定位置；
具体的，本发明装置底部安装有橡胶滚轮，因此，可人工轻松牵引移动到掌子面附近的指定位置。在到达指定位置后，地质雷达天线盒1和配重块9通过快装螺钉安装，配重杆8通过特殊快装夹具装配并与伸缩悬臂3成一条直线状态，
步骤2，伸缩立柱10可以自动上下伸缩运动，因此，根据隧道掌子面的实际高度调整伸缩立柱10的伸缩高度至3—5米，从而调整隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置的整体高度，使地质雷达天线盒1旋转时经过本次测试所需的数据采集位置；
步骤3，支撑脚连接座11可围绕伸缩立柱10轴心线旋转，并可以沿伸缩立柱10滑动，从而调整其在伸缩立柱10上的高度和方向；支撑脚12为3件/套，可以在支撑脚连接座11上旋转打开至合适的倾斜状态，支撑脚12自身可以伸缩，伸缩至合适的长度之后，拧紧螺钉固定，三个支撑脚12在不影响地质雷达天线盒1运动的情况下，起到平衡支撑整个装置的作用。
因此，在伸缩立柱10的高度调节到位后，沿伸缩立柱10滑动支撑脚连接座11，同时绕伸缩立柱10旋转支撑脚连接座11，从而调节支撑脚连接座11的高度和方向，再结合调节支撑脚12的打开角度，使支撑脚12平衡支撑整体装置；然后，拧紧螺钉锁定支撑脚连接座11的高度和方向；
步骤4，通过悬臂伺服电机的动作调节伸缩悬臂3的长度，使伸缩悬臂3伸长到第一指定长度R1；
然后，驱动机构通过轴承座5带动伸缩悬臂3、配重杆8、配重块9、地质雷达天线盒1和天线盒安装板2形成的整体旋转件以可控并且均匀的速度进行旋转运动；每旋转半圈即可完成一个半径尺寸的圆周上的数据采集；
在整体旋转件旋转过程中，地质雷达天线盒1同步进行数据采集，从而完成以R1为半径的圆周方向的数据采集；
当地质雷达天线盒1旋转一圈后，使伸缩悬臂3伸长到第二指定长度R2，再使伸缩悬臂3旋转一圈，从而使地质雷达天线盒1完成以R2为半径的圆周方向的数据采集；
依此类推，通过多次改变伸缩悬臂3的长度，从而改变旋转直径，使地质雷达天线盒1完成不同半径圆周方向的数据采集，直到数据采集点布满整个掌子面，即得到模拟整个掌子面的超前预报检测数据。
本发明中，利用悬臂长度、立柱高度和转动角度三个参数可以计算出每一个数据采集点的精确坐标，为三维建模提供精确的数据保证。本装置非工作状态可以将地质雷达天线盒和配重块拆掉，收回悬臂和配重杆，降低伸缩立柱至最低状态，节省运输空间，无需庞大的搬运装置。
本发明提供的隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置以及采集方法具有以下优点：
(1)隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置布置于隧道掌子面前方并调节状态到位后，地质雷达天线盒在电机的驱动下自动旋转一周并同时完成一周数据的采集工作，因此，在数据采集过程中，操作人员不需要近距离接触掌子面，保证了操作人员的安全；
(2)地质雷达天线盒在电机的驱动下以可控均匀的速度旋转，保证了三维建模数据与坐标点对应关系的精确性，从而保证检测效果；
(3)在伸缩立柱等部件支撑下，使地质雷达天线盒接触采样位置，不需要人工抬举，因此，减轻了操作人员的工作难度和工作强度；
因此，本发明完全能够解决现有技术中存在的缺陷，大大降低人工操作难度，减小操作人员工作强度，保障操作人员和设备的安全；数据采集点可以布满整个掌子面并且提高采集数据的精确程度；通过三维建模以及后续的数据分析处理技术，可得到更精确的超前预报数据；节省空间并且方便搬运。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置，其特征在于，包括：地质雷达天线盒(1)、天线盒安装板(2)、伸缩悬臂(3)、连接座(4)、轴承座(5)、驱动机构、配重杆(8)、配重块(9)、伸缩立柱(10)、支撑脚连接座(11)、支撑脚(12)和滚轮(14)；
所述伸缩悬臂(3)和所述配重杆(8)同轴固定安装到所述连接座(4)；所述伸缩悬臂(3)的外端固定安装所述天线盒安装板(2)；所述天线盒安装板(2)上面装配所述地质雷达天线盒(1)；所述配重杆(8)的外端固定安装所述配重块(9)；所述连接座(4)通过所述轴承座(5)与所述驱动机构连接；
所述伸缩立柱(10)的底端固定安装所述滚轮(14)；所述伸缩立柱(10)的顶端与所述连接座(4)固定；所述支撑脚连接座(11)套于所述伸缩立柱(10)的外面，可沿所述伸缩立柱(10)上下滑动；所述支撑脚连接座(11)的外周均匀铰接安装若干个所述支撑脚(12)。
2.根据权利要求1所述的隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置，其特征在于，所述驱动机构包括减速机(6)和伺服电机(7)；
所述伺服电机(7)通过所述减速机(6)与所述轴承座(5)连接。
3.根据权利要求1所述的隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置，其特征在于，所述伸缩悬臂(3)为三节伸缩悬臂，分别为第一伸缩悬臂、第二伸缩悬臂和第三伸缩悬臂；所述第一伸缩悬臂和所述第二伸缩悬臂均为悬臂伺服电机驱动的丝杠线轨结构；所述第三伸缩悬臂为悬臂伺服电机驱动的电伸缩缸结构。
4.根据权利要求1所述的隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置，其特征在于，所述支撑脚(12)为伸缩式支撑脚。
5.根据权利要求1所述的隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置，其特征在于，所述滚轮(14)为橡胶滚轮。
6.根据权利要求1所述的隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置，其特征在于，还包括控制箱(13)；所述控制箱(13)与所述驱动机构电连接。
7.一种权利要求1-6任一项所述的隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置的采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置牵引移动到掌子面前方指定位置；
步骤2，根据隧道掌子面的实际高度调整伸缩立柱(10)的伸缩高度，从而调整隧道地质雷达超前预报数据三维采集装置的整体高度，使地质雷达天线盒(1)旋转时经过本次测试所需的数据采集位置；
步骤3，在伸缩立柱(10)的高度调节到位后，沿伸缩立柱(10)滑动支撑脚连接座(11)，同时绕伸缩立柱(10)旋转支撑脚连接座(11)，从而调节支撑脚连接座(11)的高度和方向，再结合调节支撑脚(12)的打开角度，使支撑脚(12)平衡支撑整体装置；然后，拧紧螺钉锁定支撑脚连接座(11)的高度和方向；
步骤4，通过悬臂伺服电机的动作调节伸缩悬臂(3)的长度，使伸缩悬臂(3)伸长到第一指定长度R1；
然后，驱动机构通过轴承座(5)带动伸缩悬臂(3)、配重杆(8)、配重块(9)、地质雷达天线盒(1)和天线盒安装板(2)形成的整体旋转件以可控并且均匀的速度进行旋转运动；在整体旋转件旋转过程中，地质雷达天线盒(1)同步进行数据采集，从而完成以R1为半径的圆周方向的数据采集；
当地质雷达天线盒(1)旋转一圈后，使伸缩悬臂(3)伸长到第二指定长度R2，再使伸缩悬臂(3)旋转一圈，从而使地质雷达天线盒(1)完成以R2为半径的圆周方向的数据采集；
依此类推，通过多次改变伸缩悬臂(3)的长度，从而改变旋转直径，使地质雷达天线盒(1)完成不同半径圆周方向的数据采集，直到数据采集点布满整个掌子面，即得到模拟整个掌子面的超前预报检测数据。
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