CN111561894A - 一种多点位移监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多点位移监测装置及监测方法，用于岩土工程领域岩体内部多点位移监测，包括位移测量系统、组合式壳体、数据处理终端；位移测量系统包括齿轮，齿条，齿条托槽，轴，绕线器，并且绕线器的直径大于齿轮的直径；通过上述机械结构将岩体位移转化为轴的线性移动和同轴转动，从而实现机械式位移放大，达到提高测量精度的目的，同时组合式壳体可实现监测设备与围岩高强度连接及对内部核心器件保护。

Description

一种多点位移监测装置及监测方法

技术领域

本发明涉及一种多点位移监测装置及监测方法，特别用于矿山开采、隧道、边坡等工程中岩土体内部变形监测领域。

背景技术

岩体由于其成因、地质活动、人工改造等因素的影响，致使其内部成分多变，节理、空隙散布，强度不均，从而导致工程开挖后岩体内部变形、破坏具有显著的非线性特点；其次从岩体内部位移发展过程而言，同样具有非线性特点。获取岩体内部不同位置的连续性位移-时间曲线对于判定工程稳定性及灾害预测具有重要意义。

多点位移计是实现岩体内部不同位置位移连续性监测的主要方法，其中以拉线式和光学式多点位移计为主，但对于岩体位移长期高精度监测尚有不足，同时由于使用环境和工程环境的复杂性，导致设备机械故障、线路故障常有发生，无法满足持续性在线监测需要，导致上述的主要因素归纳如下。

(1)现有设备多直接安装于岩体钻孔中，而由于作业场所存在的灰尘、水汽、腐蚀性地下水、爆破作业产生的氮氧化物、硫氧化物等因素导致多点位移计内部固定爪、拉线等金属材料腐蚀，光学传感器受积水、灰尘影响导致精度降低甚至失效等情况。

(2)钻孔塌孔、掉块等状况对于拉线式多点位移计可导致拉线变形或卡死等现象；对于光学式多点位移计可导致光路传播途径受阻等现象。

(3)工程现场爆破作业过程中的飞石、车辆运输剐蹭对于供电线路和监测信号传输线路破坏严重，线路故障时有发生。

(4)爆破冲击波对于监测设备的冲击震动影响严重，常导致设备机械故障。

发明内容

为此本发明针对工程恶劣环境，从提高产品精度、耐腐蚀性、设备稳定性等多个角度进行改进，提供一种具有内部机械放大功能的高精度、耐久性岩体内部多点位移监测装置及监测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多点位移监测装置，用于岩土工程领域岩体内部多点位移监测，包括位移测量系统、数据处理终端；位移测量系统包括齿轮，与齿轮相啮合的齿条，齿条固定于齿条托槽上，齿轮中心安装有轴，轴支承在齿条托槽的槽口内，轴可沿齿条托槽的槽口滑动；轴端部设有轴套；绕线器安装于轴上，并位于齿条托槽外侧，绕线器的直径大于齿轮的直径；绕线器上设置拉线；拉线尾端连接有线位移传感器；线位移传感器连接数据处理终端；当岩体产生位移时带动轴套移动时，轴沿槽口移动，轴销接于齿轮，轴移动过程中带动齿轮沿齿条滚动，进而带动位于齿条托槽外的同轴设置的绕线器转动，导致绕线器上的拉线长度变化。

位移测量原理：本多点位移监测装置可以在钻孔内部任意位置布置监测点，可实现同一钻孔不同部位位移监测，仅需要在对应位置设置齿轮传动机构即可实现该点位移监测。本装置采用线位移传感器实现岩体深部位移测量，在大直径线轴上方均匀缠绕有塑封钢绞线，钢绞线尾端连接线位移传感器，线位移传感器内部有恒定拉力维持系统，保证钢绞线张拉程度。线位移传感器可实现位移与电信号转换，再将电信号与信号采集、存储、传输系统相连实现岩体内部位移在线监测。

位移机械放大原理：与齿轮同轴设有绕线器，齿轮沿着齿条移动距离二者一致，由于齿轮和绕线器二者同轴，所以二者转动角度一致，但由于齿轮直径小于线轴直径，即可实现绕线器一侧位移放大。

优选地，所述位移测量系统设置两套或两套以上，用于测量两个不同位置的位移。

优选地，所述位移测量系统外部设有组合式外壳，可隔绝岩层水分、外界灰尘、气体进入。

优选地，所述组合式外壳包括壳体一，壳体二，以及壳盖；壳体一为U型结构，安装于轴所在段，壳体一两侧设有能够保证轴移动的带状开槽；壳体二为U型结构，安装于除轴所在段之外的其他部位，所述壳体一与壳体二采用嵌套式连接。

优选地，所述壳体一和壳体二两者嵌套式连接后，在壳体一的外侧形成预留空间，该预留空间采用填充材料填平，填充材料采用刷胶方式粘贴于壳体一于壳体二拼接形成的预留空间，其作用在于防止粘结材料进入壳体一凹槽，阻碍轴沿壳体移动。

优选地，所述壳体一与壳体二根据位移测量系统的个数设置多个。

优选地，填充材料为低密度、低强度、弹性隔水材料，在轴移动过程中易于裂开，不会阻挡轴的移动。

优选地，填充材料为泡沫、低强度橡胶或柔性树脂。

作为本发明进一步的方案，涉及一种多点位移监测装置的监测方法，其采用如上述权利要求任一项所述的多点位移监测装置进行监测，并根据监测数据获得岩体位移：

单点位移：当监测位置岩体产生位移S₀时，轴沿着齿条线位移为S₀，已知齿轮直径为d₁，绕线器直径为d₂，拉线产生的位移为S，S通过线位移传感器测得，则岩体位移S₀计算公示如下：

多点位移：根据单点位移计算公式计算出每个位置的位移值S₀₁、S₀₂、S₀₃…S_0n，当钻孔深度超过开挖影响范围时，认为孔底位移为0，此时每个监测点的位移依次为S₀₁、S₀₂、S₀₃…S_0n；当钻孔深度在开挖影响范围值之内时，孔底位移不为0，获取不同监测位置之间的位移相对变化值，其中钻孔内i号点与j号点的相对位移ΔS_ij＝|S_0i-S_0j|。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用机械式位移测量方法，可有效减低岩体工程施工过程中的爆破振动造成的设备运行稳定影响，对于提高设备的长期稳定服役时间具有重要作用。

(2)本发明具有内置的机械式位移放大装置，对于提高监测数据精度，具有重要意义，特别是在小变形高精度监测领域具有重要技术优势。

(3)本发明具有密封外壳，对于内部器件保护，提高监测设备与围岩连接强度以及内部核心器件保护具有作用，可有效提高设备服役时间及监测数据精度。

附图说明

为清晰描述本发明的技术原理及功能结构，下面对实施例描述所需要的附图作简要描述。

图1为本发明一种岩体内部多点位移监测装置的整体结构示意图；

图2为本发明图1中A处三维示意图。

图3为本发明组合式外壳25示意图。

图4为本发明现场实施示意图。

附图标记说明

1多点位移监测装置，2齿轮，3齿条，4齿条托槽，5槽口，6轴，7轴套，8绕线器，9拉线，10壳体一，11壳体二，12壳盖，13预留空间，14填充海绵，15孔壁，16粘结材料，17线位移传感器，18防护箱，19数据处理终端，20隧道，21岩体，22钻孔口，23固定端，24位移测量系统，25组合式壳体。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1，本发明提供一种岩土工程领域岩体内部多点位移监测装置，该装置主要包括位移测量系统24、组合式外壳25、数据处理终端19。位移测量系统24用于测量岩体内部不同位置位移，具有位移机械放大结构，可有效提高微小变形测量精度；组合式外壳25主要是为位移测量系统24提供保护，外壳采用弹性膨胀拼接结构组成，具有密闭性，可隔绝岩层水分、外界灰尘、气体进入；数据处理智能终端是对位移测量系统24输出的线位移进行采集、信号转换、存储、传输及故障分析处理。

位移测量系统24用于获取岩体钻孔内部不同位置的位移，包括齿轮2，与齿轮2相啮合的齿条3，齿条3固定于齿条托槽4上，二者可采用胶粘固定；齿轮2中心安装有轴6，轴6支承在齿条托槽4的槽口5内，轴6可沿齿条托槽4的槽口5滑动；轴6端部伸出组合式外壳25，轴6伸出组合式外壳25的伸出部分设有轴套7，轴套7用于防止粘结材料16将轴6粘结无法转动，轴套7通过砂浆与孔壁粘结，当岩体产生位移时带动轴套7移动时轴6沿槽口5移动，轴6销接于齿轮2，轴6移动过程中带动齿轮2沿齿条3滚动，进而带动位于齿条托槽4外的同轴设置的绕线器8转动，绕线器8的直径大于齿轮2的直径，优选绕线器8的直径是齿轮2的直径的1.5倍以上，绕线器8的转动导致缠绕其上的拉线9长度变化，拉线9尾端连接有线位移传感器17，从而线位移传感器17获得拉线9长度变化值。当需要测量钻孔内不同位置位移时，每一个位移监测点需要安装一套位移测量系统24，例如图1中为两点位移监测，用于测量两个不同位置的位移。

图2为图1A处三维示意图，通过三维位置展示进一步说明位移机械放大功能原理。当岩体产生位移时带动轴6沿槽口5移动，轴6移动过程中带动齿轮2沿齿条3滚动，进而带动绕线器8转动，绕线器8的直径大于齿轮直径，从而引起绕线器8上缠绕的拉线长度增大，实现输出位移放大功能。

组合式外壳25安装于位移测量系统24外部，其示意图见图1和图3，组合式外壳25主要包括壳体一10，壳体二11，以及壳盖12。壳体一10为U型结构，安装于轴6所在段，壳体一10两侧设有能够保证轴6移动的带状开槽；壳体二11也为U型结构，安装于除轴6所在段之外的其他部位；壳体一10与壳体二11采用嵌套式连接；壳体一10和壳体二11二者嵌套式连接后，在壳体一10的外侧形成预留空间13，该预留空间13采用填充材料14填平，再将壳盖12盖在壳体一10和壳体二11上方。根据位移测量系统24的设置个数，相应地设置多个壳体一10和多个壳体二11，多个壳体一10和多个壳体二11以及壳盖12形成组合式外壳25，为位移测量系统24提供保护。

填充材料14为低密度、低强度、弹性隔水材料，例如泡沫、低强度橡胶、柔性树脂等，填充材料14采用刷胶方式粘贴于壳体一10于壳体二11拼接形成的预留空间13，其作用在于防止粘结材料16进入壳体一10凹槽，阻碍轴6沿壳体移动；并且由于该填充材料14为低强度材料，在轴6移动过程中易于裂开，不会阻挡轴6的移动。

数据处理终端19用于实现位移测量系统24输出的位移量的采集、信号转换、存储、传输及故障分析。拉线9是位移测量系统24的位移输出端，拉线9与线位移传感器17相连,线位移传感器17将拉线9的位移量通过数据处理终端19实现位移量的采集、信号转换、存储、传输及故障分析。

图4为本装置在隧道工程中岩体内部多点位移监测的示意图，在隧道20的顶部或者其他需要监测的位置钻孔，形成钻孔孔壁15，在钻孔内安装位移测量装置24，位移测量装置24的上端与设备组合式外壳25在上端固定形成固定端23。组合式外壳25上端密封，例如采用密封盖板、注胶方式；组合式外壳25侧壁通过粘结材料16与孔壁15粘结，粘结材料16可采用水泥砂浆、树脂等；组合式外壳25的下端位于钻孔口22，钻孔口22同样进行密封。拉线9与线位移传感器17连接，线位移传感器17集中安装于防护箱18内，防护箱18与组合式外壳25的下端相邻，线位移传感器17与数据处理终端19连接。图4中孔壁15两侧的箭头示意岩体21不同位置位移变化规律。本发明同样可用于矿山开采、水利、边坡等工程。

本发明在实施过程中的获取的位移计算方法如下：

(1)单点位移计算：当监测位置岩体产生位移S₀时，轴6沿着齿条3线位移为S₀，已知齿轮2直径为d₁，绕线器8直径为d₂，拉线9产生的位移为S，S可通过线位移传感器17测得，则岩体位移S₀计算公示如下：

(2)多点位移计算：根据单点位移计算公式可以计算出每个位置的位移值S₀₁、S₀₂、S₀₃…S_0h，当钻孔深度超过开挖影响范围时，可认为孔底位移为0，此时每个监测点的位移依次为S₀₁、S₀₂、S₀₃…S_0n。当钻孔深度在开挖影响范围值之内时，孔底位移不为0，本发明可获取不同监测位置之间的位移相对变化值，例如钻孔内1号点与2号点的相对位移ΔS₁₂＝|S₀₁-S₀₂|。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种多点位移监测装置，用于岩土工程领域岩体内部多点位移监测，包括位移测量系统(24)和数据处理终端(19)，其特征在于，位移测量系统(24)包括齿轮(2)，与齿轮(2)相啮合的齿条(3)，齿条(3)固定于齿条托槽(4)上，齿轮(2)中心安装有轴(6)，轴(6)支承在齿条托槽(4)的槽口(5)内，轴(6)可沿齿条托槽(4)的槽口(5)滑动；轴(6)端部设有轴套(7)；绕线器(8)安装于轴(6)上，并位于齿条托槽(4)外侧，绕线器(8)的直径大于齿轮(2)的直径；绕线器(8)上设置拉线(9)；拉线(9)尾端连接有线位移传感器(17)；线位移传感器(17)连接数据处理终端(19)；当岩体产生位移时带动轴套(7)移动时，轴(6)沿槽口(5)移动，轴(6)销接于齿轮(2)，轴(6)移动过程中带动齿轮(2)沿齿条(3滚动，进而带动位于齿条托槽(4)外的同轴设置的绕线器(8)转动，导致绕线器(8)上的拉线(9)长度变化。

2.根据权利要求1所述的多点位移监测装置，其特征在于，所述位移测量系统(24)设置两套或两套以上。

3.根据权利要求1所述的多点位移监测装置，其特征在于，所述位移测量系统(24)外部设有组合式外壳(25)。

4.根据权利要求3所述的多点位移监测装置，其特征在于，所述组合式外壳(25)包括壳体一(10)，壳体二(11)，以及壳盖(12)；壳体一(10)为U型结构，安装于轴(6)所在段，壳体一(10)两侧设有能够保证轴()6移动的带状开槽；壳体二(11)为U型结构，安装于除轴(6)所在段之外的其他部位，所述壳体一(10)与壳体二(11)采用嵌套式连接。

5.根据权利要求4所述的多点位移监测装置，其特征在于，所述壳体一(10)和壳体二(11)二者嵌套式连接后，在壳体一(10)的外侧形成预留空间(13)，该预留空间(13)采用填充材料(14)填平。

6.根据权利要求4或5所述的多点位移监测装置，其特征在于，所述壳体一(10)与壳体二(11)根据位移测量系统(24)的个数设置多个。

7.根据权利要求5所述的多点位移监测装置，其特征在于，所述填充材料(14)为低密度、低强度、弹性隔水材料。

8.根据权利要求7所述的多点位移监测装置，其特征在于，所述填充材料(14)为泡沫、低强度橡胶或柔性树脂。

9.一种多点位移监测装置的监测方法，其特征在于，采用如上述权利要求任一项所述的多点位移监测装置进行监测，并根据监测数据获得岩体位移：

单点位移：当监测位置岩体产生位移S₀时，轴(6)沿着齿条(3)线位移为S₀，已知齿轮(2)直径为d₁，绕线器(8)直径为d₂，拉线(9)产生的位移为S，S通过线位移传感器(17)测得，则岩体位移S₀计算公示如下：

多点位移：根据单点位移计算公式计算出每个位置的位移值S₀₁、S₀₂、S₀₃…S_0n，当钻孔深度超过开挖影响范围时，认为孔底位移为0，此时每个监测点的位移依次为S₀₁、S₀₂、S₀₃…S_0n；当钻孔深度在开挖影响范围值之内时，孔底位移不为0，获取不同监测位置之间的位移相对变化值，其中钻孔内i号点与j号点的相对位移ΔS_ij＝|S_0i-S_0j|。

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