CN113566754B - 充填流塑性介质溶洞机械多触点式重构装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了充填流塑性介质溶洞机械多触点式重构装置及方法，包括行走固定架，吊装结构固定于行走固定架，吊装结构底部与探测杆连接，并可带动探测杆在水平和竖直方向移动；所述探测杆包括竖向设置的杆体，杆体底部与机械触手测量臂铰接连接，机械触手测量臂设置监测元件以监测其位移和角度，探测杆上部具有内部空间，内部空间设置支脚，支脚通过连杆与上下往复移动的套筒连接，以带动支脚收放。

Description

充填流塑性介质溶洞机械多触点式重构装置及方法

技术领域

本发明属于地下工程探测技术领域，具体涉及充填流塑性介质溶洞机械多触点式重构装置及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

近年来，由地下工程溶洞灾害源引发灾害事故频发，如岩溶地层地铁沿线溶洞引发突涌水灾害、桩基底部发育溶洞导致地基承载力不足、地下溶洞引发地面塌陷等。溶洞灾害源充填环境极其复杂，一般分为：干溶洞、充水溶洞、充填淤泥质溶洞，上述溶洞环境内的高湿度、多粉尘、复杂充水介质、高浑浊度、淤泥化程度等复杂环境给溶洞的精细探测与成像精度带来了巨大阻碍。上述灾害的发生多是由于地下工程赋存溶洞等灾害源定位不准、定量化困难等原因引起，导致勘察和施工阶段风险等级和详细参数不明确、不明朗。

针对干溶洞和充水溶洞，目前多是采用物探与钻探相结合的联合探查方法进行精确定位，在此基础上采用钻孔激光、钻孔声纳等非接触式测量技术，深入空洞内部获取岩壁图像及点云信息，实现空洞类灾害源的精细探测与真实成像，从而达到空洞灾害精确定位定量探测的目的。发明人发现，针对充填型溶洞，目前仍为钻孔和物探方法为基础，非接触式激光测量技术难以穿透充填介质，尤其是针对充填流塑性介质溶洞，其充填特性介于流体与塑性介质之间，难以进行定量化参数获取。因此，如何准确获取充填流塑性介质溶洞的形态模型及定量化参数成为亟需解决的工程技术难题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种充填流塑性介质溶洞机械多触点式重构装置及方法，该装置采用接触式位移测量直接采集物体表面的三维数据，突破了测量环境的时间和空间的约束，为工程处治提供定量化指导参数。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种充填流塑性介质溶洞机械多触点式重构装置，包括行走固定架，吊装结构固定于行走固定架，吊装结构底部与探测杆连接，并可带动探测杆在水平和竖直方向移动；所述探测杆包括竖向设置的杆体，杆体底部与机械触手测量臂铰接连接，机械触手测量臂设置监测元件以监测其位移和角度，探测杆上部具有内部空间，内部空间设置支脚，支脚通过连杆与上下往复移动的套筒连接，以带动支脚收放。

作为进一步的技术方案，所述探测杆侧部设置开孔以供支脚端部伸出，套筒与直线执行元件连接。

作为进一步的技术方案，所述监测元件包括位移量测传感器和角度量测传感器，位移量测传感器和角度量测传感器监测机械触手测量臂的位移和角度。

作为进一步的技术方案，所述监测元件与控制系统连接，监测元件将机械触手测量臂的位移、角度数据传输给控制系统，控制系统得出溶洞岩壁的三维坐标数据，确定溶洞岩壁点云坐标，进行充填流塑性介质溶洞的点云形态重构及体积测量。

作为进一步的技术方案，所述探测杆底部设置配重吊块，以保证探测杆下放过程不会发生偏移。

作为进一步的技术方案，所述微型行吊底部通过钢丝绳与探测杆连接，以保证探测杆始终处于竖直状态。

作为进一步的技术方案，所述监测元件外部设置密封结构。

作为进一步的技术方案，所述行走固定架包括相对设置的竖向支架，竖向支架顶部之间连接横向支架，吊装结构固定连接于横向支架底部，

第二方面，本发明实施例还提供了一种利用如上所述的重构装置的测量方法，包括以下步骤：

架设行走固定架，对溶洞钻孔进行清孔；

吊装结构水平移动探测杆，下放探测杆到达充填流塑性介质溶洞内部；

支脚张开固定于孔壁，为机械触手测量臂提供反力；

监测元件采集机械触手测量臂到达岩壁时的触点探测距离及角度，控制系统得出机械触手测量臂的三维坐标数据；

重复上次操作，控制系统进行点云重构，得到充填流塑性介质溶洞形态模型，并获取三维定量化参数；

完成测量。

作为进一步的技术方案，械触手测量臂的探测次数与充填流塑性介质溶洞尺寸成正比。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

本发明的重构装置，机械触手测量臂可穿透充填流塑性介质阻力，到达溶洞岩壁，由监测元件监测并记录其探测距离、角度等参数，从而确定溶洞岩壁点云坐标，其是采用接触式位移测量直接采集物体表面的三维数据，突破了测量环境的时间和空间的约束，为工程处治提供定量化指导参数，避免了盲目注浆或者跑浆等不明朗施工问题，加快处治进度，节约施工成本。

本发明的重构装置，由行走固定架支撑整个装置，保证装置在正常工作状态不发生偏移和倾斜，从而保证重构测量的准确性；并由吊装结构带动探测杆在水平和竖直方向移动，可以节省人力，提高效率。

本发明的重构装置，通过支脚的设置，在进行操作时将支脚展开固定于孔壁泥土，可确保机械触手测量臂不受溶洞内部阻力影响。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的重构装置的示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的重构装置在钢丝绳下放时的示意图；

图3是本发明根据一个或多个实施方式的探测杆的示意图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；

其中，1-行走固定架；2-微型行吊；3-钢丝绳；4-支脚；5-探测杆；6-机械触手测量臂；7-监测模块；8-配重吊块；9-控制系统。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。

正如背景技术所介绍的，针对充填型溶洞，目前仍为钻孔和物探方法为基础，非接触式激光测量技术难以穿透充填介质，尤其是针对充填流塑性介质溶洞，其充填特性介于流体与塑性介质之间，难以进行定量化参数获取；为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种充填流塑性介质溶洞机械多触点式重构装置及方法。

本发明的一种典型的实施方式中，如图1-图3所示，提出充填流塑性介质溶洞机械多触点式重构装置，其包括行走固定架1、微型行吊2、钢丝绳3、支脚4、探测杆5、机械触手测量臂6、监测模块7、配重吊块8和控制系统9。

行走固定架为架体形式，其包括相对设置的竖向支架，竖向支架顶部之间连接横向支架，吊装结构固定连接于横向支架底部。在本实施例中，吊装结构采用微型行吊。

为了能加强行走固定架的结构强度，在竖向支架底部可设置与其相连接的支撑底架，从而能保证整个行走固定架的稳定性。

在可选的实施方式中，行走固定架1采用不锈钢材料制作，具有良好的刚度和稳定性，为整体重构测量装置提供支撑，保证装置在正常工作状态不发生偏移和倾斜，从而保证重构测量的准确性。

微型行吊2底部通过钢丝绳3与探测杆5连接，微型行吊2通过自身的水平移动可实现探测杆5的水平方向的移动，微型行吊2通过下放或收紧钢丝绳可实现探测杆的竖直方向的移动，可以节省人力，提高效率。

钢丝绳3用于连接微型行吊2和探测杆5，由于钢丝绳本身具有较高强度以及较强的韧性，因此可以保证探测杆5始终处于绝对竖直状态。

如图3所示，探测杆5包括竖向设置的杆体，杆体底部与机械触手测量臂6铰接连接，机械触手测量臂可展开与杆体平行，也可弯折至与杆体成一定角度，机械触手测量臂6可穿透充填流塑性介质阻力，到达溶洞岩壁。

机械触手测量臂为可伸缩杆状结构，其可沿与探测杆的连接处转动进而改变角度。

探测杆上部具有内部空间，内部空间设置监测模块7，监测模块与监测元件通信，监测元件包括位移量测传感器和角度量测传感器，监测元件设置于机械触手测量臂6以实时监测其位移和角度，监测模块可实时记录机械触手测量臂6的位移和角度，并将相应数据传输给控制系统9。

位移量测传感器、角度量测传感器采用现有元器件，实现机械

在优选的实施方案中，监测元件外部可设置密封结构，以使监测元件具有密封特性，保证充填流塑性介质中监测元件可正常工作。

在优选的实施方案中，探测杆侧部设置开孔，探测杆内部设置支脚4，支脚端部可由开孔伸出，支脚通过连杆与套筒连接，套筒套设于探测杆内部空间的竖向轴，且套筒可上下移动，套筒还与直线执行元件连接，由直线执行元件推动套筒上下移动进而带动支脚收缩于探测杆内或伸出开孔。

直线执行元件可以采用微型电缸等结构，直线执行元件与控制系统通信，由此可自动控制支脚的收放。

支脚4可自动展开，固定于孔壁泥土，确保机械触手测量臂6不受溶洞内部阻力影响。

在可选的实施方案中，探测杆底部设置配重吊块8，配重吊块8由不锈钢材料制作，其牵引重力保证探测杆5下放过程不会发生偏移，只能够沿着基准方位角方向弯折而不能进行左右扭转，从而确保了探测杆5始终保持入孔时的方位。

控制系统9与监测元件连接，监测元件将机械触手测量臂的位移、角度数据传输给控制系统，控制系统根据机械触手测量臂6到达岩壁时的探测距离、角度数据，从而求解溶洞岩壁的三维坐标数据，确定溶洞岩壁点云坐标，进行充填流塑性介质溶洞的点云形态重构及体积测量工作。

利用上述装置对充填流塑性介质溶洞进行重构和测量的方法，包括以下步骤：

步骤1：根据空区探测现场具体情况，综合考虑安全、便于设备架设等因素，选择在比较平整的场地架设行走固定架1，对揭露充填流塑性介质溶洞的钻孔进行清孔工作；在钻孔中下好保护套管，并在地面固定套管；

步骤2：通过微型行吊2水平移动探测杆5，保证探测杆5对准钻孔位置，然后再通过钢丝绳3下放探测杆5到达充填流塑性介质溶洞内部，通过钢丝绳3的下放长度来确定钻孔深度，即溶洞的具体埋深位置；

步骤3：通过控制系统9打开支脚4，固定于孔壁泥土上，为机械触手测量臂6旋转和移动提供反力；

步骤4：探测杆5到达溶洞内部，同时机械触手测量臂6到达理想探测位置时，通过地面操作控制系统9，调整选定扫描模式，如单一水平切片重构模式、水平重构和垂直重构模式等，通常情况下以水平扫描模式为常用方式；选定扫描模式后，探测杆会沿模式中设定好的参数进行旋转和点云数据采集；

步骤5：监测元件中的位移量测传感器和角度量测传感器实时记录机械触手测量臂6到达岩壁时的触点探测距离及角度，控制系统求解机械触手测量臂6的三维坐标数据；

如假定O点为机械触手测量臂6发射点，坐标为(x₀,y₀,z₀)，P点为溶洞壁面待测点，坐标为(x,y,z)，S为机械触手测量臂6伸出距离，α为水平方向钻转角度，β为竖直方向旋转角度，则P点相对坐标值：

x＝S cos β cosα                        (1)

y＝S cos βsin α                           (2)

z＝S sin β                             (3)

则P点绝对坐标值为：

步骤6：重复上次操作，直至溶洞点云数量能够满足工程所需探测精度，控制系统9进行点云重构，得到充填流塑性介质溶洞形态模型，并获取其体积等三维定量化参数；

步骤7：完成测量工作，将仪器设备收回至地面。

在操作过程中，如充填流塑性介质溶洞尺寸较大，可适当增加机械触手测量臂6的探测次数，从而增加溶洞点云数量，保证其形态重构和参数具有更高的准确定和可靠度。

为保证充填流塑性介质中监测模块7可正常工作，监测模块7具有较好的密封特性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

Claims (9)

1.一种利用充填流塑性介质溶洞机械多触点式重构装置的测量方法，其特征是，所述重构装置，包括行走固定架，吊装结构固定于行走固定架，吊装结构底部与探测杆连接，并可带动探测杆在水平和竖直方向移动；所述探测杆包括竖向设置的杆体，杆体底部与机械触手测量臂铰接连接，机械触手测量臂设置监测元件以监测其位移和角度，探测杆上部具有内部空间，内部空间设置支脚，支脚通过连杆与上下往复移动的套筒连接，以带动支脚收放；

所述测量方法包括以下步骤：

架设行走固定架，对溶洞钻孔进行清孔；

吊装结构水平移动探测杆，下放探测杆到达充填流塑性介质溶洞内部；

支脚张开固定于孔壁，为机械触手测量臂提供反力；

监测元件采集机械触手测量臂到达岩壁时的触点探测距离及角度，控制系统得出机械触手测量臂的三维坐标数据；

监测元件中的位移量测传感器和角度量测传感器实时记录机械触手测量臂到达岩壁时的触点探测距离及角度，控制系统求解机械触手测量臂的三维坐标数据；

如假定O点为机械触手测量臂发射点，坐标为(x₀,y₀,z₀)，P点为溶洞壁面待测点，坐标为(x,y,z)，S为机械触手测量臂伸出距离，α为水平方向钻转角度，β为竖直方向旋转角度，则P点相对坐标值：

x＝Scosβcosα                           (1)

y＝Scosβsinα                           (2)

z＝Ssinβ                              (3)

则P点绝对坐标值为：

重复上次操作，控制系统进行点云重构，得到充填流塑性介质溶洞形态模型，并获取三维定量化参数；

完成测量。

2.如权利要求1所述的测量方法，其特征是，所述探测杆侧部设置开孔以供支脚端部伸出，套筒与直线执行元件连接。

3.如权利要求1所述的测量方法，其特征是，所述监测元件包括位移量测传感器和角度量测传感器，位移量测传感器和角度量测传感器监测机械触手测量臂的位移和角度。

4.如权利要求1或3所述的测量方法，其特征是，所述监测元件与控制系统连接，监测元件将机械触手测量臂的位移、角度数据传输给控制系统，控制系统得出溶洞岩壁的三维坐标数据，确定溶洞岩壁点云坐标，进行充填流塑性介质溶洞的点云形态重构及体积测量。

5.如权利要求1所述的测量方法，其特征是，所述探测杆底部设置配重吊块，以保证探测杆下放过程不会发生偏移。

6.如权利要求1所述的测量方法，其特征是，所述吊装结构采用微型行吊，所述微型行吊底部通过钢丝绳与探测杆连接，以保证探测杆始终处于竖直状态。

7.如权利要求1所述的测量方法，其特征是，所述监测元件外部设置密封结构。

8.如权利要求1所述的测量方法，其特征是，所述行走固定架包括相对设置的竖向支架，竖向支架顶部之间连接横向支架，吊装结构固定连接于横向支架底部。

9.如权利要求1所述的测量方法，其特征是，机械触手测量臂的探测次数与充填流塑性介质溶洞尺寸成正比。

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