CN115419394A - 一种钻孔斜度和方位角实时测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种钻孔斜度和方位角实时测量装置及方法，装置包括安装在钻杆上的地下测量装置及地面机台上信号接受装置，所述地下测量装置安装在钻杆的端部靠近钻头处，所述地上信号接受装置，连接到信号解译设备，所述地下测量装置内安装有第一压电晶体超声波收发装置，地上信号接受装置内安装有第二压电晶体超声波收发装置，所述第一压电晶体超声波收发装置与第二压电晶体超声波收发装置通过钢钻杆进行超声波信号传输，本申请无需电缆，可以一边钻探一边测量，当发生偏离时可以及时调整，避免钻探完成后再测量发现问题难以纠正。
Description
技术领域
本申请涉及岩土施工监测领域，具体涉及一种钻孔斜度和方位角实时测量装置及方法。
背景技术
在岩土工程勘察、桩基施工、锚杆钻孔等岩土施工领域经常会涉及到钻探作业，随着钻探深度的增加，经常会出现钻孔偏移的问题，导致无法钻进到预定位置，或者斜度过大钻孔无法使用，导致钻孔质量不合格重新钻孔，造成较大的浪费。
对于倾斜的监测主要对构筑物斜度监测，通过倾角传感器将倾角输出为数字信号通过线缆或者无线通讯进行信号解译，而在钻孔过程中难以使用电缆，无线信号因为泥浆阻碍也难以有效传播出，因此无法用于钻孔过程中的监测
目前对于钻孔倾斜度的监测常见的解决方案是采用测斜仪来测定钻孔倾角，还可以通过测定钻孔连续间距的倾斜角及测斜仪自身测点长度从而求得水平向位移。测斜仪分为便携式测斜仪和固定式测斜仪，根据信号传输方式可分为有线电缆传输和无线通讯传输。对于钻孔测量一般采用便携式测斜仪，测量时需要提前在钻孔埋设测斜管(带固定沟槽的PVC管)，测斜仪器内置倾角传感器，由人工拉动测斜仪，固定间距测量记录测斜仪的倾角，进而根据倾斜角求出不同高程处的水平位移增量。该方式需要钻孔完成后埋置一根测斜管，倾斜的方位角度也是确定的，并且需要有电缆。而钻孔过程因钻头不断转动使得电缆缠绕而导致无法使用，也因为钻孔中充满泥浆导致传统无线通讯无法有效传递信号。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种钻孔斜度和方位角实时测量装置及方法，无需电缆，可以一边钻探一边测量，当发生偏离时可以及时调整，避免钻探完成后再测量发现问题难以纠正。
为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
第一方面，本申请实施例提供一种钻孔斜度和方位角实时测量装置，包括安装在钻杆上的地下测量装置，所述地下测量装置安装在钻杆的端部靠近钻头处，所述钻杆上靠近钻机操作台处安装有地上信号接受装置，所述地上信号接受装置连接到信号解译设备，所述地下测量装置内安装有第一压电晶体超声波收发装置，地上信号接受装置内安装有第二压电晶体超声波收发装置，所述第一压电晶体超声波收发装置与第二压电晶体超声波收发装置进行超声波信号传输。
所述地下测量装置包括装置盒，所述装置盒为两个半圆弧形腔体，两个半圆弧形腔体的一端通过铰链连接，两个半圆弧形腔体的另一端设置有固定卡口，所述固定卡口内设置有螺栓从而将两个半圆弧形腔体固定套接在钻杆上，所述装置盒的腔体内安装有第一可伸缩接触探头，所述第一可伸缩接触探头一端与钻杆外侧壁接触，另一端与第一压电晶体超声波收发装置相连，所述第一压电晶体超声波收发装置连接AD转换器，所述AD/DA转换器连接到电子罗盘和倾角传感器，倾角传感器上连接有时钟计时器，所述电子罗盘和倾角传感器连接到可充电电池。
所述地上信号接受装置内安装有第二可伸缩接触探头，所述第二可伸缩接触探头的一端与钻杆外侧壁接触，另一端与第二压电晶体超声波收发装置相连，所述第二压电晶体超声波收发装置连接供电电池，所述第二压电晶体超声波收发装置、第二可伸缩接触探头以及供电电池均设置在安装盒内，所述安装盒上还设置有调节安装盒位置的调节卡扣。
所述信号解译设备通过导线与地上信号接受装置相连，所述信号解译设备包括滤波单元，所述滤波单元用以对第二压电晶体超声波收发装置传送过来的信号进行滤波，所述滤波单元连接功率放大器，功率放大器连接AD/DA转换器，AD/DA转换器连接到信号解译设备的显示单元。
第二方面，本申请实施例提供一种钻孔斜度和方位角实时测量方法，包括以下具体步骤：
在钻杆上分别安装地下测量装置和地上信号接受装置，地上信号接受装置连接到信号解译设备；通过地下测量装置的时钟计时器设置每间隔10分钟发送一次采样信号；
按照施工技术要求进行钻杆钻孔施工；
地下测量装置内的电子罗盘和倾角传感器每间隔十分钟发送一次数据给第一压电晶体超声波收发装置；
第一压电晶体超声波收发装置通过第一可伸缩接触探头将电子罗盘和倾角传感器采集的信号由电信号转化成超声波信号并传输到钻杆；
第二压电晶体超声波收发装置通过第二可伸缩接触探头接收第一压电晶体超声波收发装置传输过来的超声波信号，并将超声波信号转换成电信号后传输给信号解译设备；
信号解译设备对数据进行连线处理，剔除偏差过大的数据，生成剖面和平面图形并进行展示。
本申请另一个实施例提供一种钻孔斜度和方位角实时测量方法，包括以下具体步骤：
在钻杆上分别安装地下测量装置和地上信号接受装置，地上信号接受装置连接到信号解译设备；
按照施工技术要求，钻机就位进行钻孔；
地面工作人员不定时操作发送信号请求，钻机停止施工，地下测量装置内的电子罗盘和倾角传感器发送数据给第一压电晶体超声波收发装置；
第一压电晶体超声波收发装置通过第一可伸缩接触探头将电子罗盘和倾角传感器采集的信号由电信号转化成超声波信号并传输到钻杆；
第二压电晶体超声波收发装置通过第二可伸缩接触探头接触钻杆接收第一压电晶体超声波收发装置传输过来的超声波信号，并将超声波信号转换成电信号后传输给信号解译设备；
信号解译设备对数据进行连线处理，剔除偏差过大的数据，生成剖面和平面图形并进行展示。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、将设备绑定在钻杆上随钻进进入岩土层，无需取出钻杆再进行测量，一方面避免钻孔塌孔无法测量，另外一方面节约取钻杆和下测量设备的时间。
2、有定时测量和指令测量两种方式，可满足连续作业或间断作业等不同施工条件。
3、无需电缆，可以一边钻探一边测量，当发生偏离时可以及时调整，避免钻探完成后再测量发现问题难以纠正。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明的装置结构示意图。
图2是本发明的地下测量装置结构示意图。
图3是本发明的地上信号接受装置结构示意图。
图4是本发明的测量原理示意框图。
图5是本发明的实施例1锚杆施工剖面图。
图6是本发明的实施例采集的剖面数据图形。
图7是本发明的实施例采集的水平数据图形。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
术语“第一”、“第二”等仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
请参阅图1，一种钻孔斜度和方位角实时测量装置，包括安装在钻杆1上的地下测量装置3，所述地下测量装置3安装在钻杆1的端部靠近钻头2处，所述钻杆1上靠近钻机操作台处安装有地上信号接受装置4，所述地上信号接受装置4连接到信号解译设备5，所述地下测量装置3内安装有第一压电晶体超声波收发装置34，地上信号接受装置4内安装有第二压电晶体超声波收发装置40，所述第一压电晶体超声波收发装置34与第二压电晶体超声波收发装置40进行超声波信号传输。装置每次可以获得钻杆倾斜角度和方位角，当倾斜角为90°时，即钻孔垂直向下，在图形中显示为一点，倾斜角越小角度水平投影值越大。
请参阅图2，所述地下测量装置3包括装置盒30，所述装置盒30为两个半圆弧形腔体，两个半圆弧形腔体的一端通过铰链31连接，两个半圆弧形腔体的另一端设置有固定卡口32，所述固定卡口32内设置有螺栓从而将两个半圆弧形腔体固定套接在钻杆1上，所述装置盒30的腔体内安装有第一可伸缩接触探头33，所述第一可伸缩接触探头33一端与钻杆1外侧壁接触，另一端与第一压电晶体超声波收发装置34相连，所述第一压电晶体超声波收发装置34连接AD转换器35，所述AD/DA转换器35连接到电子罗盘36和倾角传感器37，倾角传感器37上连接有时钟计时器38，所述电子罗盘36和倾角传感器37连接到可充电电池39。
请参阅图3，所述地上信号接受装置4内安装有第二可伸缩接触探头41，所述第二可伸缩接触探头41的一端与钻杆1外侧壁接触，另一端与第二压电晶体超声波收发装置40相连，所述第二压电晶体超声波收发装置40连接供电电池42，所述第二压电晶体超声波收发装置40、第二可伸缩接触探头41以及供电电池42均设置在安装盒43内，所述安装盒43上还设置有调节安装盒43位置的调节卡扣44。
请参阅图4，所述信号解译设备5通过导线与地上信号接受装置4相连，所述信号解译设备5包括滤波单元50，所述滤波单元50用以对第二压电晶体超声波收发装置40传送过来的信号进行滤波，所述滤波单元50连接功率放大器51，功率放大器51连接AD/DA转换器52，AD/DA转换器52连接到信号解译设备5的显示单元53。
倾角传感器测量及电子罗盘是一种较为成熟的测量仪器，可以将测量的倾角和方位角转换成模拟信号或者脉冲信号。
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，本申请采用超声波来传递脉冲信号。
地下测量装置3通过时钟控制器控制倾角传感器及电子罗盘数据通过A/D转换脉冲信号，超声波发送器将脉冲信号通过钢介质传递，地上信号接受装置中的超声波接收器接受脉冲信号后通过D/A转换器转换从模拟信号，模拟信号传递给解译器，根据钻孔方位角及倾角给出综合偏移数据。
如图5-图7所示，实施例1，锚杆设计要求：方位角北偏东90°，有水平面倾角20°，施工包括以下具体步骤：
在钻杆1上分别安装地下测量装置3和地上信号接受装置4，地上信号接受装置4连接到信号解译设备5；通过地下测量装置3的时钟计时器38设置每间隔10分钟发送一次采样信号；
按照施工技术要求进行钻杆钻孔施工；
地下测量装置3内的电子罗盘36和倾角传感器37每间隔十分钟发送一次数据给第一压电晶体超声波收发装置34；
第一压电晶体超声波收发装置34通过第一可伸缩接触探头33将电子罗盘36和倾角传感器37采集的信号由电信号转化成超声波信号并传输到钻杆1；
第二压电晶体超声波收发装置40通过第二可伸缩接触探头41接收第一压电晶体超声波收发装置34传输过来的超声波信号，并将超声波信号转换成电信号后传输给信号解译设备5；
信号解译设备5对数据进行连线处理，剔除偏差过大的数据，生成剖面和平面图形并进行展示。
实施例2，场地为岩溶发育区，为查清工程桩位置是否存在溶洞，进行超前钻勘察，钻探要求：在工程桩中心位置进行钻探，钻孔垂直度偏差不超过1％
包括以下具体步骤：
在钻杆1上分别安装地下测量装置3和地上信号接受装置4，地上信号接受装置4连接到信号解译设备5；
按照施工技术要求，钻机就位进行钻孔；
地面工作人员不定时操作发送信号请求，钻机停止施工，地下测量装置3内的电子罗盘36和倾角传感器37发送数据给第一压电晶体超声波收发装置34；
第一压电晶体超声波收发装置34通过第一可伸缩接触探头33将电子罗盘36和倾角传感器37采集的信号由电信号转化成超声波信号并传输到钻杆1；
第二压电晶体超声波收发装置40通过第二可伸缩接触探头41接触钻杆1接收第一压电晶体超声波收发装置34传输过来的超声波信号，并将超声波信号转换成电信号后传输给信号解译设备5；
信号解译设备5对数据进行连线处理，剔除偏差过大的数据，生成剖面和平面图形并进行展示。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种钻孔斜度和方位角实时测量装置，其特征在于，包括安装在钻杆(1)上的地下测量装置(3)，所述地下测量装置(3)安装在钻杆(1)的端部靠近钻头(2)处，所述钻杆(1)上靠近钻机操作台处安装有地上信号接受装置(4)，所述地上信号接受装置(4)连接到信号解译设备(5)，所述地下测量装置(3)内安装有第一压电晶体超声波收发装置(34)，地上信号接受装置(4)内安装有第二压电晶体超声波收发装置(40)，所述第一压电晶体超声波收发装置(34)与第二压电晶体超声波收发装置(40)通过钢钻杆进行超声波信号传输。
2.根据权利要求1所述的一种钻孔斜度和方位角实时测量装置，其特征在于，所述地下测量装置(3)包括装置盒(30)，所述装置盒(30)为两个半圆弧形腔体，两个半圆弧形腔体的一端通过铰链(31)连接，两个半圆弧形腔体的另一端设置有固定卡口(32)，所述固定卡口(32)内设置有螺栓从而将两个半圆弧形腔体固定套接在钻杆(1)上，所述装置盒(30)的腔体内安装有第一可伸缩接触探头(33)，所述第一可伸缩接触探头(33)一端与钻杆(1)外侧壁接触，另一端与第一压电晶体超声波收发装置(34)相连，所述第一压电晶体超声波收发装置(34)连接AD转换器(35)，所述AD/DA转换器(35)连接到电子罗盘(36)和倾角传感器(37)，倾角传感器(37)上连接有时钟计时器(38)，所述电子罗盘(36)和倾角传感器(37)连接到可充电电池(39)。
3.根据权利要求2所述的一种钻孔斜度和方位角实时测量装置，其特征在于，所述地上信号接受装置(4)内安装有第二可伸缩接触探头(41)，所述第二可伸缩接触探头(41)的一端与钻杆(1)外侧壁接触，另一端与第二压电晶体超声波收发装置(40)相连，所述第二压电晶体超声波收发装置(40)连接供电电池(42)，所述第二压电晶体超声波收发装置(40)、第二可伸缩接触探头(41)以及供电电池(42)均设置在安装盒(43)内，所述安装盒(43)上还设置有调节安装盒(43)位置的调节卡扣(44)。
4.根据权利要求3所述的一种钻孔斜度和方位角实时测量装置，其特征在于，所述信号解译设备(5)通过导线与地上信号接受装置(4)相连，所述信号解译设备(5)包括滤波单元(50)，所述滤波单元(50)用以对第二压电晶体超声波收发装置(40)传送过来的信号进行滤波，所述滤波单元(50)连接功率放大器(51)，功率放大器(51)连接AD/DA转换器(52)，AD/DA转换器(52)连接到信号解译设备(5)的显示单元(53)。
5.一种钻孔斜度和方位角实时测量方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
在钻杆(1)上分别安装地下测量装置(3)和地上信号接受装置(4)，地上信号接受装置(4)连接到信号解译设备(5)；通过地下测量装置(3)的时钟计时器(38)设置每间隔10分钟发送一次采样信号；
按照施工技术要求进行钻杆钻孔施工；
地下测量装置(3)内的电子罗盘(36)和倾角传感器(37)每间隔十分钟发送一次数据给第一压电晶体超声波收发装置(34)；
第一压电晶体超声波收发装置(34)通过第一可伸缩接触探头(33)将电子罗盘(36)和倾角传感器(37)采集的信号由电信号转化成超声波信号并传输到钻杆(1)；
第二压电晶体超声波收发装置(40)通过第二可伸缩接触探头(41)接收第一压电晶体超声波收发装置(34)传输过来的超声波信号，并将超声波信号转换成电信号后传输给信号解译设备(5)；
信号解译设备(5)对数据进行连线处理，剔除偏差过大的数据，生成剖面和平面图形并进行展示。
6.一种钻孔斜度和方位角实时测量方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
在钻杆(1)上分别安装地下测量装置(3)和地上信号接受装置(4)，地上信号接受装置(4)连接到信号解译设备(5)；
按照施工技术要求，钻机就位进行钻孔；
地面工作人员不定时操作发送信号请求，钻机停止施工，地下测量装置(3)内的电子罗盘(36)和倾角传感器(37)发送数据给第一压电晶体超声波收发装置(34)；
第一压电晶体超声波收发装置(34)通过第一可伸缩接触探头(33)将电子罗盘(36)和倾角传感器(37)采集的信号由电信号转化成超声波信号并传输到钻杆(1)；
第二压电晶体超声波收发装置(40)通过第二可伸缩接触探头(41)接触钻杆(1)接收第一压电晶体超声波收发装置(34)传输过来的超声波信号，并将超声波信号转换成电信号后传输给信号解译设备(5)；
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