專利名稱：圍巖內部變形光學觀測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種圍巖變形觀測裝置，更具體涉及一種用于圍巖內部變形光學觀測 的裝置，適用于隧道、礦山巷道等地下工程開挖空間圍巖內部的變形觀測。
背景技術：
近年來，我國公路鐵路交通、水利水電、城市地鐵等重大基礎設施建設蓬勃興起、 迅速發(fā)展，伴隨而來的是隧洞工程(隧道、地下洞庫、地下廠房、巷道網(wǎng)絡)的大量興建。在 我國目前的隧道修建中，新奧法的采用越來越普遍，積累了大量的施工經(jīng)驗，在我國常稱為 “錨噴構筑法”，即所謂的動態(tài)觀測設計施工方法。新奧法在初期支護中主張采用錨桿、掛 網(wǎng)、噴射混凝土等手段將圍巖與噴錨支護連成一個整體共同受力，最大限度地利用圍巖自 身承載能力，不僅節(jié)約了支護材料和資源，也獲得了更好的支護效果，具有顯著的優(yōu)越性。 其精髓是基于變形監(jiān)測和圍巖反分析的動態(tài)支護方案設計，須在施工過程中對圍巖變形進 行跟蹤監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測信息及時調整計算模型，通過反分析進一步確定圍巖物理力學參數(shù) 和原巖應力場，對設計方案和施工組織進行修改調整，以確保隧洞圍巖的穩(wěn)定和設備人員 的安全。圍巖變形監(jiān)測是確定圍巖參數(shù)的依據(jù)，其中，內部變形是非常重要的監(jiān)測內容。目 前，隧洞施工中的圍巖內部變形監(jiān)測處于手工測量、人工讀數(shù)的狀態(tài)，不僅費力，更重要的 是耗時多，監(jiān)測信息反饋周期長，圍巖變形數(shù)據(jù)的獲取和處理不及時，使得施工過程中的圍 巖參數(shù)與地應力場反分析和穩(wěn)定性分析計算難以實時進行，常常造成設計方案和施工組織 修改調整的延誤，容易造成工程安全隱患或浪費，而且影響施工進度。圍巖內部變形的測量一般采取多點位移計，測量時大部分采用尺子進行讀數(shù)，例 如中國專利92229267公開的多點位移計，采用鋼性測桿代替鋼絲傳遞錨頭位移量，并進行 讀數(shù)；中國專利CN2725847Y公開的大位移量直讀式多點位移計，通過長軟尺和放大鏡觀測 窗口，實現(xiàn)巖石內部大位移的測量；中國專利200710052926公開的機械式多點位移計，通 過主尺和副尺結合，提高了測量精度和量程。除了機械類型的位移計，還有電磁類型的位移 測量裝置。例如中國專利902247905公開的多點位移計，利用懸臂梁上的應變片轉化位移 為電壓，測量鋼弦絲的位移；中國專利93236366公開的無線鉆孔多點位移計，利用測桿探 測器接近圍巖鉆孔內固定的被測磁鐵，得到接近信號后通過測桿讀出磁鐵位置。這一類技 術及相應的儀器裝置在實際應用中存在一些不足之處1)需要人工接近測量孔進行讀數(shù)， 對于大斷面的地下空間工程，人員難以爬高測量，故不易實施，且人為讀數(shù)的誤差較大；2) 人員測量需要腳手架、梯子或臺車等協(xié)助，阻礙了隧道施工過程中車輛和人員通過，影響正 常施工。因此在隧道、礦山巷道等地下工程建設中，造成了很多該用不用、該密切監(jiān)測卻因 為測量困難而流于形式的狀況。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是在于提供一種地下工程圍巖內部變形光學觀測裝置，結構簡單，能遠距離、方便直接地觀測得到圍巖內部測點的變形，有利于地下工程圍巖變形的快速測 量和穩(wěn)定性的實時分析研究。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的—種地下工程圍巖內部變形光學觀測的裝置，它包括位移轉盤、反光膜片、鋼絲 線、孔口支架、重錘、全站儀和計算機。其特征在于測點錨固頭與圍巖測量鉆孔內巖壁固 定連接，轉軸裝在孔口支架上，測點錨固頭與鋼絲連接，鋼絲繞過轉軸與重錘連接，位移轉 盤和反光膜片同軸安裝在孔口支架上，位移轉盤遮蓋反光膜片，轉軸上繞裝鋼絲，鋼絲與重 錘連接，反光膜片與孔口支架固定連接。測點錨固頭位與圍巖測量鉆孔內巖壁固定連接，轉 軸裝在孔口支架上，帶窗口的位移轉盤和反光膜片同軸安裝，位移轉盤遮蓋住反光膜片；反 光膜片表面以轉軸為圓心灰度切向漸變；位移轉盤以轉軸為圓心均勻對稱地分布有四個窗 口，使得外部可以觀測到反光膜片；轉軸上繞裝鋼絲，鋼絲前端與圍巖測點連接，后端與重 錘連接，鋼絲的移動可以無滑動地帶動轉軸和位移轉盤旋轉；反光膜片與孔口支架固定連 接，不隨轉軸轉動；全站儀與計算機相連，計算機內裝有軟件，可通過全站儀實時記錄通過 位移轉盤窗口反射的全站儀激光，分析激光的灰度模式，得到位移轉盤的轉動角度，進一步 計算得到圍巖內部測點位移數(shù)值。本發(fā)明具有以下的優(yōu)點和效果①可快速進行圍巖內部變形的觀測；由于采用了 全站儀光學測量、計算機軟件分析，對圍巖穩(wěn)定性的實時分析十分有利；②在隧道、礦山巷 道等地下工程施工中可以方便地進行遠距離觀測，不影響施工車輛正常交通，節(jié)約施工時 間；同時使得觀測人員可以遠離危險區(qū)域進行操作，安全性更高。③測量量程大，僅僅受限 于鋼絲長度。④監(jiān)測精度高，由于采用了變比例輪盤轉動定位，精度可以達到Imm以上，同 時避免了人工目測位移計標尺的誤差。⑤測量時自發(fā)射激光，無需輔助照明。


圖1為一種圍巖內部變形光學觀測裝置連接示意圖。圖2A為一種反光裝置正視示意圖。圖2B為一種反光裝置側視示意圖。。圖3A和圖3B為一種反光膜片原理圖。圖4為反光信號分析示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明一種圍巖內部變形光學觀測裝置，由測點錨固頭1、鋼絲2、位移轉盤3、反光膜片 4、全站儀5、計算機6、孔口支架7、轉軸8、重錘9、十字標志10和窗口 11組成。其特征在 于測點錨固頭1與圍巖測量鉆孔內巖壁固定連接。轉軸8裝在孔口支架7上，測點錨固頭 1與鋼絲2連接，鋼絲2繞過轉軸8與重錘9連接，位移轉盤3和反光膜片4同軸安裝在孔 口支架7上，位移轉盤3遮蓋反光膜片4 ；轉軸8上繞裝鋼絲2，鋼絲2前端與圍巖測量鉆孔 內的測點錨固頭1連接，后端與重錘9連接，鋼絲2可以無滑動地帶動轉軸8和位移轉盤3 轉動；反光膜片4與孔口支架7固定連接；反光膜片4有效反光表面以轉軸8軸心為圓心灰 度漸變；位移轉盤3以轉軸8軸線為圓心均勻對稱地分布有窗口 11四個，使得外部可以觀測到反光膜片4 ；全站儀5與計算機6相連，計算機6內裝有分析軟件，軟件名稱為“隧道變 形監(jiān)測系統(tǒng)”，軟件著作權登記號2007SR01365，可實時記錄通過位移轉盤3上窗口 11中反 射回來的激光，通過分析多個窗口形成的激光多峰值結構灰度信號得到測點錨固頭1表征 的圍巖位移數(shù)據(jù)。所述的反光膜片4可以有效反射全站儀5發(fā)射的照準激光。如圖1所示，測點錨固頭1與鋼絲2連接，鋼絲2繞過轉軸8與重錘9連接，鋼絲 2的移動可以無滑動地帶動轉軸8旋轉。測點錨固頭1位于圍巖測量鉆孔內，測點錨固頭1 與巖石固定連接。轉軸8裝在孔口支架7上，可自由轉動。如圖2所示，反光膜片4固定裝 在孔口支架7上，不隨轉軸8旋轉；位移轉盤3固定在轉軸8上，隨轉軸8旋轉，并遮蓋住反 光膜片4。鋼絲2繞裝在轉軸8上，鋼絲2前端與測點錨固頭1連接，后端與重錘9連接，鋼 絲2的移動可以無滑動地帶動轉軸8和位移轉盤3旋轉；位移轉盤3上以轉軸8軸線為圓 心，均勻對稱地分布有窗口 11四個，使得外部遠處的全站儀5可以觀測到反光膜片4。反光 膜片4表面被位移轉盤3遮蓋住的部分為有效反射部分，可以通過窗口 11有效反射全站儀 5發(fā)射的照準激光。轉軸8軸心上有十字標志10，用于全站儀5的望遠瞄準。如圖3A、3B 所示，反光膜片4由高反光膜片(圖3A)和透明薄膜(圖3B)疊合制作而成，能有效反射激 光的部分為環(huán)形條帶，透明度漸變?？卓谥Ъ?固定在圍巖測量鉆孔外巖石表面，起支撐作 用。全站儀5與計算機6相連，組成觀測分析部分，可實時記錄通過位移轉盤3上窗口 11中由反光膜片4反射回來的激光，計算機6中軟件分析激光灰度信號，如圖4所示，呈現(xiàn) 多峰值結構。根據(jù)事先標定的峰值結構數(shù)據(jù)，得到當前位移轉盤3的旋轉位置，進而計算得 到圍巖相對移動的距離。反光膜片4和轉軸8的半徑比率在大于1的范圍，其有效反射的環(huán)形區(qū)域徑向寬 度大于窗口 11徑向寬度，窗口 11在位移轉盤3徑向上的位置可變化，以改變鋼絲2移動距 離與窗口 11切向移動距離的比率，使得鋼絲2移動位移的分辨能力達到Imm及以上。具體實施時，測點錨固頭1可采用膨脹木、爪鉤等，以注漿、機械緊固和錨固劑等 方式與圍巖測量鉆孔內巖石固定；鋼絲2采用銦鋼絲或高強度不銹鋼絲。位移轉盤3采用 亞光黑色塑料盤制作，圓盤外直徑略大于反光膜片4有效反光部分，內直徑與轉軸8相同， 與轉軸8固定連接，盤面上以轉軸8軸線為圓心均勻對稱開有窗口 11，可以為四個(窗口呈 90度間距分布)，使得計算機6對激光多峰值結構灰度信號的分辨更穩(wěn)定更容易。反光膜片 4采用3M 鉆石級反光膜、Leica或Topcon測量反光膜，反光膜片4邊長10 20厘米，在 反光膜片4上覆透明薄膜，透明薄膜采用電鍍印刷級PC薄膜或者PET薄膜印刷制成。能反 射全站儀5發(fā)射的照準激光。反光膜片4有效反射區(qū)域(被位移轉盤3遮蓋住的環(huán)帶狀部 分)灰度漸變，透光率最低處不低于50% ；未被位移轉盤3遮蓋的部分為黑色不透明，阻止 反光膜反射激光干擾軟件數(shù)據(jù)分析過程。反光膜片4中心有圓孔，套裝在轉軸8上，不隨轉 軸8旋轉，背面固定在孔口支架7上?？卓谥Ъ?采用不銹鋼制作，可用螺栓固定在圍巖測 量鉆孔孔口的巖石上。重錘9由不銹鋼制作，根據(jù)鋼絲2長度確定重量，確保鋼絲2繃緊。 全站儀5采用CXD成像型電子全站儀，可選用的型號有Topcon 900系列、徠卡TPS1200系 列等；計算機6采用具備串行口的便攜機或臺式機，可與全站儀5通信交換信息，獲取激光 反射成像數(shù)據(jù)進行分析計算。轉軸8采用不銹鋼制作，裝在孔口支架7上，可以穩(wěn)定旋轉， 外端面上有十字標志10，刻線涂黑制作，十字標志10與轉軸8同軸轉動，其中心不發(fā)生側移，保證與位移轉盤3及反光膜片4具有固定的相對位置關系，利于提高全站儀5的望遠瞄 準和反射激光分析的準確性。轉軸8與鋼絲2接觸表面粗糙化處理，保證鋼絲2在測點錨固頭1和重錘9牽引下 移動的時候，不發(fā)生轉軸8與鋼絲2的相對滑動，避免位移測量出現(xiàn)誤差。反光膜片4有效 反射環(huán)形區(qū)域外側半徑和轉軸8的半徑比率取2 4倍，其有效反射環(huán)形區(qū)域徑向寬度取 窗口 11徑向寬度的2倍，窗口 11在位移轉盤3徑向上的位置貼緊外邊緣，鋼絲2移動距離 與窗口 11切向移動距離的比率為1 2，使得測點錨固頭1移動位移的分辨能力達到Imm 以上。本發(fā)明的工作過程如下①反光膜片4在0-90度之間以微小角度步進旋轉，全站儀5激光照射，記錄每一 步的反射光CCD圖像，形成一系列的灰度模式基準值，儲存。②將觀測裝置連接好后，通過孔口支架7固定在圍巖測量鉆孔孔口巖壁上，測點 錨固頭1與孔內巖石固定，放置好重錘9后，鋼絲2緊繃，設置為初始狀態(tài)；③全站儀5自由設站，瞄準裝置十字標志10中心，進行首次激光位移測量，激光照 射反光膜片4，計算機6通過全站儀5獲取反射激光信號，分析并記錄反射激光灰度模式，設 置為初始零位移；④地下工程圍巖深部有微小位移時，與巖壁固定的測點錨固頭1與重錘9牽引鋼 絲2，帶動位移轉盤3轉動，與反光膜片4有一個角度錯動；⑤在較短時間間隔后再次觀測該處圍巖內部變形情況，全站儀5瞄準裝置十字標 志10中心，全站儀5激光照射反光膜片4，獲取反射光CXD圖像后分析光線灰度模式，對比 基準值計算得到位移轉盤3的相對轉動角度，得到測點錨固頭1，即圍巖內部測點的相對移 動距離；⑥根據(jù)隧道等工程的圍巖變形觀測要求，重復觀測，計算機6記錄。
權利要求
一種圍巖內部變形光學觀測裝置，包括測點錨固頭(1)、鋼絲(2)、位移轉盤(3)、反光膜片(4)、全站儀(5)、計算機(6)、轉軸(8)、重錘(9)，其特征在于測點錨固頭(1)與圍巖測量鉆孔內巖壁固定連接，轉軸(8)裝在孔口支架(7)上，測點錨固頭(1)與鋼絲(2)連接，鋼絲(2)繞過轉軸(8)與重錘(9)連接，位移轉盤(3)和反光膜片(4)同軸安裝在孔口支架(7)上，位移轉盤(3)遮蓋反光膜片(4)，轉軸(8)上繞裝鋼絲(2)，鋼絲(2)與重錘(9)連接，反光膜片(4)與孔口支架(7)固定連接，全站儀(5)與計算機(6)相連，計算機(6)內裝有分析軟件。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種圍巖內部變形光學觀測裝置，其特征在于所述的反光 膜片(4)為測量反光膜，反光膜片(4)邊長10 20厘米，反光膜片(4)上覆透明薄膜，能 反射全站儀(5)發(fā)射的照準激光。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種圍巖內部變形光學觀測裝置，其特征在于所述的位移 轉盤(3)以轉軸(8)軸線為圓心均勻對稱地分布有窗口(11)。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種圍巖內部變形光學觀測裝置，其特征在于所述的窗口 (11)有四個。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種圍巖內部變形光學觀測裝置，包括鋼絲、位移轉盤、反光膜片、全站儀、計算機、轉軸、重錘，測點錨固頭與圍巖測量鉆孔內巖壁固定連接，轉軸裝在孔口支架上，位移轉盤和反光膜片同軸安裝在孔口支架上，位移轉盤遮蓋反光膜片，轉軸上繞裝鋼絲，鋼絲與重錘連接，反光膜片與孔口支架固定連接，全站儀與計算機相連，計算機內裝有分析軟件，反光膜片能反射全站儀發(fā)射的照準激光。位移轉盤以轉軸軸線為圓心均勻對稱地分布有窗口。該裝置能遠距離、方便直接地觀測得到圍巖內部測點的相對位移，有利于地下工程圍巖變形的快速測量和穩(wěn)定性的實時分析研究。
文檔編號G01B11/02GK101886916SQ20101020464
公開日2010年11月17日 申請日期2010年6月13日 優(yōu)先權日2010年6月13日
發(fā)明者劉小燕, 劉泉聲, 張程遠 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所