适应于围岩大变形的大量程激光位移测量仪

1.本发明涉及岩土工程技术领域，具体地指一种适应于围岩大变形的大量程激光位移测量仪。


背景技术：

2.地下工程建设与运营全生命周期中，必须要对围岩的安全状态实时监测和评价，其中，围岩变形是进行围岩安全稳定评价的关键指标。尤其是在具有围岩大变形的地层开挖地下隧道(或洞室)，经常会发生围岩大变形破坏，此时，围岩变形的实时监测显得尤为重要。
3.目前，常见的围岩变形监测手段主要包括围岩表面收敛监测和围岩内部位移监测。其中，安装于围岩内部的位移测量仪器一般需在构筑物整个寿命周期内使用，因此，这些仪器必须具有良好耐久性、较强抗腐蚀性，同时还需要易于安装、操作简单。
4.现有技术中一般采用振弦式多点位移计测量地下隧道(或洞室)围岩的内部变形，安装时首先将多点位移计放入钻孔中，然后在钻孔中浇筑混凝土将多点位移计固定在钻孔内，达到长期测量围岩变形的目的。
5.多点位移计测量精度较高，但是其存在如下缺点：第一，最大量程较小，一般不大于30cm，往往无法适用于隧道(或洞室)工程中出现的米级变形；第二，多点位移计在安装过程中需要在钻孔内灌浆将其固定，安装过程较繁琐。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足之处，本发明提出一种适应于围岩大变形的大量程激光位移测量仪，其最大量程可达到1m，适应于围岩地形大变形的实时监测，同时安装过程简单，无需在钻孔内通过灌浆方式将测量仪固定，减少工作人员的劳动强度。
7.为达到上述目的，本发明所设计的一种适应于围岩大变形的大量程激光位移测量仪，包括置于岩石钻孔内的外套筒，其特别之处在于：所述外套筒靠近钻孔内部的端面连接有固定件，所述固定件靠近外套筒筒内的端面连接有朝向钻孔外部延伸的拉杆；
8.所述拉杆靠近固定件端穿套有导柱，所述导柱与外套筒内壁、拉杆均抵接，所述拉杆靠近钻孔外部端穿套有与拉杆垂直布置的测距挡板；
9.所述导柱朝向钻孔外部的端面抵接有内套筒，所述内套筒贴合外套筒内壁延伸出外套筒且能够朝向钻孔外部自由运动，所述测距挡板置于内套筒筒内，所述测距挡板朝向钻孔外侧间隔设置有激光传感器，且所述激光传感器置于内套筒筒内；
10.所述固定件外周、所述内套筒延伸出外套筒外周分别套设有止逆爪，所述止逆爪包括呈圆周布置的若干个弹片，每个所述弹片均朝向钻孔外部发散延伸，且圆周布置的弹片构成的发散直径大于钻孔直径。
11.进一步地，所述内套筒靠近钻孔外部端面设置有筒盖，所述筒盖与内套筒之间通过螺纹连接，所述内套筒上的止逆爪设置在筒盖外周。
12.更进一步地，所述筒盖筒壁上开凿有用于穿过激光传感器导线的导线孔。
13.更进一步地，所述激光传感器导线外周包裹有密封材料，所述密封材料采用聚四氟乙烯制造。
14.更进一步地，所述止逆爪包括包裹在筒体外周、且呈对称布置的c型卡箍，所述弹片均匀固定在c型卡箍四周，每个所述c型卡箍端部均朝径向延伸有连接片，每个所述连接片上均开凿有连接孔，对称布置的c型卡箍之间通过连接孔内的螺栓连接。
15.进一步地，所述导柱朝向钻孔内侧间隔设置有拉杆支撑盖，所述拉杆支撑盖与外套筒内壁螺纹连接。
16.进一步地，所述固定件与外套筒内壁螺纹连接，且固定件外周与外套筒外周齐平。
17.进一步地，所述测距挡板与拉杆之间通过轴卡活动连接。
18.进一步地，所述外套筒直径为50～75mm，长度为1.0～1.4m，壁厚为4～7mm。
19.更进一步地，所述激光传感器量程为0～2m，测量误差为
±
1mm。
20.本发明的优点在于：
21.1、本发明能够根据岩体的变形类型、以及最大变形深度，设置测量仪中内套筒的初始状态和测量仪的整体长度，若岩体以拉伸变形为主，则初始状态下的内套筒适宜完全塞入外套筒内；反之，若岩体以压缩变形为主，则初始状态下的内套筒适宜部分伸出外套筒；
22.2、本发明将外套筒作为测量仪的固定端，将内套筒作为测量仪的活动端，并在固定端和活动端分别设置止逆爪，安装时将测量仪整体塞进钻孔内，此时止逆爪由于受到钻孔内壁的约束，周向布置的弹片被压缩并紧密贴合在钻孔内壁上，保证设备只能沿钻孔内部方向推入，无法向钻孔外部拔出；
23.3、当测量仪被推到设定深度后，再将测量仪向钻孔外用力拉动，由于止逆爪上的弹片是朝向钻孔外部发散设计，在拉力作用下，弹片会愈加牢固地卡进钻孔内壁，从而将测量仪的固定端和活动端固定在钻孔内，保证测量仪的外套筒与深部围岩同步变形，测量仪的内套筒与浅部围岩同步变形，另外还能够避免使用混凝土浇筑固定杆体的复杂过程；
24.4、当浅部岩体发生变形时，测量仪中的内套筒随着围岩发生相应的协调变形，同时激光传感器也随着围岩发生相应的协调变形，此时激光传感器与测距挡板之间的距离发生实时变化，激光传感器发射到测距挡板的激光脉冲反射时间也发生实时变化，通过将变化的激光脉冲反射时间转化为激光传感器与测距挡板之间的距离，从而获得浅部岩体的变形值；
25.5、当深部岩体发生变形时，测量仪中的外套筒随着围岩发生相应的协调变形，同时测距挡板也随着围岩发生相应的协调变形，此时测距挡板与激光传感器的距离发生实时变化，激光传感器发射到测距挡板的激光脉冲反射时间也发生实时变化，通过将变化的激光脉冲反射时间转化为激光传感器与测距挡板之间的距离，从而获得深部岩体的变形值；
26.本发明适应于围岩大变形的大量程激光位移测量仪不仅能够实现1m的最大量程，适应于围岩地形大变形的实时监测，而且能够通过止逆爪的特殊结构将测量仪整体固定在钻孔内，避免在钻孔内进行灌浆固定的繁琐，安装过程简单，减少工作人员的劳动强度。
附图说明
27.图1为本发明适应于围岩大变形的大量程激光位移测量仪的立体结构示意图；
28.图2为本发明适应于围岩大变形的大量程激光位移测量仪的正视结构示意图；
29.图3为图2中a-a向的剖视结构示意图；
30.图4为图3中拉杆支撑盖的剖视结构放大图；
31.图5为图3中拉杆支撑盖的右视(或左视)结构示意图；
32.图6为图3中导柱的剖视结构放大图；
33.图7为图3中导柱的正视结构示意图；
34.图8为图3中导柱的右视(或左视)结构示意图；
35.图9为图3中b处的放大结构示意图；
36.图10为图1中止逆爪的右视(或左视)结构示意图；
37.图11为激光传感器的原理图；
38.图中：外套筒1、固定件2、拉杆3、拉杆支撑盖4、导柱5、测距挡板6、内套筒7、激光传感器8、止逆爪9、轴卡10；
39.内套筒7包括：筒盖7-1、导线孔7-2；
40.止逆爪9包括：弹片9-1、c型卡箍9-2、连接片9-3、连接孔9-4。
具体实施方式
41.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
42.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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，因此不能理解为对发明的限制。
43.如图1～10所示，本发明适应于围岩大变形的大量程激光位移测量仪，包括置于岩石钻孔内的外套筒1，所述外套筒1靠近钻孔内部的端面连接有固定件2，所述固定件2靠近外套筒1筒内的端面连接有朝向钻孔外部延伸的拉杆3；
44.所述拉杆3靠近固定件2端穿套有导柱5，所述导柱5与外套筒1内壁、拉杆3均抵接，所述拉杆3靠近钻孔外部端穿套有与拉杆3垂直布置的测距挡板6；
45.所述导柱5朝向钻孔外部的端面抵接有内套筒7，所述内套筒7贴合外套筒1内壁延伸出外套筒1且能够朝向钻孔外部自由运动，所述测距挡板6置于内套筒7筒内，所述测距挡板6朝向钻孔外侧间隔设置有激光传感器8，且所述激光传感器8置于内套筒7筒内；
46.所述固定件2外周、所述内套筒6延伸出外套筒1外周分别套设有止逆爪9，所述止逆爪9包括呈圆周布置的若干个弹片9-1，每个所述弹片9-1均朝向钻孔外部发散延伸，且圆周布置的弹片9-1构成的发散直径大于钻孔直径。
47.本发明能够根据岩体的变形类型、以及最大变形深度，设置测量仪中内套筒7的初始状态和测量仪的整体长度，若岩体以拉伸变形为主，则初始状态下的内套筒7适宜完全塞入外套筒1内；反之，若岩体以压缩变形为主，则初始状态下的内套筒7适宜部分伸出外套筒1。
48.所述大量程激光位移测量仪的工作原理如下：
49.第一、将外套筒1作为测量仪的固定端，将内套筒7作为测量仪的活动端，并在固定端和活动端分别设置止逆爪9，通过止逆爪9的特殊结构，将测量仪推到钻孔内设定深度，并将固定端和活动端固定在钻孔内，保证测量仪的外套筒1与深部围岩同步变形，测量仪的内套筒7与浅部围岩同步变形；
50.第二、当浅部岩体发生变形时，测量仪中的内套筒7随着围岩发生相应的协调变形，同时激光传感器8也随着围岩发生相应的协调变形，此时激光传感器8与测距挡板6之间的距离发生实时变化，激光传感器8发射到测距挡板6的激光脉冲反射时间也发生实时变化，通过将变化的激光脉冲反射时间转化为激光传感器8与测距挡板6之间的距离，从而获得浅部岩体的变形值；
51.第三、当深部岩体发生变形时，测量仪中的外套筒1随着围岩发生相应的协调变形，同时测距挡板6也随着围岩发生相应的协调变形，此时测距挡板6与激光传感器8的距离发生实时变化，激光传感器8发射到测距挡板6的激光脉冲反射时间也发生实时变化，通过将变化的激光脉冲反射时间转化为测距挡板6与激光传感器8之间的距离，从而获得深部岩体的变形值。
52.如图11所示，为激光传感器的原理图。从图11可以看出，激光传感器从发射端发射出激光，激光遇到测距挡板后反射到激光反射接收模块。通过激光回波法计算两点之间距离，如果光以速度c在空气中传播，在激光传感器与测距挡板之间往返一次所需时间为t，则激光传感器与测距挡板之间距离d可用下列表示：
53.d＝(c*t)/2
54.式中，
55.d为测距挡板与激光传感器之间距离，
56.c—光在大气中传播的速度，
57.t—光往返激光传感器与测距挡板一次所需的时间。
58.具体地，所述内套筒7靠近钻孔外部端面设置有筒盖7-1，所述筒盖7-1与内套筒7之间通过螺纹连接，所述内套筒7上的止逆爪9设置在筒盖7-1外周。所述筒盖7-1筒壁上开凿有用于穿过激光传感器8导线的导线孔7-2。
59.优选地，所述激光传感器8导线外周包裹有密封材料，所述密封材料采用聚四氟乙烯制造，聚四氟乙烯物理抗热性可达280℃，耐寒性可达-100℃，存储年限可达20年。包裹聚四氟乙烯的激光传感器8导线能够在岩体内长期使用。
60.具体地，所述止逆爪9包括包裹在筒体外周、且呈对称布置的c型卡箍9-2，所述弹片9-1均匀固定在c型卡箍9-2四周，每个所述c型卡箍端部均朝径向延伸有连接片9-3，每个所述连接片9-3上均开凿有连接孔9-4，对称布置的c型卡箍9-2之间通过连接孔9-4内的螺栓连接。
61.优选地，所述导柱5朝向钻孔内侧间隔设置有拉杆支撑盖4，所述拉杆支撑盖4与外套筒1内壁螺纹连接。所述导柱5和拉杆支撑盖4不仅用于支撑拉杆3，而且能够使拉杆3随外套筒1协同变形，进而带动测距挡板6发生变形，从而导致激光传感器8发射到测距挡板6的距离发生变化，达到测量大变形的目的。
62.具体地，所述固定件2与外套筒1内壁螺纹连接，且固定件2外周与外套筒1外周齐平，方便安装。
63.所述测距挡板6与拉杆3之间通过轴卡10活动连接，轴卡10的主要作用是将测距挡板6固定在拉杆3上，且方便拆卸。
64.优选地，所述外套筒1直径为50～75mm，长度为1.0～1.4m，壁厚为4～7mm。本实施例中外套筒1直径为65mm，长度为1.2m，壁厚为5mm。
65.另外，所述激光传感器8量程为0～2m，测量误差为
±
1mm。
66.优选地，所述外套筒1、拉杆3、内套筒7、止逆爪9均采用304不锈钢材质制造。304不锈钢是一种通用性的不锈钢材料，防锈性能比200系列的不锈钢材料要强，耐高温方面也比较好，一般使用温度极限小于650℃。另外，304不锈钢具有优良的不锈耐腐蚀性能和较好的抗晶间腐蚀性能，在实验中得出：304不锈钢在浓度≤65％、且沸腾温度以下的硝酸中具有很强的抗腐蚀性。304不锈钢对碱溶液及大部分有机酸和无机酸亦具有良好的耐腐蚀能力。
67.上述大量程激光位移测量仪的安装过程如下：
68.步骤一、安装时将测量仪整体塞进钻孔内，此时止逆爪由于受到钻孔内壁的约束，周向布置的弹片被压缩并紧密贴合在钻孔内壁上，保证测量仪只能沿钻孔内部方向推入，无法向钻孔外部拔出；
69.步骤二、当测量仪被推到设定深度后，再将测量仪向钻孔外用力拉动，由于止逆爪上的弹片是朝向钻孔外部发散设计，在拉力作用下，弹片会愈加牢固地卡进钻孔内壁，从而将测量仪的固定端和活动端固定在钻孔内，保证测量仪的外套筒与深部围岩同步变形，测量仪的内套筒与浅部围岩同步变形，另外还能够避免使用混凝土浇筑固定杆体的复杂过程。
70.本发明适应于围岩大变形的大量程激光位移测量仪不仅能够实现1m的最大量程，适应于围岩地形大变形的实时监测，而且能够通过止逆爪的特殊结构将测量仪整体固定在钻孔内，避免在钻孔内进行灌浆固定的繁琐，安装过程简单，减少工作人员的劳动强度。
71.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种适应于围岩大变形的大量程激光位移测量仪，包括置于岩石钻孔内的外套筒(1)，其特征在于：所述外套筒(1)靠近钻孔内部的端面连接有固定件(2)，所述固定件(2)靠近外套筒(1)筒内的端面连接有置于外套筒(1)筒内、且朝向钻孔外部延伸的拉杆(3)；所述拉杆(3)靠近固定件(2)端穿套有导柱(5)，所述导柱(5)与外套筒(1)内壁、拉杆(3)外周分别抵接，所述拉杆(3)靠近钻孔外部端穿套有与拉杆(3)垂直布置的测距挡板(6)；所述导柱(5)朝向钻孔外部的端面抵接有内套筒(7)，所述内套筒(7)贴合外套筒(1)内壁延伸出外套筒(1)、且能够朝向钻孔外部自由运动，所述测距挡板(6)置于内套筒(7)筒内，所述测距挡板(6)朝向钻孔外侧间隔设置有激光传感器(8)，且所述激光传感器(8)固定在内套筒(7)筒内；所述固定件(2)外周、所述内套筒(6)延伸出外套筒(1)外周分别套设有止逆爪(9)，所述止逆爪(9)包括呈圆周布置的若干个弹片(9-1)，每个所述弹片(9-1)均朝向钻孔外部发散延伸，且圆周布置的弹片(9-1)构成的发散直径大于钻孔直径。2.根据权利要求1所述的适应于围岩大变形的大量程激光位移测量仪，其特征在于：所述内套筒(7)靠近钻孔外部端面设置有筒盖(7-1)，所述筒盖(7-1)与内套筒(7)之间通过螺纹连接，所述内套筒(7)上的止逆爪(9)设置在筒盖(7-1)外周。3.根据权利要求2所述的适应于围岩大变形的大量程激光位移测量仪，其特征在于：所述筒盖(7-1)筒壁上开凿有用于穿过激光传感器(8)导线的导线孔(7-2)。4.根据权利要求3所述的适应于围岩大变形的大量程激光位移测量仪，其特征在于：所述激光传感器(8)导线外周包裹有密封材料，所述密封材料采用聚四氟乙烯制造。5.根据权利要求4所述的适应于围岩大变形的大量程激光位移测量仪，其特征在于：所述止逆爪(9)包括包裹在筒体外周、且呈对称布置的c型卡箍(9-2)，所述弹片(9-1)均匀固定在c型卡箍(9-2)四周，每个所述c型卡箍端部均朝径向延伸有连接片(9-3)，每个所述连接片(9-3)上均开凿有连接孔(9-4)，对称布置的c型卡箍(9-2)之间通过连接孔(9-4)内的螺栓连接。6.根据权利要求1所述的适应于围岩大变形的大量程激光位移测量仪，其特征在于：所述导柱(5)朝向钻孔内侧间隔设置有拉杆支撑盖(4)，所述拉杆支撑盖(4)与外套筒(1)内壁螺纹连接。7.根据权利要1所述的适应于围岩大变形的大量程激光位移测量仪，其特征在于：所述固定件(2)与外套筒(1)内壁螺纹连接，且固定件(2)外周与外套筒(1)外周齐平。8.根据权利要求1所述的适应于围岩大变形的大量程激光位移测量仪，其特征在于：所述测距挡板(6)与拉杆(3)之间通过轴卡(10)活动连接。9.根据权利要求1所述的适应于围岩大变形的大量程激光位移测量仪，其特征在于：所述外套筒(1)直径为50～75mm，长度为1.0～1.4m，壁厚为4～7mm。10.根据权利要求9所述的适应于围岩大变形的大量程激光位移测量仪，其特征在于：所述激光传感器(8)量程为0～2m，测量误差为
±
1mm。

技术总结
本发明公开了一种适应于围岩大变形的大量程激光位移测量仪，包括置于岩石钻孔内的外套筒，所述外套筒靠近钻孔内部的端面连接有固定件，所述固定件靠近外套筒筒内的端面连接有朝向钻孔外部延伸的拉杆；所述拉杆靠近固定件端穿套有导柱，所述导柱与外套筒内壁、拉杆均抵接，所述拉杆靠近钻孔外部端穿套有与拉杆垂直布置的测距挡板；所述导柱朝向钻孔外部的端面抵接有内套筒，所述测距挡板置于内套筒筒内，所述测距挡板朝向钻孔外侧间隔设置有激光传感器，且所述激光传感器置于内套筒筒内。本发明不仅能够实现1m的最大量程，适应于围岩地形大变形的实时监测，而且能够通过止逆爪的特殊结构将测量仪整体固定在钻孔内。殊结构将测量仪整体固定在钻孔内。殊结构将测量仪整体固定在钻孔内。


技术研发人员：丁秀丽 黄书岭 韩钢 张雨霆 郁培阳 何军 张练 于国起 马旭强 陈立祥
受保护的技术使用者：长江水利委员会长江科学院
技术研发日：2023.02.13
技术公布日：2023/7/12