專利名稱：鉆孔測斜和軸向變形三維共線測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及巖土工程穩(wěn)定性，更具體涉及巖土工程鉆孔三維變形的觀測。
背景技術(shù)：
巖體深部三維變形規(guī)律是巖土工程穩(wěn)定性的重要指標，在工程實施的過程中，一般根據(jù)鉆孔橫向位移及軸向變形的測量數(shù)據(jù)，經(jīng)計算分析來摸清巖體三維變形的規(guī)律，為巖土工程施工安全及日后的運行安全提供重要科學依據(jù)。
測斜儀是用于測量沿巖體鉆孔兩個正交水平方向的橫向位移的專用儀器。該儀器的主體為長筒形，有一連桿穿過長筒中心，連桿的兩端裝有滑輪。用測斜儀測量沿鉆孔兩個正交水平方向的橫向位移時，必須在鉆孔的內(nèi)壁安裝測斜儀專用的測斜管，該測斜管內(nèi)壁有兩對沿孔周均勻分布，并沿測斜管軸線方向全長通過的滑槽，供測斜儀的兩個滑輪卡入任一對滑槽滑行使用。當測斜儀在鉆孔中沿一對滑槽滑行時，測取該對滑槽方向的橫向位移；當測斜儀沿另一對滑槽滑行時，測取與前一方向垂直的橫向位移。
隨著測斜儀的發(fā)展，該儀器有不同的生產(chǎn)廠家和不同的型號，雖然測斜儀有許多種，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和測量精度有所不同，但對測斜儀使用的專用測斜管的內(nèi)徑及滑槽的要求則是完全相同的。因此，現(xiàn)有測斜管的尺寸大小和形狀已成為行業(yè)的通行標準，適用所有的測斜儀。即測斜儀滑輪的寬度及現(xiàn)有測斜儀使用的專用測斜管滑槽的槽底間距是固定的。
滑動變形計是用于測量沿巖體鉆孔軸線方向縱向變形的專用儀器。該儀器由變形計主體、連接頭和導向鏈組成。變形計主體的外形為圓柱體，其兩端各套一個側(cè)面帶有四個滑槽的柱形測量頭，兩個測量頭同一方向的端面為球面，導向鏈由五節(jié)矩形環(huán)套接組成，變形計主體和導向鏈之間通過連接頭連接，并可使變形計主體與導向鏈之間相對旋轉(zhuǎn)45°。現(xiàn)有滑動變形計導向鏈的尺寸大小和形狀已成為行業(yè)的通行標準，適用所有的滑動變形計。即滑動變形計導向鏈的厚度、滑動變形計導向鏈的寬度和滑動變形計測量頭球面均是固定的。
用滑動變形計測量鉆孔軸線方向的縱向變形時，必須在鉆孔的內(nèi)壁安裝塑料管段，各段塑料管間用滑動變形計專用的測量環(huán)連接，構(gòu)成滑動變形計測量線。測量環(huán)的內(nèi)壁按90度均布四個滑槽，使環(huán)的橫剖面形成十字瓣形分布的四個突臺。突臺表面為向內(nèi)窩進的錐面，槽寬與變形計導向鏈厚度匹配，而一對槽底之間的距離與導向鏈的寬度匹配。
測量環(huán)的作用是使滑動變形計能在鉆孔中定向滑動或使測量頭的球面與測量環(huán)的錐面貼緊，以便測量。
現(xiàn)有巖體鉆孔三維變形監(jiān)測主要有以下兩種方法第一種為雙孔監(jiān)測即在巖體需測部位打兩個鉆孔，在兩個鉆孔中分別使用測斜儀和滑動變形計，測量沿鉆孔兩個正交水平方向的橫向位移和沿鉆孔軸線方向的縱向變形。
該方法之所以需要打兩個鉆孔，是因為測斜儀和滑動變形計是相互獨立開發(fā)的，供測斜儀使用的專用測斜管和供滑動變形計使用的專用測量線兩者不能兼容，無法交叉使用。其不足之處在于，監(jiān)測一個部位的巖體三維變形要打兩個鉆孔和布設(shè)兩條測量線，使工作量及監(jiān)測費用成倍增加。
第二種為單孔監(jiān)測即在巖體需測部位打一個鉆孔，用三向變形計同時測量鉆孔的橫向位移和軸向變形。該方法的優(yōu)點是進行巖體三維變形監(jiān)測只需打一個鉆孔和布設(shè)一條測量線，使現(xiàn)場施工工作量減少一半。其不足之處在于，三向變形計的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，價格十分昂貴，以至于現(xiàn)在人們寧可采用雙孔監(jiān)測的方法，也極少購買三向變形計。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供一種鉆孔測斜和軸向變形三維共線測量方法，該測量方法通過三維共線測量環(huán)與現(xiàn)有測斜儀使用的專用測斜管組成的測量線，在一個鉆孔中用測斜儀和滑動變形計分別監(jiān)測測量孔的橫向位移和軸線變形，得到該測量孔的三維變形規(guī)律。
為了達到上述目的，本發(fā)明按下列步驟順序進行1、在巖體待測部位鉆一測量孔；2、將現(xiàn)有測斜儀使用的專用測斜管截成長度相同的測斜管段，把兩個測斜管段的滑槽分別從三維共線測量環(huán)的兩端與三維共線測量環(huán)的測斜儀滑槽對齊，用接頭固緊，并送入測量孔；本步驟所述的三維共線測量環(huán)為硬質(zhì)材料制成，環(huán)的內(nèi)壁有四個均布的兩對導向鏈滑槽，導向鏈滑槽的寬度與滑動變形計導向鏈的厚度匹配，各對導向鏈滑槽的槽底間距與滑動變形計導向鏈的寬度匹配，導向鏈可沿三維共線測量環(huán)的導向鏈滑槽定向滑行；四個導向鏈滑槽形成十字瓣形分布的四個突臺，突臺的表面為向內(nèi)窩進的錐面，該錐面與滑動變形計測量頭的球面匹配；在每個導向鏈滑槽的底部沿中心線開一個測斜儀滑槽，測斜儀滑槽的寬度與測斜儀滑輪的厚度匹配，各對測斜儀滑槽的槽底間距與現(xiàn)有測斜儀使用的專用測斜管相應滑槽的槽底間距相同，測斜儀可沿三維共線測量環(huán)的測斜儀滑槽定向通過；3、孔口端處測斜管段的滑槽與另一三維共線測量環(huán)的測斜儀滑槽對齊，用接頭固緊，繼續(xù)送入測量孔，測斜管段的長度使得兩個三維共線測量環(huán)的間距在滑動變形計兩個測量頭球面間距的變化范圍內(nèi)；4、重復步驟3，直至帶有三維共線測量環(huán)的測斜管布滿鉆孔全長；5、然后在孔壁與測斜管之間灌滿砂漿，砂漿固結(jié)后便形成三維變形共線測量孔；6、設(shè)定測斜儀測量點，由孔口至孔底依次編號；7、將測斜儀的滑輪卡入三維變形共線測量孔的一對滑槽；8、將測斜儀先滑至第一測斜儀測量點，固定測斜儀，測取該測斜儀測量點的橫向位移量，并記錄；
9、將測斜儀向下滑至下一個測斜儀測量點，固定測斜儀，測取該測斜儀測量點的橫向位移量，并記錄；10、重復步驟9，直至測完所有測斜儀測量點；11、將測斜儀退出測量孔；12、將測斜儀的滑輪卡入三維變形共線測量孔的另一對滑槽，重復步驟8～11；至此完成該測量孔的一次橫向位移監(jiān)測；13、將三維共線測量環(huán)由孔口至孔底依次編號，每個三維共線測量環(huán)為一個滑動變形計測量點；14、將滑動變形計測量頭的十字瓣和導向鏈對準三維共線測量環(huán)的滑動變形計滑槽，把滑動變形計送入測量孔；15、使滑動變形計前一測量頭滑至第二和第三滑動變形計測量點之間，并將滑動變形計相對于導向鏈旋轉(zhuǎn)45度，使滑動變形計測量頭的十字瓣與三維共線測量環(huán)的突臺對齊，然后回拉滑動變形計，使得滑動變形計兩個測量頭的球面分別與第一及第二三維共線測量環(huán)的錐面貼緊；16、測取第一和第二滑動變形計測量點軸向位移相對變化量，并記錄；17、松開回拉力，使滑動變形計復位，再將滑動變形計相對于導向鏈反向旋轉(zhuǎn)45度；18、然后將滑動變形前一測量頭滑至下兩個滑動變形計測量點之間，并將滑動變形計相對于導向鏈旋轉(zhuǎn)45度，使滑動變形計測量頭的十字瓣與三維共線測量環(huán)的突臺對齊，然后回拉滑動變形計，使得滑動變形計兩個測量頭的球面分別與三維共線測量環(huán)的錐面貼緊；19、測取這兩個滑動變形計測量點軸向位移相對變化量，并記錄；20、重復步驟17至19，直至測完所有相臨兩個滑動變形計測量點軸向位移相對變化量，至此完成該測量孔一次軸向變形監(jiān)測；21、將滑動變形計退出測量孔；22、按設(shè)定時間間隔及步驟6設(shè)定的測斜儀測量點，采用與步驟6相同的測斜儀測量點編號；重復步驟7至12；23、按步驟13設(shè)定的三維共線測量環(huán)編號和滑動變形計測量點編號；重復步驟14至21；24、至此完成一次鉆孔三維變形監(jiān)測；25、重復步驟22和23，完成下一次鉆孔三維變形監(jiān)測。
26、重復步驟25，直至完成設(shè)定的鉆孔三維變形監(jiān)測次數(shù)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點在一個測量孔中用測斜儀和滑動變形計進行該測量孔的三維變形監(jiān)測，以較低成本實現(xiàn)三向變形計功能，給巖體工程變形監(jiān)測方案布置設(shè)計帶來方便。


圖1為三維共線測量環(huán)的正視圖。
圖2為三維共線測量環(huán)的剖視圖。
其中1為導向鏈滑槽、2為測斜儀滑槽、3為突臺、4為錐面。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進一步的說明。
本發(fā)明按下列步驟順序進行
1、在巖體待測部位鉆一測量孔；2、將現(xiàn)有測斜儀使用的專用測斜管截成長度相同的測斜管段，把兩個測斜管段的滑槽分別從三維共線測量環(huán)的兩端與三維共線測量環(huán)的測斜儀滑槽對齊，用接頭固緊，并送入測量孔；本步驟所述的三維共線測量環(huán)為外徑70毫米、內(nèi)徑42毫米、厚度23毫米用鋼材、硬質(zhì)鋁合金、硬質(zhì)塑料等硬質(zhì)材料制成的圓環(huán)，環(huán)的內(nèi)壁有四個均勻分布寬20毫米，深9毫米的兩對導向鏈滑槽1，導向鏈滑槽1的寬度正好與滑動變形計導向鏈的厚度匹配，各對導向鏈滑槽1的槽底間距正好與滑動變形計導向鏈的寬度匹配，導向鏈可沿三維共線測量環(huán)的導向鏈滑槽1定向滑行；四個導向鏈滑槽1形成十字瓣形分布的四個突臺3，突臺3的表面為向內(nèi)窩進的錐面4，該錐面4與滑動變形計測量頭的球面匹配；在每個導向鏈滑槽1的底部沿中心線開一個寬5毫米、深2毫米的測斜儀滑槽2，測斜儀滑槽2的寬度正好與測斜儀滑輪的厚度匹配，各對測斜儀滑槽的槽底間距與現(xiàn)有測斜儀使用的專用測斜管相應滑槽的槽底間距相同，測斜儀可沿三維共線測量環(huán)的測斜儀滑槽定向通過；3、孔口端處測斜管段的滑槽與另一三維共線測量環(huán)的測斜儀滑槽2對齊，用接頭固緊，繼續(xù)送入測量孔，測斜管段的長度使得兩個三維共線測量環(huán)的間距在滑動變形計兩個測量頭球面間距的變化范圍內(nèi)；4、重復步驟3，直至帶有三維共線測量環(huán)的測斜管布滿鉆孔全長；
5、然后在孔壁與測斜管之間灌滿砂漿，砂漿固結(jié)后便形成三維變形共線測量孔；6、設(shè)定測斜儀測量點，由孔口至孔底依次編號；7、將測斜儀的滑輪卡入三維變形共線測量孔的一對滑槽；8、將測斜儀先滑至第一測斜儀測量點，固定測斜儀，測取該測斜儀測量點的橫向位移量，并記錄；9、將測斜儀向下滑至下一個測斜儀測量點，固定測斜儀，測取該測斜儀測量點的橫向位移量，并記錄；10、重復步驟9，直至測完所有測斜儀測量點；11、將測斜儀退出測量孔；12、將測斜儀的滑輪卡入三維變形共線測量孔的另一對滑槽，重復步驟8～11；至此完成該測量孔的一次橫向位移監(jiān)測；13、將三維共線測量環(huán)由孔口至孔底依次編號，每個三維共線測量環(huán)為一個滑動變形計測量點；14、將滑動變形計測量頭的十字瓣和導向鏈對準三維共線測量環(huán)的滑動變形計滑槽，把滑動變形計送入測量孔；15、使滑動變形計前一測量頭滑至第二和第三滑動變形計測量點之間，并將滑動變形計相對于導向鏈旋轉(zhuǎn)45度，使滑動變形計測量頭的十字瓣與三維共線測量環(huán)的突臺對齊，然后回拉滑動變形計，使得滑動變形計兩個測量頭的球面分別與第一及第二三維共線測量環(huán)的錐面貼緊；16、測取第一和第二滑動變形計測量點軸向位移相對變化量，并記錄；17、松開回拉力，使滑動變形計復位，再將滑動變形計相對于導向鏈反向旋轉(zhuǎn)45度；18、然后將滑動變形前一測量頭滑至下兩個滑動變形計測量點之間，并將滑動變形計相對于導向鏈旋轉(zhuǎn)45度，使滑動變形計測量頭的十字瓣與三維共線測量環(huán)的突臺對齊，然后回拉滑動變形計，使得滑動變形計兩個測量頭的球面分別與三維共線測量環(huán)的錐面貼緊；19、測取這兩個滑動變形計測量點軸向位移相對變化量，并記錄；20、重復步驟17至19，直至測完所有相臨兩個滑動變形計測量點軸向位移相對變化量，至此完成該測量孔一次軸向變形監(jiān)測；21、將滑動變形計退出測量孔；22、按設(shè)定時間間隔及步驟6設(shè)定的測斜儀測量點，采用與步驟6相同的測斜儀測量點編號；重復步驟7至12；23、按步驟13設(shè)定的三維共線測量環(huán)編號和滑動變形計測量點編號；重復步驟14至21；24、至此完成一次鉆孔三維變形監(jiān)測；25、重復步驟22和23，完成下一次鉆孔三維變形監(jiān)測。
26、重復步驟25，直至完成設(shè)定的鉆孔三維變形監(jiān)測次數(shù)。
權(quán)利要求
1.鉆孔測斜和軸向變形三維共線測量方法，其特征在于，該方法按下列步驟順序進行a、在巖體待測部位鉆一測量孔；b、將現(xiàn)有測斜儀使用的專用測斜管截成長度相同的測斜管段，把兩個測斜管段的滑槽分別從三維共線測量環(huán)的兩端與三維共線測量環(huán)的測斜儀滑槽對齊，用接頭固緊，并送入測量孔；本步驟所述的三維共線測量環(huán)為硬質(zhì)材料制成的圓環(huán)，環(huán)的內(nèi)壁有四個均勻分布的兩對導向鏈滑槽(1)，導向鏈滑槽(1)的寬度與滑動變形計導向鏈的厚度匹配，各對導向鏈滑槽(1)的槽底間距與滑動變形計導向鏈的寬度匹配，導向鏈可沿三維共線測量環(huán)的導向鏈滑槽(1)定向滑行；四個導向鏈滑槽(1)形成十字瓣形分布的四個突臺(3)，突臺(3)的表面為向內(nèi)窩進的錐面(4)，該錐面(4)與滑動變形計測量頭的球面匹配；在每個導向鏈滑槽(1)的底部沿中心線開測斜儀滑槽(2)，測斜儀滑槽(2)的寬度與測斜儀滑輪的厚度匹配，各對測斜儀滑槽(2)的槽底間距與現(xiàn)有測斜儀使用的專用測斜管相應滑槽的槽底間距相同，測斜儀可沿三維共線測量環(huán)的測斜儀滑槽(2)定向通過；c、孔口端處測斜管段的滑槽與另一三維共線測量環(huán)的測斜儀滑槽(2)對齊，用接頭固緊，繼續(xù)送入測量孔，測斜管段的長度使得兩個三維共線測量環(huán)的間距在滑動變形計兩個測量頭球面間距的變化范圍內(nèi)；d、重復步驟c，直至帶有三維共線測量環(huán)的測斜管布滿鉆孔全長；e、然后在孔壁與測斜管之間灌滿砂漿，砂漿固結(jié)后便形成三維變形共線測量孔；f、設(shè)定測斜儀測量點，由孔口至孔底依次編號；g、將測斜儀的滑輪卡入三維變形共線測量孔的一對滑槽；h、將測斜儀先滑至第一測斜儀測量點，固定測斜儀，測取該測斜儀測量點的橫向位移量，并記錄；i、將測斜儀向下滑至下一個測斜儀測量點，固定測斜儀，測取該測斜儀測量點的橫向位移量，并記錄；j、重復步驟i，直至測完所有測斜儀測量點；k、將測斜儀退出測量孔；l、將測斜儀的滑輪卡入三維變形共線測量孔的另一對滑槽，重復步驟h～k；至此完成該測量孔的一次橫向位移監(jiān)測；m、將三維共線測量環(huán)由孔口至孔底依次編號，每個三維共線測量環(huán)為一個滑動變形計測量點；n、將滑動變形計測量頭的十字瓣和導向鏈對準三維共線測量環(huán)的滑動變形計滑槽，把滑動變形計送入測量孔；o、使滑動變形計前一測量頭滑至第二和第三滑動變形計測量點之間，并將滑動變形計相對于導向鏈旋轉(zhuǎn)45度，使滑動變形計測量頭的十字瓣與三維共線測量環(huán)的突臺對齊，然后回拉滑動變形計，使得滑動變形計兩個測量頭的球面分別與第一及第二三維共線測量環(huán)的錐面貼緊；p、測取第一和第二滑動變形計測量點軸向位移相對變化量，并記錄；q、松開回拉力，使滑動變形計復位，再將滑動變形計相對于導向鏈反向旋轉(zhuǎn)45度；r、然后將滑動變形前一測量頭滑至下兩個滑動變形計測量點之間，并將滑動變形計相對于導向鏈旋轉(zhuǎn)45度，使滑動變形計測量頭的十字瓣與三維共線測量環(huán)的突臺對齊，然后回拉滑動變形計，使得滑動變形計兩個測量頭的球面分別與三維共線測量環(huán)的錐面貼緊；s、測取這兩個滑動變形計測量點軸向位移相對變化量，并記錄；t、重復步驟q至s，直至測完所有相臨兩個滑動變形計測量點軸向位移相對變化量，至此完成該測量孔一次軸向變形監(jiān)測；u、將滑動變形計退出測量孔；v、按設(shè)定時間間隔及步驟f設(shè)定的測斜儀測量點，采用與步驟f相同的測斜儀測量點編號；重復步驟g至l；w、按步驟m設(shè)定的三維共線測量環(huán)編號和滑動變形計測量點編號；重復步驟n至u；x、至此完成一次鉆孔三維變形監(jiān)測；y、重復步驟v和w，完成下一次鉆孔三維變形監(jiān)測。z、重復步驟y，直至完成設(shè)定的鉆孔三維變形監(jiān)測次數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆孔測斜和軸向變形三維共線測量方法，其特征在于，步驟b所述的圓環(huán)的硬質(zhì)材料為鋼材、硬質(zhì)鋁合金、硬質(zhì)塑料，圓環(huán)的外徑為70毫米、內(nèi)徑為42毫米、厚度為23毫米，所述的導向鏈滑槽(1)寬20毫米、深9毫米，所述的測斜儀滑槽(2)寬5毫米、深2毫米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鉆孔測斜和軸向變形三維共線測量方法，涉及巖土工程鉆孔三維變形的觀測。該測量方法通過三維共線測量環(huán)與現(xiàn)有測斜儀使用的專用測斜管組成的測量線，在一個鉆孔中用測斜儀和滑動變形計分別監(jiān)測測量孔的橫向位移和軸線變形，得到該測量孔的三維變形規(guī)律。該三維共線測量環(huán)采用擴大現(xiàn)有滑動變形計專用測量環(huán)的外徑，使該外徑與現(xiàn)有測斜儀使用的專用測斜管匹配，并在滑動變形計專用測量環(huán)滑槽(1)的底部沿中心線開一個小槽作為測斜儀滑槽(2)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點在一個測量孔中用測斜儀和滑動變形計進行該測量孔的三維變形監(jiān)測，以較低成本實現(xiàn)三向變形計功能，給巖體工程變形監(jiān)測方案布置設(shè)計帶來方便。
文檔編號G01C9/00GK1546941SQ20031011154
公開日2004年11月17日 申請日期2003年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月10日
發(fā)明者葛修潤, 朱祚鐸, 王水林, 王浩, 覃衛(wèi)民 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所