一种钻孔方位角和倾角测量设备以及测量方法

1.本技术属于岩土工程技术领域，具体涉及一种可用于矿山、水电站、铁路与公路隧道、引水隧洞等岩土工程复杂环境下钻孔方位角和倾角测量设备以及测量方法。


背景技术：

2.岩土工程中经常会进行钻孔来安装测量或监测设备，比如安装微震传感器、声发射传感器、扰动应力计、多点位移计等众多传感器，这些传感器一般安装在钻孔内的孔底或者钻孔内靠近孔底的地方，在进行安装时需要确定孔内传感器的坐标位置。
3.绝大多数情况下，在洞室内无移动信号、无gps定位可用，只能通过全站仪等基本设备测量洞室内人手可触及空间的坐标：已知全站仪的位置，将棱镜放置在待测量的位置处，即可在全站仪得到待测处的位置。因此，只能测得钻孔孔口的坐标，而不能测得孔内的坐标。
4.在进行钻孔之前，会估算或者大致测量钻孔的角度，但施工队伍测量设备的精确度难以保证；设备在钻孔时由于外力也会产生一定偏移，后期需要重新测量角度。通常是采用先测量孔口坐标，再使用罗盘等设备测量钻孔的方位角和倾角，以及事先确定好传感器距离孔口的距离，来计算孔内传感器所在位置的坐标。
5.但是，由于洞室内的复杂性，测量方位角和倾角会遇到许多问题，使得角度的测量不准确。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本技术提供一种钻孔方位角和倾角测量设备以及测量方法，旨在至少能够在一定程度上解决现有技术中由于洞室内的复杂性，使得方位角和倾角的测量不准确的技术问题。
7.本技术的技术方案为：
8.一方面，本技术提供了一种钻孔方位角和倾角测量设备，其特殊之处在于，所述测量设备包括：
9.耦合固定装置，可固定于待测试的钻孔中；
10.竖直校准装置，一端和所述耦合固定装置可转动连接，所述竖直校准装置包括第一仪器夹持平台以及重球，所述重球通过柔性件连接在所述第一仪器夹持平台上；
11.伸缩装置，包括第三杆体以及第四杆体，所述第三杆体的一端和所述竖直校准装置的另一端可转动连接，所述第三杆体的另一端和所述第四杆体的一端可伸缩连接；
12.仪器平台，包括仪器放置平台和第二仪器夹持平台，所述四杆体的另一端垂直连接在所述仪器放置平台上，所述第二仪器夹持平台设置在所述仪器放置平台上。
13.在一些实施方案中，所述耦合固定装置包括：
14.第一杆体；
15.固定支架，所述第一杆体的周面上间隔有多个所述固定支架，所述固定支架包括
支撑件、滑动套以及多节连接杆，多节所述连接杆沿所述第一杆体的轴向依次可转动连接，位于所述第一杆体前端的所述连接杆的端部固定连接在所述第一杆体上，所述支撑件连接在相连的所述连接杆的奇数连接处，所述滑动套连接在相连的所述连接杆的偶数连接处，所述滑动套滑动套装在所述第一杆体上。
16.在一些实施方案中，所述支撑件包括固定连接的连接板以及支撑板，所述连接板的一端连接在相连的所述连接杆的连接处，所述支撑板垂直连接在所述连接板的另一端，所述支撑板背向所述第一杆体的表面设置有防滑齿纹。
17.在一些实施方案中，所述耦合固定装置还包括驱动件，所述驱动件螺纹套装在所述第一杆体上，所述驱动件可抵接在位于所述第一杆体后端的所述滑动套上。
18.在一些实施方案中，所述驱动件朝向所述滑动套的一端设置有推头，所述驱动件远离所述滑动套的一端设置有旋钮。
19.在一些实施方案中，所述竖直校准装置包括第二杆体，所述第一杆体的后端可转动地连接在所述第二杆体的前端，所述第一仪器夹持平台设置在所述第二杆体上。
20.在一些实施方案中，所述第一仪器夹持平台包括第一夹持平台固定端、第一夹持平台移动端和第一弹性件，所述第一夹持平台固定端固定设置在所述第二杆体上，所述第一夹持平台移动端可开合地和所述第一夹持平台固定端连接，所述第一弹性件设置在所述第一夹持平台固定端和所述第一夹持平台移动端之间。
21.在一些实施方案中，所述第一夹持平台固定端的外侧附设有悬挂台，所述重球通过所述柔性件悬挂在所述悬挂台上。
22.在一些实施方案中，所述第三杆体的前端设置有第一连接凹槽，所述第二连杆的前端设置有连接凸台，所述连接凸台可转动地连接在所述第三杆体的第一连接凹槽中。
23.另一方面，本技术还提供了一种钻孔方位角和倾角测量方法，其特殊之处在于，所述测量方法是基于上述测量设备进行的，所述测量方法包括：
24.将所述测量设备的耦合固定装置固定于待测试的钻孔中；
25.将所述耦合固定装置和所述竖直校准装置发生相对转动；
26.调整所述耦合固定装置的第一仪器夹持平台，使所述第一仪器夹持平台的外侧平面与所述柔性件平行；
27.调整第一仪器夹持平台，以使处于竖直状态的第一地质罗盘固定贴合在所述第一仪器夹持平台上，此时，所述第一地质罗盘的轴线和所述钻孔的轴线平行；
28.操作所述第一地质罗盘，读取所述第一地质罗盘的倾角读数，以获取所述钻孔的倾角；
29.操作放置于所述第二仪器夹持平台上的第二地质罗盘，所述第二地质罗盘平放于所述第二仪器夹持平台上；
30.调整所述竖直校准装置，使所述第二仪器夹持平台处于水平状态；
31.将所述伸缩装置和所述竖直校准装置再次发生相对转动，待所述第二地质罗盘轴线与钻孔轴线在水平面的投影平行时，停止对装置的操作，读取所述第二地质罗盘方位角指针读数，以获取所述钻孔的方位角。
32.本技术的有益效果至少包括：
33.本技术所提供的一种钻孔方位角和倾角测量设备以及测量方法，可以通过耦合固
定装置自适应地固定在任意直径的钻孔内，并且与钻孔轴心平行，并通过竖直校准装置的设置，以保证测量倾角时与钻孔轴线平行，且测量方位角时与钻孔轴线在水平面投影平行，保证了倾角和方位角测量的一致性，能够适应复杂的外界环境，提高钻孔倾角和方位角测量的精度，具有很好的实用性。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。图1为本技术实施例的现场钻孔测量示意图；图2为本技术实施例中耦合固定装置与竖直校准装置的连接示意图；图3为本技术实施例中耦合固定装置的横剖面示意图；图4为本技术实施例中的竖直校准装置的横剖面图；图5为本技术实施例中的伸缩装置和仪器平台的结构示意图；图6为本技术实施例中的第二仪器夹持平台的结构示意图；
具体实施方式
35.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
36.需要说明的是，本技术实施例中所有方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
37.下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本技术的不同结构。为了简化本技术的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本技术。此外，本技术可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本技术提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
38.现有技术中，钻孔方位角和倾角的测量会遇到许多问题，使得角度的测量不准确，具体表现在：
1.第一，角度测量设备，如罗盘等，通常其尺寸小于钻孔孔径，在测量角度时指针指向无法与钻孔轴线一致，左右或者上下晃动均会使得角度产生偏差。
2.第二，测量倾角时，难以使得仪器完全竖直，倾角测量产生偏差。
3.第三，测量方位角时，手持罗盘，使罗盘水平时不易稳定，仪器读数不稳定。
4.第四，孔口附近有时会有通电的电线或者电器设备，这些设备通电状态下附近会产生电磁场，对罗盘等测量仪器的方位角测量产生干扰。
5.这些因为角度测量产生的偏差会使得计算得到的传感器坐标产生极大的误差，因此，发明一种准确测量钻孔方位角和倾角的测量设备，是极其必要的。
39.本技术实施例提供了一种钻孔方位角和倾角测量设备以及测量方法，旨在至少能够在一定程度上解决现有技术中由于洞室内的复杂性，使得方位角和倾角的测量不准确的技术问题。
40.首先，本技术实施例公开了一种钻孔方位角和倾角测量设备。
41.图1为本技术实施例的现场钻孔测量示意图。结合图1，该测量设备包括耦合固定装置、竖直校准装置、伸缩装置以及仪器平台。
42.图2为本技术实施例中耦合固定装置与竖直校准装置的连接示意图，图3为本技术实施例中耦合固定装置的横剖面示意图。结合图1-图3，本技术实施例的耦合固定装置、竖直校准装置以及伸缩装置均具有第一端和第二端，耦合固定装置的第一端可固定于待测试的钻3中，耦合固定装置的第二端和竖直校准装置的第一端可转动连接，竖直校准装置的第二端和伸缩装置的第一端可伸缩连接，伸缩装置的第二端设置在仪器平台上。
43.结合图2以及图3，本技术实施例的耦合固定装置包括第一杆体4以及固定支架8，其中，第一杆体的周面上间隔有多个固定支架8，固定支架8包括支撑件、滑动套806以及多节连接杆805，多节连接杆805沿第一杆体4的轴向依次可转动连接，位于第一杆体4前端的连接杆的端部固定连接在第一杆体4上，支撑件连接在相连的连接杆805的奇数连接处，滑动套806连接在相连的连接杆805的偶数连接处，滑动套806滑动套装在第一杆体4上，因此，通过控制滑动套806在第一杆体4上的移动，可带动多节连接杆805伸缩，进而可控制支撑件所扩展的半径，在实施时，扩展后的支撑件可顶靠在钻孔3的内壁上，从而可将耦合固定装置固定在钻孔3内。
44.结合图2，本技术实施例的支撑件包括固定连接的连接板804以及支撑板807，连接板804的一端连接在相连的连接杆805的连接处，支撑板807垂直连接在连接板804的另一端，当支撑件顶靠在钻孔的内壁上时，支撑件的支撑板807顶靠作用钻孔的内壁上，以使耦合固定装置固定在钻孔内。
45.进一步地，本技术实施例的支撑板807背向第一杆体4的表面设置有防滑齿纹，以防止耦合固定装置固定在钻孔内时，支撑件的支撑板807和钻孔的内壁上发生滑动或者转动，提高耦合固定装置固定在钻孔内的牢靠度。
46.结合图2，本技术实施例中，位于第一杆体4前端的连接杆的端部可连接在一个固定套筒801上，该固定套筒801可固定设置在第一杆体4前端上，另外，第一杆体4上还设置有驱动件9，该驱动件9螺纹套装在螺纹套装在第一杆体4上，驱动件9可抵接在位于第一杆体4后端的滑动套806上，通过控制驱动件9在第一杆体4上转动，可推动支撑件伸缩。
47.进一步地，结合图2，本技术实施例的驱动件9朝向滑动套806的一端设置有推头902，推头902和位于第一杆体4后端的滑动套806直接接触，驱动件9远离滑动套的一端设置有旋钮901，通过旋转旋钮901可实现驱动件9沿着第一杆体4的轴心方向前进和后退。即可通过手动的方式控制固定支架8半径的改变。
48.结合图2以及图3，需要说明的是，本技术实施例的固定支架8可绕第一杆体4的轴心间隔设置，优选设置有三个，而旋钮901优选设置在钻孔外，以方便对耦合固定装置的控制。
49.图4为本技术实施例中的竖直校准装置的横剖面图。结合图1、图2以及图4，本技术实施例的竖直校准装置包括第二杆体5、第一仪器夹持平台10以及重球1102，其中，第一杆体4的后端可转动地连接在第二杆体5的前端，可实现第二杆体5的方位的调整，第一仪器夹持平台10设置在第二杆体5上，重球1102通过柔性件1101悬挂在第一仪器夹持平台10上。
50.具体地，本技术实施例中，第二杆体5的前端设置有插槽，第一杆体4的后端插设在该插槽中，且第一杆体4的后端和第二杆体5的前端可通过固定螺栓12连接，通过调整固定螺丝12松紧度，以控制第一杆体4的后端和第二杆体5的前端之间转动与否。
51.结合图4，本技术实施例的第一仪器夹持平台10包括第一夹持平台固定端1001、第一夹持平台移动端1002和第一弹性件1003，第一夹持平台固定端1001固定设置在第二杆体5上，第一夹持平台移动端1002可开合地和第一夹持平台固定端1001连接，第一弹性件1003设置在第一夹持平台固定端1001和第一夹持平台移动端1002之间。第一仪器夹持平台10不放置仪器时第一弹性件1003处于自然状态；当仪器放置于第一仪器夹持平台10内时，可向外拉动第一夹持平台移动端1002，仪器放置在第一夹持平台固定端1001以及第一夹持平台移动端1002之间，依靠第一弹性件1003的拉力来使仪器夹紧固定。
52.进一步地，结合图4，第一仪器夹持平台10外附设有悬挂台11，悬挂台11通过柔性件1101悬挂重球1102，以用于校准仪器是否竖直，也即当柔性件1101与第一仪器夹持平台10的平台外侧平面1004平行时，第一仪器夹持平台10所夹置的仪器处于竖直状态。
53.图5为本技术实施例中的伸缩装置和仪器平台的结构示意图，结合图4以及图5，本技术实施例的伸缩装置包括第三杆体6以及第四杆体7，第三杆体6的前端和第二杆体5的后端可转动连接，第三杆体6可伸缩地与第四杆体连接，以调整第三杆体6以及第四杆体7的方位。
54.具体地，结合图2，本技术实施例的第三杆体6的前端设置有第一连接凹槽14，第二连杆15的前端设置有连接凸台13，连接凸台13通过紧固螺栓可转动地连接在第三杆体6的第一连接凹槽14中，以实现第三杆体6的前端和第二杆体5的后端可转动连接。
55.本技术实施例的连接凸台13和第一连接凹槽14具有两个相对的贴合面，且两个贴合面分别与第一仪器夹持平台10的平台外侧平面1004平行，当紧固螺栓15松弛时，第二杆杆5和第三杆体6可绕紧固螺栓15转动，当紧固螺栓15紧固时，第二杆杆5和第三杆体6固定无法转动。
56.结合图5，本技术实施例的第四杆体7的前端可滑动地插设在第三杆体6的后端，以实现二者之间的可伸缩设置。具体地，第三杆体6的后端设置第二连接凹槽，第四杆体7的前端设置有端头701，端头701可配合地在第二连接凹槽内滑动，即可实现二者的可伸缩设置。
57.进一步地，本技术实施例中，第二连接凹槽内设置有防转齿纹601，防转齿纹601和端头701直接接触，以防止第三杆体6和第四杆体7之间发生转动。
58.结合图5，本技术实施例的仪器平台包括仪器放置平台16和第二仪器夹持平台17，第四杆体7垂直连接在仪器放置平台16上，第二仪器夹持平台17设置在仪器放置平台16上,。
59.图6为本技术实施例中的第二仪器夹持平台的结构示意图。结合图6，该第二仪器夹持平台17包括第二夹持平台固定端1701、第二夹持平台移动端1702和第二弹性件1703，第二夹持平台固定端1701固定设置在仪器放置平台16上，第二夹持平台移动端1702可开合
地和第二夹持平台固定端1701连接，第二夹持平台移动端1702相对第二夹持平台固定端1701的开合方向和第四杆体7在第三杆体6的后端内的移动方向垂直，第二弹性件1703设置在第二夹持平台固定端1701和第二夹持平台移动端1702之间。本技术实施例的第二仪器夹持平台17和第一仪器夹持平台10的结构相同，具体工作原理在此不作赘述。
60.基于上述钻孔方位角和倾角测量设备，本技术实施例还提供了一种钻孔方位角和倾角测量方法。
61.如图1所示，在一个围岩1的深埋隧洞2内有一个钻孔3，孔口附近有通电的电缆线和照明设备，现在待测定该钻孔的倾角和方位角。该测量方法包括：
62.s1：将测量装置的耦合固定装置固定于待测试的钻孔中，具体地：将第一杆体4的前端放入钻孔3内，并使得固定支架8位于钻孔内而旋转推杆9位于钻孔3外，手动旋拧旋转推杆9的旋钮901，从而推进固定支架8，使得支撑板804与钻孔3的内壁紧密贴合，此时耦合固定装置已经稳固在钻孔3内。
63.s2：将耦合固定装置和竖直校准装置发生相对转动，具体地：向外旋出固定螺栓12，使得第一杆体4可与第二杆体5发生相对转动。
64.s3：调整竖直校准装置的第一仪器夹持平台，使第一仪器夹持平台的外侧平面1004与柔性件平行，具体地：通过转动第二杆体5，以及调整第一仪器夹持平台10的位置，即可使第一仪器夹持平台的外侧平面1004与柔性件平行。
65.s4：调整第一仪器夹持平台，以使处于竖直状态的第一地质罗盘固定贴合在第一仪器夹持平台上，此时，第一地质罗盘的轴线和钻孔的轴线平行；具体地：将第一地质罗盘在第一仪器夹持平台10上竖直放置，第一地质罗盘的表面与第一仪器夹持平台10贴合，并紧密夹持；此时，地质罗盘轴线已经与钻孔轴线平行。
66.s5：操作第一地质罗盘，读取第一地质罗盘的倾角读数，以获取钻孔的倾角；具体的：调整第一地质罗盘的长水准器，使得气泡居中，取下第一地质罗盘，读取倾角指示盘读数，此时得到的角度便是钻孔的倾角。
67.s6：操作放置于第二仪器夹持平台17上的第二地质罗盘，第二地质罗盘平放于第二仪器夹持平台17上，此时，第二地质罗盘下表面紧密贴合第二仪器夹持平台17且两侧被夹紧。
68.s7：调整竖直校准装置，使第二仪器夹持平台处于水平状态；具体地：使紧固螺栓15处于松弛状态，旋转第二杆体6，使第二仪器夹持平台17处于大致水平状态。
69.s8：将竖直校准装置和伸缩装置再次发生相对转动，待第二地质罗盘轴线与钻孔轴线在水平面的投影平行时，停止对装置的操作，读取第二地质罗盘方位角指针读数，以获取钻孔的方位角，具体地：先拉伸第四杆体7，使第二仪器夹持平台17远离附近电气设备，再次第三杆体6，观察第二地质罗盘圆水准器，当圆水准器气泡居中时停止旋转第三杆体6，然后将紧固螺栓15紧固，此时，第二地质罗盘轴线已经与钻孔轴心线在水平面的投影平行，停止对装置的操作，待地质罗盘方位角指针稳定时读取方位角读数。
70.综上所述，本技术实施例所示的钻孔方位角和倾角测量设备以及测量方法，可以通过耦合固定装置自适应地固定在任意直径的钻孔内，并且与钻孔轴心平行，并通过竖直校准装置的设置，以保证测量倾角时与钻孔轴线平行，且测量方位角时与钻孔轴线在水平面投影平行，保证了倾角和方位角测量的一致性，能够适应复杂的外界环境，提高钻孔倾角
和方位角测量的精度，具有很好的实用性。
71.尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。
72.显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。