浅埋隧道围岩应力的测量探头、安装设备及使用方法

1.本发明涉及机械技术领域，特别是涉及一种浅埋隧道围岩应力的测量探头、安装设备及使用方法。


背景技术：

2.我国西南区域普遍为高原山地，境内山脉众多，沟谷纵横，地形陡峻，存在各种不良地质现象，这使得无论是在地质灾害防治还是公路建设过程中，都存在着严峻的挑战。在沟谷纵横、山高谷深的复杂地质环境条件下，公路建设过程中跨越深切峡谷的各种浅埋隧道，是线路中的主要控制性工程，关系到公路建设工程的进度、工程造价和技术指标。
3.同时，由于浅埋隧道往往岩体条件较差，受到偏压和开挖的影响，应力状态容易出现大的改变，从而引发隧道崩塌，支护结构开裂等不利现象。因此对浅埋隧道周围围岩进行应力和位移监测十分重要。然而目前仍缺乏有效的监测应力的方法。


技术实现要素：

4.本发明实施例的目的在于提供一种浅埋隧道围岩应力的测量探头、安装设备及使用方法，通过导线接收所述电信号；对接收到的电信号进行滤波得到滤波结果；通过预设编码格式再对所述滤波结果进行编码，并将编码结果发送至所述控制系统，从而实现围岩应力的测量。
5.为了实现上述目的，本发明实施例的第一方面，提供了一种浅埋隧道围岩应力的测量探头，包括电子测量部和固定粘贴部；所述电子测量部位于所述探头的前端，所述固定粘贴部位于所述电子测量部的后端；所述电子测量部，包括应变测量系统、应变采集系统和控制系统；所述应变采集系统通过导线分别与所述应变测量系统和所述控制系统相连；所述应变测量系统，用于测量围岩表面的变形，得到用于表征测量结果的电信号；所述应变采集系统，用于通过导线接收所述电信号；对接收到的电信号进行滤波得到滤波结果；通过预设编码格式对所述滤波结果进行编码，并将编码结果发送至所述控制系统。
6.在一种可能的实施方式中，所述电子测量部还包括蓄电池组系统；所述蓄电池组系统通过导线与所述控制系统相连；所述蓄电池组系统，用于通过所述导线为所述控制系统和所述应变采集系统供电。
7.在一种可能的实施方式中，所述应变测量系统由应变花和环氧树脂密封层组成，其中，所述应变花为丝式应变花或箔式应变花。
8.在一种可能的实施方式中，所述应变采集系统，还用于对所述电信号进行处理和放大。
9.在一种可能的实施方式中，所述固定粘贴部包括伸缩杆和固定粘贴部外壳；
所述伸缩杆与电子测量部外壳和所述固定粘贴部外壳相连。
10.在一种可能的实施方式中，所述固定粘贴部包括储胶部；所述储胶部内部存储有胶水，所述储胶部内部存储的胶水用于在探头达到指定位置后对探头进行固定。
11.在一种可能的实施方式中，所述固定粘贴部包括导轨、上端盖、电路接口。
12.在一种可能的实施方式中，所述固定粘贴部外壳的下端与伸缩杆相连，当所述固定粘贴部外壳旋转至打开状态时，所述固定粘贴部外壳能沿所述导轨顺着伸缩杆上下移动；当所述固定粘贴部外壳旋转至闭合状态时，所述固定粘贴部外壳无法沿所述导轨顺着伸缩杆移动。
13.本发明实施例的第二方面，提供了一种浅埋隧道围岩应力的测量探头的安装设备，包括：外侧保护套，内侧旋转开关工具，以及切割刃；所述外侧保护套内径与探头的外径相同；所述内侧旋转开关工具位于所述外侧保护套的中央。
14.本发明实施例的第三方面，提供了一种浅埋隧道围岩应力的测量探头的使用方法，包括：将浅埋隧道围岩应力的测量探头装入钻头安装设备中；将所述钻头安装设备置于预先设置的钻孔内，并旋转内侧旋转开关工具使固定粘贴部外壳至打开状态；抽出外侧保护套破开储胶部；推动内侧旋转开关工具将固定粘贴部外壳与电子测量部靠近，并收回安装设备。
15.本发明实施例有益效果：本发明实施例提供的一种浅埋隧道围岩应力的测量探头、安装设备及使用方法，所述浅埋隧道围岩应力的测量探头，包括电子测量部和固定粘贴部；所述电子测量部位于所述探头的前端，所述固定粘贴部位于所述电子测量部的后端；所述电子测量部，包括应变测量系统、应变采集系统和控制系统；所述应变采集系统通过导线分别与所述应变测量系统和所述控制系统相连；所述应变测量系统，用于测量围岩表面的变形，得到用于表征测量结果的电信号；所述应变采集系统，用于通过导线接收所述电信号；对接收到的电信号进行滤波得到滤波结果；通过预设编码格式对所述滤波结果进行编码，并将编码结果发送至所述控制系统，通过该探头可以实现围岩应力的测量。
16.当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
18.图1是本发明实施例提供的一种浅埋隧道围岩应力的测量探头的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种浅埋隧道围岩应力的测量探头电子测量部的一种外观示意图；图3是本发明实施例提供的一种浅埋隧道围岩应力的测量探头电子测量部的另一种外观示意图；图4是本发明实施例提供的一种浅埋隧道围岩应力的测量探头的固定粘贴部开关功能的一种示意图；图5是本发明实施例提供的一种浅埋隧道围岩应力的测量探头的固定粘贴部开关功能的另一种示意图；图6是本发明实施例提供的一种浅埋隧道围岩应力的测量探头的固定粘贴部上端盖外观示意图；图7是本发明实施例提供的一种浅埋隧道围岩应力的测量探头安装设备示意图；图8是本发明实施例提供的一种浅埋隧道围岩应力的测量探头粘贴侧面示意图；图9是本发明实施例提供的一种浅埋隧道围岩应力的测量探头粘贴端面示意图；图10是本发明实施例的一种浅埋隧道围岩应力的测量探头的安装设备测试流程示意图。
19.在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-电子测量部、2-固定粘贴部、3-应变测量系统、4-应变采集系统、5-控制系统、6-蓄电池组系统、7-导线、8-电子测量部外壳、9-储胶部、10-第一导轨、11-上端盖、12-电路接口、13-固定粘贴部外壳、14-第二导轨、15-应变花、16-环氧树脂密封层、17-上端盖转子凹槽、18-上端盖转子、19-上端盖定子、20-外侧保护套、21-内侧旋转开关工具、22-切割刃、23-伸缩杆。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员基于本发明所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.本发明实施例的第一方面，首先提供了一种浅埋隧道围岩应力的测量探头，包括电子测量部1和固定粘贴部2；所述电子测量部1位于所述探头的前端，所述固定粘贴部2位于所述电子测量部1的后端；所述电子测量部1，包括应变测量系统3、应变采集系统4和控制系统5；所述应变采集系统4通过导线7分别与所述应变测量系统3和所述控制系统5相连；所述应变测量系统3，用于测量围岩表面的变形，得到用于表征测量结果的电信号；所述应变采集系统4，用于通过导线7接收所述电信号；对接收到的电信号进行滤波得到滤波结果；通过预设编码格式对所述滤波结果进行编码，并将编码结果发送至所述控制系统5。
22.具体的，对接收到的电信号进行滤波处理，可以滤除噪声，防止杂波和噪声的干扰。通过预设编码格式对所述滤波结果进行编码，可以对滤波结果进行模数转换，得到对应的数值信号，从而便于进行测量结果的发送和缓存等处理。
23.本发明人实施例中的导线仅仅是用于区分不同的导线。其中，应变测量信息用于进行围岩表面的变形的测量，该测量系统可以是多种类型的系统，例如，可以通过压力传感器，测量围岩表面的压力变化。例如，通过常规测量方法，包括精密水准测量、三角高程测量、三角（边）测量、导线测量、交会法等。再例如，通过摄影测量，该方法不需要接触被监测的建筑物，摄影影像的信息量大，利用率高，外业工作量小，观测时间短，可获取快速变形过程，可同时确定工程上任意点的变形。再例如，通过准直测量法（如激光准直仪）、挠度曲线测量法（测斜仪观测）、液体静力水准测量法和微距离精密测量法（如铟瓦线尺测距仪）等。再例如，通过空间测量技术，包括甚长基线干涉测量（vlbi）、卫星测高、全球定位系统（gps）等。具体的，可以参见现有技术，本发明实施例对此不进行限定。
24.本发明实施例的一种浅埋隧道围岩应力的测量探头，通过布置在电子测量部外壳8上的应变采集系统4监测围岩的应力变化。探头埋藏在浅埋隧道的水平钻孔中，能较好地获取浅埋隧道附近围岩的应力变化情况。
25.在一种可能的实施方式中，所述电子测量部1还包括蓄电池组系统6；所述蓄电池组系统6通过导线7与所述控制系统5相连；所述蓄电池组系统6，用于通过所述导线7为所述控制系统5和所述应变采集系统4供电。
26.一个例子中，也可以通过外接电源进行供电，例如设置外接电源接口，通过外接电源通过该接口进行控制系统的供电。该蓄电池组具体的可以是锂电池或铅蓄电池等，本发明对此不进行限定。
27.在一种可能的实施方式中，所述应变测量系统3由应变花15和环氧树脂密封层16组成，其中，所述应变花15为丝式应变花或箔式应变花。
28.在一种可能的实施方式中，所述应变采集系统4，还用于对所述电信号进行处理和放大。
29.其中，应变花15可以为一种具有两个或两个以上不同轴向敏感栅的电阻应变计，用于确定平面应力场中主应变的大小和方向。具体的，可以是敏感栅可由金属丝或金属箔制成，如丝式应变花或箔式应变花。
30.一个例子中，参见图1和图2和图3，本发明实施例中的探头为自动化测量探头，该自动化测量探头由电子测量部1和固定粘贴部2两部分组成。其中电子测量部1位于探头的下部，包括应变测量系统3、应变采集系统4、控制系统5、蓄电池组系统6、导线7、电子测量部外壳8组成。应变测量系统3由应变花15、环氧树脂密封层16组成，用于测量围岩表面的微小变形，并通过导线7与应变采集系统4相连，在环向上共布置两个应变测量系统3，间隔180
°
，在探头底部布置一个应变测量系统3。应变采集系统4位于探头底部，通过导线7与控制系统5相连，用于将应变测量得到的电信号处理、放大后传输至控制系统中进行保存。控制系统5通过导线7与应变采集系统4和蓄电池组系统6相连，用于储存、传输应变信号数据，并根据地面指令切换蓄电池组系统6的充电或放电功能，控制系统5还通过导线7与地面系统进行连接，用于指令接受和数据传输。蓄电池组系统6通过导线7与控制系统5相连，用于对控制系统5和应变采集系统4供电，并有充电或放电两种模式，可通过地面系统对其进行充电。电子测量部外壳8用于保护整个电子测量部，在外观上设有两个金属凹槽的导轨，通过第二导轨14与安装设备相连。
31.在一种可能的实施方式中，所述固定粘贴部2包括伸缩杆23和固定粘贴部外壳13；所述伸缩杆23与电子测量部外壳8和所述固定粘贴部外壳13相连。
32.在一种可能的实施方式中，所述固定粘贴部2包括储胶部9；所述储胶部9内部存储有胶水，所述储胶部9内部存储的胶水用于在探头达到指定位置后对探头进行固定。
33.其中，本发明实施例中的胶水，仅仅是用于进行探头的固定的作用，具体的可以为多种类型的胶水，具体可以参见现有技术，本发明对此不进行限定。
34.在一种可能的实施方式中，所述固定粘贴部包括第一导轨10、上端盖11、电路接口12。
35.在一种可能的实施方式中，所述固定粘贴部外壳13的下端与伸缩杆23相连，当所述固定粘贴部外壳13旋转至打开状态时，所述固定粘贴部外壳13能沿所述第一导轨10顺着伸缩杆23上下移动；当所述固定粘贴部外壳13旋转至闭合状态时，所述固定粘贴部外壳13无法沿所述第一导轨10顺着伸缩杆23移动。
36.一个例子中，如图1、图4、图5、图8和图9所示，固定粘贴部2主要包括伸缩杆23、储胶部9、第一导轨10、上端盖11、电路接口12、固定粘贴部外壳13组成。其中伸缩杆23连接电子测量部外壳8和固定粘贴部外壳13。储胶部9由轻质塑料制作，围绕在伸缩杆23，内部储存有特制胶水，当探头达到指定位置后，安装设备往孔口方向回收时，其切割刃22将划开储胶部9，使内部胶水流出，固定整个测量探头。固定粘贴部外壳13下端与伸缩杆23相连，当固定粘贴部外壳13旋转至打开状态时，固定粘贴部外壳13能沿第一导轨10顺着伸缩杆23上下移动；当固定粘贴部外壳13旋转至闭合状态时，固定粘贴部外壳13无法沿第一导轨10顺着伸缩杆23移动。如图6所示，上端盖11主要包括电路接口12、上端盖转子凹槽17、上端盖转子18、上端盖定子19。其中上端盖11位于固定粘贴部外壳13上侧，上端盖转子18与固定粘贴部外壳13相连，通过转动上端盖转子18转动固定粘贴部外壳13，使其处于打开或者关闭阶段，电路接口12固定在上端盖11上用于数据传输。
37.本发明实施例的浅埋隧道围岩应力的测量探头，通过自身携带的胶水和安装设备实现探头在钻孔内的牢固粘连，操作简单便捷，应变测量准确可靠。
38.可见，本发明的测量浅埋隧道围岩应力的自动化测量探头，通过自身携带的胶水和安装设备可以实现探头在钻孔内的牢固粘连，操作简单便捷，应变测量准确可靠。
39.本发明实施例的第二方面，提供了本发明实施例的第二方面，提供了一种浅埋隧道围岩应力的测量探头的安装设备，包括：外侧保护套20，内侧旋转开关工具21，以及切割刃22；所述外侧保护套20内径与探头的外径一致；所述内侧旋转开关工具21位于所述外侧保护套20的中央。
40.一个例子中，如图7所示，安装设备包括外侧保护套20，内侧旋转开关工具21，以及切割刃22组成。外侧保护套20内径与自动化测量探头的外径完全一致，用于保护自动化测量探头并将其送至指定位置。内侧旋转开关工具21位于外侧保护套20的中央，一段与上端盖转子18的上端盖转子凹槽17相连，通过转动内侧旋转开关工具21，控制固定粘贴部外壳13的开关。
41.本发明实施例的第三方面，提供了一种浅埋隧道围岩应力的测量探头的使用方
法，包括：将浅埋隧道围岩应力的测量探头装入钻头安装设备中；将所述钻头安装设备置于预先设置的钻孔内，并旋转内侧旋转开关工具使固定粘贴部外壳至打开状态；抽出外侧保护套破开储胶部；推动内侧旋转开关工具将固定粘贴部外壳与电子测量部靠近，并收回安装设备。
42.如图10所示，在实际使用过程中，测量浅埋隧道围岩应力的自动化测量探头及安装设备的测试流程为：（1）自动化测量探头的室内标定和检测；（2）将储胶部固定在伸缩杆上；（3）确定浅埋隧道应力监测方案；（4）当浅埋隧道开挖至指定深度后，在侧面进行开孔；（5）将自动化测量探头装入安装工具内，连接足够长度的线缆，并送入至孔底；（6）达到指定深度后，首先旋转内侧旋转开关工具使固定粘贴部外壳至打开状态；（7）抽出外侧保护套将储胶部割开；（8）推动内侧旋转开关工具将固定粘贴部外壳与电子测量部紧靠，收回安装工具；（9）待胶水固化后，安装完成，通过线缆实现应力变化的实时监测。
43.可见，本发明的测量浅埋隧道围岩应力的自动化测量探头及安装设备，通过布置在外壳上的电子测量部上的应变采集设备监测围岩的应力变化，探头埋藏在浅埋隧道的水平钻孔中，能较好地获取浅埋隧道附近围岩的应力变化情况，需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定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。而且，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。
44.本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于钻头安装设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
45.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。