可用於量測地下洞室頂板下沉的測頭上指式溢流測量儀的製作方法

2023-05-16 16:36:51 1

專利名稱：可用於量測地下洞室頂板下沉的測頭上指式溢流測量儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於量測地下洞室頂板下沉的溢流式連通器，尤其是一種測頭上指式溢流測量儀。
背景技術：
對一個洞室(也包括古洞室)來說，開挖 後它將產生因開挖引起的位移，包括頂板的垂直向位移，即下沉。理論上，上述位移將隨著時間的推延而發生變化。理論上，每個時刻都將出現一個頂板下沉面，或者說每一個頂板下沉面都是該頂板發生垂直向變形過程中的一個片斷(或其中的一個過程)，即使在某一時段內頂板不再發生變形，所看到的也是它在該時段內的變形過程中的一個片斷或過程。測量和研究古洞室頂板下沉面的主要目的是第一，在特定條件下(如，一個開挖於水平層狀巖體中的古洞室往往是以某個層面為頂板的)，如果發現該層面頂板出現以越靠中部其下沉量越大為特徵的下沉面(見圖1)，並能以足夠精度測出它的形狀，那麼，可利用它進行有關巖體彈性模量的反分析。另外，在可確定該古工程的始建年代的條件下，還可以利用它進行粘滯係數的反分析。還應指出，上述反演原則上不僅適用於古工程，而且也適用於那些下沉量較大的現代地下工程。當然，對於非水平層狀的其它洞室來說，只要其下沉面足夠大，也可以作上述反演。還應說明，在一般情況下，因流變引起的洞室頂板下沉量通常很少，所以在作粘滯係數的反分析時，要求相應的量測技術的精度較高(通常要求量測小於Irnm);第二，古洞室頂板的下沉面量測還可以用於對古洞室頂板當前形狀的描述和用於當頂板出現較嚴重的破壞時上述下沉面破壞情況的量測。這將有助於洞室頂板穩定性的評價和作出有關古洞室長期保護對策的制定。可用於既滿足上述下沉面量測主要目的又不損壞巖體的現有技術，主要有豎尺、經緯儀、三維雷射掃描儀等儀器。以下將就它們的測量原理、主要技術指標及應用於頂板下沉面測量時的優點及不足之處等問題進行分析(I)測杆僅在底板為水平時可以用測杆量測頂板上各點到底板的垂直距離，並據此確定頂板的下沉面；當底板出現傾斜或高低不平時，還需一臺立於洞室底板上某點的水準儀作配合測量，即當用測杆量測頂板上各點到底板上各相應點的垂直距離時，再用水準儀量測某一假想水平面與量測中的測杆的交點到立測杆的底板上某點的垂直距離，以便消除底板的傾斜和高低不平問題對頂板下沉面量測結果的影響。這一量測方法的優點是原理簡單，操作方便(特別是在底板水平時和量測成本較低等，但它的主要問題是當將所測的結構用於上述目的一(即反分析時，這種量測方法的誤差過大測杆的量測誤差通常為
O.5-1. Omm ;當因底板不平需要水準儀配合時，其誤差是兩種儀器量測誤差之和，有可能超過 I. 5-2. Smnin(2)經緯儀利用經緯儀進行頂板下沉面的量測方法，與上述測杆量測方法一樣，也具有原理簡單，操作方便和量測成本較低等優點。但當它服務於圍巖力學參數反演時，也存在著誤差過大的問題。(3)三維雷射掃描儀瑞士徠卡Leica Scan Station 2是目前最先進的三維雷射掃描儀之一。它用於上述目的二可望取得很好的量測結果，但用於上述的反演目的(即目的一)仍存在著誤差過大的問題，它的量測誤差可能大於2_。在處理數據時，有時還會因確定基準面而產生一些人為誤差。另外，由於該種儀器很貴，所以它的量測成本也較高。有時，還找不到這種儀器用於現場測量。

發明內容
鑑於上述古洞室頂板下沉面量測的各種需要，且目前所用的現有方法又因存在著某些不足而阻礙了實際應用，本發明專利請求書提出了可用於量測洞室頂板下沉面的測頭上指式溢流測量儀，包括一個測量筒，一個溢流筒，一個經改裝的百分表及其橫測板，一根與溢流筒上蓋相連接的立杆及一條連接測量筒和溢流筒的連通管；測量筒立腳與洞底底板接觸點三角形形心為測量系統的坐標原點，溢流筒上部立杆的珠形測頭則與頂板的待測點·接觸；測量筒和溢流筒內均裝有水，兩者底盤上均有空心插管，通過透明連通管連接；百分表測量杆插入測量筒內測得頂板各待測點的相對高差值。測量筒由測量筒底盤、測量筒頂蓋與測量筒透明筒體組成，三者通過螺紋和O形環安裝在一起，測量筒底盤有3個通孔，可插入測量筒立腳，並通過通孔上下兩個螺帽與測量筒底盤連接，用以支撐測量筒。測量筒底盤上有一空心插管，通過粘膠與測量筒連接，測量筒頂蓋上有注水孔和可插入百分表測量杆的測量孔；溢流筒由溢流筒接水盤、溢流筒上蓋與溢流筒透明筒體組成，三者通過螺紋和O形環連接，溢流筒底部有一空心插管，通過粘膠與溢流筒連接，溢流筒接水盤上設有一圓形水泡，可以使溢流筒保持水平，溢流筒筒身上設有溢流三角口 ；測量筒需用支撐立腳支撐，溢流筒只需手持即可，也可在必要時使用臨時支杆支撐；測量筒和溢流筒內均裝有水，且通過溢流筒上的溢流三角口使溢流筒內的水面高度與測量筒水面高度保持相同；立杆位於溢流筒上部，通過螺紋與溢流筒上蓋連接，且立杆長度可調，可使溢流筒透明筒體大致與測量筒透明筒體等高，立杆頂端的珠形測頭與待測點接觸。由於待測點為洞室頂板，測頭向上，因此為測頭上指式測量儀。改裝過的百分表由測頭、測量杆、橫測板、提壓件、傳遞杆和內外連接件等組成。百分表的量測頂珠改裝為針尖式測頭，測量杆改裝為由多個測量杆通過陰陽螺紋連接組成的多節測量杆，多節測量杆的接管外套與橫測板用粘膠連接，橫測板與測量筒頂蓋上部呈平面接觸。內外連接件、傳遞杆和提壓件位於多節測量杆的尾端，內連接件與外連接件之間為滑動接觸。提壓件與外連接件通過螺紋咬合連接，與百分表傳遞杆之間通過膠粘接。內連接件帶一環形凹槽，與百分表圓外殼和傳遞杆保護套的外表面通過膠粘接，在內連接件外表面上，套上一個內部帶細牙陰螺紋的外連接件，外連接件能以內連接件為軸作水平轉動。外連接件的下端有兩個相對的圓形小通孔，利用小圓杆件通過小通孔插入內連接件的環形凹槽中，再用膠將小圓杆件與外連接件粘接固定。小圓杆件為變直徑杆件，頭部直徑較小，尾部直徑較大，頭部插入圓形小通孔內。提壓件外周分布有與上述外連接件的細牙陰螺紋相配的細牙陽螺紋，內有一中圓孔，兩側有兩個垂直小孔，其中空圓孔的直徑略大於百分表傳遞杆的外徑(如圖3所示)。提壓件中圓孔內壁與百分表傳遞杆之間用膠粘接，用細鋼絲藉助於提壓件兩側的垂直小孔可把提壓件旋入外連接件內，並使提壓件上表面與百分表傳遞杆上表面相平。相對於現有的測杆、經緯儀和三維雷射掃描儀等頂板彎曲測量儀器來說，本發明具有以下明顯的優點 (I)精度較高僅就頂板下沉量的量測精度看，本發明技術要高於上述現有的三種技術。例如，採用測量結果用以反演(即根據下沉量的量測數據對圍巖的彈性模量和粘滯係數進行反演)時，在不損害古洞室圍巖的IU提下現有二種技術都存在著有關下沉量量測的精度不夠聞的問題。但採用本發明技術所測的下沉量測值的量測精度較高，在一般情況下，可以滿足上述反演的要求。(2)攜帶和操作方便本發明的主體結構為一套百分表測讀裝置、一個立杆、兩個透明筒體，一套測量筒立腳和一根連通管，上述部件可以自由拆裝，因此，運輸和攜帶都很方便。由於各部件間連接為直插式或螺拴式連接，易於在現場組裝，且待測點選定後，在將測量筒固定在所選的部位後，只需把溢流筒及位於其上的立杆18移動於各待測點之間就可以了，所以本發明技術還具有操作方便的優點。(3)成本較低採用本發明技術量測頂板下沉面的原理清楚，儀器結構簡單，造價低，所以量測成本也很低。附圖及


圖I開挖於具有水平巖層圍巖的洞室頂板的下沉情況圖2測頭上指式溢流測量儀的結構及用於洞室頂板下沉面量測的方法；圖3百分表上部傳遞桿頭部B的結構改造示意圖；其中附圖標記說明I.螺帽；2.測量筒立腳；3.測量筒底盤；4.注水口 ；5.百分表；6.頂蓋測量孔；
7.橫測板；8.多節測量杆；9.測量筒頂蓋；10.針尖式測頭；11.水面；12.測量筒透明筒體；13.測量筒空心插管；14.測量筒O形環；15.測量筒固定點；16.頂板待測點；17.珠形測頭；18.立杆；19.長度調節杆；20.溢流筒上蓋；21.溢流三角口 ；22.溢流筒透明筒體；23.溢流筒接水盤；24.溢流筒空心插管；25.溢流筒的O形環；26.圓形水泡；27.臨時支杆接頭；28.連通管；29.提壓件；30.膠；31.傳遞杆；32.外連接件；33.內連接件；34.小圓杆件；35.保護套；36.百分表圓外殼
具體實施例方式採用本發明技術量測洞室頂板下沉面時可按照以下步驟進行(一 )用膠把測量筒空心插管13粘結固定於測量筒底盤3上，再分別用螺紋將測量筒底盤3、測量筒頂蓋9與測量筒透明筒體12安裝在一起，並壓緊測量筒O形環14，以形成如圖2所示的測量筒；另外，用膠把溢流筒空心插管24粘結固定於溢流筒接水盤23上。再分別用螺紋將溢流筒接水盤23、溢流筒上蓋20與溢流筒透明筒體22安裝在一起，並壓緊溢流筒O形環25，以形成如圖2所示的溢流筒。( 二)在待測洞室的底板上選擇一合適點位15以固定測量筒12 :利用上下兩個螺帽I分別將三個插入測量筒底盤的3個通孔的測量筒立腳2固定在測量筒底盤3。再藉助於與測量筒底盤3相連接並插入在洞室底板上所選的合適點位15中的三隻測量筒立腳2將測量筒垂直地固定在所選的點位；再以上述三隻測量筒立腳與底板的3個接觸點所形成的三角形形心O為原點，建立一個右手直角坐標系0ΧΥΖ，其中Z軸向上為正。(三)用一根透明的連通管28把位於測量筒底盤3上的測量筒空心插管13與位於溢流筒接水盤23上的溢流筒空心插管24連接起來。再從測量筒12的注水口 4緩慢注入無氣泡的清水，並注意不讓注入的清水中出現氣泡，如出現，則應排除乾淨； (四)手持溢流筒，把立杆18安裝在位於溢流筒上蓋20上部的連接螺紋上。為了使溢流筒透明筒體22大致保持在與測量筒透明筒體12等高的位置，可通過調節杆19來改變立杆的長度，手持溢流筒，使位於立杆頂端的珠形測頭17垂直地頂在頂板16上的一個待測點A上，並令位於溢流筒接水盤23外側面的圓形水泡26居中，但要求在百分表測讀這段時間內手持的溢流筒必須足夠穩定。另外，還可另備2根頭部具有與位於溢流盤23下部的臨時支杆接頭27的螺紋相配的臨時支杆以便將溢流筒穩定地支撐在洞室底板上。(五)再從位於測量筒頂蓋9上的注水口4緩慢地向測量筒注水，讓水在沒有任何水泡的情況下進入測量筒透明筒體12和透明的連通管28，並通過它緩慢流入溢流筒透明筒體22，直至溢流筒中的水11從溢流筒上的溢流三角口 21緩慢溢出。(六)把一個改造過的百分表的帶針尖式測頭10的多節測量杆8插入位於測量筒頂蓋9中心位置的測量孔6，使與百分表多節測量杆的接管外套膠結在一起的橫測板7緊壓在測量筒頂蓋上表面的平面上，以保證測量精度。但在完成上述操作過程中還需注意利用分別位於百分表上部和外部的傳遞杆31的頭部的提壓件29將百分表的帶針尖式測頭的多節測量杆8提起，使位於多節測量杆下部的針尖式測頭10不接觸測量筒透明筒體12中的水面11。然後，再通過緩慢轉動外連接件32，緩慢地將帶針尖式測頭10的多節測量杆8放下，使針尖式測頭逐步向測量筒中的水面靠近，直到針尖式測頭的下端尖頭接觸到水面的瞬間為止，讀並記下百分表的讀數ZA。據分析，本發明的這種用於地下洞室頂板下沉面量測技術的量測精度< O. 05_。還應指出Za與所測頂板A點(見圖2)相對於在步驟(二)中所述直角坐標系的原點O的高程差有關。另外，還採用鋼尺測量A點在該坐標系XOY面上的投影a的坐標Xa和￥4。於是，可得到有關A測點的3個坐標(XA Ya Za)。(七)重複上述步驟(但不得更改位於溢流筒上部的立杆18和所用的長度調節杆19的長度，可測得該洞室頂板的第2個測點的相應數據B(Xb Yb Zb)，第3個測點的相應數據 C(Xc Yc Mc),...等。 (A)根據所測的所有測點的相關數據，可以作出相對於上述坐標原點O的待測地下洞室頂板在所測時刻下沉的三維形狀。上述測頭上指式溢流測量儀不僅可以測量現代人工開挖的地下洞室(如地下廠房、隧道、地鐵等)的頂板下沉，還可用於古代人工開鑿的地下洞室和天然形成的地下洞穴(如巖溶洞穴、火山巖洞穴等)。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發 明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種可用於量測地下洞室頂板下沉的測頭上指式溢流測量儀，其特徵在於由一個測量筒，一個經改裝的百分表，一個溢流筒，一根與溢流筒相連接的立杆及一條連接測量筒和溢流筒的連通管組成；測量筒立腳與洞底底板接觸點三角形形心為測量系統的坐標原點，溢流筒上部立杆的珠形測頭與洞室頂板的待測點接觸，測量筒和溢流筒內均裝有水，兩者底盤上均有空心插管，並通過透明連通管連接；上述百分表測量杆插入測量筒內即測得頂板各待測點的相對高差值；該儀器基於以下步驟實現洞室頂板下沉測量的 (a)手持或使用臨時支杆支撐溢流筒，使位於溢流筒上部的珠形測頭頂在待測頂板上的某測點，使位於溢流筒接水盤上的圓形水泡居中，以保證測杆與被測的洞室頂板垂直； (b)向測量筒緩慢注水，並在無氣泡條件下讓水通過連通管進入溢流筒，且從位於溢流筒上的溢流三角口中溢出； (C)採用一種經改造的百分表量測測量筒的水面到測量筒頂蓋上表面之間的垂直距離，作為該測點的測值； (d)根據待測頂板上所有測點的相應測值及相對於上述坐標原點的平面位置，生成一個頂板下沉面。
2.根據權利要求書I所述的測頭上指式溢流測量儀，其特徵在於上述測量筒由測量筒底盤、測量筒頂蓋與測量筒透明筒體組成，三者通過螺紋和O形環連接在一起；測量筒底盤有3個通孔，可插入測量筒立腳，並通過通孔上下兩個螺帽與測量筒底盤連接，用以支撐測量筒；測量筒底盤上有一空心插管，通過粘膠與測量筒連接，測量筒頂蓋上有注水孔和可插入百分表測量杆的測量孔。
3.根據權利要求書I所述的測頭上指式溢流測量儀，其特徵在於上述溢流筒由溢流筒接水盤、溢流筒上蓋與溢流筒透明筒體組成，三者通過螺紋和O形環連接；溢流筒筒身上設有溢流三角口，溢流筒底部有一空心插管，通過粘膠與溢流筒連接，溢流筒接水盤上設有一圓形水泡，調節該水泡可使溢流筒保持水平。
4.根據權利要求書I所述的測頭上指式溢流測量儀，其特徵在於上述立杆位於上述溢流筒上部，並通過螺紋與溢流筒上蓋連接；上述立杆的長度可調，可使溢流筒透明筒體大致與測量筒透明筒體等高；測量時，立杆頂端的珠形測頭與洞室待測點接觸。
5.根據權利要求書I所述的測頭上指式溢流測量儀，其特徵在於上述百分表由測頭、測量杆、橫測板、提壓件、傳遞杆和內外連接件等組成；上述測頭改裝為針尖式測頭；上述測量杆可改裝為由多個測量杆通過陰陽螺紋連接組成的多節測量杆；上述多節測量杆的接管外套與橫測板用粘膠連接，橫測板與測量筒頂蓋上部呈平面接觸；內外連接件、傳遞杆和提壓件位於多節測量杆的尾端，內連接件與外連接件之間為滑動接觸；提壓件與外連接件通過螺紋咬合連接，與百分表傳遞杆之間通過膠粘接。
全文摘要
本發明是可用於量測地下洞室頂板下沉的測頭上指式溢流測量儀，包括測量筒、溢流筒、經改裝的百分表、立杆及連接測量筒和溢流筒的連通管。可按以下步驟量測頂板下沉面裝配和連接測量筒和溢流筒，在洞室底板上固定測量筒；手持或使用臨時支杆支撐溢流筒，使接水盤上的圓形水泡居中，立杆上部的珠形測頭頂在待測頂板上的某測點；向測量筒緩慢注水且保證無氣泡，讓水通過連通管進入溢流筒，直至從溢流筒上的溢流三角口中溢出；採用一種經改造的百分表量測測量筒的水面到其頂蓋上表面之間的垂直距離，作為該測點的測值；重複上述步驟，據各個測值作出頂板下沉面。本發明具有量測精度較高，操作方便，量測成本低和對被測洞室頂板無任何損傷等優點。
文檔編號G01B5/02GK102721351SQ20121023098
公開日2012年10月10日 申請日期2012年7月5日 優先權日2012年7月5日
發明者張中儉, 李麗慧, 楊志法 申請人:中國科學院地質與地球物理研究所