专利名称：钻孔测斜和轴向变形三维共线测量方法
技术领域：
本发明涉及岩土工程稳定性，更具体涉及岩土工程钻孔三维变形的观测。
背景技术：
岩体深部三维变形规律是岩土工程稳定性的重要指标，在工程实施的过程中，一般根据钻孔横向位移及轴向变形的测量数据，经计算分析来摸清岩体三维变形的规律，为岩土工程施工安全及日后的运行安全提供重要科学依据。
测斜仪是用于测量沿岩体钻孔两个正交水平方向的横向位移的专用仪器。该仪器的主体为长筒形，有一连杆穿过长筒中心，连杆的两端装有滑轮。用测斜仪测量沿钻孔两个正交水平方向的横向位移时，必须在钻孔的内壁安装测斜仪专用的测斜管，该测斜管内壁有两对沿孔周均匀分布，并沿测斜管轴线方向全长通过的滑槽，供测斜仪的两个滑轮卡入任一对滑槽滑行使用。当测斜仪在钻孔中沿一对滑槽滑行时，测取该对滑槽方向的横向位移；当测斜仪沿另一对滑槽滑行时，测取与前一方向垂直的横向位移。
随着测斜仪的发展，该仪器有不同的生产厂家和不同的型号，虽然测斜仪有许多种，其内部结构和测量精度有所不同，但对测斜仪使用的专用测斜管的内径及滑槽的要求则是完全相同的。因此，现有测斜管的尺寸大小和形状已成为行业的通行标准，适用所有的测斜仪。即测斜仪滑轮的宽度及现有测斜仪使用的专用测斜管滑槽的槽底间距是固定的。
滑动变形计是用于测量沿岩体钻孔轴线方向纵向变形的专用仪器。该仪器由变形计主体、连接头和导向链组成。变形计主体的外形为圆柱体，其两端各套一个侧面带有四个滑槽的柱形测量头，两个测量头同一方向的端面为球面，导向链由五节矩形环套接组成，变形计主体和导向链之间通过连接头连接，并可使变形计主体与导向链之间相对旋转45°。现有滑动变形计导向链的尺寸大小和形状已成为行业的通行标准，适用所有的滑动变形计。即滑动变形计导向链的厚度、滑动变形计导向链的宽度和滑动变形计测量头球面均是固定的。
用滑动变形计测量钻孔轴线方向的纵向变形时，必须在钻孔的内壁安装塑料管段，各段塑料管间用滑动变形计专用的测量环连接，构成滑动变形计测量线。测量环的内壁按90度均布四个滑槽，使环的横剖面形成十字瓣形分布的四个突台。突台表面为向内窝进的锥面，槽宽与变形计导向链厚度匹配，而一对槽底之间的距离与导向链的宽度匹配。
测量环的作用是使滑动变形计能在钻孔中定向滑动或使测量头的球面与测量环的锥面贴紧，以便测量。
现有岩体钻孔三维变形监测主要有以下两种方法第一种为双孔监测即在岩体需测部位打两个钻孔，在两个钻孔中分别使用测斜仪和滑动变形计，测量沿钻孔两个正交水平方向的横向位移和沿钻孔轴线方向的纵向变形。
该方法之所以需要打两个钻孔，是因为测斜仪和滑动变形计是相互独立开发的，供测斜仪使用的专用测斜管和供滑动变形计使用的专用测量线两者不能兼容，无法交叉使用。其不足之处在于，监测一个部位的岩体三维变形要打两个钻孔和布设两条测量线，使工作量及监测费用成倍增加。
第二种为单孔监测即在岩体需测部位打一个钻孔，用三向变形计同时测量钻孔的横向位移和轴向变形。该方法的优点是进行岩体三维变形监测只需打一个钻孔和布设一条测量线，使现场施工工作量减少一半。其不足之处在于，三向变形计的内部结构复杂，价格十分昂贵，以至于现在人们宁可采用双孔监测的方法，也极少购买三向变形计。

发明内容
本发明的目的是，提供一种钻孔测斜和轴向变形三维共线测量方法，该测量方法通过三维共线测量环与现有测斜仪使用的专用测斜管组成的测量线，在一个钻孔中用测斜仪和滑动变形计分别监测测量孔的横向位移和轴线变形，得到该测量孔的三维变形规律。
为了达到上述目的，本发明按下列步骤顺序进行1、在岩体待测部位钻一测量孔；2、将现有测斜仪使用的专用测斜管截成长度相同的测斜管段，把两个测斜管段的滑槽分别从三维共线测量环的两端与三维共线测量环的测斜仪滑槽对齐，用接头固紧，并送入测量孔；本步骤所述的三维共线测量环为硬质材料制成，环的内壁有四个均布的两对导向链滑槽，导向链滑槽的宽度与滑动变形计导向链的厚度匹配，各对导向链滑槽的槽底间距与滑动变形计导向链的宽度匹配，导向链可沿三维共线测量环的导向链滑槽定向滑行；四个导向链滑槽形成十字瓣形分布的四个突台，突台的表面为向内窝进的锥面，该锥面与滑动变形计测量头的球面匹配；在每个导向链滑槽的底部沿中心线开一个测斜仪滑槽，测斜仪滑槽的宽度与测斜仪滑轮的厚度匹配，各对测斜仪滑槽的槽底间距与现有测斜仪使用的专用测斜管相应滑槽的槽底间距相同，测斜仪可沿三维共线测量环的测斜仪滑槽定向通过；3、孔口端处测斜管段的滑槽与另一三维共线测量环的测斜仪滑槽对齐，用接头固紧，继续送入测量孔，测斜管段的长度使得两个三维共线测量环的间距在滑动变形计两个测量头球面间距的变化范围内；4、重复步骤3，直至带有三维共线测量环的测斜管布满钻孔全长；5、然后在孔壁与测斜管之间灌满砂浆，砂浆固结后便形成三维变形共线测量孔；6、设定测斜仪测量点，由孔口至孔底依次编号；7、将测斜仪的滑轮卡入三维变形共线测量孔的一对滑槽；8、将测斜仪先滑至第一测斜仪测量点，固定测斜仪，测取该测斜仪测量点的横向位移量，并记录；
9、将测斜仪向下滑至下一个测斜仪测量点，固定测斜仪，测取该测斜仪测量点的横向位移量，并记录；10、重复步骤9，直至测完所有测斜仪测量点；11、将测斜仪退出测量孔；12、将测斜仪的滑轮卡入三维变形共线测量孔的另一对滑槽，重复步骤8～11；至此完成该测量孔的一次横向位移监测；13、将三维共线测量环由孔口至孔底依次编号，每个三维共线测量环为一个滑动变形计测量点；14、将滑动变形计测量头的十字瓣和导向链对准三维共线测量环的滑动变形计滑槽，把滑动变形计送入测量孔；15、使滑动变形计前一测量头滑至第二和第三滑动变形计测量点之间，并将滑动变形计相对于导向链旋转45度，使滑动变形计测量头的十字瓣与三维共线测量环的突台对齐，然后回拉滑动变形计，使得滑动变形计两个测量头的球面分别与第一及第二三维共线测量环的锥面贴紧；16、测取第一和第二滑动变形计测量点轴向位移相对变化量，并记录；17、松开回拉力，使滑动变形计复位，再将滑动变形计相对于导向链反向旋转45度；18、然后将滑动变形前一测量头滑至下两个滑动变形计测量点之间，并将滑动变形计相对于导向链旋转45度，使滑动变形计测量头的十字瓣与三维共线测量环的突台对齐，然后回拉滑动变形计，使得滑动变形计两个测量头的球面分别与三维共线测量环的锥面贴紧；19、测取这两个滑动变形计测量点轴向位移相对变化量，并记录；20、重复步骤17至19，直至测完所有相临两个滑动变形计测量点轴向位移相对变化量，至此完成该测量孔一次轴向变形监测；21、将滑动变形计退出测量孔；22、按设定时间间隔及步骤6设定的测斜仪测量点，采用与步骤6相同的测斜仪测量点编号；重复步骤7至12；23、按步骤13设定的三维共线测量环编号和滑动变形计测量点编号；重复步骤14至21；24、至此完成一次钻孔三维变形监测；25、重复步骤22和23，完成下一次钻孔三维变形监测。
26、重复步骤25，直至完成设定的钻孔三维变形监测次数。
本发明与现有技术相比具有以下优点在一个测量孔中用测斜仪和滑动变形计进行该测量孔的三维变形监测，以较低成本实现三向变形计功能，给岩体工程变形监测方案布置设计带来方便。


图1为三维共线测量环的正视图。
图2为三维共线测量环的剖视图。
其中1为导向链滑槽、2为测斜仪滑槽、3为突台、4为锥面。
具体实施例方式以下结合附图，对本发明作进一步的说明。
本发明按下列步骤顺序进行
1、在岩体待测部位钻一测量孔；2、将现有测斜仪使用的专用测斜管截成长度相同的测斜管段，把两个测斜管段的滑槽分别从三维共线测量环的两端与三维共线测量环的测斜仪滑槽对齐，用接头固紧，并送入测量孔；本步骤所述的三维共线测量环为外径70毫米、内径42毫米、厚度23毫米用钢材、硬质铝合金、硬质塑料等硬质材料制成的圆环，环的内壁有四个均匀分布宽20毫米，深9毫米的两对导向链滑槽1，导向链滑槽1的宽度正好与滑动变形计导向链的厚度匹配，各对导向链滑槽1的槽底间距正好与滑动变形计导向链的宽度匹配，导向链可沿三维共线测量环的导向链滑槽1定向滑行；四个导向链滑槽1形成十字瓣形分布的四个突台3，突台3的表面为向内窝进的锥面4，该锥面4与滑动变形计测量头的球面匹配；在每个导向链滑槽1的底部沿中心线开一个宽5毫米、深2毫米的测斜仪滑槽2，测斜仪滑槽2的宽度正好与测斜仪滑轮的厚度匹配，各对测斜仪滑槽的槽底间距与现有测斜仪使用的专用测斜管相应滑槽的槽底间距相同，测斜仪可沿三维共线测量环的测斜仪滑槽定向通过；3、孔口端处测斜管段的滑槽与另一三维共线测量环的测斜仪滑槽2对齐，用接头固紧，继续送入测量孔，测斜管段的长度使得两个三维共线测量环的间距在滑动变形计两个测量头球面间距的变化范围内；4、重复步骤3，直至带有三维共线测量环的测斜管布满钻孔全长；
5、然后在孔壁与测斜管之间灌满砂浆，砂浆固结后便形成三维变形共线测量孔；6、设定测斜仪测量点，由孔口至孔底依次编号；7、将测斜仪的滑轮卡入三维变形共线测量孔的一对滑槽；8、将测斜仪先滑至第一测斜仪测量点，固定测斜仪，测取该测斜仪测量点的横向位移量，并记录；9、将测斜仪向下滑至下一个测斜仪测量点，固定测斜仪，测取该测斜仪测量点的横向位移量，并记录；10、重复步骤9，直至测完所有测斜仪测量点；11、将测斜仪退出测量孔；12、将测斜仪的滑轮卡入三维变形共线测量孔的另一对滑槽，重复步骤8～11；至此完成该测量孔的一次横向位移监测；13、将三维共线测量环由孔口至孔底依次编号，每个三维共线测量环为一个滑动变形计测量点；14、将滑动变形计测量头的十字瓣和导向链对准三维共线测量环的滑动变形计滑槽，把滑动变形计送入测量孔；15、使滑动变形计前一测量头滑至第二和第三滑动变形计测量点之间，并将滑动变形计相对于导向链旋转45度，使滑动变形计测量头的十字瓣与三维共线测量环的突台对齐，然后回拉滑动变形计，使得滑动变形计两个测量头的球面分别与第一及第二三维共线测量环的锥面贴紧；16、测取第一和第二滑动变形计测量点轴向位移相对变化量，并记录；17、松开回拉力，使滑动变形计复位，再将滑动变形计相对于导向链反向旋转45度；18、然后将滑动变形前一测量头滑至下两个滑动变形计测量点之间，并将滑动变形计相对于导向链旋转45度，使滑动变形计测量头的十字瓣与三维共线测量环的突台对齐，然后回拉滑动变形计，使得滑动变形计两个测量头的球面分别与三维共线测量环的锥面贴紧；19、测取这两个滑动变形计测量点轴向位移相对变化量，并记录；20、重复步骤17至19，直至测完所有相临两个滑动变形计测量点轴向位移相对变化量，至此完成该测量孔一次轴向变形监测；21、将滑动变形计退出测量孔；22、按设定时间间隔及步骤6设定的测斜仪测量点，采用与步骤6相同的测斜仪测量点编号；重复步骤7至12；23、按步骤13设定的三维共线测量环编号和滑动变形计测量点编号；重复步骤14至21；24、至此完成一次钻孔三维变形监测；25、重复步骤22和23，完成下一次钻孔三维变形监测。
26、重复步骤25，直至完成设定的钻孔三维变形监测次数。
权利要求
1.钻孔测斜和轴向变形三维共线测量方法，其特征在于，该方法按下列步骤顺序进行a、在岩体待测部位钻一测量孔；b、将现有测斜仪使用的专用测斜管截成长度相同的测斜管段，把两个测斜管段的滑槽分别从三维共线测量环的两端与三维共线测量环的测斜仪滑槽对齐，用接头固紧，并送入测量孔；本步骤所述的三维共线测量环为硬质材料制成的圆环，环的内壁有四个均匀分布的两对导向链滑槽(1)，导向链滑槽(1)的宽度与滑动变形计导向链的厚度匹配，各对导向链滑槽(1)的槽底间距与滑动变形计导向链的宽度匹配，导向链可沿三维共线测量环的导向链滑槽(1)定向滑行；四个导向链滑槽(1)形成十字瓣形分布的四个突台(3)，突台(3)的表面为向内窝进的锥面(4)，该锥面(4)与滑动变形计测量头的球面匹配；在每个导向链滑槽(1)的底部沿中心线开测斜仪滑槽(2)，测斜仪滑槽(2)的宽度与测斜仪滑轮的厚度匹配，各对测斜仪滑槽(2)的槽底间距与现有测斜仪使用的专用测斜管相应滑槽的槽底间距相同，测斜仪可沿三维共线测量环的测斜仪滑槽(2)定向通过；c、孔口端处测斜管段的滑槽与另一三维共线测量环的测斜仪滑槽(2)对齐，用接头固紧，继续送入测量孔，测斜管段的长度使得两个三维共线测量环的间距在滑动变形计两个测量头球面间距的变化范围内；d、重复步骤c，直至带有三维共线测量环的测斜管布满钻孔全长；e、然后在孔壁与测斜管之间灌满砂浆，砂浆固结后便形成三维变形共线测量孔；f、设定测斜仪测量点，由孔口至孔底依次编号；g、将测斜仪的滑轮卡入三维变形共线测量孔的一对滑槽；h、将测斜仪先滑至第一测斜仪测量点，固定测斜仪，测取该测斜仪测量点的横向位移量，并记录；i、将测斜仪向下滑至下一个测斜仪测量点，固定测斜仪，测取该测斜仪测量点的横向位移量，并记录；j、重复步骤i，直至测完所有测斜仪测量点；k、将测斜仪退出测量孔；l、将测斜仪的滑轮卡入三维变形共线测量孔的另一对滑槽，重复步骤h～k；至此完成该测量孔的一次横向位移监测；m、将三维共线测量环由孔口至孔底依次编号，每个三维共线测量环为一个滑动变形计测量点；n、将滑动变形计测量头的十字瓣和导向链对准三维共线测量环的滑动变形计滑槽，把滑动变形计送入测量孔；o、使滑动变形计前一测量头滑至第二和第三滑动变形计测量点之间，并将滑动变形计相对于导向链旋转45度，使滑动变形计测量头的十字瓣与三维共线测量环的突台对齐，然后回拉滑动变形计，使得滑动变形计两个测量头的球面分别与第一及第二三维共线测量环的锥面贴紧；p、测取第一和第二滑动变形计测量点轴向位移相对变化量，并记录；q、松开回拉力，使滑动变形计复位，再将滑动变形计相对于导向链反向旋转45度；r、然后将滑动变形前一测量头滑至下两个滑动变形计测量点之间，并将滑动变形计相对于导向链旋转45度，使滑动变形计测量头的十字瓣与三维共线测量环的突台对齐，然后回拉滑动变形计，使得滑动变形计两个测量头的球面分别与三维共线测量环的锥面贴紧；s、测取这两个滑动变形计测量点轴向位移相对变化量，并记录；t、重复步骤q至s，直至测完所有相临两个滑动变形计测量点轴向位移相对变化量，至此完成该测量孔一次轴向变形监测；u、将滑动变形计退出测量孔；v、按设定时间间隔及步骤f设定的测斜仪测量点，采用与步骤f相同的测斜仪测量点编号；重复步骤g至l；w、按步骤m设定的三维共线测量环编号和滑动变形计测量点编号；重复步骤n至u；x、至此完成一次钻孔三维变形监测；y、重复步骤v和w，完成下一次钻孔三维变形监测。z、重复步骤y，直至完成设定的钻孔三维变形监测次数。
2.根据权利要求1所述的钻孔测斜和轴向变形三维共线测量方法，其特征在于，步骤b所述的圆环的硬质材料为钢材、硬质铝合金、硬质塑料，圆环的外径为70毫米、内径为42毫米、厚度为23毫米，所述的导向链滑槽(1)宽20毫米、深9毫米，所述的测斜仪滑槽(2)宽5毫米、深2毫米。
全文摘要
本发明公开了一种钻孔测斜和轴向变形三维共线测量方法，涉及岩土工程钻孔三维变形的观测。该测量方法通过三维共线测量环与现有测斜仪使用的专用测斜管组成的测量线，在一个钻孔中用测斜仪和滑动变形计分别监测测量孔的横向位移和轴线变形，得到该测量孔的三维变形规律。该三维共线测量环采用扩大现有滑动变形计专用测量环的外径，使该外径与现有测斜仪使用的专用测斜管匹配，并在滑动变形计专用测量环滑槽(1)的底部沿中心线开一个小槽作为测斜仪滑槽(2)。本发明与现有技术相比具有以下优点在一个测量孔中用测斜仪和滑动变形计进行该测量孔的三维变形监测，以较低成本实现三向变形计功能，给岩体工程变形监测方案布置设计带来方便。
文档编号G01C9/00GK1546941SQ20031011154
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月10日 优先权日2003年12月10日
发明者葛修润, 朱祚铎, 王水林, 王浩, 覃卫民 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所