可用于量测地下洞室顶板下沉的测头上指式溢流测量仪

摘要

本发明是可用于量测地下洞室顶板下沉的测头上指式溢流测量仪，包括测量筒、溢流筒、经改装的百分表、立杆及连接测量筒和溢流筒的连通管。可按以下步骤量测顶板下沉面：装配和连接测量筒和溢流筒，在洞室底板上固定测量筒；手持或使用临时支杆支撑溢流筒，使接水盘上的圆形水泡居中，立杆上部的珠形测头顶在待测顶板上的某测点；向测量筒缓慢注水且保证无气泡，让水通过连通管进入溢流筒，直至从溢流筒上的溢流三角口中溢出；采用一种经改造的百分表量测测量筒的水面到其顶盖上表面之间的垂直距离，作为该测点的测值；重复上述步骤，据各个测值作出顶板下沉面。本发明具有量测精度较高，操作方便，量测成本低和对被测洞室顶板无任何损伤等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于量测地下洞室顶板下沉的溢流式连通器，尤其是一种测头上指式溢流测量仪。 

背景技术

对一个洞室(也包括古洞室)来说，开挖后它将产生因开挖引起的位移，包括顶板的垂直向位移，即下沉。理论上，上述位移将随着时间的推延而发生变化。理论上，每个时刻都将出现一个顶板下沉面，或者说每一个顶板下沉面都是该顶板发生垂直向变形过程中的一个片断(或其中的一个过程)，即使在某一时段内顶板不再发生变形，所看到的也是它在该时段内的变形过程中的一个片断或过程。测量和研究古洞室顶板下沉面的主要目的是：第一，在特定条件下(如，一个开挖于水平层状岩体中的古洞室往往是以某个层面为顶板的)，如果发现该层面顶板出现以越靠中部其下沉量越大为特征的下沉面(见图1)，并能以足够精度测出它的形状，那么，可利用它进行有关岩体弹性模量的反分析。另外，在可确定该古工程的始建年代的条件下，还可以利用它进行粘滞系数的反分析。还应指出，上述反演原则上不仅适用于古工程，而且也适用于那些下沉量较大的现代地下工程。当然，对于非水平层状的其它洞室来说，只要其下沉面足够大，也可以作上述反演。还应说明，在一般情况下，因流变引起的洞室顶板下沉量通常很少，所以在作粘滞系数的反分析时，要求相应的量测技术的精度较高(通常要求量测小于 1mm)；第二，古洞室顶板的下沉面量测还可以用于对古洞室顶板当前形状的描述和用于当顶板出现较严重的破坏时上述下沉面破坏情况的量测。这将有助于洞室顶板稳定性的评价和作出有关古洞室长期保护对策的制定。 

可用于既满足上述下沉面量测主要目的又不损坏岩体的现有技术，主要有竖尺、经纬仪、三维激光扫描仪等仪器。以下将就它们的测量原理、主要技术指标及应用于顶板下沉面测量时的优点及不足之处等问题进行分析： 

(1)测杆 

仅在底板为水平时可以用测杆量测顶板上各点到底板的垂直距离，并据此确定顶板的下沉面；当底板出现倾斜或高低不平时，还需一台立于洞室底板上某点的水准仪作配合测量，即当用测杆量测顶板上各点到底板上各相应点的垂直距离时，再用水准仪量测某一假想水平面与量测中的测杆的交点到立测杆的底板上某点的垂直距离，以便消除底板的倾斜和高低不平问题对顶板下沉面量测结果的影响。这一量测方法的优点是原理简单，操作方便(特别是在底板水平时和量测成本较低等，但它的主要问题是当将所测的结构用于上述目的一(即反分析时，这种量测方法的误差过大：测杆的量测误差通常为0.5-1.0mm；当因底板不平需要水准仪配合时，其误差是两种仪器量测误差之和，有可能超过1.5-2.5mm。 

(2)经纬仪 

利用经纬仪进行顶板下沉面的量测方法，与上述测杆量测方法一样，也具有原理简单，操作方便和量测成本较低等优点。但当它服务于围岩力学参数反演时，也存在着误差过大的问题。 

(3)三维激光扫描仪 

瑞士徕卡Leica Scan Station 2是目前最先进的三维激光扫描仪之一。它用于上述目的二可望取得很好的量测结果，但用于上述的反演目的(即 目的一)仍存在着误差过大的问题，它的量测误差可能大于2mm。在处理数据时，有时还会因确定基准面而产生一些人为误差。另外，由于该种仪器很贵，所以它的量测成本也较高。有时，还找不到这种仪器用于现场测量。 

发明内容

鉴于上述古洞室顶板下沉面量测的各种需要，且目前所用的现有方法又因存在着某些不足而阻碍了实际应用，本发明专利请求书提出了可用于量测洞室顶板下沉面的测头上指式溢流测量仪，包括一个测量筒，一个溢流筒，一个经改装的百分表及其横测板，一根与溢流筒上盖相连接的立杆及一条连接测量筒和溢流筒的连通管；测量筒立脚与洞底底板接触点三角形形心为测量系统的坐标原点，溢流筒上部立杆的珠形测头则与顶板的待测点接触；测量筒和溢流筒内均装有水，两者底盘上均有空心插管，通过透明连通管连接；百分表测量杆插入测量筒内测得顶板各待测点的相对高差值。 

测量筒由测量筒底盘、测量筒顶盖与测量筒透明筒体组成，三者通过螺纹和O形环安装在一起，测量筒底盘有3个通孔，可插入测量筒立脚，并通过通孔上下两个螺帽与测量筒底盘连接，用以支撑测量筒。测量筒底盘上有一空心插管，通过粘胶与测量筒连接，测量筒顶盖上有注水孔和可插入百分表测量杆的测量孔； 

溢流筒由溢流筒接水盘、溢流筒上盖与溢流筒透明筒体组成，三者通过螺纹和O形环连接，溢流筒底部有一空心插管，通过粘胶与溢流筒连接，溢流筒接水盘上设有一圆形水泡，可以使溢流筒保持水平，溢流筒筒身上设有溢流三角口； 

测量筒需用支撑立脚支撑，溢流筒只需手持即可，也可在必要时使 用临时支杆支撑；测量筒和溢流筒内均装有水，且通过溢流筒上的溢流三角口使溢流筒内的水面高度与测量筒水面高度保持相同； 

立杆位于溢流筒上部，通过螺纹与溢流筒上盖连接，且立杆长度可调，可使溢流筒透明筒体大致与测量筒透明筒体等高，立杆顶端的珠形测头与待测点接触。由于待测点为洞室顶板，测头向上，因此为测头上指式测量仪。 

改装过的百分表由测头、测量杆、横测板、提压件、传递杆和内外连接件等组成。百分表的量测顶珠改装为针尖式测头，测量杆改装为由多个测量杆通过阴阳螺纹连接组成的多节测量杆，多节测量杆的接管外套与横测板用粘胶连接，横测板与测量筒顶盖上部呈平面接触。内外连接件、传递杆和提压件位于多节测量杆的尾端，内连接件与外连接件之间为滑动接触。提压件与外连接件通过螺纹咬合连接，与百分表传递杆之间通过胶粘接。 

内连接件带一环形凹槽，与百分表圆外壳和传递杆保护套的外表面通过胶粘接，在内连接件外表面上，套上一个内部带细牙阴螺纹的外连接件，外连接件能以内连接件为轴作水平转动。 

外连接件的下端有两个相对的圆形小通孔，利用小圆杆件通过小通孔插入内连接件的环形凹槽中，再用胶将小圆杆件与外连接件粘接固定。小圆杆件为变直径杆件，头部直径较小，尾部直径较大，头部插入圆形小通孔内。 

提压件外周分布有与上述外连接件的细牙阴螺纹相配的细牙阳螺纹，内有一中圆孔，两侧有两个垂直小孔，其中空圆孔的直径略大于百分表传递杆的外径(如图3所示)。提压件中圆孔内壁与百分表传递杆之间用胶粘接，用细钢丝借助于提压件两侧的垂直小孔可把提压件旋入外连接件内，并使提压件上表面与百分表传递杆上表面相平。 

相对于现有的测杆、经纬仪和三维激光扫描仪等顶板弯曲测量仪器来说，本发明具有以下明显的优点： 

(1)精度较高 

仅就顶板下沉量的量测精度看，本发明技术要高于上述现有的三种技术。例如，采用测量结果用以反演(即根据下沉量的量测数据对围岩的弹性模量和粘滞系数进行反演)时，在不损害古洞室围岩的前提下现有三种技术都存在着有关下沉量量测的精度不够高的问题。但采用本发明技术所测的下沉量测值的量测精度较高，在一般情况下，可以满足上述反演的要求。 

(2)携带和操作方便 

本发明的主体结构为一套百分表测读装置、一个立杆、两个透明筒体，一套测量筒立脚和一根连通管，上述部件可以自由拆装，因此，运输和携带都很方便。由于各部件间连接为直插式或螺拴式连接，易于在现场组装，且待测点选定后，在将测量筒固定在所选的部位后，只需把溢流筒及位于其上的立杆18移动于各待测点之间就可以了，所以本发明技术还具有操作方便的优点。 

(3)成本较低 

采用本发明技术量测顶板下沉面的原理清楚，仪器结构简单，造价低，所以量测成本也很低。 

附图及附图说明 

图1开挖于具有水平岩层围岩的洞室顶板的下沉情况 

图2测头上指式溢流测量仪的结构及用于洞室顶板下沉面量测的方法； 

图3百分表上部传递杆头部B的结构改造示意图； 

其中附图标记说明： 

1.螺帽；2.测量筒立脚；3.测量筒底盘；4.注水口；5.百分表；6.顶盖测量孔；7.横测板；8.多节测量杆；9.测量筒顶盖；10.针尖式测头；11.水面；12.测量筒透明筒体；13.测量筒空心插管；14.测量筒O形环；15.测量筒固定点；16.顶板待测点；17.珠形测头；18.立杆；19.长度调节杆；20.溢流筒上盖；21.溢流三角口；22.溢流筒透明筒体；23.溢流筒接水盘；24.溢流筒空心插管；25.溢流筒的O形环；26.圆形水泡；27.临时支杆接头；28.连通管；29.提压件；30.胶；31.传递杆；32.外连接件；33.内连接件；34.小圆杆件；35.保护套；36.百分表圆外壳 

具体实施方式

采用本发明技术量测洞室顶板下沉面时可按照以下步骤进行： 

(一)用胶把测量筒空心插管13粘结固定于测量筒底盘3上，再分别用螺纹将测量筒底盘3、测量筒顶盖9与测量筒透明筒体12安装在一起，并压紧测量筒O形环14，以形成如图2所示的测量筒；另外，用胶把溢流筒空心插管24粘结固定于溢流筒接水盘23上。再分别用螺纹将溢流筒接水盘23、溢流筒上盖20与溢流筒透明筒体22安装在一起，并压紧溢流筒O形环25，以形成如图2所示的溢流筒。 

(二)在待测洞室的底板上选择一合适点位15以固定测量筒12：利用上下两个螺帽1分别将三个插入测量筒底盘的3个通孔的测量筒立脚2固定在测量筒底盘3。再借助于与测量筒底盘3相连接并插入在洞室底板上所选的合适点位15中的三只测量筒立脚2将测量筒垂直地固定在所选的点位； 

再以上述三只测量筒立脚与底板的3个接触点所形成的三角形形心O为原点，建立一个右手直角坐标系OXYZ，其中Z轴向上为正。 

(三)用一根透明的连通管28把位于测量筒底盘3上的测量筒空心插管13与位于溢流筒接水盘23上的溢流筒空心插管24连接起来。再从测量筒12的注水口4缓慢注入无气泡的清水，并注意不让注入的清水中出现气泡，如出现，则应排除干净； 

(四)手持溢流筒，把立杆18安装在位于溢流筒上盖20上部的连接螺纹上。为了使溢流筒透明筒体22大致保持在与测量筒透明筒体12等高的位置，可通过调节杆19来改变立杆的长度，手持溢流筒，使位于立杆顶端的珠形测头17垂直地顶在顶板16上的一个待测点A上，并令位于溢流筒接水盘23外侧面的圆形水泡26居中，但要求在百分表测读这段时间内手持的溢流筒必须足够稳定。另外，还可另备2根头部具有与位于溢流盘23下部的临时支杆接头27的螺纹相配的临时支杆以便将溢流筒稳定地支撑在洞室底板上。 

(五)再从位于测量筒顶盖9上的注水口4缓慢地向测量筒注水，让水在没有任何水泡的情况下进入测量筒透明筒体12和透明的连通管28，并通过它缓慢流入溢流筒透明筒体22，直至溢流筒中的水11从溢流筒上的溢流三角口21缓慢溢出。 

(六)把一个改造过的百分表的带针尖式测头10的多节测量杆8插入位于测量筒顶盖9中心位置的测量孔6，使与百分表多节测量杆的接管外套胶结在一起的横测板7紧压在测量筒顶盖上表面的平面上，以保证测量精度。但在完成上述操作过程中还需注意利用分别位于百分表上部和外部的传递杆31的头部的提压件29将百分表的带针尖式测头的多节测量杆8提起，使位于多节测量杆下部的针尖式测头10不接触测量筒透明筒体12中的水面11。然后，再通过缓慢转动外连接件32，缓慢地将带针尖式测头10的多节测量杆8放下，使针尖式测头逐步向测量筒中的水面靠近，直到针尖式测头的下端尖头接触到水面的瞬间为止，读并记下百分表的读数ZA。据分析，本发明的这种用于地下洞室顶板下沉面 量测技术的量测精度＜0.05mm。还应指出Z_A与所测顶板A点(见图2)相对于在步骤(二)中所述直角坐标系的原点O的高程差有关。另外，还采用钢尺测量A点在该坐标系XOY面上的投影a的坐标X_A和Y_A。于是，可得到有关A测点的3个坐标(X_A Y_A Z_A)。 

(七)重复上述步骤(但不得更改位于溢流筒上部的立杆18和所用的长度调节杆19的长度，可测得该洞室顶板的第2个测点的相应数据B(X_B Y_B Z_B)，第3个测点的相应数据C(X_C Y_C M_C)，...等。 

(八)根据所测的所有测点的相关数据，可以作出相对于上述坐标原点O的待测地下洞室顶板在所测时刻下沉的三维形状。 

上述测头上指式溢流测量仪不仅可以测量现代人工开挖的地下洞室(如地下厂房、隧道、地铁等)的顶板下沉，还可用于古代人工开凿的地下洞室和天然形成的地下洞穴(如岩溶洞穴、火山岩洞穴等)。 

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。