一种钻孔开孔方位角、倾角定位装置及其定位方法
【技术领域】
[0001]本发明属隧道、矿山以及其他地下工程各类钻孔施工领域，具体涉及一种地下工程各类钻孔开孔方位角、倾角定位装置及其定位方法。
【背景技术】
[0002]我国目前隧道、地铁、水电站、矿山等地下工程建设事业蓬勃发展，在地下工程施工中往往会遇到异常的不良地质环境而发生突水突泥、围岩变形甚至垮塌等重大地质灾害。对地质灾害的治理都离不开打钻，因此打钻施工质量是否合格直接关系到工程的成败。而影响钻孔施工质量的关键之一是钻孔开孔轨迹的定位的准确性，即对钻孔方位角、倾角精确定位。钻孔开孔前需要方便、快捷、准确地对钻孔的方位角、倾角进行定位，避免出现较大误差，保证打钻施工质量。
[0003]目前，现场一般采用吊线，使用坡度规、经玮仪等仪器对钻杆方位角、倾角进行测量，每次测量完成后，调整钻杆角度需要对钻机整体调整，调整钻机后再对钻杆角度进行测量，这样“一静一动一静”循环往复的测量方式效率低，盲目性，误差大。另外注浆钻孔注浆后复孔时需要重新调整钻机，重新依据钻孔定位参数对钻杆定位，以保证钻杆能沿钻孔定位轨迹重合，从而保证钻孔施工质量。由于受测量操作人员变化，不同人员技能水平和经验不同的影响，不同次数选取坡度规基准点位置容易出现变化，造成测量数据误差大，而且操作中至少需要两人完成。因此使用一种单人可操作、快速准确、动态一体化的定位钻孔开孔方位角、倾角的定位仪器是很必要的。
[0004]湖南湘西永顺县龙永高速公路大坝隧道出现岩溶涌水，严重影响着隧道安全。为此要进行帷幕注浆堵水，施工中使用了履带式全液压钻机。由于施工钻孔布设在隧道内，钻孔数量多，钻孔方位角，倾角变化大，给注浆堵水钻孔开孔带来了极大难度。应用传统的吊线使用坡度规方法，不仅耗时耗工，而且误差大，严重影响着钻孔施工精度和施工进度。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种钻孔开孔方位角、倾角定位装置及其定位方法，该测定装置单人可操作，可快速准确、动态一体化的测量钻杆的方位角、倾角。其关键技术步骤是首先是测量和调整钻机上钻杆的倾角和方位角，使之与设计的钻孔轨迹的倾角和方位角相同，从而保证钻杆和设计的钻孔的轴线重合；钻杆定好后，开动钻机，带动钻杆顶端的钻头钻进成孔，钻孔到设计深度后，下入孔口管；孔口管即起到钻孔定位的作用；孔口管轴线的方位角和倾角参数即为设计的钻孔定位参数。
[0006]为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
[0007]—种钻孔开孔方位角、倾角定位装置，包括基座单元，用于与钻杆相连接并固定整个定位装置；固定于基座单元上的调节单元，调节单元用于调节倾角测量单元和方位角测量单元的基准位置；固定于调节单元上的倾角测量单元和方位角测量单元，倾角测量单元用于测量钻孔开孔的倾角，方位角测量单元用于测量钻孔开孔的方位角。
[0008]所述基座单元包括上半圆管和下半圆管，所述上半圆管和下半圆管连接成圆管；所述上半圆管的拱顶处固定支撑筒，支撑筒的轴线与上半圆管的轴线垂直，支撑筒用于支撑调节单元；所述上半圆管的两侧肩上固定有若干组调向连接件，同一组调向连接件位于同一水平直线上，所述下半圆管的拱顶处垂直固定有若干个紧固连接件，紧固连接件与相对应的同一组调向连接件位于同一平面内。
[0009]所述上半圆管和下半圆管的一侧铰接，上半圆管和下半圆管的另一侧扣合并通过锁紧装置锁紧，锁紧装置将上半圆管和下半圆管紧密扣合在一起。
[0010]所述调向连接件穿过上半圆管管壁，且调向连接件在上半圆管内的长度小于上半圆管的半径。
[0011]所述支撑筒上连接两个固定连接件，其中一个固定连接件轴线与上半圆管轴线平行，另一个固定连接件轴线与上半圆管轴线垂直，且两个固定连接件位于两不同平面内；通过两个不在同一平面的固定连接件将支撑筒与调节单元紧固的连接在一起。
[0012]所述调节单元包括主支撑，主支撑用于与基座单元连接；所述主支撑上部与U形架的底边相垂直固定连接，且U形架的两侧边与主支撑相平行；所述U形架的两侧边的上部设有套环，所述套环内穿有横轴，且横轴可在套环内转动；所述横轴下部通过与横轴相垂直的重锤杆连接有重锤；所述横轴上设有与横轴轴线平行的条形气泡水准仪。
[0013]所述U形架侧边的轴线与套环的轴线相垂直。
[0014]优选的，所述主支撑连接于U形架底边的中心处；可以平衡主支撑两侧承受重锤的重量，使主支撑不致因为受力不均而导致一侧受损。
[0015]优选的，所述U形架的两侧边与套环之间设有脚螺旋和短接管，所述脚螺旋将U形架的侧边与短接管连接，所述短接管与套环固定连接；可以通过调整脚螺旋调整条形气泡水准仪水平。
[0016]所述倾角测量单元包括倾角主测机构和倾角辅测机构，所述倾角主测机构固定于横轴上，所述倾角辅测机构固定于上半圆管的拱顶处。
[0017]所述倾角主测机构包括倾角刻度盘，倾角刻度盘的刻度盘面为半圆盘面，半圆盘面的中心固定在横轴的中点处，且倾角刻度盘的刻度盘面与横轴的轴线垂直；所述半圆盘面带刻度的一面配合有定心环，所述定心环上连接倾角激光器，且倾角激光器的中轴线指向定心环的圆心，所述定心环套于横轴上，带动倾角激光器绕横轴作圆周运动。
[0018]所述倾角刻度盘的刻度盘面以圆弧边中点位置为零度，顺时针方向刻度为负，逆时针方向刻度为正，且测量角度均为90度；倾角刻度盘的刻度盘面以横轴所在的水平面上下平分。
[0019]所述倾角刻度盘上设有环状沟槽，环状沟槽的圆心与倾角刻度盘的刻度盘面的圆心重合，环状沟槽弧度为π ;所述倾角激光器的端部与定位件固定连接，所述定位件穿过倾角刻度盘的环状沟槽；通过定位件穿过倾角刻度盘上的环状沟槽，可以准确调整倾角激光器在倾角刻度盘上的位置。
[0020]所述倾角辅测机构包括定向杆，所述定向杆的顶端固定有倾角目苗准环，所述定向杆的下部设有基座定向孔，定向杆的底端固定在上半圆管的拱顶处，且定向杆的轴线垂直于上半圆管的轴线；所述倾角目苗准环的轴线与定向杆的轴线垂直；基座定向孔的轴线与倾角激光器下倾30度时发出的激光线重合。
[0021]所述定向杆的下端面圆心与支撑筒下端面圆心位于同一直线上；所述倾角瞄准环的轴线指向定心环的圆心；确保定向杆的轴线与支撑筒的轴线位于同一平面内，确保倾角激光器的初始位置，即倾角激光器位于零度位置时穿过倾角瞄准环。
[0022]所述方位角测量单元包括方位角主测机构和方位角辅测机构，所述方位角辅测机构包括托杆，所述托杆上部固定有与托杆垂直的方位角刻度盘，所述托杆底端固定于横轴上，托杆的轴线与横轴的轴线垂直；所述方位角刻度盘为圆盘面，所述方位角刻度盘上固定方位角主测机构；所述方位角主测机构包括旋转圆盘，旋转圆盘与方位角刻度盘同轴设置；所述旋转圆盘的外圆弧边上固定有右测距激光器、左测距激光器和方位角激光器，所述右测距激光器、左测距激光器和方位角激光器均与固定在旋转圆盘上的控制器连接。
[0023]所述方位角刻度盘的刻度盘面以垂直横轴轴线的直径所在的圆弧边位置为零度、以平行横轴轴线的直径所在的圆弧边位置为90度作刻度。
[0024]所述右测距激光器、左测距激光器和方位角激光器的轴线在同一平面内，且右测距激光器、左测距激光器和方位角激光器的轴线均指向旋转圆盘圆心，方位角激光器的轴线是右测距激光器的轴线与左测距激光器的轴线所成夹角的角平分线；方位角激光器位于角平分线上，根据“面面相交成直线”、“等腰三角形角平分线垂直于底边”定理，当两测距激光器所测距离接近相等时，方位角激光器激光接近垂直于岩壁。另外测距激光器为红外线激光器。
[0025]所述右测距激光器的轴线与方位角激光器额轴线夹角为45度，左测距激光器的轴线与方位角激光器的轴线夹角为45度。当夹角过小时，由于岩壁不平滑造成两测距激光器距离差所占实际距离差比例过大，反面来说，即使方位角激光器与岩壁垂直，会因岩壁不平滑造成两测距激光器距离差而不进行指示垂直；当夹角过大时，测距激光器会因岩壁面较窄而照射不到岩壁