本发明涉及一种围岩内部变形、离层测量装置，具体涉及一种可复用的大量程高精度离层仪及其安装测量方法。
背景技术
岩土工程围岩内部变形离层是围岩对压力作用的响应，其对岩土地下工程塌方冒顶等灾害的发生具有重要的指示作用。岩土工程围岩内部变形离层测量是进行围岩稳定性分析，实现岩土地下工程布局、开挖、支护设计科学决策的必要参数。
目前对地下工程离层量测的装置主要是离层仪，根据监测的物理手段不同，主要分为电子离层仪和机械离层仪。电子离层仪由于安装操作复杂、成本高、无法复用、精度低、需要单独供电、易受井下潮湿环境影响、量程有限等问题造成适用范围较窄，目前地下工程中应用最为广泛的仍然是更为可靠的机械式离层仪。
机械式离层仪虽然结构原理简单，但现有常用的机械式离层仪同样也存在很多缺陷：
①锚头在钻孔内容易松脱，锚固效果差，特别是在钻孔壁较为破碎的情况下锚头松脱导致离层仪读数发生错误，甚至离层仪整体失效；
②不可复用；普通离层仪锚头一般采用类似倒刺的结构，仅能向钻孔内推送移动，无法向钻孔外移动，一次安装后无法复用；
③量程较小；普通离层仪由于受到外部结构尺寸的限制，最大量程一般为0.5m，无法满足变形离层大而且安装空间小的岩土工程围岩要；
④精度较低且无法直读；普通离层仪的刻度设置在读数杆上，受到读数杆尺寸的限制，精度仅能达到5～10mm；由于读数杆为圆杆，读数时无法同时看到刻度和数字，且需要数刻度线才能确定数值大小；且刻度一般是采用印刷或者黏贴的形式固定在读数杆上，极易在搬运和使用过程中发生磨损和缺失。
技术实现要素：
为了克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种可复用的大量程高精度离层仪及其安装测量方法，测量精度高、量程大、可重复使用，同时方便读数，安装拆卸简单。
为了解决上述问题，本发明一种可复用的大量程高精度离层仪，包括固定在钻孔待测位置的锚头、与锚头相连的测绳、与测绳另一端相连的线盘以及测定测绳移动量的测量装置，线盘和测量装置均安装在装置外壳内，所述锚头为膨胀锚头；装置外壳通过固定锚头锚固在钻孔孔口处；所述线盘包括涡卷弹簧、固定轴以及绕线盘，涡卷弹簧和绕线盘均安装在固定轴上，测绳通过涡卷弹簧缠绕在绕线盘上；所述测量装置包括摩擦轮、传动变速齿轮组和读数盘，摩擦轮的一端为带凹槽的圆轮，另一端为带齿槽的齿轮，由绕线盘伸出的测绳绕在摩擦轮的凹槽内，摩擦轮凹槽的内边缘与膨胀锚头的中心线在同一条直线上；传动变速齿轮组由若干组双层齿轮组成，每组双层齿轮均包括一个大齿轮和一个小齿轮，大齿轮和小齿轮通过齿轮轴固定在装置外壳内壁上，摩擦轮一端的齿轮与其一侧双层齿轮中的小齿轮啮合作为传动变速齿轮组的输入端；读数盘为机械式读数盘，读数盘的输入端为小齿轮，传动变速齿轮组输出端的大齿轮与读数盘上的小齿轮啮合带动小齿轮的旋转，读数盘小齿轮的转动带动读数盘上读数的变化，读数盘的侧面设有复位按钮。
进一步的，所述传动变速齿轮组的总传动放大倍数满足测绳移动1mm带动读数盘小齿轮转动一周。
膨胀锚头便于安装拆卸，锚固效果好，使离层仪可以重复使用；测绳通过涡卷弹簧缠绕在绕线盘上，使测绳在弹性力的作用下始终保持拉紧状态，当岩层发生形变时，由于涡卷弹簧扭矩作用拉动测绳缩回的同时继续保持拉紧状态，保证离层仪的测量精度；测绳通过摩擦轮缠绕后与膨胀锚头相连，一方面保证测绳始终处于竖直拉近状态，防止在测量过程中测绳打滑，另一方面，由于绕线盘上绕线的多少会影响其绕线盘直径的变化，如果将绕线盘作为直接传动部件会造成测量的准确度下降，因此利用摩擦盘作为中间传动结构，无论绕线盘上测绳缠绕多少圈都不会影响摩擦盘的直径变化，故而不会影响测量的准确度；通过多组双层齿轮构成的传动变速齿轮组来将测绳移动变化放大数倍，大大提高了测量精度；且测量范围不限于钻孔深度的测绳长度，还包括缠绕在绕线盘上的长度，因此大大提高了离层仪的量程；读数盘为机械式读数盘，其竖直的变化取决于外侧连接的小齿轮的转动角度，小齿轮转动一圈，读数盘的读数变化1mm，这种机械式读数盘故障率低，使用方便，无需电源或者其他动力设备，因此适用范围广。
进一步的，所述读数盘的测量精度为0.1mm；量程为0-9999.9mm。
通过上述结构可以本离层仪的测量精度大大提高，可以精确反应围岩里层变化规律，更具参考价值；较以前的机械式离层仪，本装置量程扩大近二十倍，满足大多数工况使用。
作为膨胀锚头的优选结构，所述膨胀锚头包括外锚壳和内膨胀体，内膨胀体与外锚壳通过螺纹配合，外锚壳的上端设开有倒锥形通孔，且外锚壳的外壁上均匀开设若干裂槽；内膨胀体的头部为倒锥形结构，且倾斜面与上端面之间的夹角小于外锚壳上倒锥形通孔倾斜面与上端面之间的夹角；内膨胀体上开设有安装孔。
通过内膨胀体与外锚壳之间螺纹配合使内膨胀体沿着外锚头内壁上下移动，由于内膨胀体倾斜面与上端面之间的夹角小于外锚壳上倒锥形通孔倾斜面与上端面之间的角，因此在内膨胀体相对于外锚壳向下移动时，内膨胀体的斜面挤压外锚壳的倒锥形通孔使外锚壳膨胀并固定在钻孔内壁上，这种结构锚固可靠，还可以自由拆卸。
所述膨胀锚头的结构不限于上文描述结构，只要是可以自由拆卸的结构均可以实现上述目的。
为了进一步提高摩擦轮的摩擦力，防止测绳移动过程中打滑，摩擦轮的凹槽内衬为高摩擦力耐磨橡胶；绕线盘伸出的测绳在摩擦轮的凹槽内绕绳一周。
由于井下光线较弱，因此，为了便于读数，所述读数盘上的数字具有荧光显示功能。读数盘上的读数是通过小齿轮带动变化的，因此相较于普通的读数杆，不易磨损缺失，同时便于读数。
进一步的，所述测绳为钢绞线，其长度不小于测试深度与线盘缠绕测绳长度之和。
进一步的，内膨胀体上开设的安装孔为方孔，其侧壁上开有l型安装槽，且安装槽与方孔贯通。安装孔与安装槽均为了安装杆设置，通过方孔插入安装杆并利用l型安装槽固定安装杆，防止安装杆在旋转膨胀锚头过程中脱落。
一种可复用的大量程高精度离层仪的安装测量方法，其特征在于，包括以下步骤
第一步、根据围岩情况施工安装钻孔；
第二步、从离层仪中拉出一段测绳使线盘内涡卷弹簧收紧，确保离层仪内剩余测绳长度不小于10m；
第三步、将安装杆插入膨胀锚头内膨胀体的方孔中，通过安装杆将离层仪膨胀锚头推入钻孔内至测试深度，再利用安装杆顺时针旋转内膨胀体，使外锚壳沿着外壁上的裂槽膨胀开，从而使膨胀锚头固定在钻孔内壁上；
第四步、通过固定锚头将离层仪装置外壳固定在钻孔孔口，读取读数盘数值记录钻孔内部膨胀锚头安装深度，按动读数盘复位按钮，使读数盘归零，离层仪安装完毕；
第五步、据一定观测频率对离层仪读数进行定期读取和记录；
第六步、离层仪使用完成后需要取出时，将离层仪主机从钻孔孔口拔下，然后将安装杆推入钻孔并与膨胀锚头接触卡牢后进行逆时针旋转使膨胀锚头脱离钻壁，利用安装杆取下膨胀锚头；同时按动读数盘复位按钮，使读数盘归零，以备下次使用。
进一步的，所述安装杆的头部为方形杆，方形杆的上部设有销钉；
第三步中，将安装杆安装在内膨胀体中时，要使销钉安装在内膨胀体l形安装槽的短边槽孔中。
本发明利用膨胀锚头使离层仪可以重复使用；利用机械式带荧光数字的读数盘，使其在昏暗环境中亦方便读数；利用涡卷弹簧线盘以及多组双层齿轮组成的传动变速齿轮组大大提高了离层仪的测量精度以及扩大了其测量范围；安装及测量方法操作简单，既可反映围岩压缩，又可以反映围岩拉伸离层。故而本发明具有精度高、量程大、可复用、体积小、性能可靠、适应性强、抗干扰能力强、结构简单、操作便利、费用低等众多优势。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为图1中装置外壳内部结构的俯视图；
图3为本发明中膨胀锚头外锚壳的主视图；
图4为图3的a-a向视图；
图5为本发明中膨胀锚头内膨胀体的主视图；
图6为图5的b-b向视图；
图7为安装杆的结构示意图。
图中：1、钻孔；2、测绳；3、装置外壳；4、膨胀锚头；4.1、外锚壳；4.1.1、倒锥形通孔；4.1.2、裂槽；4.2、内膨胀体；4.2.1、头部；4.2.2、安装孔；4.2.3、安装槽；5、固定锚头；6、涡卷弹簧；7、固定轴；8、绕线盘；9、摩擦轮；9.1、圆轮；9.2、齿轮；10、传动变速齿轮组；11、读数盘；11.1、小齿轮；11.2、复位按钮；12、安装杆；12.1、销钉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细的阐述。
如图1和图2所示，一种可复用的大量程高精度离层仪，包括固定在钻孔1待测位置的锚头、与锚头相连的测绳2、与测绳2另一端相连的线盘以及测定测绳移动量的测量装置，线盘和测量装置均安装在装置外壳3内，所述锚头为膨胀锚头4；装置外壳3通过固定锚头5锚固在钻孔孔口处；所述线盘包括涡卷弹簧6、固定轴7以及绕线盘8，涡卷弹簧6和绕线盘8均安装在固定轴7上，测绳2通过涡卷弹簧6缠绕在绕线盘8上；所述测量装置包括摩擦轮9、传动变速齿轮组10和读数盘11，摩擦轮9的一端为带凹槽的圆轮9.1，另一端为带齿槽的齿轮9.2，由绕线盘8伸出的测绳2绕在摩擦轮9的凹槽内，摩擦轮9凹槽的内边缘与膨胀锚头4的中心线在同一条直线上；传动变速齿轮组10由若干组双层齿轮组成，每组双层齿轮均包括一个大齿轮和一个小齿轮，大齿轮和小齿轮通过齿轮轴固定在装置外壳3内壁上，摩擦轮9一端的齿轮9.2与其一侧双层齿轮中的小齿轮啮合作为传动变速齿轮组10的输入端；读数盘11为机械式读数盘，读数盘11的输入端为小齿轮11.1，传动变速齿轮组10输出端的大齿轮与读数盘11上的小齿轮11.1啮合带动小齿轮11.1的旋转，读数盘小齿轮11.1的转动带动读数盘11上读数的变化，读数盘11的侧面设有复位按钮11.2。
进一步的，所述传动变速齿轮组10的总传动放大倍数满足测绳2移动1mm带动读数盘小齿轮11.1转动一周。
膨胀锚头4便于安装拆卸，锚固效果好，使离层仪可以重复使用；测绳通过涡卷弹簧6缠绕在绕线盘8上，使测绳2在弹性力的作用下始终保持拉紧状态，当岩层发生形变时，由于涡卷弹簧6扭矩作用拉动测绳2缩回的同时继续保持拉紧状态，保证离层仪的测量精度；测绳2通过摩擦轮9缠绕后与膨胀锚头4相连，一方面保证测绳2始终处于竖直拉近状态，防止在测量过程中测绳2打滑，另一方面，由于绕线盘8上绕线的多少会影响其绕线盘直径的变化，如果将绕线盘作为直接传动部件会造成测量的准确度下降，因此利用摩擦盘9作为中间传动结构，无论绕线盘上测绳缠绕多少圈都不会影响摩擦盘的直径变化，故而不会影响测量的准确度；通过多组双层齿轮构成的传动变速齿轮组10来将测绳移动变化放大数倍，大大提高了测量精度；且测量范围不限于钻孔深度的测绳长度，还包括缠绕在绕线盘上的长度，因此大大提高了离层仪的量程；读数盘11为机械式读数盘，其竖直的变化取决于外侧连接的小齿轮11.1的转动角度，小齿轮11.1转动一圈，读数盘11的读数变化1mm，这种机械式读数盘故障率低，使用方便，无需电源或者其他动力设备，因此适用范围广。
进一步的，所述读数盘11的测量精度为0.1mm；量程为0-9999.9mm。
通过上述结构可以本离层仪的测量精度大大提高，可以精确反应围岩里层变化规律，更具参考价值；较以前的机械式离层仪，本装置量程扩大近二十倍，满足大多数工况使用。
作为膨胀锚头4的优选结构，所述膨胀锚头4包括外锚壳4.1和内膨胀体4.2，内膨胀体4.2与外锚壳4.1通过螺纹配合，外锚壳4.1的上端设开有倒锥形通孔4.1.1，且外锚壳4.1的外壁上均匀开设若干裂槽4.1.2；内膨胀体4.2的头部4.2.1为倒锥形结构，且倾斜面与上端面之间的夹角小于外锚壳4.1上倒锥形通孔4.1.1倾斜面与上端面之间的夹角；内膨胀体4.2上开设有安装孔4.2.2。
通过内膨胀体4.2与外锚壳4.1之间螺纹配合使内膨胀体4.2沿着外锚头4.1内壁上下移动，由于内膨胀体倾斜面与上端面之间的夹角小于外锚壳4.1上倒锥形通孔4.1.1倾斜面与上端面之间的角，因此在内膨胀体4.2相对于外锚壳4.1向下移动时，内膨胀体4.2的斜面挤压外锚壳4.1的倒锥形通孔4.1.1使外锚壳膨胀并固定在钻孔内壁上，这种结构锚固可靠，还可以自由拆卸。
所述膨胀锚头的结构不限于上文描述结构，只要是可以自由拆卸的结构均可以实现上述目的。
为了进一步提高摩擦轮的摩擦力，防止测绳移动过程中打滑，摩擦轮9的凹槽内衬为高摩擦力耐磨橡胶；绕线盘8伸出的测绳2在摩擦轮9的凹槽内绕绳一周。
由于井下光线较弱，因此，为了便于读数，所述读数盘11上的数字具有荧光显示功能。读数盘上的读数是通过小齿轮带动变化的，因此相较于普通的读数杆，不易磨损缺失，同时便于读数。
进一步的，所述测绳2为钢绞线，其长度不小于测试深度与线盘缠绕测绳长度之和。
进一步的，内膨胀体4.2上开设的安装孔4.2.2为方孔，其侧壁上开有l型安装槽4.2.3，且安装槽4.2.3与方孔4.2.2贯通。安装孔与安装槽均为了安装杆设置，通过方孔插入安装杆并利用l型安装槽固定安装杆，防止安装杆在旋转膨胀锚头过程中脱落。
一种可复用的大量程高精度离层仪的安装测量方法，其特征在于，包括以下步骤
第一步、根据围岩情况施工安装钻孔1；
第二步、从离层仪中拉出一段测绳2使线盘内涡卷弹簧6收紧，确保离层仪内剩余测绳长度不小于10m；
第三步、将安装杆12插入膨胀锚头内膨胀体4.2的方孔4.2.2中，通过安装杆12将离层仪膨胀锚头4推入钻孔1内至测试深度，再利用安装杆12顺时针旋转内膨胀体4.2，使外锚壳4.1沿着外壁上的裂槽4.1.2膨胀开，从而使膨胀锚头4固定在钻孔内壁上；
第四步、通过固定锚头5将离层仪装置外壳3固定在钻孔1孔口，读取读数盘11数值记录钻孔内部膨胀锚头安装深度，按动读数盘复位按钮11.2，使读数盘归零，离层仪安装完毕；
第五步、据一定观测频率对离层仪读数进行定期读取和记录；
第六步、离层仪使用完成后需要取出时，将离层仪主机从钻孔孔口拔下，然后将安装杆12推入钻孔并与膨胀锚头4接触卡牢后进行逆时针旋转使膨胀锚头4脱离钻壁，利用安装杆12取下膨胀锚头4；同时按动读数盘复位按钮11.2，使读数盘11归零，以备下次使用。
进一步的，所述安装杆12的头部为方形杆，方形杆的上部设有销钉12.1；
第三步中，将安装杆12安装在内膨胀体4.2中时，要使销钉12.1安装在内膨胀体4.2l形安装槽4.2.3的短边槽孔中。
现以具体实施例来阐述其安装测量方法。
传动变速齿轮组为三组双层齿轮，包括双层齿轮一10.1、双层齿轮二10.2和双层齿轮三10.3，三组双层齿轮为同型号齿轮，且大齿轮和小齿轮的传动比均为36：10，摩擦轮9上的齿轮与双层齿轮一中的小齿轮传动比为33:10，摩擦盘缠绕测绳圆轮直径为49.01mm；当围岩中测绳移动1mm时，则带动摩擦盘转动的角度为360°/(π×49.01mm)＝2.3382°/mm，那么，读数表齿轮转动角度为2.3382°×(33/10)×(36/10)×(36/10)×(36/10)＝360°，即读数盘小齿轮转动1圈，相应的读数盘读数为1.0mm。绕线盘缠绕测绳长度为11m，离层仪外部测绳长度为15m。
离层仪安装测量步骤如下：
(1)使用普通锚索钻机施工安装钻孔，钻孔深度为16m，钻头直径为25mm，膨胀锚头4最大直径为28mm。
(2)从离层仪中拉出1m测绳2使线盘内涡卷弹簧6一定程度收紧，确保离层仪内剩余测绳长度为10m；
(3)将安装杆12方形头插入膨胀锚头内膨胀体4.2中，并确保安装杆方形头上圆柱销钉12.1在l形安装槽4.2.3的短边中，通过安装杆12将测试装置的膨胀锚头4推入钻孔1内至16m深度，通过安装杆12顺时针旋转膨胀锚头4将锚头固定在钻孔壁上；
(4)通过钻孔孔口的固定锚头5将离层仪主机固定在钻孔孔口，读取读数盘11数值记录钻孔内部膨胀锚头安装深度，按动读数盘复位按钮11.2，使读数盘11归零，离层仪安装完毕；
(5)每天一次对离层仪读数进行读取和记录；
(6)离层仪使用完成后需要取出时，将离层仪主机从钻孔孔口拔下，然后将安装杆12推入钻孔并与膨胀锚头4接触卡牢后进行逆时针旋转解除膨胀锚头并取出，同时按动读数盘11归零按钮，使读数盘归零，以备下次使用。