一种极软岩隧洞围岩变形测量装置的制作方法

本实用新型涉及隧洞工程技术领域，具体是一种极软岩隧洞围岩变形测量装置。

背景技术：

随着我国水利水电工程的发展，为解决水资源分布不均衡问题，大型跨流域调引水工程如引汉济渭工程、新疆abh输水隧洞工程等陆续建设，在极软弱岩体中修建输水工程也是近些年遇到的特殊问题。根据我国国家标准《水利水电工程地质勘察规范》，岩石单轴饱和抗压强度小于5mpa的为极软岩，代表性岩体为砂岩和泥岩，如引大入秦盘道岭隧洞，围岩为单轴抗压强度仅0.2mpa～0.8mpa的砂岩，给工程设计和施工带来极大困难。

极软岩隧洞围岩物理力学性质差，在极软岩地层中修建的地下工程易发生不同程度的塌方事故，造成人员伤亡和设备损失等。安全监测工作是保证安全施工的关键性措施，对极软岩隧洞的设计和施工具有重要意义。传统的极软岩隧洞围岩变形测量时，测量设备埋设在隧洞围岩表面或者隧洞衬砌结构中，测量隧洞表面岩体向隧洞内部空间的变形，测量结果无法反应隧洞不同深度围岩的变形。

极软岩隧洞由于围岩性质差，在围岩中监测设备安装时存在以下两方面的困难：一是施工测孔时，孔壁易塌陷卡钻，导致测孔难以施工到设计深度；二是测孔施工后，孔壁围岩迅速发生变形、封堵测孔，导致测孔中无法安装监测设备和回填注浆。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种极软岩隧洞围岩变形测量装置，测孔施工时先采用护管支撑孔壁以防塌孔，在护管内安装测量设备并注浆，封堵孔口并取出护管后即可进行围岩变形测量，可避免钻进过程中出现因孔壁围岩塌陷导致钻杆被卡的现象。

一种极软岩隧洞围岩变形测量装置，包括护管、多点位移计、内密封圈、外密封圈和孔外辅助装置，所述护管用于在测孔施工过程中支撑测孔的孔壁，所述多点位移计安装于护管内部，所述多点位移计的传感器基座位于隧洞围岩与隧洞结构的交界面处，内密封圈和外密封圈用于在护管内注浆后分别封堵护管和测孔内充填的浆液，所述护管采用多个小分段可拆卸串接，所述孔外辅助装置用于在保证测孔内充填浆液的同时取出护管。

进一步的，所述孔外辅助装置包括基座、液压千斤顶、传力垫板、门式框架，所述液压千斤顶和门式框架安装并固定于基座，门式框架上设有传力垫板，液压千斤顶位于传力垫板与基座之间，护管的末端可依次从基座、传力垫板中穿过并与传力垫板固定。

进一步的，传力垫板上部设有紧固螺帽，用于与护管的外螺纹连接，从而实现护管与传力垫板固定。

进一步的，所述孔外辅助装置还包括止动杆，所述止动杆包括上部的圆盘、与圆盘连接的位于下部的圆杆，圆盘与多点位移计的传感器基座接触，圆杆另一端可从门式框架上的框梁穿出并使用止动销限位。

进一步的，圆杆下部与门式框架的框梁之间的位置设有圆形孔，圆形孔中对应设有止动销，止动销用于限位圆杆，防止多点位移计随护管一同从测孔中拔出。

进一步的，多点位移计上设有进浆管和排气管，进浆管的一端位于孔外、另一端位于测孔孔口，排气管的一端位于孔外、另一端位于测孔孔底。

进一步的，所述传力垫板横截面设计为长方形，传力垫板中心为圆形孔，作为护管的通道，两侧设有两个方形孔，作为门式框架两侧框柱的通道；框梁上设有圆形孔，作为止动杆的圆杆的通道。

本实用新型具有如下有益效果：

(1)本实用新型在极软岩隧洞围岩中施工测孔时，采用钻进与安设护管交替进行的方式，钻进过程中不会出现因孔壁围岩塌陷导致钻杆被卡的现象，测孔施工完成后，孔壁围岩也能保持长时间的稳定性，多点位移计测点可安装在围岩不同深度，相比传统仅测量隧洞围岩表面变形的方式，其测量结果能反映隧洞不同深度围岩的变形，具有更强的可靠性和安全性；

(2)本实用新型孔外辅助装置采用液压千斤顶出力，以门式框架的框柱为轨道，推动传力垫板朝孔外滑动，不需冲击振动就能稳定地取出测孔中的护管，可有效地避免损坏或者松动测孔孔口的封堵装置，孔口密封性好、不漏浆，有效提高了测量装置的有效性和准确性；

(3)本实用新型孔外辅助装置采用可滑动式的止动杆，止动杆一端抵住护管内多点位移计的传感器基座、另一端穿过门式框架框梁中部，在护管取出时采用止动销固定止动杆，防止孔内多点位移计随护管一起拔出，护管拔出后松开止动销，从门式框架框梁中部拉出止动杆后即可拧下护管，本实用新型结构简单、合理，具有较强的实用性；

(4)本实用新型孔内多点位移计采用高精度振弦式传感器，且能自动化观测，测量结果连续性强、精确度高，及时对极软岩隧洞围岩大变形做出预警，避免塌方事故带来的人员伤亡和设备损失等，有利于节约工程造价并节省工期。

附图说明

图1为本实用新型极软岩隧洞围岩变形测量装置的横截面示意图；

图2为本实用新型孔外辅助装置的立体结构示意图；

图3为本实用新型孔外辅助装置中基座的仰视图；

图4为图2中a-a向截面视图；

图5为本实用新型孔外辅助装置中传力垫板的仰视图；

图6为本实用新型孔外辅助装置中门式框架的横截面示意图；

图7为本实用新型孔外辅助装置中止动杆的横截面示意图；

图8为本实用新型中外密封圈的仰视图。

图中附图标记分述如下：

1—护管，2—多点位移计，2a—进浆管，2b—排气管，3—内密封圈，4—外密封圈，4a—上环，4b—下环，5—基座，5a—圆形凹孔，5b—方形凹孔，5c—圆形孔，5d—止动螺栓，5e—止动螺栓，6—液压千斤顶，7—传力垫板，7a—圆形孔，7b—方形孔，8—门式框架，8a—框柱，8b—圆形孔，9—止动杆，9a—圆盘，9b—圆杆，9c—圆形孔，9d—止动销，10—隧洞围岩，11—隧洞结构。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图1，本实用新型极软岩隧洞围岩变形测量装置其中一个实施例包括护管1、多点位移计2、内密封圈3、外密封圈4和孔外辅助装置。护管1用于在测孔施工过程中支撑测孔的孔壁且作为多点位移计2安装的容器；内密封圈3和外密封圈4分别封堵护管1和测孔内充填的浆液；孔外辅助装置用于在保证测孔内充填浆液的同时取出护管1。

具体在施工时，首先采用测孔钻进与护管1安装交替进行的方式，施工测孔到设计深度，其次在护管1内安装多点位移计2并注浆，再次采用内密封圈3和外密封圈4分别封堵护管1和测孔内充填的浆液，最后采用孔外辅助装置在保证测孔内充填浆液的同时取出护管1即完成安装，测点可安装在围岩不同深度，测量结果能反映隧洞不同深度围岩变形，具有更强的准确性、有效性和可靠性。

所述护管1可采用相同长度的小分段上下螺纹连接，每个分段上端头为内螺纹、下端头为外螺纹，所述护管1采用合金钢材质制成，测孔施工时支撑孔壁围岩防止塌陷，同时是安装多点位移计2的容器。

所述多点位移计2安装在护管1内，传感器基座位于隧洞围岩10与隧洞结构11的交界面处，传感器基座内设有振弦式传感器，测点位于护管1内不同深度处。多点位移计2上设有进浆管2a和排气管2b。进浆管2a的一端位于孔外、另一端位于测孔孔口，排气管2b的一端位于孔外、另一端位于测孔孔底。

所述内密封圈3用于密封护管1与多点位移计2之间的间隙，防止护管1内充填的浆液漏出。所述内密封圈3设计为环形，采用橡胶材质制成，左右两侧对称分布有两个圆形的小孔，作为进浆管2a和排气管2b进入护管1的通道。

如图8所示，所述外密封圈4设计为环形，采用橡胶材质制成，分为上下两个环形结构(即上环4a和下环4b)，上环4a和下环4b的内圈直径相同，下环4b的外圈直径较大，上环4a用于密封护管1与隧洞围岩10之间的间隙，下环4b用于密封护管1与孔外辅助装置的基座5之间的间隙，防止测孔内充填的浆液漏出。

请一并参阅图2-4，所述孔外辅助装置包括基座5、液压千斤顶6、传力垫板7、门式框架8和止动杆9。所述基座5的轴截面设计为凹形，凹形结构左侧壁和右侧壁的四个顶角处设有四个圆形凹孔5a和四个止动螺栓5d，用于安装并固定液压千斤顶6，凹形结构左侧壁和右侧壁的中部设有两个方形凹孔5b和两个止动螺栓5e，用于安装并固定门式框架8，固定门式框架8上设有传力垫板7，护管1的末端从传力垫板7中穿过并与传力垫板7固定，液压千斤顶6位于传力垫板7与基座5之间；基座5的中心设有圆形孔5c，作为护管1的通道。

所述液压千斤顶6安装在基座5的圆形凹孔5a内，油缸加油后，液压千斤顶6的顶部托座推动传力垫板7移动，由于护管1从传力垫板7中穿过并与传力垫板7固定，传力垫板7以门式框架8两侧框柱8a为轨道从测孔中拉出护管1。

如图5所示，所述传力垫板7横截面设计为长方形，传力垫板7中心为圆形孔7a，作为护管1的通道，两侧设有两个方形孔7b，作为门式框架8两侧框柱8a的通道，传力垫板7上部设有紧固螺帽，与护管1的外螺纹连接。

如图6所示，所述门式框架8两侧的框柱8a为传力垫板7上下移动的轨道，框梁上设有圆形孔8b，作为止动杆9的圆杆9b的通道。

如图7所示，所述止动杆9包括上部的圆盘9a、与圆盘9a连接的位于下部的圆杆9b，圆杆9b用于支撑圆盘9a，圆杆9b另一端从门式框架8中框梁的圆形孔8b穿出(如图6所示)。圆杆9b下部与门式框架8的框梁之间的位置设有三个圆形孔9c，圆形孔9c中对应设有止动销9d，止动销9d用于固定圆杆9b，防止圆杆9b从门式框架8的框梁中脱出。止动销9d穿过圆杆9a上的圆形孔9c，两端紧挨门式框架8的框梁。圆盘9a抵住多点位移计2的传感器基座和内密封圈3，同时由于圆杆9b被止动销9d限位，可防止多点位移计2随护管1一同从测孔中拔出。

利用本实用新型进行极软岩隧洞围岩变形测量方法，包括以下步骤：

步骤一、测孔施工及护管安装：使用地质钻机或者潜孔钻孔，在待测量点采用测孔钻进与护管1安装交替进行的方式，施工测孔到设计深度；具体步骤如下：

开孔时先钻进0.5m，然后移出钻杆及钻头，往测孔内放入最上段护管1；

伸入钻杆及钻头继续钻进，待钻进深度达到一根分段护管1的长度后停止钻进，移出钻杆及钻头；

将下一段分段护管1的上端头内螺纹拧入最上段护管1的外螺纹上，在护管1外端口垫上垫板，然后使用钻杆将护管1压入测孔中；

伸入钻杆及钻头继续钻进，依次往复，直到测孔达到设计深度；

此时测孔内壁围岩由护管1进行支撑且不会塌孔，采用高压水泵冲洗护管1内壁，冲洗干净后采用压缩空气机吹出测孔中积水。

步骤二、孔内测量装置安装：在隧洞内部平整的场地上组装多点位移计2，然后放入护管1中，多点位移计2的传感器基座位于孔口，测点位于护管1内不同深度，多点位移计2的进浆管2a的一端位于孔外、另一端位于孔口，排气管2b一端位于孔外、另一端位于孔底。

步骤三、孔口封堵装置安装：进浆管2a和排气管2b分别穿过内密封圈3中的两个圆孔，然后将内密封圈3塞入护管1和多点位移计2之间的空隙，将外密封圈4从护管1外端口套入，移动到测孔孔口。

步骤四、孔外辅助装置安装：

首先组装孔外辅助装置，组装流程如下：

基座5的四个圆形凹孔5a中分别放入四个液压千斤顶6，并采用止动螺栓5d固定液压千斤顶6；

止动杆9的圆杆9a上带圆形孔9c的端头插入门式框架8的圆形孔8b中，直到圆盘9a与门式框架8的框梁接触；

传力垫板7的两个方形孔7b穿过门式框架8的两个框柱8a，直到传力垫板7上的紧固螺帽与止动杆9的圆盘9a接触；

门式框架8的两个框柱8a插入到基座5的两个方形凹孔5b中，并采用止动螺栓5e固定门式框架8；

其次安装孔外辅助装置：基座5中的圆形孔5c从护管1外端口套入，移动基座5直到外密封圈4充填护管1与基座5圆形孔5c之间的空隙；

步骤五、护管内注浆：从多点位移计2进浆管2a注入水泥浆液、排气管2b排出孔内气体，持续注浆直到排气管2b排出水泥浆液，此时护管1内充满水泥浆液，封堵进浆管2a和排气管2b。

步骤六、护管取出及封孔：

步骤601、连接最外侧分段护管1：

以门式框架8的两个框柱8a为轨道，滑动传力垫板7，直到最外侧护管1穿过传力垫板7的圆形孔7a，将紧固螺帽套在最外侧护管1的外螺纹上；

推动止动杆9的圆杆9b，直到圆盘9a与多点位移计2的传感器基座接触，将止动销9d插入圆形孔9c中固定止动杆9；

步骤602、取出最外侧分段护管1：

给千斤顶加油，推动传力垫板7往测孔外移动并拉出测孔中的护管1，待最外侧分段护管1移出测孔后停止加油，取出止动杆9圆形孔9c中的止动销9d，往测孔外移动止动杆9直到圆盘9a移出护管1，依次拧下紧固螺帽和最外侧分段护管1；

步骤603、多次重复步骤步骤601、步骤602，直到取出所有的护管1，立即封闭测孔，将监测电缆牵引到附近的观测站即可实现自动化观测。

所述孔外辅助装置组装完成后，可采用钢管脚手架进行固定，也可以固定在凿岩台车上以便具有更强的流动性和操作性。

本实用新型在极软岩隧洞围岩中施工测孔时，采用钻进与安设护管交替进行的方式，钻进过程中不会出现因孔壁围岩塌陷导致钻杆被卡的现象，测孔施工完成后，孔壁围岩也能保持长时间的稳定性，多点位移计测点可安装在围岩不同深度，相比传统仅测量隧洞围岩表面变形的方式，其测量结果能反映隧洞不同深度围岩的变形，具有更强的可靠性和安全性；另外，孔外辅助装置采用液压千斤顶出力，以门式框架的框柱为轨道，推动传力垫板朝孔外滑动，不需冲击振动就能稳定地取出测孔中的护管，可有效地避免损坏或者松动测孔孔口的封堵装置，孔口密封性好、不漏浆，有效提高了测量装置的有效性和准确性。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。