一种围岩松弛深度自动监测装置

1.本发明属于深部围岩探测技术领域，特别涉及一种围岩松弛深度自动监测装置。


背景技术：

2.在地下工程开挖过程中，为了对围岩的稳定性进行分析，常常需要确定岩体开挖过程中围岩松弛深度的变化情况，为稳定性的分析提供数据基础。在实际工程条件下，围岩的松弛深度受到围岩性质、地应力、开挖方法等多重因素叠加影响，其形成、发展的机理和过程十分复杂，现有理论计算和数值模拟均难以进行准确地判断。因此，工程实践中往往需要借助多种现场监测手段来实现对围岩松弛深度的监测。其中，钻孔摄像技术和声波测试是围岩松弛深度监测中较为常用的两种监测方法，同时，又因为两者在监测过程中存在一定的相似性，比如两者在监测过程中通常共同使用同一钻孔，且监测设备存在一定的重复性。经过研究发现，当前钻孔成像技术以及声波探测方法的监测设备构成较多，且存在部分设备构成重复的状况，比如声波探测技术的设备主要包括声波探头，电缆线，探杆，声波采集仪几部分；钻孔摄像技术的设备主要有摄像探头，电缆线，探杆，三脚架，深度线，钻孔摄像采集仪构成，以及在使用钻孔成像技术以及声波探测方法对岩体进行监测的过程中，探头及电缆线在钻孔中的移动主要是连接探杆后通过人工将探头推进以及拉出。
3.也即，在通过钻孔对围岩内部的松弛深度进行检测技术来说，通过声波探测和摄像检测结合的方式予以解决，存在两者设备复杂、设备交叉、重复度高，以及探测过程自动化低的技术弊端。
4.可见，对于利用声波探测和钻孔检测技术进行钻孔内围岩松弛深度的探测技术，提高探测设备的集成度、以及探测自动化，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明提供的一种用于围岩松弛深度自动监测的装置，以至少解决上述技术问题；
6.为了解决上述问题，本发明的第一方面提供一种用于围岩松弛深度自动监测的装置，所述装置用于深入钻孔内进行探测，所述装置包括声波采集探头和摄像探头，所述系统包括：集成为一体结构的所述声波采集探头和所述摄像探头，所述声波采集探头包括声波发射探头和至少一对声波接收探头，所述摄像探头、所述声波发射探头和至少一对所述声波接收探头间隔设置；一对移动设备，一对所述移动设备对应设置在所述一体结构的两端，用于带动所述一体结构在所述钻孔内发生位移；孔口封堵设备，所述孔口封堵设备设置在所述一体结构远离所述钻孔深部的一端，用于当所述一体结构进入所述钻孔内后对所述钻孔的孔口进行临时封堵；控制组件，所述控制组件与所述声波采集探头和所述摄像探头电连接，并与外部移动终端设备通讯连接。
7.在第一方面中，所述一对移动设备均包括：第一壳体；设置在第一壳体内且沿所述第一壳体的轴向方向设置的驱动电机，所述驱动电机的驱动端设置有第一锥形齿轮；按照
所述第一壳体径向方向设置四个第二锥形齿轮，每一所述锥形齿轮均与所述第一锥形齿轮啮合，且每一第二锥形齿轮的均通过一传动组件连接一车轮；其中，当所述驱动电机驱动所述第一锥形齿轮顺时针或逆时针转动时，带动四个所述第二锥形齿轮发生同步转动以通过对应的所述传动组件将转动力传递至所述车轮以驱动所述车轮发生转动，使所述一体结构在所述钻孔内发生位移。
8.在第一方面中，所述传动组件包括：传动杆，所述传动杆的一端连接一带有外螺纹的伸缩螺纹杆，所述伸缩螺纹杆与一带有内螺纹的伸缩管适配连接，所述伸缩螺纹杆与所述伸缩管之间设置有伸缩控制器；所述伸缩管内设置有第一压力传感器，所述第一压力传感器与所述控制组件连接；所述传动杆的另一端设置有尾端齿轮；所述车轮上设置有圆盘齿轮，且所述圆盘齿轮与所述尾端齿轮啮合；其中，当所述驱动电机驱动所述第一锥形齿轮转动顺时针或逆时针转动时，驱动所述伸缩螺纹杆相对于所述伸缩管内发生位移，当所述控制组件通过所述第一压力传感器检测到压力值大于预设的压力阈值时，则控制所述伸缩控制器锁紧所述伸缩螺纹杆与所述伸缩管，使得所述传动杆转动以带动啮合的圆盘齿轮转动。
9.在第一方面中，所述装置还包括：一对第二压力传感器，一对所述第二压力传感器对应设置在一对移动设备的两端末尾。
10.在第一方面中，所述控制组件包括蓝牙组件和控制器，所述蓝牙组件与所述声波发射探头、至少一对声波接收探头、一对所述第二压力传感器、驱动电机以及外部移动终端设备通信连接。
11.在第一方面中，距离测量装置，所述距离测量装置与所述蓝牙组件通信连接。
12.在第一方面中，所述孔口封堵设备包括封堵组件；所述封堵组件包括：注水管，所述注水管伸入所述孔口的一端外部间隔套设一第一安装部和第二安装部；所述第一安装部上对立设置一对第一支撑杆；所述第一支撑杆的一端铰接设置在所述第一安装部上；所述第一支撑杆杆体长度方向上对立设置一对第二连接杆，一对所述第二支撑杆的一端对应设置在一对所述第一支撑杆的杆身上；所述第二支撑杆的另一端铰接设置在所述注水管上。其中，当所述注水管向所述钻孔伸出发生位移时，推动所述第一支撑杆向所述第二支撑杆发生位移，使得所述第二支撑杆的另一端推动所述第一支撑杆的另一端向所述钻孔的孔壁发生抵近。
13.在第一方面中，所述孔口封堵设备包括还包括探头回收动力组件，所述探头回收组件包括：套设在所述注水管外侧的第二壳体，所述第二壳体的体积大于所述钻孔的孔口的体积，并位于所述孔口处；所述第二壳体内设置有电动机，所述电动机的驱动端设置有第三锥形齿轮；卷线盘，所述卷线盘包括卷线部，所述卷线部通过一端部设置有第四锥形齿轮的卷线轴连接，所述第四锥形齿轮与所述第三锥形齿轮啮合，所述卷线部上设置有电缆线，所述电缆线的一端连接电源，所述电缆线的另一端连接所述驱动电机并供电。
14.在第一方面中，设置在所述电动机水平方向的一对导轨，一对导轨将所述电动机夹设在内；移动控制中心，所述移动控制中心用于控制所述电动机在所述导轨上的位移。
15.在第一方面中，所述注水管上还设置有水位传感器和注水控制水阀；所述水位传感器设置在所述注水管靠近所述钻孔的深处位置；所述注水控制水阀设置在注水管靠近钻孔的孔口位置处。
16.有益效果：本发明提出了一种用于围岩松弛深度自动监测装置，将声波采集探头、和摄像探头集合为一体结构，避免了现有技术中将这二者作为单独的探测组件进行探测或检测工作所造成的的设备复杂、设备交叉和重复度高的技术弊端，同时，利用设置在一体结构两端末尾的一对移动设备使一体结构当中的声波采集探头、和摄像探头在进行探测或检测工作时能够方便移动，最后，通过孔口封堵设备对钻孔的孔口进行临时封堵，以防止灰尘进入钻孔内；具体而言，通过将摄像探头、声波发射探头和至少一对声波接收探头集合为一个整体，解决了现有技术中利用单独的声波采集装置、和摄像装置进行工作时造成的设备交叉和重复度高的技术问题，以及解决了现有技术中是通过人工拉动声波采集装置、和摄像装置进出钻孔的自动化低问题和解决了钻孔内灰尘淤积的问题。
附图说明
17.为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例一中用于围岩松弛深度自动监测装置的结构图；
19.图2为本发明实施例一中移动设备的内部结构图；
20.图3为本发明实施例一中移动设备的正视图；
21.图4为本发明实施例一中移动设备的俯视图；
22.图5为本发明实施例一中一体结构的结构图；
23.图6为本发明实施例一中移动设备与一体结构安装结构示意图；
24.图7为本发明实施例一中孔口封堵设备正视图；
25.图8为本发明实施例一中孔口封堵设备的俯视图；
26.图9为本发明实施例一中封堵组件的结构图。
27.附图标记说明：
28.1、第一锥形齿轮；
29.2、伸缩螺纹杆；
30.3、伸缩控制器；
31.4、第一压力传感器；
32.5、伸缩管；
33.6、车轮固定器；
34.7、尾端齿轮；
35.8、圆盘齿轮；
36.9、驱动电机；
37.10、距离测量装置；
38.11、距离测量控制中心；
39.12、内螺纹连接孔；
40.13、第一电源；
41.14、第二压力传感器；
42.15、车轮；
43.16、声波发射探头；
44.17、监测数据存储中心；
45.18、第一声波接收探头；
46.19、摄像探头；
47.20、第二声波接收探头；
48.21、外螺纹连接头；
49.22、第三电源；
50.23、蓝牙；
51.24、注水管；
52.25、伸缩旋钮；
53.26、导轨；
54.27、电动机；
55.28、卷线盘；
56.29、电动机移动控制中心；
57.30、数据存储中心；
58.31、设备控制中心；
59.32、第二电源；
60.33、第三锥形齿轮；
61.34、注水口；
62.35、辅助固定螺栓；
63.36、伸缩螺纹；
64.37、注水控制水阀；
65.38、第一支撑杆；
66.39、水位传感器；
67.40、数据传输孔；
68.41、充电孔；
69.42、电缆线。
具体实施方式
70.下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
71.同时，本说明书实施例中，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本说明书实施例中所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的，并不是旨在限制本发明。
72.在通过本实施例一在对本技术进行说明之前，需要说明的是：在对围岩松弛深度的研究过程中，声波测试和钻孔摄像技术是使用较为广泛且测试结果较为准确的两种研究方法。声波测试方法是通过声波在不同媒介中的传播特性不同，当岩体的密度发生变化或出现节理、裂隙时，声波的速度和振幅均会有所响应，进而通过声波的波速变化判断岩体损伤区的发展情况，声波测试方法因具有快速、方便等特点而得到广泛的应用，使用声波测试技术，可以准确得出围岩的松弛深度以及其在时间效应条件下的变化。钻孔摄像技术是利用光学成像原理显示钻孔内部的细节特征，通过技术解译观测到的裂纹或不连续面分布情况，总结和评估围岩松弛深度的发育规律，具有清晰直观的特点，对于了解围岩内部裂纹或不连续面的发展变化情况具有重要意义。
73.当前，通过声波测试方法和钻孔摄像技术对围岩的松弛深度进行联合监测已经在实际工程中得到广泛应用。然而，通过现场实测发现当前监测设备依旧存在可以改进的地方，通过对监测设备的现场使用，发现当前监测设备主要存在以下几方面的问题可以进行改进：
74.1)当前钻孔成像技术以及声波探测方法的监测设备构成较多，且存在部分设备构成重复的状况，比如声波探测技术的设备主要包括声波探头，电缆线，探杆，声波采集仪几部分；钻孔摄像技术的设备主要有摄像探头，电缆线，探杆，三脚架，深度线，钻孔摄像采集仪构成。因此，针对两者在监测设备上存在多个设备重复的现实情况，如何在保证监测结果的前提下对监测设备进行精减改进是亟待解决的关键问题。
75.2)钻孔成像技术以及声波探测方法在监测过程中自动化程度较低，在使用钻孔成像技术以及声波探测方法对岩体进行监测的过程中，探头及电缆线在钻孔中的移动主要是连接探杆后通过人工将探头推进以及拉出。这样的监测方法不仅消耗人力，工作量大，同时，使用这种通常监测结果也不尽如人意。比如，钻孔摄像过程中为保证结果图像的清晰度，要求探头在钻孔中的移动是缓慢匀速的；声波测试过程中也要求每次探头移动的距离保持在20cm，否则可能得不到足够准确的钻孔深度。这些问题在人工操作的过程中受操作者的主观因素影响较大，难以得到精准地控制。因此，为了获得更为精准的监测结果，如何提高监测设备的自动化程度是解决这一问题的关键。
76.3)在实际监测过程中，施工现场中通常会出现粉尘在钻孔孔壁中沉积的现象，导致监测钻孔存在灰尘淤积的问题，对监测结果造成影响。因此，如何避免施工过程中粉尘进入钻孔内部是能否对围岩的松弛深度进行正常监测的关键问题。同时，在对围岩松弛深度进行持续监测过程中，为了获得围岩松弛深度的演化过程，对岩体损伤开展持续研究，通常需要对一个钻孔进行多次持续的监测，这种监测方法往往耗时耗力。因此，如何实现在一定时间间隔内对一个钻孔开展循环监测是开展围岩损伤演化研究的关键问题。下面将通过本实施例一的实施方式来具体解决上述背景中总结的技术问题：
77.实施例一：
78.如图1-9所示，本实施例一提供了一种用于围岩松弛深度自动监测装置，该装置用于深入钻孔内进行探测，装置包括声波采集探头和摄像探头19，系统包括：集成为一体结构的声波采集探头和摄像探头19、一对移动设备、孔口封堵设备和控制组件；
79.该声波采集探头包括声波发射探头16和至少一对声波接收探头，摄像探头19、声波发射探头16和至少一对声波接收探头间隔设置；一对移动设备对应设置在一体结构的两
端，用于带动一体结构在钻孔内发生位移；孔口封堵设备设置在一体结构远离钻孔深部的一端，用于当一体结构进入钻孔内后对钻孔的孔口进行临时封堵；控制组件与声波采集探头和摄像探头19电连接，并与外部移动终端设备通讯连接。
80.具体而言，本发明提出了一种用于围岩松弛深度自动监测装置，将声波采集探头、和摄像探头19集合为一体结构，避免了现有技术中将这二者作为单独的探测组件进行探测或检测工作所造成的的设备复杂、设备交叉和重复度高的技术弊端，同时，利用设置在一体结构两端末尾的一对移动设备使一体结构当中的声波采集探头、和摄像探头19在进行探测或检测工作时能够方便移动，最后，通过孔口封堵设备对钻孔的孔口进行临时封堵，以防止灰尘进入钻孔内；具体而言，通过将摄像探头19、声波发射探头16和至少一对声波接收探头集合为一个整体，解决了现有技术中利用单独的声波采集装置、和摄像装置进行工作时造成的设备交叉和重复度高的技术问题，以及解决了现有技术中通过人工拉动声波采集装置、和摄像装置进出钻孔自动化程度低和钻孔内灰尘淤积的问题。
81.需要说明的是，一体结构内还设置有内置电源，通过内置电源对上述各用电装置进行供电。一体结构与移动设备之间通过外螺纹连接头21和内螺纹连接孔12配合连接；其中，一对声波接受探头包括第一声波接收探头18和第二声波接收探头20，二者间隔设置；
82.在一些可能的实施方式中，一对移动设备均包括：第一壳体；设置在第一壳体内且沿第一壳体的轴向方向设置的驱动电机9，驱动电机9的驱动端设置有第一锥形齿轮1；按照第一壳体径向方向设置四个第二锥形齿轮，每一锥形齿轮均与第一锥形齿轮1啮合，且每一第二锥形齿轮的均通过一传动组件连接一车轮15；其中，当驱动电机9驱动第一锥形齿轮1顺时针或逆时针转动时，带动四个第二锥形齿轮发生同步转动以通过对应的传动组件将转动力传递至车轮15以驱动车轮15发生转动，使一体结构在钻孔内发生位移；
83.这是因为，在对钻孔进行探测时，要求探头在钻孔中缓慢匀速移动，所以，通过驱动电机9进行驱动的方式就均衡地通过第一锥形齿轮1驱动四个与第一锥形齿轮1啮合的第二锥形齿轮，进而使第二锥形齿轮驱动车轮15在钻孔内缓慢匀速移动。解决了现有技术中通过人工作业时无法精确控制探头的位移频率而造成的探测或检测不准确弊端。
84.进一步地，在一些可能的实施方式中，传动组件包括传动杆，传动杆的一端连接一带有外螺纹的伸缩螺纹36杆2，伸缩螺纹36杆2与一带有内螺纹的伸缩管5适配连接，伸缩螺纹36杆2与伸缩管5之间设置有伸缩控制器3；伸缩管5内设置有第一压力传感器4，第一压力传感器4与控制组件连接；传动杆的另一端设置有尾端齿轮7；车轮15通过车轮固定器6设置在传动杆上，且车轮15上设置有圆盘齿轮8，以及圆盘齿轮8与尾端齿轮7啮合。
85.这样就使得，当驱动电机9驱动第一锥形齿轮1转动顺时针或逆时针转动时，驱动伸缩螺纹36杆2相对于伸缩管5内发生位移，当控制组件通过第一压力传感器4检测到压力值大于预设的压力阈值时，则控制伸缩控制器3锁紧伸缩螺纹36杆2与伸缩管5，使得传动杆转动以带动啮合的圆盘齿轮8转动。
86.在一些可能的实施方式中，装置还包括：一对第二压力传感器14，一对第二压力传感器14对应设置在一对移动设备的两端末尾；
87.这样是为了实现一体结构在钻孔内的“自动化”位移的技术目的，具体而言，一对设置在移动设备两端末尾的第二压力传感器14会实时检测压力，也即当行走设备行走至孔洞末端时，就会产生超过预设压力阈值的压力信号，进而判断一体结构的位置；
88.进一步地，在一些可能的实施方式中，控制组件包括蓝牙23组件和控制器，蓝牙23组件与声波发射探头16、至少一对声波接收探头、一对第二压力传感器14、驱动电机9以及外部移动终端设备通信连接；
89.当蓝牙23组件用于接收声波发射探头16至少一对声波接收探头、一对第二压力传感器14的电子信号，并将该电子信号发送至控制器，控制器再依据预先设置的控制逻辑发送控制指令，例如，当控制器接收到第二压力传感器14发送的超过预设压力阈值压力信号后，就会判断一体结构的一端已经抵达钻孔的内部尽头，就会控制驱动电机9发生远离钻孔深度方向的转动，进而使移动设备带动一体结构向孔洞外发生位移。
90.在一些可能的实施方式中，装置还包括：距离测量装置10；距离测量装置10与蓝牙23组件通信连接；还包括距离测量控制中心11，用于接收、处理距离信号；
91.这样就能通过该距离测量装置10测量一体结构的所发生的位移，例如：每隔20cm停止固定时间后再次移动，以预留充分的时间对钻孔内部进行探测和检测。
92.在一些可能的实施方式中，封堵组件包括：注水管24，注水管24伸入孔口的一端外部间隔套设一第一安装部和第二安装部，第一安装部上对立设置一对第一支撑杆38，第一支撑杆38的一端铰接设置在第一安装部上，第一支撑杆38杆体长度方向上对立设置一对第二连接杆，一对第二支撑杆的一端对应设置在一对第一支撑杆38的杆身上，第二支撑杆的另一端铰接设置在注水管24上；
93.这样就使得，当注水管24向钻孔伸出发生位移时，推动第一支撑杆38向第二支撑杆发生位移，使得第二支撑杆的另一端推动第一支撑杆38的另一端向钻孔的孔壁发生抵近。其中，在注水管24远离钻孔深处的一端设置有伸缩旋钮25，并注水管24螺纹连接；注水管24的注水口34用于注清水；
94.在一些可能的实施方式中，孔口封堵设备包括还包括探头回收动力组件，探头回收组件包括：套设在注水管24外侧的第二壳体，第二壳体的体积大于钻孔的孔口的体积，并位于孔口处；第二壳体内设置有电动机27，电动机27的驱动端设置有第三锥形齿轮33；卷线盘28，卷线盘28包括卷线部，卷线部通过一端部设置有第四锥形齿轮的卷线轴连接，第四锥形齿轮与第三锥形齿轮33啮合，卷线部上设置有电缆线42，电缆线42的一端连接电源，电缆线42的另一端连接驱动电机9并供电，通过电缆线42与一体结构进行连接，为一体结构的声波采集探头和摄像探头19提供能源以及进行数据传输。探头动力回收组件还包括电动机移动控制中心29、数据存储中心30、设备控制中心和第二电源32；第二壳体的侧壁还设置有连接孔，连接孔内设置有伸缩螺纹36，并通过辅助固定螺栓35配合伸缩螺纹36将第二壳体临时固定在钻孔孔口的外壁上；在第二壳体上还设置有充电孔41和数据传输孔40，以便于充电和数据传输。
95.进一步地，在一些可能的实施方式中，设置在电动机27水平方向的一对导轨26，一对导轨26将电动机27夹设在内；移动控制中心，移动控制中心用于控制电动机27在导轨26上的位移；
96.具体而言，电缆线42缠在线卷部上，线卷部与电动机27通过第三锥形齿轮33和第四锥形齿轮进行连接，电动机27在移动控制中心的控制下在导轨26上移动，实现第三锥形齿轮33与第四锥形齿轮的的啮合与断开，为一体结构的回收提供动力。
97.在一些可能的实施方式中，注水管24上还设置有水位传感器39和注水控制水阀
37；水位传感器39设置在注水管24靠近钻孔的深处位置；注水控制水阀37设置在注水管24靠近钻孔的孔口位置处；
98.这是由于，在通过注水管24进行注水时，通过水位传感器39检测水位，当水位达到目标水位时，则通过注水控制阀控制注水管24停止注水。
99.在另一种实施方式中，一体结构、一对移动设备和孔口封堵设备内均设置有供各自用电设备用电的供电设备，所述供电设备包括：第一电源13、第二电源32和第三电源22；
100.由于该实施例二与实施例一为同一发明构思下的一个实施例，其部分结构完全相同，因此对实施例二中与实施例一实质相同的结构不在详细阐述，未详述部分请参阅实施例一即可。
101.最后应说明的是：以上上述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
102.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。