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专利名称：一种地下洞室围岩变形监测装置

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202411005687.8

专利申请（专利权）人：长电(张掖)能源发展有限公司,中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,长电新能有限责任公司
权利人地址：甘肃省张掖市甘州区临泽北路中广大厦1号综合楼13层1301室

专利发明（设计）人：发明人:刘斌,丁万钦,孙阳,周耘辛,闫坤,刘源,庞波,李梦,许墨陶

专利摘要：本发明涉围岩监技术领域，具体是涉及一种地下洞室围岩变形监测装置，以解决现有的围岩变形监测机构无法同时测量位移和应力变化以及变形量的问题，本发明则在监测装置上集成了应力测量机构和位移测量机构，并与装置的限位机构相结合，将装置置入到地下洞室周边，推动中心杆即同步就位应力测量机构、限位机构以及位移测量机构，通过应力测量机构能够分析洞壁的应力变形情况及变化方位，有效的应对变形做出相应的改善。

主权利要求：
1.一种地下洞室围岩变形监测装置，其特征在于，它包括：中心杆，其杆身上设置有推块和封堵块；
外筒A，套在中心杆外侧，且与中心杆同轴分布；
外筒B，套在中心杆外侧，且与外筒A的近端面连接；
应力测量机构，设置在外筒A上，且通过中心杆推动应力测量机构与围岩的岩壁接触；
位移测量机构，设置在中心杆的前端，且贯穿出外筒B；
限位机构，设置在外筒B上，通过中心杆推动限位机构展开与围岩的岩壁连接，将整个监测装置限位在围岩内；
应力测量机构包括：
移动环A，套设在外筒A外壁上，且在移动环A的环面上设置有多个贯穿其厚度的穿孔；
移动环B，套设在外筒A外壁上，且通过连杆与移动环A连接，并在移动环B的环面上设置有多个限位耳，在限位耳与穿孔之间设置有应力测试杆；
固定环，套设在外筒A外壁上，且通过连杆组件与应力测试杆活动连接；
活动筒，套设在中心杆上且位于推块的前端，并通过固定板与移动环A连接，外筒A上设置有贯穿其壁厚的移动孔，固定板位于移动孔内；
限位耳表面设置有滑动槽，且在滑动槽的对称侧壁上设置有导向槽，应力测试杆一端位于滑动槽内，并通过销钉与连杆组件铰接，销钉位于导向槽内，应力测试杆的另一端位于穿孔，并在端部设置有位移传感器A；
应力测试杆的杆身上设置有复位弹簧A，并在复位弹簧A上设置有压力传感器A；
连杆组件包括：
连杆A，其一端通过销钉与应力测试杆铰接；
水平杆，其一端与连杆A的另一端铰接；
连杆B，其一端与水平杆的另一端铰接，其另一端与固定环铰接。
2.根据权利要求1所述的一种地下洞室围岩变形监测装置，其特征是：采用应力测量机构测量洞室围岩应力变化的具体操作如下：推动中心杆，推块挤压活动筒前移，则与活动筒通过固定板连接的移动环A前移，移动环B同步移动，挤压连杆A前移且旋转，则水平杆向中心杆外侧移动，直至水平杆接触围岩的岩壁上，记录此时位移传感器A和压力传感器A的数据，作为初始数据；当围岩变形，会挤压水平杆，则连杆A旋转后移，推动应力测试杆在穿孔内移动，记录应力测试杆移动后位移传感器A和压力传感器A的数据；该数据与初始数据的差值即反应应力变化情况。
3.根据权利要求1所述的一种地下洞室围岩变形监测装置，其特征是：位移测量机构包括：位移测量杆，其后端位于中心杆前端的凹槽内，其前端贯穿出外筒B的外侧，并在其端部设置有位移传感器B；
复位弹簧B，套设在位移测量杆外侧，且其后端与中心杆的端面连接，并在复位弹簧B上设置有压力传感器B。
4.根据权利要求1所述的一种地下洞室围岩变形监测装置，其特征是：限位机构包括：T型筒，位于外筒B内侧且套设在中心杆上，T型筒随着中心杆前后移动发生旋转；
T型支撑杆，其一端位于T型筒的环面上的弧形槽内，且杆身位于外筒B的端面上的限位槽内，T型支撑杆的另一端从外筒B上的预留孔贯穿至外筒B外侧。
5.根据权利要求4所述的一种地下洞室围岩变形监测装置，其特征是：T型筒的内筒壁上设置有螺纹型槽，中心杆的外壁上设置有导向块，导向块位于螺纹型槽内。
6.根据权利要求5所述的一种地下洞室围岩变形监测装置，其特征是：中心杆上还套设有压缩弹簧，压缩弹簧位于封堵块与T型筒之间，封堵块设置位于中心杆与外筒A之间。 说明书 : 一种地下洞室围岩变形监测装置技术领域[0001] 本发明属于变形监测技术领域，涉及一种地下洞室围岩变形监测装置。背景技术[0002] 围岩稳定性分析是蓄能电站设计和施工中的重要环节。围岩稳定性受到多种因素的影响。如地层岩性、地质构造、水文条件、地应力状态等。通过对围岩稳定性的分析，可以判断出围岩变形的可能性和程度。为蓄能电站的设计和施工提供依据。[0003] 蓄能电站围岩变形监测装置旨在监测围岩的变形情况，包括位移和应变的测量。通过对围岩变形的实时监测,可以及时发现和解决潜在的安全隐患。保障蓄能电站的安全运行。1.监测项目:主要包括围岩位移监测、围岩应变监测和围岩内部应力监测。2.监测内容:监测围岩的变形情况，包括水平位移、垂直位移、剪切位移、应变、内部应力等。[0004] 现有的围岩变形监测主要通过土压力盒、钢筋计、多点位移计对围岩浅表层和衬砌结构开展监测，不能同时测出位移和应力，使用不便，现发明一种将位移和应力集于一体的一种地下洞室围岩变形监测装置，并且能根据设备测出三维的变形趋势。发明内容[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种地下洞室围岩变形监测装置，以解决现有的围岩变形监测机构无法同时测量位移和应力变化以及变形量的问题，本发明则在监测装置上集成了应力测量机构和位移测量机构，并与装置的限位机构相结合，将装置置入到地下洞室周边，推动中心杆即同步就位应力测量机构、限位机构以及位移测量机构，通过应力测量机构能够分析洞壁的应力变形情况及变化方位，有效的应对变形做出相应的改善。[0006] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种地下洞室围岩变形监测装置，它包括：[0007] 中心杆，其杆身上设置有推块和封堵块；[0008] 外筒A，套在中心杆外侧，且与中心杆同轴分布；[0009] 外筒B，套在中心杆外侧，且与外筒A的近端面连接；[0010] 应力测量机构，设置在外筒A上，且通过中心杆推动应力测量机构与围岩的岩壁接触；[0011] 位移测量机构，设置在中心杆的前端，且贯穿出外筒B；[0012] 限位机构，设置在外筒B上，通过中心杆推动限位机构展开与围岩的岩壁连接，将整个监测装置限位在围岩内。[0013] 对上述技术方案中的应力测量机构的进一步优化，其机构包括：[0014] 移动环A，套设在外筒A外壁上，且在移动环A的环面上设置有多个贯穿其厚度的穿孔；[0015] 移动环B，套设在外筒A外壁上，且通过连杆与移动环A连接，并在移动环的环面上设置有多个限位耳，在限位耳与穿孔之间设置有应力测试杆；[0016] 固定环，套设在外筒A外壁上，且通过连杆组件与应力测试杆活动连接；[0017] 活动筒，套设在中心杆上且位于推块的前端，并通过固定板与移动环A连接，外筒A上设置有贯穿其壁厚的移动孔，固定板位于移动孔内。[0018] 更进一步地，限位耳表面设置有滑动槽，且在滑动槽的对称侧壁上设置有导向槽，应力测试杆一端位于滑动槽内，并通过销钉与连杆组件铰接，销钉位于导向槽内，应力测试杆的另一端位于穿孔，并在端部设置有位移传感器A。[0019] 更进一步地，应力测试杆的杆身上设置有复位弹簧A，并在复位弹簧A上设置有压力传感器A；[0020] 对上述技术方案中连杆组件的进一步的优化，连杆组件包括：[0021] 连杆A，其一端通过销钉与应力测试杆铰接；[0022] 水平杆，其一端与连杆A的另一端铰接；[0023] 连杆B，其一端与水平杆的另一端铰接，其另一端与固定环铰接。[0024] 利用应力测量机构测量洞室围岩应力变化的具体操作如下：[0025] 推动中心杆，推块挤压活动筒前移，则与活动筒通过固定板连接的移动环A前移，移动环B同步移动，挤压连杆A前移且旋转，则水平杆向中心杆外侧移动，直至水平杆接触围岩的岩壁上，记录此时位移传感器和压力传感器的数据，作为初始数据；当围岩变形，会挤压水平杆，则连杆A旋转后移，推动应力测试杆在穿孔内移动，记录应力测试杆移动后位移传感器和压力传感器的数据；该数据与初始数据的差值即反应应力变化情况。[0026] 对上述技术方案中位移测量机构的进一步优化，其机构包括：[0027] 位移测量杆，其后端位于中心杆前端的凹槽内，其前端贯穿出外筒B的外侧，并在其端部设置有位移传感器B；[0028] 复位弹簧B，套设在位移测量杆外侧，且其后端与中心杆的端面连接，并在复位弹簧B上设置有压力传感器B。[0029] 对上述技术方案中的限位机构的进一步优化，其机构包括：[0030] T型筒，位于外筒B内侧且套设在中心杆上，T型筒随着中心杆前后移动发生旋转；[0031] T型支撑杆，其一端位于T型筒的环面上的弧形槽内，且杆身位于外筒B的端面上的限位槽内，而T型支撑杆的另一端从外筒B上的预留孔贯穿至外筒B外侧。[0032] 为了实现中心杆前推时T型筒只发生旋转，则在T型筒的内筒壁上设置有螺纹型槽，中心杆的外壁上设置有导向块，导向块位于螺纹型槽内。[0033] 为了实现中心杆前推后能够自主复位，则在中心杆上套设有压缩弹簧，压缩弹簧位于封堵块与T型筒之间，封堵块设置位于中心杆与外筒A之间。[0034] 本发明的主要有益效果在于：[0035] 通过应力测量机构将应力测量机构撑开与测量巧妙的结合在一起，通过推动中心杆，推块挤压活动筒前移，则与活动筒通过固定板连接的移动环A前移，移动环B同步移动，挤压连杆A前移且旋转，则水平杆向中心杆外侧移动，直至水平杆接触围岩的岩壁上，记录此时位移传感器和压力传感器的数据，作为初始数据。[0036] 当围岩变形，会挤压水平杆，则连杆A旋转后移，推动应力测试杆在穿孔内移动，记录应力测试杆移动后位移传感器和压力传感器的数据；该数据与初始数据的差值即反应应力变化情况。[0037] 连杆组件可围绕移动环B与固定环设置有多组，多组连杆组件周向覆盖孔洞的轴向，可测量孔洞整个圆面的应力变化情况，且每一组连杆组件对应一根应力测试杆，则能够测量孔洞圆周面上各个方向围岩的应力变化，从而可以分析整个三维空间中应为变形方位，有效的对应变形做出相应的改善，即本发明设计的应力侧量机构，不仅能够测量应力变化情况，还能够识别应力变化方位。[0038] 还在中心杆的前端设置测量位移变化的位移测量机构，整个装置置入到围岩中，T型支撑杆将装置固定，在孔洞发生位移时，挤压位移测量杆时，可以监测位移测量杆的位移，同时移动时，可以压缩弹簧，进而测得应力。即实现同时测量变形位移与应力的目的。[0039] 限位机构仅通过挤压中心杆即可将T型支撑杆展开与洞室内壁接触，将整个监测装置限位在孔洞内，避免测量过程中，监测装置松动或移位，而影响监测结果的问题发生。附图说明[0040] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：[0041] 图1为本发明的结构示意图。[0042] 图2为本发明另一方位的结构示意图。[0043] 图3为本发明应力测量机构的结构示意图。[0044] 图4为本发明应力测量机构的另一方位的结构示意图。[0045] 图5为本发明中心杆的结构示意图。[0046] 图6为本发明限位机构的结构示意图。[0047] 图7为本发明T型支撑杆的结构示意图。[0048] 图8为本发明T型筒的筒身结构示意图。[0049] 图9为本发明外筒B的结构示意图。[0050] 图10为本发明外筒A的结构示意图。[0051] 图11为本发明封堵块的结构示意图。[0052] 图12为图1的正剖示意图。[0053] 图13为图1的正剖图的左上方位的示意图。[0054] 图14为图1的正剖图的右下方位的示意图。[0055] 图中：1、中心杆；101、推块；102、封堵块；2、外筒A；3、应力测量机构；4、外筒B；401、预留孔；5、T型筒；501、弧形槽；502、螺纹型槽；6、T型支撑杆；7、位移测量杆；8、复位弹簧B；9、压缩弹簧；301、移动环A；302、应力测试杆；303、复位弹簧A；304、移动环B；305、限位耳；306、连杆A；307、水平杆；308、连杆B；309、固定环；310、活动筒；311、连杆。具体实施方式[0056] 如图1 图14中，一种地下洞室围岩变形监测装置。~[0057] 实施例1[0058] 本实施例提供了一种地下洞室围岩变形监测装置，如图1、2、10所示，包括同轴设置的中心杆1、外筒A2和外筒B4，外筒A2为一T型结构，外筒B4则与T型机构的环面连接，将中心杆1包裹在其内部，并在外筒A2上设置应力测量机构3，并通过推动中心杆1前移，将应力测量机构3打开且与围岩的岩壁接触。[0059] 如图11所示，在中心杆1与外筒A2之间还设置有封堵块102，封堵块102位于T型机构的一侧对外筒A2与中心杆1的连接端进行密封。[0060] 应力测量机构3沿着外筒A2的周向分布，可覆盖整个外筒A2的周面，不仅能够测量洞壁围岩变形的位移量，而且能够测量洞壁围岩变形的应力值。[0061] 其次，在中心杆1的前端设置位移测量机构，如图1和图2所示，包括位移测量杆7，位移测量杆7的后端位于中心杆1前端的凹槽内，并在位移测量杆7的杆身上套设有复位弹簧B8，复位弹簧B8的后端与中心杆1前端的端面连接，而位移测量杆7的前端伸出外筒B4的外侧，位移测量杆7端部设置有位移传感器B；将整个监测装置送至孔洞内后，位移测量杆7的前端接触孔洞的端壁，这个时候，位移传感器B就会发生变化，当位移传感器B监测的数据发生变化，则停止推送监测装置，记录此时的位移传感器B检测的数据作为初始数据。孔洞发生位移时，挤压位移测量杆7时，可以监测位移测量杆7的位移，同时移动时，可以压缩复位弹簧B8，测得应力值。[0062] 实施例2[0063] 在实施例1的基础上，对应力测量机构3进行改进，如图4和图14所示，包括移动环A301、移动环B304、固定环309和活动筒310，移动环A301、移动环B304和固定环309均设置在外筒A2外侧，且移动环A301和移动环B304之间通过连杆311连接，移动环B304则通过连杆组件与固定环309活动连接，活动筒310则套在中心杆1上且位于推块101的前端。并在外筒A2的筒壁上沿其圆周方向设置有至少三个移动孔，活动筒310则通过固定板与移动环A301连接，固定板则位于移动孔内。[0064] 其次，在移动环B304的环面上设置有至少3个限位耳305，相应的，移动环A301的环面上设置有与限位耳305相同数量的穿孔，每一个限位耳305和穿孔对应一根应力测试杆302，限位耳305表面设置有滑动槽，且在滑动槽的对称侧壁上设置有导向槽，应力测试杆302一端位于滑动槽内，并通过销钉与连杆组件铰接，销钉位于导向槽内，应力测试杆302的另一端位于穿孔，并在端部设置有位移传感器A，应力测试杆302的杆身上设置有复位弹簧A303，并在复位弹簧A303上设置有压力传感器A。[0065] 再如图3、4所示，连杆组件包括连杆A306、连杆B308和水平杆307，连杆A306和连杆B308的相对端分别与水平杆307的两端铰接，而连杆A306和连杆B308的相背端则分别与应力测试杆302和固定环309铰接。[0066] 利用应力测量机构3测量洞室围岩应力变化的具体操作如下：[0067] 如图14所示，推动中心杆1，推块101挤压活动筒310前移，则与活动筒310通过固定板连接的移动环A301前移，移动环B304同步移动，挤压连杆A306前移且旋转，则水平杆307向中心杆1外侧移动，直至水平杆307接触围岩的岩壁上，记录此时位移传感器和压力传感器的数据，作为初始数据；当围岩变形，会挤压水平杆307，则连杆A306旋转后移，推动应力测试杆302在穿孔内移动，记录应力测试杆302移动后位移传感器A和压力传感器A的数据；该数据与初始数据的差值即反应应力变化情况。[0068] 实施例3[0069] 考虑到监测装置在洞室内需要处于一个相对的稳定状态，才不会影响整个监测装置的监测结果，如图5?9所示，在外筒B4上设置限位机构，该限位机构通过中心杆1推动展开与围岩的岩壁连接。[0070] 限位机构具体包括T型筒5和T型支撑杆6，T型筒5位于外筒内侧且套在中心杆1上，T型筒5的内筒壁上设置有螺纹型槽502，中心杆1的外壁上设置有导向块，导向块位于螺纹型槽502内，则T型筒5随着中心杆1前后移动发生旋转。T型支撑杆6一端位于T型筒5的环面上的弧形槽501内，且杆身位于外筒B4的端面上的限位槽内，T型支撑杆6的另一端从外筒B4上的预留孔401贯穿至外筒B4外侧。[0071] 中心杆1上还套设有压缩弹簧9，压缩弹簧9位于封堵块102与T型筒5之间，封堵块102设置位于中心杆1与外筒A2之间。则推动中心杆1后，可通过压缩弹簧9进行复位。[0072] 推动中心杆1后，中心杆1上的导向块前移，由于导向块位于螺纹型槽502内，则在导向块前移时，T型筒5旋转，T型筒5旋转后，T型支撑杆6被展开，支撑在围岩的岩壁上，进而将整个监测装置限位在孔洞内。[0073] 实施例4[0074] 本实施例同时考虑监测装置的应力测量、位移测量和限位。如图12?14所示，其工作过程如下：[0075] 将整个监测装置放置到孔洞内，当位移传感器B和压力传感器B发生变化时，即停止推动，监测装置到位，记录此时位移传感器B和压力传感器B显示的数据，作为初始数据；然后推动中心杆1，则推块101挤压活动筒310带动移动环A301前移，移动环B304同步向前移动，移动环B304前移会挤压连杆A306旋转且前移，从而配合连杆B308将水平杆307顶出，接触到围岩的岩壁上（为了能更全面的测量洞壁的围岩变形情况以及变形位置，则沿着移动环A301和移动环B304的环面设置六组以上的应力测试杆302及连杆组件），记录位移传感器A和压力传感器A显示的的数据，作为初始数据，停止推动中心杆1，此时T型支撑杆6展开支撑，同时水平杆307接触洞壁，只通过推动中心杆1，即完成了T型支撑杆6、连杆组件、位移测量杆7、应力测量杆就位；当围岩发生形变，会挤压水平杆307，则连杆A306旋转后移，推动应力测试杆302在穿孔内移动，记录应力测试杆302移动后位移传感器A和压力传感器A的数据，通过位移传感器A和压力传感器A能够测量围岩不同方位的变形量，以及识别变形位置，而配合多组应力测量机构3，则能够直接测量围岩不同深度的变形情况，且更加准确判断变形位置，可以有效的应对变形做出相应的改善。该数据与初始数据的差值即反应应力变化情况。位移测量杆7端部设置有位移传感器B，复位弹簧B上设置有压力传感器B。当洞室端部发生形变，则挤压位移测量杆7后移，压缩复位弹簧B8，则记录位移传感器B和压力传感器B的数据，该数据与初始数据的差值，即为变形量的数值。[0076] 上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

专利地区：甘肃

专利申请日期：2024-07-25

专利公开日期：2024-10-22

专利公告号：CN118548842B