确定地下溶洞内部边界的测量系统及其使用方法

摘要

本发明公开了一种确定地下溶洞内部边界的测量系统及其使用方法，包括：机械触臂、旋转装置、感应装置、伸缩杆、防触碰装置和GPS定位装置；机械触臂为可伸长细杆，触臂不可转动，只能在水平面内伸缩；旋转装置用来带动触臂旋转；感应装置位于触臂的外边缘，触臂伸长一定长度触碰到溶洞内壁时，感应装置将会自动记录触臂的长度和方位角，并控制触臂收回至出发位置将数据传回至主机；伸缩杆位于测量系统的上部，用来控制测量系统的上升和下降；防触碰装置位于测量系统的最底端，当其接触到溶洞底部时，伸缩杆停止伸长，测量系统不再下降；GPS定位装置位于测量系统内部。

权利要求

1.确定地下溶洞内部边界的测量系统，其特征在于，包括机械触臂、旋转装置、伸缩杆、驱动装置、控制装置和GPS定位装置；

所述的旋转装置包括一个转动轴、安装座，在所述的转动轴上设有上、下两个安装座，在每个安装座的外圈设有一圈机械触臂，所述的机械触臂的伸长或者缩短由设置在安装座上的伺服电机控制，且机械触臂不可竖向转动，只能在水平面内伸缩；在所述的转动轴上还安装有旋转角度测量传感器；在所述的机械触臂上安装有位移传感器；

所述的驱动装置驱动所述的转动轴旋转，进而带动整个旋转装置旋转；

所述的伸缩杆安装在驱动装置的顶部；

所述的GPS定位装置位于转动轴最底部，用于测量系统进入到溶洞内的深度；

所述的控制装置控制伸缩杆、驱动装置、GPS定位装置工作。

2.如权利要求1所述的确定地下溶洞内部边界的测量系统，其特征在于，所述机械触臂为伺服电动缸，所述的伺服电动缸由伺服电机控制。

3.如权利要求1所述的确定地下溶洞内部边界的测量系统，其特征在于，每个安装座上设有8个机械触臂，相邻机械触臂之间夹角为45度。

4.如权利要求1所述的确定地下溶洞内部边界的测量系统，其特征在于，还包括防触碰装置，所述的防触碰装置位于测量系统的最底端。

5.如权利要求4所述的确定地下溶洞内部边界的测量系统，其特征在于，所述的防触碰装置采用红外测距传感器。

6.如权利要求1所述的确定地下溶洞内部边界的测量系统，其特征在于，在所述的转动轴上安装有一个驱动齿轮，在所述的安装座上安装有一个被动齿轮，所述的驱动齿轮与被动齿轮啮合，实现安装座的旋转。

7.如权利要求1所述的确定地下溶洞内部边界的测量系统，其特征在于，所述的安装座通过连接键与所述的转动轴相连。

8.如权利要求1所述的确定地下溶洞内部边界的测量系统，其特征在于，所述的旋转角度测量传感器采用绝对型光电旋转编码器。

9.利用权利要求1-8任一所述的确定地下溶洞内部边界的测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1做好地面准备工作，清空并安装好套管，将测量系统下放到溶洞内部一定深度；

步骤2调整上、下两层机械触臂的初始角度，确保上、下两层机械触臂初始方位保持一致，完成一次GPS定位装置的定位，获取参考深度信息；

步骤3每层机械触臂都沿水平面向四周延伸，机械触臂伸长到一定距离接触到溶洞内壁时，位移传感器记录其行程信息同时伺服电机控制触臂收回，角度测量传感器同步记录此时的转动方位角；

步骤4当所有机械触臂返回初始位置后，控制旋转装置转动一定角度，使得每根机械触臂旋转到下一个位置，且每一次的转动角度都要小于机械触臂之间的夹角，根据实际需要决定旋转角度及次数；

步骤5控制器控制伸缩杆将测量系统下降一定高度，并重复步骤2-4即可；

步骤6在装置下降一定深度将要触底之前，防触碰装置将会提前感知，伸缩杆不再下降，测量结束；

步骤7控制器将测量装置收回地面，完成测量工作。

说明书

确定地下溶洞内部边界的测量系统及其使用方法

技术领域

[0001] 本发明涉及地下工程中不良地质灾害源边界测量技术领域，具体说是确定地下溶洞内部边界的装置及其方法。

背景技术

[0002] 近年来，隧道工程及地铁建设等地下工程发展迅速，同时隧道开挖前方、地铁TBM施工掘进前方以及拟建建筑物下方穿过岩溶发育区等情况屡见不鲜，给施工建设带来了很大的灾害和风险，如果不能很好地处理灾害源问题，将给工程单位以及施工人员带来不可计量的损失和伤害。发明人发现目前为止，地球物理勘探技术也只能做到定性探查及半定量探查，对于边界的确定仍是一个难题。

[0003] 针对这种地质情况，工程上一般都是用充填材料(如混凝土)来进行充填处理，只有确切知道溶洞体积，才能制定相应的工程处理措施，更顺利通过岩溶发育区，为工程建设保驾护航。如果并不知道准确的溶洞体积，也就无法明确制定相应的实施方案，这种未知性，造成了人力物力的消耗、增加了成本，甚至有可能造成工序的错乱以及工期的延误。这更说明，与溶洞体积相关的数据信息对工程施工异常关键，可为工程提供重要的参考。

发明内容

[0004] 本发明的目的主要是解决上述提出的一些工程应用难题，提供确定地下溶洞内部边界的装置及其方法。

[0005] 本发明的第一发明目的是提供一种确定地下溶洞内部边界的装置，为了实现该目的，本发明采用的技术方案如下：

[0006] 确定地下溶洞内部边界的测量系统，包括机械触臂、旋转装置、伸缩杆、驱动装置、控制装置和GPS定位装置；

[0007] 所述的旋转装置包括一个转动轴、安装座，在所述的转动轴上设有上、下两个安装座，在每个安装座的外圈设有一圈机械触臂，所述的机械触臂的伸长或者缩短由设置在安装座上的伺服电机控制，且机械触臂不可竖向转动，只能在水平面内伸缩；在所述的转动轴上还安装有旋转角度测量传感器；在所述的机械触臂上安装有位移传感器；

[0008] 所述的驱动装置驱动所述的转动轴旋转，进而带动整个旋转装置旋转；

[0009] 所述的伸缩杆安装在驱动装置的顶部；

[0010] 所述的GPS定位装置位于转动轴最底部，用于测量系统进入到溶洞内的深度；

[0011] 所述的控制装置控制伸缩杆、驱动装置、GPS定位装置工作。

[0012] GPS定位装置每个深度测量前都要完成一次定位，记录下系统的深度，深度记录点位于装置最底端，然后结合旋转机构的光电旋转编码器记录的角度值以及电动机械触臂的位移传感器，计算电动机械触臂接触溶洞内壁的每一个点的坐标信息，把所有点的坐标信息整理到同一坐标系，采用相应的插值方法并利用所有坐标信息建立边界模型，得到溶洞内壁的边界。

[0013] 进一步的，所述电动机械触臂采用电动缸或者伺服电动缸。

[0014] 进一步的，所述的每层机械触臂设置8根，相邻机械触臂之间夹角为45度。当装置到达预定位置并在该深度上完成GPS定位后，即可控制机械触臂进行测量。

[0015] 进一步的，确定地下溶洞内部边界的测量系统还包括防触碰装置，所述的防触碰装置位于测量系统的最底端，当其接触到溶洞底部岩石时，伸缩杆停止伸长，测量系统不再下降。具体的，所述的防触碰装置采用红外测距传感器。

[0016] 进一步的，在所述的转动轴上安装有一个驱动齿轮，在所述的安装座上安装有一个被动齿轮，所述的驱动齿轮与被动齿轮啮合，实现安装座的旋转。

[0017] 本发明的第二发明目的是为了提出一种基于上述测量系统的测量方法，包括以下步骤：

[0018] 步骤1做好地面准备工作，清空并安装好套管，将测量系统下放到溶洞内部一定深度；

[0019] 步骤2调整两层机械触臂的初始角度，确保二层机械触臂初始方位保持一致，完成一次GPS定位装置的定位，获取参考深度信息；

[0020] 步骤3每层机械触臂都沿水平面向四周延伸，触臂伸长到一定距离接触到溶洞内壁时，位移传感器记录其行程信息同时伺服电机控制触臂收回，旋转系统同步记录此时的转动方位角；

[0021] 步骤4当所有机械触臂返回初始位置后，控制旋转装置转动一定角度，使得每根机械触臂旋转到下一个位置，且每一次的转动角度都要小于触臂之间的夹角，根据实际需要决定旋转角度及次数；

[0022] 步骤5控制器控制伸缩杆将测量系统下降一定高度，并重复步骤2-4即可，旋转角度的大小决定了测量装置对边界的刻划程度，同一平面内得到的边界点坐标信息越多，测量结果也就越精确；

[0023] 步骤6在装置下降一定深度将要触底之前，防触碰装置的激光测距传感器将会提前感知，地面操作人员控制伸缩杆不再下降，测量结束；

[0024] 步骤7控制器将测量装置收回地面，完成测量工作。

[0025] 本发明的有益效果如下：

[0026] 本发明的确定地下溶洞内部边界的测量系统及其使用方法，与现有技术相比，能够快速较精确获取探测空间的体积信息，一般在无水的条件下工作，由于测量系统防水效果较好，遇到充水溶洞时，也可在水下工作，克服了水下激光衰减快、无法有效探测浑浊度高的充水溶洞的难题，是一种行之有效的方法。而且，二层触臂都可在平面内旋转，可多次转动，尽可能多地获取溶洞的边界信息，使最后溶洞模型更精确，溶洞体积测量更严谨。

附图说明

[0027] 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

[0028] 图1是本发明的装置主体图；

[0029] 图2是本发明中机械触臂、安装座、转动轴及齿轮部位的俯视图；

[0030] 图3是本发明中机械触臂、安装座、转动轴及齿轮部位的相对位置关系图；

[0031] 图4是本发明中机械触臂、安装座、转动轴及齿轮部位的断面图；

[0032] 图5、图6是本发明获取溶洞边界坐标信息的示意图；

[0033] 其中：1、机械触臂；2、转动轴；3、电动机；4、伸缩杆；5、齿轮；6、GPS定位装置；7、防触碰装置；8、钻孔套管；9、控制器；10、安装座；11、承重装置；12、伺服电机。

具体实施方式

[0034] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0035] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

[0036] 为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0037] 术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

[0038] 正如背景技术所介绍的，从现有的技术来说，只能做到对溶洞进行定性探查，还做不到定量探查，即无法准确探测溶洞真实大小。溶洞体积难以获取，就给工程单位带来了很大的压力，因为针对这种地质情况，工程上一般都是用充填材料(如混凝土)来充填处理，只有准确知道溶洞体积，才能制定相应的工程处理措施，更顺利通过岩溶发育区，为工程建设保驾护航。如果并不知道确切的溶洞体积，也就无法明确制定相应的实施方案，这种未知性，造成了人力物力的消耗、增加了成本，甚至有可能造成工序的错乱以及工期的延误。这更说明，与溶洞体积相关的数据信息对工程施工异常关键，可为工程提供重要的参考。当然，有问题就会出现解决问题的方法，测量体积的方法有很多，如借助三维激光扫描获取溶洞内部点云信息来建立溶洞立体模型，通过计算模型的体积来得到溶洞体积大小的方法，但是国内这种仪器数量较少且价格高昂，单是探测的费用就给工程单位带来了很大的经济压力。同时，激光在水中衰减速度很快，且受水下浑浊度的影响较大，探测距离仅为五六米，无法满足工程需求，所以不能得到普遍应用和推广。如何发明一种快速获取溶洞体积的方法已经成为急需解决的技术问题。

[0039] 为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种确定地下溶洞内部边界的测量系统及其使用方法，包括：电动机械触臂、旋转装置、伸缩装置、壳体承重装置、防触碰装置和GPS定位装置；电动机械触臂为可伸长细杆，触臂不可竖向转动，只能沿水平方向伸缩；旋转装置工作原理为电动机带动主轴旋转，主轴带动齿轮转动，齿轮同时与作为电动机械触臂载体的壳体连接在一起，实现电动机驱动测量装置沿着空腔四周水平面内旋转；伸缩装置连接地面部分和地下部分，主要是用来控制测量系统的升降，一般下降高度控制在20cm内为宜，且每次下降的高度可通过地面控制器调节以适应洞内不同的测量需求；壳体承重装置内部为居中固定放置的电动机以保证装置旋转时不会失稳，作为连接伸缩杆和下部装置的桥梁，其底部设置有主轴通过的圆孔且圆孔直径略大于主轴；防触碰装置和GPS定位装置对称安装在整个装置的底部，其中，防触碰装置通过激光测距原理可预知洞底与仪器的远近情况，可有效保证仪器安全。本发明装置可控性能好，可实现精准严密测量且效率较高，能够很好地应用于地下工程不良地质灾害源的边界确定方面。

[0040] 实施例1

[0041] 本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，确定地下溶洞内部边界的测量系统，包括：电动机械触臂1、旋转装置、伸缩装置、承重装置、防触碰装置和GPS定位装置；

[0042] 具体的，所述电动机械触臂1为刚度较大的可伸长杆，例如伺服电机控制的电动缸或者伺服电动缸，每层旋转装置的安装座设置有多根机械触臂；电动机械触臂的运动是由ThomsonPC系列伺服电机来控制，只需给普通的交流电即可。使用电动缸或者伺服电动缸是因为它的各项性能都比较接近液压缸，比如速度可达2m/s，行程也比较长。而且它很容易与PLC等控制系统连接，实现高精密运动控制，且准确反馈行程信息。

[0043] 具体的，旋转装置包括转动轴和上下两个安装座，在所述的转动轴上设有上、下两个安装座，在每个安装座的外圈设有一圈电动机械触臂1，所述的电动机械触臂1的伸长或者缩短由设置在安装座上的伺服电机控制，控制电动机械触臂1不可竖向转动，只能在水平面内伸缩；在所述的转动轴上还安装有旋转角度测量传感器；在所述的机械触臂上安装有位移传感器；电动机械触臂主要是使用位移传感器来进行记录并计算电动推杆的行程信息，从而实现溶洞内壁坐标信息的精准获取及推算。

[0044] 优选的，每个安装座上设置8根机械触臂，相邻触臂间夹角为45度；当装置到达预定位置并在该深度上完成GPS定位后，即可控制机械触臂进行测量，不难理解的，机械触臂还可以设置成6跟、10根或者12根等，具体的根据实际需要进行选择即可，如果要求测量的精确度高，则机械触臂设置的根数就多；如果要求测量的精确度低，则机械触臂设置的根数就少。

[0045] 进一步的，在本实施例或者其他实施例中，转动轴与安装座的连接方式是：在所述的转动轴上安装有一个驱动齿轮，在所述的安装座上安装有一个被动齿轮，所述的驱动齿轮与被动齿轮啮合，实现安装座的旋转，具体的可以参见图3；或者安装座直接通过连接键固定在转动轴上，转动轴转动时，驱动安装座跟着一起旋转。

[0046] 所述的旋转装置中上下两个安装座及齿轮与转动轴连接在一起，形成一个整体；优选的，两个安装座的上下间隔为15cm，在电动机的驱动下实现同时转动，可大大提高测量效率。

[0047] 进一步的，整个装置满足防水要求，根据运动件相对于机体的运动方式，采用旋转动密封中的滑环组合密封，滑环组合密封通常由具有低摩擦因数和自润滑性，而且与金属无黏着作用的材料(如PTFE、尼龙等)制成的一个主密封环和一个辅助密封元件组成。辅助元件通常使用o型圈，它具有密封性能良好、结构简单、摩擦力小等优点。可保证装置在充水溶洞中工作而不受其影响。

[0048] 上述的防触碰装置7主要是由红外测距传感器组成，其中，红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到地面主机，即可利用红外的返回信号来识别周围环境的变化，感知距离障碍物的远近情况，及时对装置的行程做出调整。

[0049] 上述的GPS定位装置6，位于测量系统最底部，每个深度测量前都要完成一次定位，记录下系统的深度，深度记录点位于装置最底端，然后结合旋转机构的光电旋转编码器记录的角度值以及电动机械触臂的位移传感器，计算电动机械触臂接触溶洞内壁的每一个点的坐标信息，把所有点的坐标信息整理到同一坐标系，采用相应的插值方法并利用所有坐标信息建立边界模型，得到溶洞内壁的边界。

[0050] 在实际使用时，要求GPS定位装置6和防触碰装置7不能干涉，具体安装形式可以根据实际进行调整。

[0051] 上述的伸缩装置采用伸缩杆的形式，例如电动伸缩杆。

[0052] 所述利用机械触臂转动角度和GPS定位可获取溶洞内壁坐标信息，主要包括以下步骤：

[0053] 一次测量完毕后，电动机驱动转动轴旋转一定角度，使每根机械触臂到达一个新的位置，开始下一次的测量工作；第二次测量结束后，根据实际情况确定是否需要进行多角度多次测量；若需继续测量，则重复上述步骤即可；结束该深度上的测量工作，通过控制器控制伸缩杆使系统下降一定高度，重复上述测量工作。

[0054] 图5左右两幅图片中的实线以及实心点是当前触臂的位置和得到的点位坐标信息的示意；虚线以及空心点表示当前层触臂旋转一定角度后触臂所处的位置和得到的点位坐标信息的示意。

[0055] 图6是本发明的测量结果与真实溶洞对比效果图；注：图中实线表示真实溶洞边界形状，虚线连接的图形表示利用本方法得到的测量结果，由图可知，测量次数越多，最终得到的图形就越接近真实图形。

[0056] 实施例2

[0057] 本实施例提供了一种利用实施例1中所述的装置进行检测的方法，具体的工作过程如下：

[0058] 步骤1做好地面准备工作，清空并安装好套管8，将测量系统下放到溶洞内部一定深度；

[0059] 步骤2调整两层机械触臂1的初始角度，确保二层机械触臂1初始方位保持一致，完成一次GPS定位装置6的定位，获取参考深度信息；

[0060] 步骤3每层机械触臂1都沿水平面向四周延伸，机械触臂1伸长到一定距离接触到溶洞内壁时，位移传感器记录其行程信息同时伺服电机12控制机械触臂1收回，旋转系统同步记录此时的转动方位角；

[0061] 步骤4当所有机械触臂1返回初始位置后，控制器9控制承重装置11内部的电动机3驱动转动轴2转动一定角度，通过两个齿轮的传动带动安装座10旋转，使得机械触臂1旋转到下一个位置，且每一次的转动角度都要小于触臂之间的夹角，根据实际需要决定旋转角度及次数；

[0062] 步骤5控制器9控制伸缩杆4将测量系统下降一定高度，并重复步骤2-4即可，旋转角度的大小决定了测量装置对边界的刻划程度，同一平面内得到的边界点坐标信息越多，测量结果也就越精确；

[0063] 步骤6在装置下降一定深度将要触底之前，防触碰装置7的激光测距传感器将会提前感知，地面操作人员控制伸缩杆4不再下降，测量结束；

[0064] 步骤7控制器9将测量装置收回地面，完成测量工作。

[0065] 应该指出，以上所述旨在对本申请提供进一步的说明。仅为本发明的优选示例而已，并不用于限制本发明。除非另有说明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。