一種溶洞探測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及巖土工程探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種溶洞探測(cè)系統(tǒng)。本實(shí)用新型提供了一種溶洞探測(cè)系統(tǒng)，該溶洞探測(cè)系統(tǒng)包括探測(cè)器及計(jì)算機(jī)，探測(cè)器包括探桿及與探桿底部連接的探頭，探頭包括水平旋轉(zhuǎn)單元及與水平旋轉(zhuǎn)單元同軸設(shè)置的豎直旋轉(zhuǎn)單元，能對(duì)所測(cè)溶洞進(jìn)行全方位探測(cè)，豎直旋轉(zhuǎn)單元的下端設(shè)有內(nèi)置轉(zhuǎn)軸固定的旋轉(zhuǎn)桿；旋轉(zhuǎn)桿上設(shè)有用于探測(cè)鉆孔圍巖情況、溶洞幾何形狀、圍巖情況及充填情況的探測(cè)集成裝置；探桿內(nèi)部設(shè)有用于采集探測(cè)集成裝置探測(cè)到的信息的信息采集裝置。通過計(jì)算機(jī)能對(duì)探頭的轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行精細(xì)化控制，并可對(duì)探測(cè)模式進(jìn)行靈活切換，探測(cè)精度高，有利于提高巖溶區(qū)工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性與安全穩(wěn)定性。
【專利說明】
一種溶洞探測(cè)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及巖土工程探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種溶洞探測(cè)系統(tǒng)，具體涉及 一種能對(duì)鉆孔圍巖情況、溶洞幾何形狀、圍巖情況與充填情況進(jìn)行全方位探測(cè)的精細(xì)化控 制溶洞探測(cè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，對(duì)于巖土工程基礎(chǔ)性工作提出了新 的要求，溶洞作為巖溶區(qū)工程建設(shè)所涉及的主要地質(zhì)問題之一，極大地影響了巖溶區(qū)工程 建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性與安全穩(wěn)定性，此時(shí)，對(duì)溶洞進(jìn)行全面詳實(shí)的地質(zhì)勘查、探測(cè)變得十分迫切與 重要。
[0003] 三維激光掃描技術(shù)在隧道、邊坡、地下廠房等工程方面的應(yīng)用日趨廣泛，也被逐漸 應(yīng)用到溶洞探測(cè)領(lǐng)域，如專利CN 104457612 A所述的鉆孔置入式三維空間激光掃描測(cè)距成 像系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過使用連接延長(zhǎng)桿將裝置伸入待測(cè)區(qū)域，并通過計(jì)算機(jī)對(duì)該區(qū)域的三維 空間幾何信息進(jìn)行測(cè)量;專利CN 104359422 A所述的一種鉆孔攝像探測(cè)空腔幾何輪廓的裝 置和方法，提供了一種采用光學(xué)探測(cè)并計(jì)算空腔幾何形態(tài)的方法;專利CN 204041056 U所 述的一種礦山井下鉆孔探測(cè)儀，該探測(cè)儀可對(duì)井下鉆孔進(jìn)行探測(cè)，但只能區(qū)分井下溶洞的 巖性與分層厚度。
[0004] 以上所述探測(cè)裝置的功能性單一，只能獲得溶洞的幾何信息或區(qū)分溶洞的巖性與 分層厚度；同時(shí)，因探測(cè)裝置的探測(cè)角度受限，無法一次性對(duì)溶洞進(jìn)行全方位探測(cè)，且對(duì)與 溶洞穩(wěn)定性相關(guān)的頂板厚度、溶洞圍巖情況、充填情況等重要信息無法一并進(jìn)行探測(cè)與獲 取，由此極大地影響了巖溶區(qū)工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性與安全性，不利于促進(jìn)巖土工程的進(jìn)一步 發(fā)展。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] (一)要解決的技術(shù)問題
[0006] 本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是解決現(xiàn)有溶洞探測(cè)裝置的探測(cè)角度受限以及無 法探測(cè)溶洞頂板厚度、圍巖情況與充填情況，進(jìn)而造成不利于巖溶區(qū)工程建設(shè)經(jīng)濟(jì)性與安 全穩(wěn)定性的問題。
[0007] (二)技術(shù)方案
[0008] 為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種溶洞探測(cè)系統(tǒng)，該溶洞探測(cè)系統(tǒng) 包括探測(cè)器及與所述探測(cè)器連接的計(jì)算機(jī)，所述探測(cè)器包括探桿及與所述探桿底部連接的 探頭，所述探頭包括水平旋轉(zhuǎn)單元及與所述水平旋轉(zhuǎn)單元同軸設(shè)置的豎直旋轉(zhuǎn)單元，所述 豎直旋轉(zhuǎn)單元的下端設(shè)有通過內(nèi)置轉(zhuǎn)軸固定的旋轉(zhuǎn)桿;所述旋轉(zhuǎn)桿上設(shè)有探測(cè)集成裝置； 所述探桿內(nèi)設(shè)有與所述計(jì)算機(jī)連接的信息采集裝置。
[0009] 其中，所述探測(cè)集成裝置包括紅外線鉆孔攝像儀、三維激光掃描儀及聲波探測(cè)儀， 所述三維激光掃描儀包括激光發(fā)射鏡頭及激光接收鏡頭，所述聲波探測(cè)儀包括聲波發(fā)射器 及聲波接收器;所述紅外線鉆孔攝像儀與所述聲波發(fā)射器分別設(shè)于所述旋轉(zhuǎn)桿兩端的端 面，所述激光發(fā)射鏡頭與所述激光接收鏡頭對(duì)應(yīng)于所述紅外線鉆孔攝像儀設(shè)于所述旋轉(zhuǎn)桿 的一端，所述聲波接收器對(duì)應(yīng)于所述聲波發(fā)射器設(shè)于所述旋轉(zhuǎn)桿的另一端。
[0010]其中，所述信息采集裝置包括數(shù)據(jù)能源集成模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、三維激光掃描儀 信號(hào)采集模塊、聲波傳輸信號(hào)采集模塊及紅外線鉆孔攝像儀信號(hào)采集模塊;所述三維激光 掃描儀信號(hào)采集模塊、聲波傳輸信號(hào)采集模塊及紅外線鉆孔攝像儀信號(hào)采集模塊分別用于 采集三維激光掃描儀、聲波探測(cè)儀及紅外線鉆孔攝像儀的探測(cè)信息，并傳輸至所述信號(hào)轉(zhuǎn) 換模塊轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信息通過所述數(shù)據(jù)能源集成模塊上傳至所述計(jì)算機(jī)。
[0011]其中，所述信息采集裝置還包括與信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊連接的羅盤定位模塊，所述羅盤 定位模塊用于記錄所述探測(cè)器下降過程中的位置變化及進(jìn)行探測(cè)時(shí)各個(gè)姿態(tài)的空間信息。
[0012] 其中，所述水平旋轉(zhuǎn)單元包括第一電機(jī)及水平齒輪旋轉(zhuǎn)裝置，通過所述第一電機(jī) 帶動(dòng)所述水平齒輪旋轉(zhuǎn)裝置嚙合以驅(qū)動(dòng)所述探頭水平旋轉(zhuǎn)。
[0013] 其中，所述豎直旋轉(zhuǎn)單元還包括第二電機(jī)及與所述旋轉(zhuǎn)桿連接的豎向齒輪旋轉(zhuǎn)裝 置，通過所述第二電機(jī)帶動(dòng)所述豎向齒輪旋轉(zhuǎn)裝置嚙合以驅(qū)動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)桿豎直旋轉(zhuǎn)。
[0014] 其中，所述探頭的頂部設(shè)有插頭及第二外接螺紋，所述探桿的底部對(duì)應(yīng)于所述插 頭及第二外接螺紋分別設(shè)有接頭插孔及內(nèi)接螺紋卡扣。
[0015] 其中，該溶洞探測(cè)系統(tǒng)還包括至少一根與所述探桿頂部連接的鉆桿。
[0016] 其中，該溶洞探測(cè)系統(tǒng)還包括鉆桿提引器及與所述鉆桿提引器連接的鉆機(jī)控制平 臺(tái)，所述鉆桿提引器與所述鉆桿連接。
[0017](三)有益效果
[0018] 本實(shí)用新型的上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：本實(shí)用新型提供了一種溶洞探測(cè)系 統(tǒng)，該溶洞探測(cè)系統(tǒng)包括探測(cè)器及與探測(cè)器連接的計(jì)算機(jī)，探測(cè)器包括探桿及與探桿底部 連接的探頭，探頭包括水平旋轉(zhuǎn)單元及與水平旋轉(zhuǎn)單元同軸設(shè)置的豎直旋轉(zhuǎn)單元，可根據(jù) 探測(cè)需要對(duì)所測(cè)溶洞分別進(jìn)行水平360度與豎向180度的全方位探測(cè)，豎直旋轉(zhuǎn)單元的下端 設(shè)有內(nèi)置轉(zhuǎn)軸固定的旋轉(zhuǎn)桿;旋轉(zhuǎn)桿上設(shè)有用于探測(cè)鉆孔圍巖情況、溶洞幾何形狀、圍巖情 況及充填情況的探測(cè)集成裝置;探桿內(nèi)部設(shè)有用于采集探測(cè)集成裝置探測(cè)到的信息的信息 采集裝置，并通過電纜線傳輸至計(jì)算機(jī)。通過計(jì)算機(jī)對(duì)探頭的轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行精細(xì)化控制，并 可對(duì)探測(cè)模式進(jìn)行靈活切換，通過鉆機(jī)的鉆桿進(jìn)行探測(cè)器布設(shè)可確保測(cè)試過程中設(shè)備穩(wěn) 定、數(shù)據(jù)可靠;該系統(tǒng)探測(cè)精度高，有利于提高巖溶區(qū)工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性與安全穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例一種溶洞探測(cè)系統(tǒng)中探測(cè)器上功能模塊分布及與計(jì)算 機(jī)、電源的連接示意圖；
[0020] 圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例一種溶洞探測(cè)系統(tǒng)中探測(cè)器具體組成部分的結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0021] 圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例一種溶洞探測(cè)系統(tǒng)中探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例一種溶洞探測(cè)系統(tǒng)中水平旋轉(zhuǎn)齒輪系統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)圖； [0023]圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例一種溶洞探測(cè)系統(tǒng)中豎直旋轉(zhuǎn)齒輪系統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)正視 圖；
[0024]圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例一種溶洞探測(cè)系統(tǒng)中豎直旋轉(zhuǎn)齒輪系統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)側(cè)視 圖；
[0025]圖7是未鉆孔前的溶洞示意圖；
[0026] 圖8是鉆孔后的洛洞不意圖；
[0027] 圖9是本實(shí)用新型實(shí)施例一種溶洞探測(cè)系統(tǒng)中鉆桿提引器與探測(cè)器連接的結(jié)構(gòu)示 意圖；
[0028] 圖10是本實(shí)用新型實(shí)施例一種溶洞探測(cè)系統(tǒng)中探測(cè)器與鉆桿連接的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖11是將本實(shí)用新型實(shí)施例一種溶洞探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)的示意圖。
[0030] 圖中：i :外接螺紋;2:第一卡槽;3:第二卡槽;4:插頭;5:第二外接螺紋;6:水平旋 轉(zhuǎn)單元;7:聲波發(fā)射器;8:聲波接收器;9:激光接收鏡頭；10:激光發(fā)射鏡頭；11:紅外線鉆孔 攝像儀；12:電纜線；13:數(shù)據(jù)能源集成模塊；14:信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊；15:羅盤定位模塊；16:三維 激光掃描儀信號(hào)采集模塊;17:聲波傳輸信號(hào)采集模塊；18:紅外線鉆孔攝像儀信號(hào)采集模 塊;19:數(shù)據(jù)產(chǎn)生與采集系統(tǒng);20:水平旋轉(zhuǎn)齒輪裝置;21:豎直旋轉(zhuǎn)齒輪裝置;22:旋轉(zhuǎn)裝置； 23:信號(hào)發(fā)射裝置;24:信號(hào)接收裝置;25:旋轉(zhuǎn)桿;26:計(jì)算機(jī);27:電源;28:鉆機(jī)控制平臺(tái)； 29:鉆桿提引器;30:探測(cè)器;31:鉆桿;32:卡槽板手。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 為使本實(shí)用新型實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本實(shí)用新 型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描 述的實(shí)施例是本實(shí)用新型的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本實(shí)用新型中的實(shí) 施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都 屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0032] 如圖1至圖3所示，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種溶洞探測(cè)系統(tǒng)，其包括探測(cè)器30 及與探測(cè)器30連接的計(jì)算機(jī)26,探測(cè)器30包括探桿及與探桿底部連接的探頭，探頭包括水 平旋轉(zhuǎn)單元6及與水平旋轉(zhuǎn)單元6同軸設(shè)置的豎直旋轉(zhuǎn)單元，可根據(jù)探測(cè)需要對(duì)所測(cè)溶洞進(jìn) 行水平360度與豎向180度方向的全方位探測(cè)，豎直旋轉(zhuǎn)單元的下端設(shè)有通過內(nèi)置轉(zhuǎn)軸固定 的旋轉(zhuǎn)桿25;旋轉(zhuǎn)桿25上設(shè)有用于探測(cè)鉆孔圍巖情況、溶洞幾何形狀、圍巖情況及充填情況 的探測(cè)集成裝置;探桿內(nèi)部設(shè)有信息采集裝置，信息采集裝置用于采集探測(cè)集成裝置探測(cè) 到的信息，并通過電纜線12傳輸至計(jì)算機(jī)26;具體地，探測(cè)器30通過鉆機(jī)的鉆桿31進(jìn)行布 設(shè)。通過計(jì)算機(jī)26對(duì)探頭的轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行精細(xì)化控制，并可對(duì)探測(cè)模式進(jìn)行靈活切換，通過 鉆機(jī)的鉆桿31進(jìn)行探測(cè)器布設(shè)可確保測(cè)試過程中設(shè)備穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠;該系統(tǒng)探測(cè)精度高， 有利于提高巖溶區(qū)工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性與安全穩(wěn)定性。其中，探測(cè)模式有激光發(fā)射鏡頭10和 激光接收鏡頭9作業(yè)模式及聲波探測(cè)儀作業(yè)模式;特別的是，在探測(cè)器30下降期間，紅外線 鉆孔攝像儀11可一直處于工作狀態(tài)中。
[0033]值得說明的是，電纜線12起到連接探測(cè)器30、計(jì)算機(jī)26及電源27的功能；同時(shí)電纜 線12將探測(cè)器30探測(cè)得到的數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)26。計(jì)算機(jī)26安裝了與探測(cè)器30中探測(cè)集成 裝置及信息采集裝置相對(duì)應(yīng)的分析軟件，并可通過計(jì)算機(jī)26遠(yuǎn)程控制探測(cè)器30進(jìn)行探測(cè)作 業(yè)。
[0034]具體地，探測(cè)集成裝置包括紅外線鉆孔攝像儀11、三維激光掃描儀及聲波探測(cè)儀， 三維激光掃描儀包括激光發(fā)射鏡頭10與激光接收鏡頭9,聲波探測(cè)儀包括聲波發(fā)射器7與聲 波接收器8;紅外線鉆孔攝像儀11及聲波發(fā)射器7分別設(shè)于旋轉(zhuǎn)桿25兩端的端面，激光發(fā)射 鏡頭10及激光接收鏡頭9對(duì)應(yīng)于紅外線鉆孔攝像儀11設(shè)于旋轉(zhuǎn)桿25的一端，其中，激光發(fā)射 鏡頭10設(shè)于靠近紅外線鉆孔攝像儀11的一側(cè)，探測(cè)時(shí)激光發(fā)射鏡頭10距離溶洞更近，有助 于提高探測(cè)數(shù)據(jù)的精確度;聲波接收器8對(duì)應(yīng)于聲波發(fā)射器7設(shè)于旋轉(zhuǎn)桿25的另一端。
[0035]具體地，信息采集裝置包括數(shù)據(jù)能源集成模塊13、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊14、三維激光掃描 儀信號(hào)采集模塊16、聲波傳輸信號(hào)采集模塊17及紅外線鉆孔攝像儀信號(hào)采集模塊18;三維 激光掃描儀信號(hào)采集模塊16、聲波傳輸信號(hào)采集模塊17及紅外線鉆孔攝像儀信號(hào)采集模塊 18分別用于采集三維激光掃描儀、聲波探測(cè)儀及紅外線鉆孔攝像儀11的探測(cè)信息，并傳輸 至信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊14轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信息通過數(shù)據(jù)能源集成模塊13上傳至計(jì)算機(jī)26。
[0036]進(jìn)一步地，信息采集裝置還包括與信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊14連接的羅盤定位模塊15,羅盤 定位模塊15用于記錄探測(cè)器30下降過程中的位置變化及進(jìn)行探測(cè)時(shí)各個(gè)姿態(tài)的空間信息， 并將其空間信息通過信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊14轉(zhuǎn)換后，進(jìn)而通過數(shù)據(jù)能源集成模塊13實(shí)時(shí)傳遞給計(jì) 算機(jī)26以便做進(jìn)一步的分析與控制，提高控制精度。
[0037]值得說明的是，在本實(shí)施例中，信號(hào)發(fā)射裝置23包括聲波發(fā)射器7、激光發(fā)射鏡頭 10及紅外線鉆孔攝像儀11;信號(hào)接收裝置24包括聲波接收器8及激光接收鏡頭9;數(shù)據(jù)產(chǎn)生 與采集系統(tǒng)19包括三維激光掃描儀信號(hào)采集模塊16、聲波傳輸信號(hào)采集模塊17及紅外線鉆 孔攝像儀信號(hào)采集模塊18。
[0038]優(yōu)選地，在本實(shí)施例中，探測(cè)器30的形狀為長(zhǎng)筒圓柱形，共分為兩個(gè)部分:探桿和 探頭。探桿部分包括三個(gè)部分:上端部，中間桿以及下端部，上端部的端頭設(shè)有外接螺紋1， 它與鉆桿31的內(nèi)接螺紋相吻合而連接，或者通過轉(zhuǎn)換頭實(shí)現(xiàn)與鉆桿31的連接;為便于探測(cè) 器30與鉆桿31的連接，上端部還設(shè)有第一卡槽2和第二卡槽3。中間桿內(nèi)設(shè)有信息采集裝置， 主要起到探頭信號(hào)采集與傳輸、計(jì)算機(jī)指令實(shí)施以及能源供給等功能。下端部與探頭連接， 探頭的頂部設(shè)有插頭4及第二外接螺紋5,探桿的底部對(duì)應(yīng)于插頭4及第二外接螺紋5分別設(shè) 有接頭插孔及內(nèi)接螺紋卡扣;通過將插頭4插入接頭插孔內(nèi)并旋轉(zhuǎn)螺紋以實(shí)現(xiàn)下端部與探 頭的連接。
[0039]在本實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)裝置22包括水平齒輪旋轉(zhuǎn)裝置20及豎向齒輪旋轉(zhuǎn)裝置21。
[0040] 在本實(shí)施例中，水平旋轉(zhuǎn)單元6包括第一電機(jī)及水平齒輪旋轉(zhuǎn)裝置20,通過第一電 機(jī)帶動(dòng)水平齒輪旋轉(zhuǎn)裝置20嚙合以驅(qū)動(dòng)探頭水平旋轉(zhuǎn)。
[0041] 具體地，水平齒輪旋轉(zhuǎn)裝置20采用行星齒輪傳動(dòng)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。行星齒輪傳動(dòng)具 有體積小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，并因其輸入軸與輸出軸具有同軸性，因此，其傳動(dòng)效率 高且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、抗沖擊及振動(dòng)能力強(qiáng)，在傳遞動(dòng)力時(shí)可以進(jìn)行功率分流。為了提高探測(cè)器30 的探測(cè)精度，水平齒輪旋轉(zhuǎn)裝置20的主體設(shè)計(jì)傳動(dòng)比為360,采用兩個(gè)3Z(I)型行星齒輪傳 動(dòng)，齒輪最大外徑為72_，其主軸與探測(cè)器30的中心軸重合。
[0042] 發(fā)動(dòng)機(jī)裝置a通過電機(jī)輸出動(dòng)力，其輸出軸與行星齒輪主軸重合，并與位于其下方 的中心輪b連接，中心輪b的齒數(shù)為18，其傳輸動(dòng)力通過三個(gè)行星輪c進(jìn)行功率分流，帶動(dòng)行 星輪c中心軸向下方的行星架e輸送動(dòng)力，三個(gè)行星輪c大小完全相同，齒數(shù)均為27,且均勻 分布于中心輪的周圍。
[0043]三個(gè)行星輪c圍繞中心內(nèi)齒輪d滾動(dòng)，內(nèi)齒輪d為不動(dòng)輪，其與探測(cè)器固定在一起， 其齒數(shù)為72。行星架e帶動(dòng)下方三個(gè)與之相連的行星輪f進(jìn)行旋轉(zhuǎn)(行星輪f的齒數(shù)為15)^ 是一個(gè)內(nèi)齒輪組合結(jié)構(gòu)，上半部分的內(nèi)齒輪齒數(shù)為60，其目的是將三個(gè)行星輪傳輸過來的 動(dòng)力通過一個(gè)中心軸傳輸給下方的中心輪h(中心輪h的齒數(shù)為15,與行星輪f相同），中心輪 h傳輸?shù)膭?dòng)力也通過三個(gè)分布均勾的行星輪i傳遞。k、n、m的動(dòng)力傳輸方式與e、g、f相同，其 相應(yīng)的齒輪規(guī)格參照表1。
[0044]表1齒輪旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的參數(shù)值
[0045]
[0046]通過上述動(dòng)力傳輸裝置可實(shí)現(xiàn)從發(fā)動(dòng)機(jī)裝置a到內(nèi)齒輪組合結(jié)構(gòu)η的動(dòng)力傳送，而 內(nèi)齒輪組合結(jié)構(gòu)η則最終帶動(dòng)整個(gè)探測(cè)器的下部分進(jìn)行水平方向的旋轉(zhuǎn)，通過這樣的方式， 最終實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)26控制發(fā)動(dòng)機(jī)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而控制探測(cè)器30進(jìn)行360度水平方向的旋轉(zhuǎn)，其 實(shí)物分解圖見圖4。
[0047] 在本實(shí)施例中，豎直旋轉(zhuǎn)單元還包括第二電機(jī)及與旋轉(zhuǎn)桿25內(nèi)置轉(zhuǎn)軸連接的豎向 齒輪旋轉(zhuǎn)裝置21，通過第二電機(jī)帶動(dòng)豎向齒輪旋轉(zhuǎn)裝置21嚙合以驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)桿25豎直旋轉(zhuǎn)。
[0048] 具體地，豎向齒輪旋轉(zhuǎn)裝置21采用的動(dòng)力系統(tǒng)與水平齒輪旋轉(zhuǎn)裝置20相同，其擁 有獨(dú)立的發(fā)動(dòng)機(jī)裝置a'，通過與上述水平齒輪旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)相同的動(dòng)力傳輸方式，將動(dòng)力輸送 至內(nèi)齒輪組合結(jié)構(gòu)η '，內(nèi)齒輪組合結(jié)構(gòu)η '通過其下方的中心軸與錐齒輪〇相連，錐齒輪〇在 豎向平面內(nèi)與相同大小的錐齒輪Ρ連接(錐齒輪〇與？的分度圓錐角均為45°，齒數(shù)均為36)， 從而實(shí)現(xiàn)從水平傳動(dòng)傳遞至豎向傳動(dòng)卻又不改變傳動(dòng)比的目的，Ρ錐齒輪的外側(cè)連接了一 個(gè)與其同軸的鏈輪q，鏈輪q通過鏈條r與豎向旋轉(zhuǎn)桿內(nèi)置轉(zhuǎn)軸上的另一個(gè)大小相同的鏈輪s 相連。通過以上傳動(dòng)方式可實(shí)現(xiàn)豎向齒輪旋轉(zhuǎn)裝置21的功能，其示意圖見圖5和圖6。
[0049] 進(jìn)一步地，該溶洞探測(cè)系統(tǒng)還包括至少一根與探桿頂部連接的鉆桿31。其中，鉆桿 31的具體數(shù)量應(yīng)根據(jù)所測(cè)溶洞的深度來決定。
[0050] 進(jìn)一步地，該溶洞探測(cè)系統(tǒng)還包括鉆桿提引器29及與鉆桿提引器29連接的鉆機(jī)控 制平臺(tái)28,鉆桿提引器29與鉆桿31連接。具體地，通過鉆孔設(shè)備上的鉆機(jī)控制平臺(tái)28控制卷 揚(yáng)機(jī)將探測(cè)器30提升或下放，并通過電纜線12連接探測(cè)器30與計(jì)算機(jī)26。
[0051]特別的，本申請(qǐng)中的溶洞探測(cè)系統(tǒng)的使用方法包括如下操作步驟：
[0052] S1、將鉆桿提引器29套在水平放置的探測(cè)器30上端部第一卡槽2上，并通過鉆機(jī)控 制平臺(tái)28控制卷揚(yáng)機(jī)將探測(cè)器30提升，使探頭的紅外線鉆孔攝像端11位于鉆孔孔口，采用 電纜線12將探測(cè)器30與計(jì)算機(jī)26連接，并切換至紅外線鉆孔攝像模式，將探測(cè)器30沿著鉆 孔路徑緩慢下放直至第二卡槽3與孔口位置齊平，下放過程中同時(shí)對(duì)鉆孔內(nèi)圍巖情況進(jìn)行 拍攝，并將數(shù)據(jù)傳回計(jì)算機(jī)26進(jìn)行存儲(chǔ);本溶洞探測(cè)系統(tǒng)在測(cè)試過程中將探測(cè)器30直接安 裝在鉆桿提引器29或鉆桿31前端，利用鉆桿31的安裝工序?qū)⑻綔y(cè)器30下放至溶洞內(nèi)部進(jìn)行 探測(cè)，充分利用了現(xiàn)場(chǎng)工作條件，可以探測(cè)更深的溶洞，同時(shí)也便于穩(wěn)定探測(cè)器，從而提高 測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并根據(jù)鉆桿31安裝與提升或下放的靈活性可以將探測(cè)器30放置到指定 位置進(jìn)行探測(cè)；
[0053] S2、采用卡槽扳手32通過第二卡槽3固定探測(cè)器30并使其位于步驟S1中的孔口位 置，將連接探測(cè)器30的電纜線12從計(jì)算機(jī)26中拔出并使其從第一根空心鉆桿中間穿出，再 將電纜線12的接頭與計(jì)算機(jī)26連接，通過鉆機(jī)控制平臺(tái)28控制卷揚(yáng)機(jī)將第一根鉆桿起吊至 探測(cè)器30上端部上方，并將探測(cè)器30通過外接螺紋1與第一根鉆桿連接；
[0054] S3、將探測(cè)器30與第一根鉆桿沿著鉆孔路徑緩慢下放直至第一根鉆桿的第二卡槽 3至步驟S1中的孔口位置并采用卡槽扳手32固定，在探測(cè)器30下降過程中，紅外線鉆孔攝像 儀11可始終處于工作狀態(tài)，并將拍攝的畫面?zhèn)骰赜?jì)算機(jī)26進(jìn)行存儲(chǔ)，隨后準(zhǔn)備將第二根鉆 桿與第一根鉆桿連接；
[0055] S4、重復(fù)步驟S2及S3,直至將探測(cè)器30的探頭下放至溶洞頂板以下，使探頭沿豎直 方向分別轉(zhuǎn)動(dòng)+16度與-16度，開啟聲波探測(cè)儀作業(yè)模式對(duì)鉆孔附近巖溶頂板進(jìn)行探測(cè)，結(jié) 合巖溶頂板紅外線鉆孔攝像儀測(cè)試結(jié)果綜合確定巖溶頂板厚度及溶洞圍巖波速；
[0056] S5、將探測(cè)器30繼續(xù)下放至溶洞內(nèi)的指定位置，其中，溶洞高度的指定位置可分別 為所測(cè)洞高的1/3、2/3處或1/4、1/2、3/4處，并將電纜線12與計(jì)算機(jī)26連接；
[0057] S6、對(duì)于空溶洞，通過計(jì)算機(jī)26操作選定不同指定位置的激光發(fā)射鏡頭10和激光 接收鏡頭10作業(yè)模式，并通過水平旋轉(zhuǎn)單元7及豎直旋轉(zhuǎn)單元進(jìn)行水平360度與豎向180度 旋轉(zhuǎn)以完成對(duì)溶洞內(nèi)部形態(tài)的全方位探測(cè)工作，從而得出所測(cè)溶洞三維空間的幾何形態(tài)， 同時(shí)，通過計(jì)算機(jī)操作選定聲波探測(cè)儀作業(yè)模式，采用聲波發(fā)射器與聲波接收器相結(jié)合的 方式獲取溶洞圍巖情況；
[0058]或?qū)τ诎氤涮钊芏?，先采用空溶洞探測(cè)方法確定溶洞非充填部分的幾何形態(tài);然 后，通過計(jì)算機(jī)26操作選定聲波探測(cè)儀作業(yè)模式，采用聲波發(fā)射器7與聲波接收器8相結(jié)合 的方式獲取充填部分溶洞的幾何形態(tài)與充填密實(shí)情況以及溶洞圍巖情況；
[0059] 或?qū)τ诔涮钊芏?，通過計(jì)算機(jī)26操作選定聲波探測(cè)儀作業(yè)模式，采用聲波發(fā)射器7 與聲波接收器8相結(jié)合的方式獲取所測(cè)充填溶洞的幾何形態(tài)與充填密實(shí)情況以及溶洞圍巖 情況。
[0060] 采用探測(cè)信息進(jìn)行溶洞狀況解析，首先，在探測(cè)器30下放過程中，通過對(duì)紅外線鉆 孔攝像儀11采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得出溶洞頂板厚度;其次，通過聲波發(fā)射器7發(fā)射聲 波對(duì)鉆孔附近溶洞頂板進(jìn)行探測(cè)，利用已知的頂板厚度可以求得鉆孔附近巖層的波速大 小;然后，對(duì)洞壁以及溶洞內(nèi)部待測(cè)區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，利用聲波在不同界面的反射原理以及頂 板巖層的波速可對(duì)洞壁厚度進(jìn)行反算，最終得出溶洞的圍巖情況與溶洞充填情況。
[0061] 其中，在步驟S1之前，應(yīng)根據(jù)待測(cè)溶洞的工程背景、地質(zhì)環(huán)境和區(qū)域地質(zhì)資料，采 用合適的探測(cè)方法(如陸地聲吶法、地震波法等)對(duì)待測(cè)區(qū)域進(jìn)行物理勘探，確定溶洞的大 致方位，根據(jù)工程建設(shè)要求確定需要詳細(xì)探測(cè)的溶洞，并采用鉆孔設(shè)備在溶洞上方鉆孔，孔 底直通溶洞內(nèi)部。
[0062] 為更好地表述本申請(qǐng)中溶洞探測(cè)系統(tǒng)的安裝方式，以某寒武系灰?guī)r隧道為例加以 具體說明。其中，寒武系灰?guī)r地層的地質(zhì)勘查資料包括:其由碳酸鹽巖、碎肩巖及淺變質(zhì)巖 組成，巖溶發(fā)育，經(jīng)常有大型溶洞區(qū)出現(xiàn)，溶洞區(qū)內(nèi)溶洞縱橫交錯(cuò)，且有暗河發(fā)育，填充物主 要為黃土泥層及黏土泥層;地表巖溶形態(tài)主要有溶丘、溶谷、溶槽、溶溝、石芽，其次為少量 巖溶洼地、巖溶漏斗、落水洞等;地下巖溶有溶洞、溶蝕裂隙、巖溶管道、暗河等。
[0063] 經(jīng)過對(duì)工程地質(zhì)資料的分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘查，采用陸地聲吶法在隧道前進(jìn)方向進(jìn) 行地表勘探，在隧道前進(jìn)方向左側(cè)約l〇m的位置發(fā)現(xiàn)一個(gè)大型溶洞，溶洞頂部距離地表約為 30m。為了探測(cè)溶洞內(nèi)部的詳細(xì)情況，評(píng)估溶洞的穩(wěn)定性與安全性以及對(duì)工程的影響，降低 施工風(fēng)險(xiǎn)性，采用潛孔鉆在溶洞正上方鉆出一個(gè)直徑約為120mm的孔，孔底直通溶洞內(nèi)部， 使用鉆桿連接探測(cè)器，將探測(cè)器下放至溶洞內(nèi)部，從而對(duì)溶洞內(nèi)的情況進(jìn)行探測(cè)，具體如圖 7至圖11所示。具體操作過程如下：
[0064] (1)下放探測(cè)器30:通過鉆機(jī)控制平臺(tái)28控制卷揚(yáng)機(jī)，下放鉆桿提引器29(其中，鉆 桿提引器29為金屬結(jié)構(gòu)，上下部可以相互旋轉(zhuǎn)，它利用軸承起到旋轉(zhuǎn)鉆桿的作用，并且防止 鋼絲索斷裂，是一種與卡槽相配并能通過調(diào)整位置與第一卡槽2快速套緊的部件），將其套 在探測(cè)器30的第一卡槽2上，探測(cè)器30端部的電纜線12可以從鉆桿提引器29預(yù)留的孔口位 置引出來，不影響鉆桿提引器29與第一卡槽2的連接；啟動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)通過上方滑輪將探測(cè)器30 垂直向上拉升，直至探測(cè)器30的器身全部懸空；通過電纜線12連接探測(cè)器30與計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 26,并切換至紅外線鉆孔攝像模式，調(diào)整探測(cè)器30位置，當(dāng)它與鉆孔處于同一垂直方向上 時(shí)，控制卷揚(yáng)機(jī)將探測(cè)器30下放至第二卡槽3與孔口位置平齊的位置，下放過程中同時(shí)對(duì)鉆 孔內(nèi)圍巖情況進(jìn)行拍攝，并將數(shù)據(jù)傳回計(jì)算機(jī)26進(jìn)行存儲(chǔ)。期間，儀器操作過程中要小心探 測(cè)器30,防止其遭到拖拽或者與孔壁刮擦而導(dǎo)致?lián)p壞。
[0065] (2)探測(cè)器固定在孔口位置:將卡槽扳手32套在探測(cè)器的第二卡槽3上，卡槽扳手 32的兩端水平放置于地面上，從而將探測(cè)器30固定在孔口位置處，并卸下鉆桿提引器29。 [0066] (3)電纜線穿過第一根鉆桿:第一根鉆桿采用長(zhǎng)為2m，直徑為89mm的地質(zhì)鉆桿，其 上面部分依次有兩個(gè)卡槽，和探測(cè)器30的一致，且上端部有一個(gè)外接螺紋，下端部有一個(gè)內(nèi) 接螺紋，且內(nèi)接螺紋和外接螺紋相配適;將電纜線12從計(jì)算機(jī)26拔出并將其從第一根鉆桿 中空處穿過，并將卸下的鉆桿提引器29套在第一根鉆桿上面的第二卡槽3上，啟動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)拉 升第一根鉆桿，使其懸吊于探測(cè)器30上方。
[0067] (4)拉升第一根鉆桿與探測(cè)器30連接:操作人員用手扶住懸吊起來的第一根鉆桿， 使第一根鉆桿與探測(cè)器30在豎直方向上對(duì)齊，緩慢下放第一根鉆桿，在即將接觸的同時(shí)旋 轉(zhuǎn)第一根鉆桿，使得第一根鉆桿下部的內(nèi)接螺紋與探測(cè)器30上部的外接螺紋相適配;再將 套管鉗套在第一根鉆桿上，下方的探測(cè)器30通過卡槽扳手32固定住;最后通過套管鉗緩慢 擰緊螺紋使得探測(cè)器30與第一根鉆桿緊密連接。
[0068] (5)下放擰緊的探測(cè)器30與第一根鉆桿，使其固定在孔口：卸下卡槽扳手32,此時(shí) 兩者均懸吊在鉆孔中；通過電纜線12將計(jì)算機(jī)26系統(tǒng)與探測(cè)器30連接，并打開紅外線鉆孔 攝像模式;啟動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)，緩慢放下探測(cè)器30與第一根鉆桿，直到第一根鉆桿上的第二個(gè)卡槽 與孔口位置平齊，此時(shí)紅外線鉆孔攝像儀11在探測(cè)器30下放過程中不斷拍攝并將圖片傳回 計(jì)算機(jī)26進(jìn)行存儲(chǔ)。
[0069] (6)重復(fù)步驟(3)至步驟(5)，直到將探測(cè)器30下放到溶洞內(nèi)部指定位置處。
[0070] 值得說明的是，本申請(qǐng)中僅選取一種鉆孔設(shè)備進(jìn)行說明，但不僅局限于僅此一種 鉆孔設(shè)備，任何能夠通過鉆桿進(jìn)行鉆探的鉆孔設(shè)備均能應(yīng)用在本裝置中進(jìn)行探測(cè)。
[0071] 綜上所述，本實(shí)用新型提供了一種溶洞探測(cè)系統(tǒng)，該溶洞探測(cè)系統(tǒng)包括探測(cè)器及 與探測(cè)器連接的計(jì)算機(jī)，探測(cè)器包括探桿及與探桿底部連接的探頭，探頭包括水平旋轉(zhuǎn)單 元及與水平旋轉(zhuǎn)單元同軸設(shè)置的豎直旋轉(zhuǎn)單元，可根據(jù)探測(cè)需要對(duì)所測(cè)溶洞分別進(jìn)行水平 360度與豎向180度的全方位探測(cè)，豎直旋轉(zhuǎn)單元的下端設(shè)有內(nèi)置轉(zhuǎn)軸固定的旋轉(zhuǎn)桿;旋轉(zhuǎn) 桿上設(shè)有用于探測(cè)鉆孔圍巖情況、溶洞幾何形狀、圍巖情況及充填情況的探測(cè)集成裝置;探 桿內(nèi)部設(shè)有用于采集探測(cè)集成裝置探測(cè)到的信息的信息采集裝置，并通過電纜線傳輸至計(jì) 算機(jī)。通過計(jì)算機(jī)對(duì)探頭的轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行精細(xì)化控制，并可對(duì)探測(cè)模式進(jìn)行靈活切換，通過 鉆機(jī)的鉆桿進(jìn)行探測(cè)器布設(shè)可確保測(cè)試過程中設(shè)備穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠;該系統(tǒng)探測(cè)精度高，有 利于提高巖溶區(qū)工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性與安全穩(wěn)定性。
[0072]最后應(yīng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制； 盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解： 其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等 同替換;而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實(shí)用新型各實(shí)施例技術(shù) 方案的精神和范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種溶洞探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:包括探測(cè)器及與所述探測(cè)器連接的計(jì)算機(jī)，所述探 測(cè)器包括探桿及與所述探桿底部連接的探頭，所述探頭包括水平旋轉(zhuǎn)單元及與所述水平旋 轉(zhuǎn)單元同軸設(shè)置的豎直旋轉(zhuǎn)單元，所述豎直旋轉(zhuǎn)單元的下端設(shè)有通過內(nèi)置轉(zhuǎn)軸固定的旋轉(zhuǎn) 桿;所述旋轉(zhuǎn)桿上設(shè)有探測(cè)集成裝置;所述探桿內(nèi)設(shè)有與所述計(jì)算機(jī)連接的信息采集裝置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溶洞探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述探測(cè)集成裝置包括紅外線鉆 孔攝像儀、三維激光掃描儀及聲波探測(cè)儀，所述三維激光掃描儀包括激光發(fā)射鏡頭及激光 接收鏡頭，所述聲波探測(cè)儀包括聲波發(fā)射器及聲波接收器;所述紅外線鉆孔攝像儀與所述 聲波發(fā)射器分別設(shè)于所述旋轉(zhuǎn)桿兩端的端面，所述激光發(fā)射鏡頭與所述激光接收鏡頭對(duì)應(yīng) 于所述紅外線鉆孔攝像儀設(shè)于所述旋轉(zhuǎn)桿的一端，所述聲波接收器對(duì)應(yīng)于所述聲波發(fā)射器 設(shè)于所述旋轉(zhuǎn)桿的另一端。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的溶洞探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述信息采集裝置包括數(shù)據(jù)能源 集成模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、三維激光掃描儀信號(hào)采集模塊、聲波傳輸信號(hào)采集模塊及紅外線 鉆孔攝像儀信號(hào)采集模塊;所述三維激光掃描儀信號(hào)采集模塊、聲波傳輸信號(hào)采集模塊及 紅外線鉆孔攝像儀信號(hào)采集模塊分別用于采集三維激光掃描儀、聲波探測(cè)儀及紅外線鉆孔 攝像儀的探測(cè)信息，并傳輸至所述信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信息通過所述數(shù)據(jù)能源集 成模塊上傳至所述計(jì)算機(jī)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的溶洞探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述信息采集裝置還包括與信號(hào) 轉(zhuǎn)換模塊連接的羅盤定位模塊，所述羅盤定位模塊用于記錄所述探測(cè)器下降過程中的位置 變化及進(jìn)行探測(cè)時(shí)各個(gè)姿態(tài)的空間信息。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溶洞探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述水平旋轉(zhuǎn)單元包括第一電機(jī) 及水平齒輪旋轉(zhuǎn)裝置，通過所述第一電機(jī)帶動(dòng)所述水平齒輪旋轉(zhuǎn)裝置嚙合以驅(qū)動(dòng)所述探頭 水平旋轉(zhuǎn)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溶洞探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述豎直旋轉(zhuǎn)單元還包括第二電 機(jī)及與所述旋轉(zhuǎn)桿連接的豎向齒輪旋轉(zhuǎn)裝置，通過所述第二電機(jī)帶動(dòng)所述豎向齒輪旋轉(zhuǎn)裝 置嚙合以驅(qū)動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)桿豎直旋轉(zhuǎn)。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溶洞探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述探頭的頂部設(shè)有插頭及第二 外接螺紋，所述探桿的底部對(duì)應(yīng)于所述插頭及第二外接螺紋分別設(shè)有接頭插孔及內(nèi)接螺紋 卡扣。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溶洞探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:還包括至少一根與所述探桿頂部 連接的鉆桿。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的溶洞探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:還包括鉆桿提引器及與所述鉆桿 提引器連接的鉆機(jī)控制平臺(tái)，所述鉆桿提引器與所述鉆桿連接。
【文檔編號(hào)】E21B49/00GK205591910SQ201620352291
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年4月25日
【發(fā)明人】張永杰, 李志強(qiáng), 楊興山, 鄧俊強(qiáng), 邢校崟, 田軍, 楊獻(xiàn)章
【申請(qǐng)人】長(zhǎng)沙理工大學(xué)