CN114646275B - 空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置及测量方法，属于测量装置技术领域。空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置，包括箱体，导向筒上开设有螺旋槽；设置在导向筒内的探测头，探测头的一端设置有传感器，当保护套被拉伸变形时，环形气囊膨胀包覆传感器；设置在箱体上的弹射部，用于将探测头推出导向筒；本发明对溶洞内部进行多点采样收集，确保对溶洞内部的形状进行更为直观、准确的描绘展示，整个结构不仅操作方便且成本低，便于携带者进入复杂地形进行精确的溶洞内部图像采集，简化采集步骤，尤其是对于有些溶洞入口较小，人员无法进入或者溶洞内具有湍流等危险情况时，可以有效保证对溶洞精确探测的同时，确保工作人员的人身安全。

Description

空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及测量装置技术领域，尤其涉及空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置及测量方法。

背景技术

近年来，随着国家基建工程的蓬勃发展，在桥梁或建筑地基施工中，遇到溶洞的情况并不少见，作为地下隐蔽工程，溶洞给施工带来很大困难，特别是在溶洞发育地区，由于地下水和地表水的活动，对这些溶洞周围岩石形成长期的溶蚀作用，而这些岩层的结构面或软弱面往往是地下水活动的最好通道，结果沿着结构面形成溶槽、岩溶水、塌陷、漏斗、地下暗河、溶洞等各种形式的岩溶形态。

施工中，如果在溶洞区遭遇地下地下暗河，更使得建筑基础出现难以预估的风险，一般情况，遇到溶洞地下暗河的处治，多为人工挖孔用浆砌片石或混凝土护壁进行封堵、钻孔机冲孔过程可用抛添片石黏土进行挤封亦或是充填混凝土封堵凝固后继续冲孔穿越，但如果溶洞内有地下暗河则以上措施无法成功封堵，需下钢护筒穿越并运用挖孔与钻孔相结合的施工方法，并且在其施工前需对溶洞内情况进行初步的判断分析。

现有技术中，不进入溶洞的测试多为电测探法、瞬变电磁法和地震映像法等等，该种方法不仅探测成本高、工序复杂、直观性不强且不利于复杂地形的探测，而对于需要进入溶洞进行测量的装置由由于有些岩溶孔洞的入口较小，人员无法进入直接测量和观察，导致数据采集较为困难，故我们提出了空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置及测量方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中测量方式直观性不强且受地形限制难以测量的缺陷，而提出的空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置及测量方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置及测量方法，包括箱体，还包括：活动设置在所述箱体底部的安装座；固定设置在箱体内的导向筒，所述导向筒上开设有螺旋槽；设置在所述导向筒内的探测头，其中，所述探测头上设置有导向块，所述导向块滑动设置在螺旋槽内，所述探测头的一端设置有传感器，所述探测头上设置有环形气囊，所述探测头的另一端设置有保护套，所述保护套与所述环形气囊相连通，当所述保护套被拉伸变形时，所述环形气囊膨胀包覆所述传感器；设置在所述箱体上的弹射部，用于将所述探测头推出所述导向筒。

为了便于控制探测头的行进距离，优选地，所述弹射部包括：固定设置在所述箱体上的缸筒，其中，所述缸筒内滑动设置有推杆，所述推杆的一端延伸至所述导向筒内，所述推杆的另一端设置有活塞；设置在所述箱体上的安装板，其中，所述安装板上固定设置有控制台，所述控制台的一端与所述缸筒相连通，所述控制台的另一端可拆卸设置有压缩气罐。

为了简化携带装备量，提升设备灵活性，进一步地，所述安装板上设置有卡箍，所述压缩气罐可拆卸设置在卡箍上，所述压缩气罐的输出端螺纹连接在控制台上，所述控制台上设有控制按钮。

为了提升设备的续航能力，提升数据采集量，优选地，所述安装板上固定设置有气泵，所述压缩气罐上设置有进气嘴，所述气泵的输出端与进气嘴相连通。

为了保证探测头行进方向的精确性，进一步地，还包括套设在所述推杆上的弹簧和防撞垫，所述弹簧的两端分别于所述防撞垫和箱体相连，所述防撞垫与活塞相配合。

为了提升导线的使用寿命，优选地，所述探测头远离传感器的一端设置有导线，所述保护套包覆在所述导线上。

为了降低探测头发射的摩擦力，提升发射方向精度，进一步地，所述导向块上开设有球形槽，所述球形槽内设置有滚珠，所述滚珠与螺旋槽相配合。

为了精确调节导向筒的对准方向，提升采集数据的精确性，优选地，还包括：固定设置在所述箱体底部的转动板；固定设置在所述安装座上的调节柱，其中，所述调节柱上转动设置有调节盘，所述调节盘顶部设置有铰接座，所述转动板通过旋钮锁紧在所述铰接座上；转动设置在所述调节柱上蜗杆，其中，所述蜗杆的一端设置有驱动轮，所述调节盘的底部设置有与蜗杆相啮合蜗轮盘。

为了便于携带和使用，提升现场数据采样的直观性，优选地，还包括固定设置在箱体内的测距仪和摄像头。

一种使用空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置的测量方法，包括如下步骤：

S1：测量待测溶洞深度和大致延伸方向；

S2：将安装座固定在三脚架上，调节探测头的发射方向；

S3：选取合适气压的压缩气罐安装于缸筒上；

S4：启动控制台，将探测头弹射出导向筒，并记录探测头返回的测量数据；

S5：收回探测头；

S6：更换具有不同螺旋槽的导向筒，重复步骤S3、步骤S4和S5。

与现有技术相比，本发明提供了空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置及测量方法，具备以下有益效果：

1、该空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置，通过活动连接件如球形铰接的方式自由调节转向和朝向，便于在复杂地形上进行准确操作，确保采集数据的全面性和精确性；

2、该空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置，通过在探测头移动的路线上，以不同的自转速度，多方位、全方面的识别溶洞内的情况，为后续模拟成型提供准确参照；

3、该空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置，通过使保护套内填充的气体可以在受到拉伸变形或挤压时向环形气囊内转移，从而使环形气囊内部充满气体膨胀包覆传感器，防止传感器受到撞击损毁，在收回后，通过打开环形气囊上的泄压阀可以释放环形气囊内的气体，并将环形气囊收回探测头内部，便于下次使用；

4、该空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置，通过气泵为压缩气罐补充气体，并且可以为压缩气罐充不同压力的气体，从而减少携带压缩气罐的数量，为野外工作提供便捷性的同时，确保采集数据的全面性；

5、该空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置，通过增设了缓冲弹簧，可以在保证推杆具有可控推力和推进距离的前提下，使事先固定的导向筒的发射角度得到稳固，方便二次同方向探测，在减少调节时间的同时，为后续多样数据的整合对比形成溶洞内部图形提供便利；

6、该空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置，通过滚珠与螺旋槽的一侧壁贴合，降低摩擦，提升探测头的弹射灵敏度和行进距离的精确性，为溶洞内的数据采集提供更为精准的保证；

7、该空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置，通过转动板可以在铰接座上自由改变俯仰角，便于工作人员对准溶洞洞口，并且在转动板的一侧设有指针，可以在箱体改变俯仰角的过程中，通过指针配合铰接座上的量角器直接读出俯仰角数值，从而使用工作人员对后续再次测量时可以直接进行比对和查找；

8、该空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置，通过摄像头对溶洞位置、内部大致形状及洞口形状进行拍照取样，方便工作人员对溶洞内部采集的数据进行对号排布，使施工人员查看时更具直观性。

该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现，本发明对溶洞内部进行多点采样收集，确保对溶洞内部的形状进行更为直观、准确的描绘展示，整个结构不仅操作方便且成本低，便于携带者进入复杂地形进行精确的溶洞内部图像采集，简化采集步骤，尤其是对于有些溶洞入口较小，人员无法进入或者溶洞内具有湍流等危险情况时，可以有效保证对溶洞精确探测的同时，确保工作人员的人身安全。

附图说明

图1为本发明提出的空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置的主视图；

图2为本发明提出的空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置的左视图；

图3为本发明提出的空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置的俯视图；

图4为本发明提出的空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置图1中A部分的结构示意图；

图5为本发明提出的空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置探测头的结构示意图一；

图6为本发明提出的空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置探测头的结构示意图二；

图7为本发明提出的空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置导向筒的结构示意图一；

图8为本发明提出的空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置导向筒的结构示意图二；

图9为本发明的结构示意图。

图中：1、箱体；101、转动板；102、指针；103、握把；2、测距仪；3、摄像头；4、导向筒；401、螺旋槽；5、调节盘；501、铰接座；502、旋钮；6、调节柱；601、蜗杆；602、驱动轮；603、安装座；7、探测头；701、导向块；702、球形槽；703、滚珠；704、环形气囊；8、传感器；801、导线；9、保护套；10、防撞垫；11、缸筒；12、推杆；13、活塞；14、控制台；15、安装板；16、压缩气罐；17、气泵；18、卡箍；19、弹簧。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。

参照图1、图2、图3、图5、图6、图7和图8，空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置及测量方法，包括箱体1，还包括：活动设置在箱体1底部的安装座603，安装座603可以安装在三角支架上，箱体1则可以通过活动连接件如球形铰接的方式自由调节转向和朝向，便于在复杂地形上进行准确操作，确保采集数据的全面性和精确性；通过螺纹或卡接、过盈配合等方式固定设置在箱体1内的导向筒4，导向筒4上开设有固定螺距的螺旋槽401两组；设置在导向筒4内的探测头7，其中，探测头7上设置有两组导向块701，当探测头7进入或弹出导向筒4时，由于导向块701滑动设置在螺旋槽401内，可以使探测头7实现自转，并且根据螺距的不同，探测头7的转动圈数也有不同，根据此方式，可以在探测头7移动的路线上，以不同的自转速度，多方位、全方面的识别溶洞内的情况，为后续模拟成型提供准确参照，探测头7的一端设置有传感器8，在此处，传感器8优先选用具有高精度的LDS激光测距型，其能以5×360°/秒的速度在行进过程中扫描溶洞内的情况，后期可以通过SLAM算法，同时估计探测头7的位姿和环境地图，准确、实时地构建溶洞内部形状，并且在探测头7上设置有环形气囊704，探测头7的另一端设置有保护套9，保护套9与环形气囊704相连通，并且在探测头7内部的保护套9环形气囊704连通的位置设有单向溢流阀，使保护套9内填充的气体可以在受到拉伸变形或挤压时向环形气囊704内转移，从而使环形气囊704内部充满气体膨胀包覆传感器8，防止传感器8受到撞击损毁，在收回后，通过打开环形气囊704上的泄压阀可以释放环形气囊704内的气体，并将环形气囊704收回探测头7内部，便于下次使用；设置在箱体1上的弹射部，弹射部主要为探测头7的弹出提供动能，其可以为固定弹性的橡胶拉绳，用于将探测头7推出导向筒4。

在探测头7弹射出导向筒4内时，会根据弹射推力和螺旋槽401的螺距，改变其自转的速度和行进的速度，而由此，则可以很好的实现对溶洞内部进行多点采样收集，确保对溶洞内部的形状进行更为直观、准确的描绘展示，整个结构不仅操作方便且成本低，便于携带者进入复杂地形进行精确的溶洞内部图像采集，简化采集步骤，尤其是对于有些溶洞入口较小，人员无法进入或者溶洞内具有湍流等危险情况时，可以有效保证对溶洞精确探测的同时，确保工作人员的人身安全。

参照图2和图3，作为为探测头7提供弹射动力的另一种方式，将弹射部细化为包括：固定设置在箱体1上的缸筒11，其中，缸筒11内滑动设置有推杆12，推杆12的一端延伸至导向筒4内抵住探测头7，防止推杆12弹射时对探测头7造成冲击，亦或是在推杆12与探测头7接触的位置设置成橡胶或硅胶材质，降低冲击力，使探测头7在推出时有足够的缓冲启动时间，防止探测头7卡死，推杆12的另一端设置有活塞13，并且可以在活塞13上设置金属材质的垫片，另外设置在箱体1上的安装板15，其中，安装板15上固定设置有控制台14，在控制台14上设有控制按钮和指示灯，当活塞13完全复位后，垫片会作为导体使指示灯导电亮起，提示工作人员，为后续的弹射力度精确性提供保证，并且控制台14的一端与缸筒11相连通，安装板15上设置有卡箍18，压缩气罐16可拆卸设置在卡箍18上，压缩气罐16的输出端螺纹连接在控制台14上，通过压缩气罐16的突然导通与闭合，为推杆12提供动力，并且在具体使用时，可以携带提前充满气体且测压完毕的多组不同压力的压缩气罐16，方便在野外不具备电力供应的情况下，保证探测头7可以有效的、完整的采集溶洞内部的数据。

参照图2，作为另一种实施方式，在可以提供有效电力供给的情况下，可以在安装板15上固定设置有气泵17，压缩气罐16上设置有进气嘴，气泵17的输出端与进气嘴相连通，通过气泵17为压缩气罐16补充气体，并且可以为压缩气罐16充不同压力的气体，从而减少携带压缩气罐16的数量，为野外工作提供便捷性的同时，确保采集数据的全面性。

参照图3，另外，还包括了套设在推杆12上的弹簧19和防撞垫10，弹簧19的两端分别于防撞垫10和箱体1相连，防撞垫10与活塞13相配合，在推杆12弹射动力的过程中，为了防止推杆12直接冲击箱体1，造成箱体1的偏移或倾侧，增设了缓冲弹簧19，可以在保证推杆12具有可控推力和推进距离的前提下，使事先固定的导向筒4的发射角度得到稳固，方便二次同方向探测，在减少调节时间的同时，为后续多样数据的整合对比形成溶洞内部图形提供便利。

参照图5和图6，探测头7远离传感器8的一端设置有导线801，保护套9包覆在导线801上，在保护套9内充有气体的情况下可以对导线801提供保护，并且保护套9内填充的气体可以由人工吹送或使用气泵17供气，导向块701上开设有球形槽702，球形槽702内设置有滚珠703，滚珠703与螺旋槽401相配合，在探测头7弹射出导向筒4内的过程中，滚珠703会与螺旋槽401的一侧壁贴合，降低摩擦，提升探测头7的弹射灵敏度和行进距离的精确性，为溶洞内的数据采集提供更为精准的保证。

参照图1、图2和图4，还包括：固定设置在箱体1底部的带有阻力摩擦面的转动板101；固定设置在安装座603上的调节柱6，其中，调节柱6上转动设置有调节盘5，调节盘5顶部设置有铰接座501，转动板101通过旋钮502锁紧在铰接座501上，手持箱体1上的握把103通过转动板101可以在铰接座501上自由改变俯仰角，便于工作人员对准溶洞洞口，并且在转动板101的一侧设有指针102，可以在箱体1改变俯仰角的过程中，通过指针102配合铰接座501上的量角器直接读出俯仰角数值，从而使用工作人员对后续再次测量时可以直接进行比对和查找；转动设置在调节柱6上蜗杆601，其中，蜗杆601的一端设置有驱动轮602，调节盘5的底部设置有与蜗杆601相啮合蜗轮盘，手动旋转驱动轮602可以带动调节盘5转动，从而控制导向筒4在水平面的发射方向，保证且在不改变三脚架位置的情况下，具有更多的测量范围，大大提升工作的灵活性。

参照图1、图2和图3，还包括固定设置在箱体1内的测距仪2和摄像头3，在使用时，可以单独的使用测距仪2测量溶洞的深度，也可以使用箱体1自带的测距仪2进行测量，并且可以通过摄像头3对溶洞位置、内部大致形状及洞口形状进行拍照取样，方便工作人员对溶洞内部采集的数据进行对号排布，使施工人员查看时更具直观性。

参照图1、图2、图3、图6、图7、图8和图9，我们在空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置的基础上提出了使用该装置对溶洞内部进行测量的方法，包括如下步骤：

S1：首先使用单独有的测距仪2或设备自带的测距仪2测量待测溶洞深度和大致延伸方向，主要用来确定后续探测头7的主要行进路径和数据采样路径；

S2：将安装座603固定在三脚架上，调节探测头7的发射方向，根据S1确定的方向进行发射，对溶洞内部进行采样；

S3：选取合适气压的压缩气罐16安装于缸筒11上，对于推杆12的推力计算，采用公式：无杆腔截面积*工作气压力＝推杆12的推力，由此判断探测头7的行进距离，防止其撞在溶洞内壁上，从而有效的保护其上的传感器8；

S4：启动控制台14，将探测头7弹射出导向筒4，并记录探测头7返回的测量数据；

S5：收回探测头7；

S6：更换具有不同螺旋槽401的导向筒4，即可以改变螺旋槽401的螺距或单位距离长度内的圈数，使探测头7在弹射出去时具有不同的自转速度，最后重复步骤S3、步骤S4和S5，从而控制相同距离下的采样疏密性，提升对溶洞内部绘制的精确性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置，包括箱体(1)，其特征在于，还包括：

活动设置在所述箱体(1)底部的安装座(603)；

固定设置在箱体(1)内的导向筒(4)，所述导向筒(4)上开设有螺旋槽(401)；

设置在所述导向筒(4)内的探测头(7)，

其中，所述探测头(7)上设置有导向块(701)，所述导向块(701)滑动设置在螺旋槽(401)内，所述探测头(7)的一端设置有传感器(8)，所述探测头(7)上设置有环形气囊(704)，所述探测头(7)的另一端设置有保护套(9)，所述保护套(9)与所述环形气囊(704)相连通，当所述保护套(9)被拉伸变形时，所述环形气囊(704)膨胀包覆所述传感器(8)；

传感器选用激光测距型传感器；

设置在所述箱体(1)上的弹射部，用于将所述探测头(7)推出所述导向筒(4)。

2.根据权利要求1所述的空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置，其特征在于，所述弹射部包括：

固定设置在所述箱体(1)上的缸筒(11)，

其中，所述缸筒(11)内滑动设置有推杆(12)，所述推杆(12)的一端延伸至所述导向筒(4)内，所述推杆(12)的另一端设置有活塞(13)；

设置在所述箱体(1)上的安装板(15)，

其中，所述安装板(15)上固定设置有控制台(14)，所述控制台(14)的一端与所述缸筒(11)相连通，所述控制台(14)的另一端可拆卸设置有压缩气罐(16)。

3.根据权利要求2所述的空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置，其特征在于，所述安装板(15)上设置有卡箍(18)，所述压缩气罐(16)可拆卸设置在卡箍(18)上，所述压缩气罐(16)的输出端螺纹连接在控制台(14)上，所述控制台(14)上设有控制按钮。

4.根据权利要求2或3所述的空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置，其特征在于，所述安装板(15)上固定设置有气泵(17)，所述压缩气罐(16)上设置有进气嘴，所述气泵(17)的输出端与进气嘴相连通。

5.根据权利要求4所述的空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置，其特征在于，还包括套设在所述推杆(12)上的弹簧(19)和防撞垫(10)，所述弹簧(19)的两端分别于所述防撞垫(10)和箱体(1)相连，所述防撞垫(10)与活塞(13)相配合。

6.根据权利要求1所述的空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置，其特征在于，所述探测头(7)远离传感器(8)的一端设置有导线(801)，所述保护套(9)包覆在所述导线(801)上。

7.根据权利要求1或6所述的空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置，其特征在于，所述导向块(701)上开设有球形槽(702)，所述球形槽(702)内设置有滚珠(703)，所述滚珠(703)与螺旋槽(401)相配合。

8.根据权利要求1所述的空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置，其特征在于，还包括：

固定设置在所述箱体(1)底部的转动板(101)；

固定设置在所述安装座(603)上的调节柱(6)，

其中，所述调节柱(6)上转动设置有调节盘(5)，所述调节盘(5)顶部设置有铰接座(501)，所述转动板(101)通过旋钮(502)锁紧在所述铰接座(501)上；

转动设置在所述调节柱(6)上蜗杆(601)，

其中，所述蜗杆(601)的一端设置有驱动轮(602)，所述调节盘(5)的底部设置有与蜗杆(601)相啮合蜗轮盘。

9.根据权利要求1所述的空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置，其特征在于，还包括固定设置在箱体(1)内的测距仪(2)和摄像头(3)。

10.一种使用权利要求2所述的空间受限岩溶空洞的内轮廓测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：测量待测溶洞深度和大致延伸方向；

S2：将安装座(603)固定在三脚架上，调节探测头(7)的发射方向；

S3：选取合适气压的压缩气罐(16)安装于缸筒(11)上；

S4：启动控制台(14)，将探测头(7)弹射出导向筒(4)，并记录探测头(7)返回的测量数据；

S5：收回探测头(7)；

S6：更换具有不同螺旋槽(401)的导向筒(4)，重复步骤S3、步骤S4和S5。

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