一种用于洞室高处开裂近距离观察的方法及装置 【技术领域】
本发明涉及洞室高处围岩开裂近距离观察的方法及装置。
本发明也可用于现代地下工程高处围岩衬砌和喷射混凝土层开裂的观察。
背景技术
对于洞室工程的长期保护和位于其中的人员安全来说，对采用常规方法不易检查到的高处开裂进行准确的观察是最重要的措施之一。
在一般洞室的长期保护和旅游开发中，洞室围岩的开裂不仅说明发生开裂之处的应力已超过其强度，而且还存在着由于围岩开裂而造成应力重分布和邻近岩体强度的下降，从而可能导致新的开裂。如果预先没有发现围岩开裂的存在，那么开裂就有可能发展而发生塌方，造成洞体严重破坏甚至入洞者(包括游客和管理者)的伤亡，从而形成灾难。
为了解决上述问题，首先需要争取某种技术来确定开裂的位置和尺寸等，同时搞清它们的特征，以便进一步了解其成因，并对它们的发展趋势作出预测。从而为采取工程处理的设计和洞室保护等提供科学依据。因此以往主要采用三种开裂检查方法技术对可能产生开裂的部位进行检查：
肉眼观察：即靠肉眼对可能产生开裂的部位进行观察。即使观察高度为4米，对一些细微的开裂(如宽度小于0.2毫米的开裂)进行正确的观察也是十分困难的；当观察更高(如高度超过10米)时，则几乎是不可能的；
望远镜观察：即借助于高倍望远镜对可能产生开裂的部位进行观察。观察的高度和精度远高于肉眼目测，但由于难以做到近距离观察，以及观察视线的角度往往与被观察平面不垂直等(且观察的对象越高、观察视线与被观察平面的夹角越小，就越看不清楚)，而使观察结果与实际情况出现偏差。
所以用望远镜观察洞室高处开裂的效果，虽然远优于肉眼观察，但还不够理想。例如2008年5月采用望远镜对浙江龙游石窟5号洞两边墙与顶板交界处(高约10米)的观察效果(即多条宽度约0.5毫米的开裂)，也是同观察者不同而不同，难以定论。
搭架观察：为了对开裂进行近距离观察，往往依靠着待观察对象(墙或柱)搭脚手架，让观察者登上所搭的架，以便进行近距离观察。应当说，这是最直接的近距离观察，对开裂的观察和观察的效果都很好，但仍存在三个问题：第一，观察者上下脚手架很不方便；第二，登上脚手架的观察者有一定危险性；第三，搭脚手架需要较长时间和花较多的经费(例如龙游石窟管理处于2008年12月22～24号为4号洞4-2号岩柱搭建脚手架共花费6000元)。
龙游石窟至少有7根岩柱(编号分别为2-1，2-2，3-2，4-2，4-3，4-4，5-1，5-2号岩柱)和至少7座墙(编号分别为北墙、西墙、2号洞南墙、3号洞东墙、4号洞东墙和5号洞东墙和西墙)。如果为确保安全，每季度或每半年查一次，则花费数额将会高达数十万元。还应指出，一次所搭的脚手架通常因为实际需要(如旅游等)而不允许保留下去，即只做需要时建，不需要时拆。因此，对于搭建观察，虽然效果很好，但对于管理部门来说，其经济负担相当大。
【发明内容】
为了解决上述以往所用开裂观察方法所存在的问题，以提高洞高处开裂观察的效率和节约观察经费。于是，申请者提出了本发明。
本发明公开了一种可用于洞室高处开裂近距离观察的方法及装置，包括以下步骤：一、为了确定洞室高处(4米以上，20米以下的部位)是否产生开裂，在位于待观察部位下方的地面上选择合适的位置，安装底脚螺栓，并通过它们立起多节立柱的底节柱和顶节柱；二、在立柱顶端安装横臂；三、在横臂上的凹槽内安装一个移动柱，该移动柱可沿着横臂作水平向移动；四，在移动柱上安装云台装置和可控焦距的高倍摄像头；五、借助于两个活动把手不断加高多节立柱，使横臂、移动柱等装置升高到预定的高度；六、通过拉动移动柱两侧的拉绳和横臂上凹槽内钢珠的旋转，实现对移动柱作水平向移动的调控；七、借助于笔记本式计算机和装置上的云台实现摄像头焦距和方向(包括仰俯、左右转动等)的调控，并通过笔记本式计算机读取图像信息，实现对洞室高处开裂的近距离观察。
相比之下，本发明与上述古洞高处开裂观察的以往方法技术(即肉眼观察、望远镜观察和搭架观察等方法技术)，具有以下优势：
(1)在开裂观察效果上，本发明远高于肉眼观察和望远镜观察，除非开裂位置足够低的情况。
(2)在开裂观察效果上，本发明接近上述搭架观察的效果，但与后者相比，本发明具有以下几点明显的优势：
第一，搭架观察需要长达数天的较长时间。相比之下，采用本发明进行高处开裂观察显得更加方便；
第二，搭架观察方法在搭架过程和观察者登高观察过程中具有一定的危险性，但采用本发明进行观察时，只要严格按照规定的方法步骤进行，就能确保安全；
第三，在开裂观察经费上，装置是可重复性使用的。本发明方法由于不需要搭架而使其观察经费远低于上述搭架观察的经费；
第四，从旅游角度看，搭架观察方法所必需的所搭之架与旅游场面很不协调。
【附图说明】
图1是本发明所述用于洞室高处开裂近距离观察装置的基本结构示意图；
图2是保护盖示意图；
图3是横臂上带钢珠凹槽示意图；
图4下端为凸形的移动柱示意图；
图5节柱的示意图；
图6第一节柱与顶节柱连接并被抬升后剖面图(图1I-I剖面).
其中附图标记说明：
1-钢筋混凝土板 2-底板土层 3-砂浆 4-螺栓 5-底节柱
6-底节柱的底板 7-螺柱 8-垫圈 9-螺母 10-顶节柱
11-螺钉 12-底节柱的顶盘 13-横臂的底盘
14-移动柱 15-拉绳 16-摄像头
17-云台 18-顶节柱前后圆孔 19-底节柱右圆孔
20-顶节柱左右圆孔 21-笔记本式计算机 22-信号传输线
23-钢珠 24-拉绳槽 25-挂钩 26-云台与移动柱连接件
27-把手 28-螺杆 29-垫片 30-螺母
【具体实施方式】
(一)根据对洞室的工程地质判断、数值分析及已经出现的开裂破坏和掉块等，给出可能出现开裂或开裂可能发展的待观察部位，包括高4米～20米的岩柱、边墙和顶板等部位。在待观察部位下方的底板上选择合适部位，将预制的长方形钢筋混凝土板1埋设在底板土层2中，并压实。该钢筋混凝土板上表面的4个角分别用砂浆3埋设4个固定螺栓4，以便与位于钢筋混凝土板上方底节柱5的底板6固定在一起。
还需说明，当不观察时，为了保护这些固定螺栓，也为了行人行进时不至于踢到它们，作者为之设计了一硬塑料保护盖(图2)。设计中作了以下考虑：
![]()
为避免游人踢到钢筋混凝土板上的4个螺栓而受到伤害，将保护盖设计成“坡”状；
![]()
为方便焊住螺栓，针对螺栓而设计的内凹空圆柱的直径和高度都分别略大于螺栓的相应尺寸；
![]()
为加盖或取下的方便，在保护盖“坡”顶附近留两个对穿的小圆孔；
![]()
为节约材料和减轻它的重量，在保护盖的中下部留一较大的长方形空间；
![]()
为降低保护盖的加工成本，也可改用钢筋混凝土制造。
(二)如图1所示，分别使4个螺柱7穿过底节柱5底板6的相应圆孔，并拧紧垫圈8和螺母9，使底节柱牢固地与混凝土板相连。
(三)将顶节柱10放入底节柱5中，并借助于螺钉11，将其顶盘12与横臂底盘13相接。在横臂上的凹槽中放入下端为凸形，与凹槽相吻合的移动柱(图4)，在移动柱两端偏下部位的挂钩25上挂牢拉绳15，并将拉绳经由横臂边缘中部的拉绳槽24垂到地面。在移动柱上的连接件26固定摄像头16及云台17。
(四)为了升高多节立柱，以便使云台17和高倍摄像头16升到待观察部位的高度。其升高思路是在多节立柱的底节柱9与顶节柱10之间逐次加接第一节柱、第二节柱等。
1、将一根把手从顶节柱10的一组两个圆孔18内穿过。
2、操作者的两手(或由两个操作者)分别握住穿过两个圆孔18的把手，缓慢地将顶节柱10连同横臂等装置上抬。继续抬高把手，当位于底节柱5左右两侧相隔180°的圆孔19与顶节柱左右两侧相隔180°的圆孔20重合时，通过四个圆孔插入另一把手27，以实现将顶节柱托住。
(五)为了将第一节柱装入底节柱，并与顶节柱相接，它的下端与顶节柱的下端相同，上端则具有如下特征：a能将顶节柱下端套入，b具有对应顶节柱下端四个圆孔方位的圆孔，具体由图5所示。
将第一节柱通过底节柱前面留有的空隙，将其上端套在顶节柱的下端，并且使顶节柱和该节柱的四个圆孔相重合。用一根螺杆28通过前后两圆孔，在螺杆28两端各加一垫片29和螺母30，由此将顶节柱与第一节柱牢固在一起。具体由图6所示。
需要指出的是：
a、在底节柱前面留有的空隙(图6h
1)稍大于或等于放进第一节柱外径的宽度，后面留有的空隙宽度(图6h
2)可较窄，只需能通过把手和螺杆即可。
b、穿过圆孔的螺杆28，后面伸出孔外的长度(图6h
3)小于底节柱厚度(图6h
4)。
(六)第二节柱的结构与第一节柱相同(图5)，装配方法也相同。
a、按照步骤(五)，安第二节柱。
b、类似地，按照步骤(四)～(六)，安装第三节柱等，使多节柱的高度达到逐步提升，直到预期的高度为止。
(七)借助于移动柱两侧的拉绳15和凹槽内的钢珠23，人在地面通过轻微拉动拉绳15使移动柱14作水平向缓慢移动，以扩大高倍摄像头16在横向上的观察范围。
(八)利用位于地面上的笔记本式计算机21有线22遥控云台17将高倍摄像头16的观察角度和焦距调到最合适，以开展对洞室高处进行观察(包括对被检查对象进行摄像)。
(九)对古洞室围岩高处开裂的观察结束后，按上述(八)至(二)的顺序依次拆除观察装置，归箱，另外，用图2所示的保护盖将位于钢筋混凝土板1上表面的4个螺栓4盖好。