一種鉆孔開孔方位角、傾角定位裝置及其定位方法
【技術領域】
[0001]本發明屬隧道、礦山以及其他地下工程各類鉆孔施工領域，具體涉及一種地下工程各類鉆孔開孔方位角、傾角定位裝置及其定位方法。
【背景技術】
[0002]我國目前隧道、地鐵、水電站、礦山等地下工程建設事業蓬勃發展，在地下工程施工中往往會遇到異常的不良地質環境而發生突水突泥、圍巖變形甚至垮塌等重大地質災害。對地質災害的治理都離不開打鉆，因此打鉆施工質量是否合格直接關系到工程的成敗。而影響鉆孔施工質量的關鍵之一是鉆孔開孔軌跡的定位的準確性，即對鉆孔方位角、傾角精確定位。鉆孔開孔前需要方便、快捷、準確地對鉆孔的方位角、傾角進行定位，避免出現較大誤差，保證打鉆施工質量。
[0003]目前，現場一般采用吊線，使用坡度規、經瑋儀等儀器對鉆桿方位角、傾角進行測量，每次測量完成后，調整鉆桿角度需要對鉆機整體調整，調整鉆機后再對鉆桿角度進行測量，這樣“一靜一動一靜”循環往復的測量方式效率低，盲目性，誤差大。另外注漿鉆孔注漿后復孔時需要重新調整鉆機，重新依據鉆孔定位參數對鉆桿定位，以保證鉆桿能沿鉆孔定位軌跡重合，從而保證鉆孔施工質量。由于受測量操作人員變化，不同人員技能水平和經驗不同的影響，不同次數選取坡度規基準點位置容易出現變化，造成測量數據誤差大，而且操作中至少需要兩人完成。因此使用一種單人可操作、快速準確、動態一體化的定位鉆孔開孔方位角、傾角的定位儀器是很必要的。
[0004]湖南湘西永順縣龍永高速公路大壩隧道出現巖溶涌水，嚴重影響著隧道安全。為此要進行帷幕注漿堵水，施工中使用了履帶式全液壓鉆機。由于施工鉆孔布設在隧道內，鉆孔數量多，鉆孔方位角，傾角變化大，給注漿堵水鉆孔開孔帶來了極大難度。應用傳統的吊線使用坡度規方法，不僅耗時耗工，而且誤差大，嚴重影響著鉆孔施工精度和施工進度。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種鉆孔開孔方位角、傾角定位裝置及其定位方法，該測定裝置單人可操作，可快速準確、動態一體化的測量鉆桿的方位角、傾角。其關鍵技術步驟是首先是測量和調整鉆機上鉆桿的傾角和方位角，使之與設計的鉆孔軌跡的傾角和方位角相同，從而保證鉆桿和設計的鉆孔的軸線重合；鉆桿定好后，開動鉆機，帶動鉆桿頂端的鉆頭鉆進成孔，鉆孔到設計深度后，下入孔口管；孔口管即起到鉆孔定位的作用；孔口管軸線的方位角和傾角參數即為設計的鉆孔定位參數。
[0006]為實現上述目的，本發明采用下述技術方案:
[0007]—種鉆孔開孔方位角、傾角定位裝置，包括基座單元，用于與鉆桿相連接并固定整個定位裝置；固定于基座單元上的調節單元，調節單元用于調節傾角測量單元和方位角測量單元的基準位置；固定于調節單元上的傾角測量單元和方位角測量單元，傾角測量單元用于測量鉆孔開孔的傾角，方位角測量單元用于測量鉆孔開孔的方位角。
[0008]所述基座單元包括上半圓管和下半圓管，所述上半圓管和下半圓管連接成圓管；所述上半圓管的拱頂處固定支撐筒，支撐筒的軸線與上半圓管的軸線垂直，支撐筒用于支撐調節單元；所述上半圓管的兩側肩上固定有若干組調向連接件，同一組調向連接件位于同一水平直線上，所述下半圓管的拱頂處垂直固定有若干個緊固連接件，緊固連接件與相對應的同一組調向連接件位于同一平面內。
[0009]所述上半圓管和下半圓管的一側鉸接，上半圓管和下半圓管的另一側扣合并通過鎖緊裝置鎖緊，鎖緊裝置將上半圓管和下半圓管緊密扣合在一起。
[0010]所述調向連接件穿過上半圓管管壁，且調向連接件在上半圓管內的長度小于上半圓管的半徑。
[0011]所述支撐筒上連接兩個固定連接件，其中一個固定連接件軸線與上半圓管軸線平行，另一個固定連接件軸線與上半圓管軸線垂直，且兩個固定連接件位于兩不同平面內；通過兩個不在同一平面的固定連接件將支撐筒與調節單元緊固的連接在一起。
[0012]所述調節單元包括主支撐，主支撐用于與基座單元連接；所述主支撐上部與U形架的底邊相垂直固定連接，且U形架的兩側邊與主支撐相平行；所述U形架的兩側邊的上部設有套環，所述套環內穿有橫軸，且橫軸可在套環內轉動；所述橫軸下部通過與橫軸相垂直的重錘桿連接有重錘；所述橫軸上設有與橫軸軸線平行的條形氣泡水準儀。
[0013]所述U形架側邊的軸線與套環的軸線相垂直。
[0014]優選的，所述主支撐連接于U形架底邊的中心處；可以平衡主支撐兩側承受重錘的重量，使主支撐不致因為受力不均而導致一側受損。
[0015]優選的，所述U形架的兩側邊與套環之間設有腳螺旋和短接管，所述腳螺旋將U形架的側邊與短接管連接，所述短接管與套環固定連接；可以通過調整腳螺旋調整條形氣泡水準儀水平。
[0016]所述傾角測量單元包括傾角主測機構和傾角輔測機構，所述傾角主測機構固定于橫軸上，所述傾角輔測機構固定于上半圓管的拱頂處。
[0017]所述傾角主測機構包括傾角刻度盤，傾角刻度盤的刻度盤面為半圓盤面，半圓盤面的中心固定在橫軸的中點處，且傾角刻度盤的刻度盤面與橫軸的軸線垂直；所述半圓盤面帶刻度的一面配合有定心環，所述定心環上連接傾角激光器，且傾角激光器的中軸線指向定心環的圓心，所述定心環套于橫軸上，帶動傾角激光器繞橫軸作圓周運動。
[0018]所述傾角刻度盤的刻度盤面以圓弧邊中點位置為零度，順時針方向刻度為負，逆時針方向刻度為正，且測量角度均為90度；傾角刻度盤的刻度盤面以橫軸所在的水平面上下平分。
[0019]所述傾角刻度盤上設有環狀溝槽，環狀溝槽的圓心與傾角刻度盤的刻度盤面的圓心重合，環狀溝槽弧度為π ;所述傾角激光器的端部與定位件固定連接，所述定位件穿過傾角刻度盤的環狀溝槽；通過定位件穿過傾角刻度盤上的環狀溝槽，可以準確調整傾角激光器在傾角刻度盤上的位置。
[0020]所述傾角輔測機構包括定向桿，所述定向桿的頂端固定有傾角目苗準環，所述定向桿的下部設有基座定向孔，定向桿的底端固定在上半圓管的拱頂處，且定向桿的軸線垂直于上半圓管的軸線；所述傾角目苗準環的軸線與定向桿的軸線垂直；基座定向孔的軸線與傾角激光器下傾30度時發出的激光線重合。
[0021]所述定向桿的下端面圓心與支撐筒下端面圓心位于同一直線上；所述傾角瞄準環的軸線指向定心環的圓心；確保定向桿的軸線與支撐筒的軸線位于同一平面內，確保傾角激光器的初始位置，即傾角激光器位于零度位置時穿過傾角瞄準環。
[0022]所述方位角測量單元包括方位角主測機構和方位角輔測機構，所述方位角輔測機構包括托桿，所述托桿上部固定有與托桿垂直的方位角刻度盤，所述托桿底端固定于橫軸上，托桿的軸線與橫軸的軸線垂直；所述方位角刻度盤為圓盤面，所述方位角刻度盤上固定方位角主測機構；所述方位角主測機構包括旋轉圓盤，旋轉圓盤與方位角刻度盤同軸設置；所述旋轉圓盤的外圓弧邊上固定有右測距激光器、左測距激光器和方位角激光器，所述右測距激光器、左測距激光器和方位角激光器均與固定在旋轉圓盤上的控制器連接。
[0023]所述方位角刻度盤的刻度盤面以垂直橫軸軸線的直徑所在的圓弧邊位置為零度、以平行橫軸軸線的直徑所在的圓弧邊位置為90度作刻度。
[0024]所述右測距激光器、左測距激光器和方位角激光器的軸線在同一平面內，且右測距激光器、左測距激光器和方位角激光器的軸線均指向旋轉圓盤圓心，方位角激光器的軸線是右測距激光器的軸線與左測距激光器的軸線所成夾角的角平分線；方位角激光器位于角平分線上，根據“面面相交成直線”、“等腰三角形角平分線垂直于底邊”定理，當兩測距激光器所測距離接近相等時，方位角激光器激光接近垂直于巖壁。另外測距激光器為紅外線激光器。
[0025]所述右測距激光器的軸線與方位角激光器額軸線夾角為45度，左測距激光器的軸線與方位角激光器的軸線夾角為45度。當夾角過小時，由于巖壁不平滑造成兩測距激光器距離差所占實際距離差比例過大，反面來說，即使方位角激光器與巖壁垂直，會因巖壁不平滑造成兩測距激光器距離差而不進行指示垂直；當夾角過大時，測距激光器會因巖壁面較窄而照射不到巖壁