一种挖-埋-填一体化的传感器安装装置及使用方法与流程

本发明涉及传感器监测与机械开挖施工领域，尤其涉及一种可以减少传感器埋设范围内土壤过度开挖造成环境扰动较大，监测数据受影响的挖-埋-填一体化的传感器安装装置及使用方法。

背景技术：

1、近年来，随着精细化土木工程建设的大力推进与发展，岩土环境在工程建设各个阶段中的特性及发展趋势也被广泛关注，如何高效合理规范化的实现深层地下环境的性态观测与数据采集成为当下所面临的难点和急需改进的技术难题。当前用于深层地下环境性态监测的传感器种类繁多，如土压力监测传感器、孔隙水压力监测传感器、含水率监测传感器、位移监测传感器等，虽然不同传感器形态不同工作原理不同，但埋置与数据采集的方式具有某些相似性。

2、目前，现有的传感器埋置与安装方法方面，常采用的方式是直接开挖到指定深度，然后下放传感器直接回填的方式，且传感器的挖-埋-填无法成套化一体完成，如三峡大学陈勇等人的发明专利“一种传感器埋设装置及其埋设方法”（cn111622198a）、同济大学唐益群等人的发明专利“一种深层土体多种传感器埋设装置及其埋设方法”（cn109056687a）、交通运输部天津水运工程科学研究所安晓宇等人的发明专利“用于微型传感器精确定位及快速埋设的装置和方法”（cn109142006a）。以上传感器埋置设备与方法无法做到一套设备完整成套化的完成传感器的挖-埋-填工作，对于深层和多组传感器安装时难以做到可视可控的机械化操作，且直接在开挖洞内下放并直接回填土会因为传感器周边土体环境的扰动过大，改变了原有监测环境的性状与条件，致使监测数据结果不准确，难以满足岩土监测的需求。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中无法通过一套设备成套完成挖-埋-填工作，本发明提供了一种挖-埋-填一体化的传感器安装装置及使用方法，该装置及使用方法可以在可视可控的半自动化操作下，对传感器周边岩土环境最小扰动的情况下，实现地下不同深度传感器的一次性挖-埋-填工作，减少人力开挖成本，规范化和系统化实现传感器的埋置与回填工作，同时以侧壁开挖小洞埋入传感器的方式，可以减少传感器周边土壤的开挖与回填量，从而减少由于工后沉降、回填压实不足所引起的监测环境改变以及由此造成的监测数据失准。需要说明的是，本发明所述的第一方向为开挖主钻头的移动方向，第二方向为细部钻挖的方向。

2、第一方面，一种挖-埋-填一体化的传感器安装装置，包括：升降系统、可更换作业部分、框架、控制系统；

3、所述升降系统用于在第一方向上驱动可更换作业部分；

4、所述框架用于安装装置的主体支撑，一侧设置有用于连接可更换作业部分的结构；

5、所述可更换作业部分具体为开挖主钻头或第一透明围桶或第二透明围桶或洞内细部钻挖结构或洞内细部回填结构或主洞回填结构；

6、所述第一透明围桶的内部悬挂有根据传感器设计埋置数、埋置间隔和埋深所预制的洞内细部钻挖结构的内挂支撑结构；围桶侧壁上贯穿开设对孔，其中一侧的孔上方设置有摄像头用于观测传感器埋置孔开挖情况；围桶下侧固定有刻槽尖角结构，其尖角凸起方向与设置摄像头一侧的开孔在同一竖直线上，在投放第一透明围桶时，刻槽尖角结构在开挖的主洞上刻出一条竖直凹槽，用于将传感器连接线放入其中；

7、所述第二透明围桶的侧壁开设有竖直缝用于导线进出；围桶底部为封底的倒t型对孔结构，倒t型对孔结构中放置有细部回填结构，用于传感器的放置与回填。

8、在上述方案的基础上，所述开挖主钻头由钻杆和电机组成。

9、在上述方案的基础上，所述升降系统具体为链条-导轨升降系统；

10、所述用于连接可更换作业部分的结构具体为可更换顶板，可更换顶板中部开设有孔；

11、所述框架的顶端与底端各设置有滑轮、顶部设置有电机以及液压装置、一对侧面上设置有侧轨，所述可更换作业部分通过链条带动沿侧轨方向移动，所述侧轨用于为开挖主钻头的钻进提供导向支撑。

12、在上述方案的基础上，所述链条-导轨升降系统底板处设置有位移传感器和水平仪，所述位移传感器对应检测钻挖和投放深度，所述水平仪对应检测位姿状态。

13、在上述方案的基础上，所述框架具体为立方体中空的可拼接框架；框架顶部边缘设置有一定深度的凹槽，底部边缘设有与之匹配的凸起，相邻两个框架结构通过凹槽与凸起结构搭配连接部件进行拼接加固。

14、在上述方案的基础上，所述洞内细部钻挖结构根据传感器的埋置数量以及间隔，设置有相应数量与间隔的鱼骨状内挂支撑结构，悬挂于第一透明围桶中；在设计的传感器埋置处，对应所述第一透明围桶的贯穿对孔，设置横向伸出端，每对横向伸出端的传感器埋置一侧设置有可伸缩钻头，另一侧设置有第一千斤顶，工作时可伸缩钻头与第一千斤顶同时从贯穿孔伸出，可伸缩钻头在所设计位置处开挖传感器埋置孔洞，同时小型千斤顶与对侧土壁相接触提供反作用支撑力。

15、在上述方案的基础上，所述洞内细部回填结构由l型回填料仓、第二千斤顶、第三千斤顶、下料管组成，并放置于第二透明围桶底部；

16、所述第二千斤顶用于将l型回填料仓推入开挖好的传感器埋置洞；

17、所述第三千斤顶用于将传感器推入埋置洞或者将回填土料推入埋置洞；

18、所述下料管用于收回第二千斤顶后，将回填土料倒入l型回填料仓。

19、在上述方案的基础上，所述主洞回填结构由顶部液压装置和压实锤组成，通过由洞口投放回填土，由液压装置带动压实锤，对倒入主土洞内部的回填土进行逐层压实。

20、在上述方案的基础上，安装装置还包括集成控制主机系统，其由计算机操控系统、连接导线和摄像头组成，连接导线将升降系统、开挖主钻头、洞内细部钻挖结构、洞内细部回填结构、主洞回填结构与计算机控制系统相连接，并与安装在第一透明围桶和第二透明围桶上的摄像头相连，控制各个部件的运作、停止。

21、第二方面，提供一种挖-埋-填一体化的传感器安装装置的使用方法，包括下述步骤：

22、定位传感器埋设点，根据传感器的最大设计埋深组装框架主体到足够的高度，将底部固定并调整，安装开挖主钻头；

23、开挖主钻头沿第一方向钻挖，作业完成后取出并拆卸；

24、更换第一透明围桶，将根据传感器设计埋置数、埋置间隔和埋深所预制的洞内细部钻挖结构的内挂支撑结构悬挂于第一透明围桶中，启动升降系统将两者投放到预设埋置位置；

25、进行第二方向钻孔作业；

26、进行传感器埋设作业；

27、进行横向回填作业；

28、由升降系统提升第二透明围桶至上一层埋置洞处，重复上述操作，直至全部传感器安装完毕后，并由升降系统将第二透明围桶提升至洞外取出；

29、更换主洞回填结构，将回填土料少量多次倒入开挖主洞，由升降系统将主洞回填结构投放到合适位置对洞内的回填土进行压实；

30、压实到标准要求后，提升主洞回填结构，再次倒入少量回填土进行压实，重复此操作，直至开挖主洞回填完毕，主洞回填结构由升降系统抬升至地表以上，传感器的挖-埋-填工作结束。

31、本发明的有益效果：

32、（1）本发明的一种挖-埋-填一体化的传感器安装装置及使用方法，可以在传感器预埋处采用同一套设备实现传感器的孔洞开挖、埋设及回填工作，使传感器的安装过程系统化、统一化，减少了不同设备协同工作的不便利因素。

33、（2）本发明的挖-埋-填一体化的传感器安装装置及使用方法，在集成控制主机系统的控制下可以在推力、钻速可控可视的情况下实现地下土壤深层传感器的埋置与回填，减少人力成本，避免人员地下作业，安全合理的实现地下传感器的埋置与回填工作。

34、（3）本发明的一种挖-埋-填一体化的传感器安装装置及使用方法，以侧壁开挖小洞埋入传感器的方式替代传统的直接开挖导洞后下放传感器并直接覆土回填的方式，可以减少传感器周边土壤的开挖与回填量，从而减少由于工后沉降、回填压实不足所引起的监测环境改变以及由此造成的监测数据失准，从而使传感器周边岩土的形状最大化保留，使数据更可靠。

35、（4）本发明的一种挖-埋-填一体化的传感器安装装置可以实现任意调节，实现横、纵向精准深度开挖，既可以纵向开挖，也可以调节水平开挖，操作简便。