CN105136072A - 一种隧道衬砌裂缝深度测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道衬砌裂缝深度测量方法及测量装置，包括根据恒定水压的水流渗入不同深度裂缝导致水流量发生变化的原理，将通有恒压水流的测量管放置在隧道衬砌裂缝的顶端，得到测量管中水流渗入隧道衬砌裂缝时的流量，根据测量管中水流渗入隧道衬砌裂缝时的流量、测量管单位面积流量和测量管横截面面积通过线性插入法原理计算得到隧道衬砌裂缝横截面面积；然后根据隧道衬砌裂缝宽度和计算得到的隧道衬砌裂缝横截面面积利用三角形几何关系计算得到隧道衬砌裂缝径向深度；本发明的测量装置可以随时随地的进行裂缝的测量，根据不同的高度调整仪器的测量高度，适合对隧道裂缝进行初略评估以及实时监控裂缝动态，方便实用，安全可靠，成本低廉。

Description

一种隧道衬砌裂缝深度测量方法及测量装置

技术领域

本发明属于隧道技术领域，尤其涉及一种隧道衬砌裂缝深度测量方法及其测量装置。

背景技术

现在隧道中关于裂缝深度的量测方法比较少，一般多使用比较精密的仪器，而且测量效果不是很理想，仪器设备较昂贵，尤其是在不需要对裂缝进行精密测量的时候，采用精密仪器性价比低。

现在市场上有裂缝监测仪大多是对裂缝宽度和数量的检测，对隧道裂缝深度的检测仪器较少。现有的仪器有“GTJ-FSY裂缝深度测试仪”“混凝土多功能无损测试仪”，“ZBL-F610裂缝测深仪”等，以上这些仪器的原理都是采用超声法检测混凝土缺陷技术。然而超声法本身就有很多的影响因素，包括：

1、耦合状态的影响：(1)测面平整(2)耦合剂厚度均一(3)无泥沙粘附。这些因素都是很难避免的，因此测试的结果往往会受到影响。

2、钢材的影响：换能器要求离开钢筋一定的距离或者成一定的角度。这一点由于隧道的支护结构中都要加很多的钢结构，因此在实际应用中会很不方便，影响结果。

3、水的影响：要求测试对象处于干燥状态，裂缝内不能有水。这一点在地下洞室结构中，有时是很难保证的。

除了以上原因外，仪器的成本高也是其缺点之一，对于隧道裂缝进行初略评估以及实时监控裂缝动态，过高的仪器成本从经济的角度考虑显然是不利的。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种隧道衬砌裂缝深度测量方法及测量装置，本方法使用简单，操作方便，适合对隧道裂缝进行初略评估以及实时监控裂缝动态，方便实用，安全可靠，成本低廉。

一种隧道衬砌裂缝深度测量方法，包括根据恒定水压的水流渗入不同深度裂缝导致水流量发生变化的原理，将通有恒压水流的测量管放置在待测隧道衬砌裂缝处，得到测量管中水流渗入隧道衬砌裂缝时的测量管监测流量，根据测量管监测流量、恒压下测量管流量和测量管横截面面积通过线性插入法原理计算得到隧道衬砌裂缝横截面面积；然后根据隧道衬砌裂缝宽度和计算得到的隧道衬砌裂缝横截面面积利用三角形几何关系计算得到隧道衬砌裂缝径向深度。

具体的，所述的隧道衬砌裂缝径向深度的计算公式为：

$H=\frac{2*A_x}{D}=\frac{2*Q_x*A_p}{D*Q_{max}}---\left(1\right)$

公式(1)中，H为隧道衬砌裂缝径向深度，A_x为隧道衬砌裂缝横截面面积，D为隧道衬砌裂缝宽度，A_p为测量管横面面积，Q_max为恒压下测量管流量，Q_x为测量管监测流量。

一种实施所述的隧道衬砌裂缝深度测量方法的装置，包括依次连通的调压构件、连通构件和定位构件，定位构件放置在待测定的衬砌裂缝处，水流通过调压构件和连通构件流入定位构件内，定位构件与隧道衬砌组成腔体结构仅使水流渗入裂缝中产生流量变化，通过测定连通构件的单位时间水流量计算得到裂缝径向深度。

具体的，所述的调压构件包括调压水箱，在调压水箱的顶端设置进水口和出水口，调压水箱的底端与连通构件连通。

更具体的，所述的连通构件为输水管。

进一步的，所述的定位构件为测量槽，测量槽包括一个U形的平面板及在U形平面板边缘上固设的由上到下渐宽的边框组成的槽体，所述的连通构件穿过U形平面板与测量槽连通；

测量槽的高度等于或大于调压构件的高度。

更进一步的，在所述测量槽与隧道衬砌接触的边缘上设置软质的密封面，且密封面下设置多个弹簧。

另外，还包括水箱、出水管和进水管，调压水箱的进水口与进水管和水箱连通，调压水箱的出水口与出水管和水箱连通。

且，还包括固定锥，固定锥安装在水箱的下方进行装置的固定；固定锥包括依次套接的一级管、二级管、三级管和锥管。

与现有技术相比，本发明的优点为：

(1)本发明根据水在等高条件下势能相等，可以得到等值的压强作用，在压强的作用下水会沿着裂缝流出，不同的裂缝深度，会导致水流的速度不同，在没有裂缝的时候水流的速度是零，在裂缝超出测量范围时，流速达到最大的原理进行裂缝深度的测量，能够有效地克服现有的技术缺陷，应用范围更广，成本低廉，技术实现简单；

(2)本发明的装置通过调压水箱与水表的配合实现隧道裂缝的测量，各个部件的功能为调压水箱用来控制水压，使作用在裂缝上面的水流水压保持一致，水表的作用是记录水流量，根据单位时间的水流量即可以换算出裂缝深度，能够得到一个较稳定测量结果，满足需要的测量精度，同时仪器制作和操作都很方便，又经济环保；

(3)本发明的测量装置可以随时随地的进行裂缝的测量，根据不同的高度调整仪器的测量高度，适合对隧道裂缝进行初略评估以及实时监控裂缝动态，方便实用，安全可靠，成本低廉。

附图说明

图1为本发明的裂缝深度测量装置的工作原理图；

图2为本发明的裂缝深度测量装置进行隧道裂缝深度测量时的安装示意图；

图3为本发明的裂缝深度测量装置的结构示意图；

图4为本发明的裂缝深度测量装置的结构示意图；

图5为本发明的裂缝深度测量装置的结构示意图；

图6为本发明的裂缝深度测量装置的固定锥的结构示意图；

图7为本发明的裂缝深度测量装置的测量槽的结构放大图；

图中各标号表示为：1-裂缝深度测量装置、2-隧道衬砌、3-衬砌裂缝、4-隧道行车道面板、5-仰拱；

101-调压水箱、1011-连接架、1012-水表、102-水箱、1021-水箱进水口、1022-电池盒、1023-水泵、103-测量槽、1031-测量腔、1032-支撑杆、1033-密封面、1034-弹簧、104-出水管、105-进水管、106-输水管、107-第一支杆、108-第二支杆、109-固定锥、1091-一级管、1092-二级管、1093-三级管、1094-锥管；

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

本发明根据水在等高条件下势能相等，可以得到等值的压强作用，在压强的作用下水会沿着裂缝流出，不同的裂缝深度，会导致水流的速度不同，在没有裂缝的时候水流的速度是零，在裂缝超出测量范围时，流速达到最大的原理进行裂缝深度的测量；

本发明的装置通过调压水箱与水表的配合实现隧道裂缝的测量，各个部件的功能为调压水箱用来控制水压，使作用在裂缝上面的水流水压保持一致，水表的作用是记录水流量，根据单位时间的水流量即可以换算出裂缝深度，能够得到一个较稳定测量结果，满足需要的测量精度。

本发明的隧道裂缝深度测量装置主要适用于隧道的竖向裂缝以及倾斜角度小于45°的裂缝，倾斜角度是指裂缝走向与水平面垂线之间的夹角，对于大于45°的裂缝，本仪器也可以测量，但是精度会降低，误差会变大，这时就要求测量者有丰富的测量经验。对于裂缝宽度的要求是，裂缝能够肉眼看到开裂宽度。如果裂缝宽度太小或者只是上下错动而没有开裂的裂缝，它们几乎不能渗水，那将无法测量，而且大部分也不需要测量，因为这样的微裂缝一般符合设计规范要求。本发明的装置能测量的裂缝宽度大于0.1mm可以根据需要生产出各种型号大小的测量仪器满足不同宽度裂缝的测量要求。

输水管的横截面面积根据裂缝的最大宽度决定，管子的截面面积要求其最大单位时间水流量超过规范规定的最大裂缝的单位时间渗水量；

测量槽的宽度大于裂缝宽度，能够容下水，测量槽的高度必须高于调压水箱中水位的高度，设计中可以将测量槽的高度设计成和调压水箱一样高。这样可以保证测量槽中的水位始终保持在同一高度，即与调压水箱中水位的高度一致，保证了水压不变。

本发明的裂缝测量装置的工作原理为：

结合图1，图中A和B分别是调压水箱和测量槽的水位线，图中箭头方向代表水的流动方向；

设裂缝3横截面面积为A_x，输水管106的横截面面积为A_p，输水管106中的水流流入裂缝时的实际监测速度为V_x，输水管106恒压下的流速为V_max；

当V_x＝0时，可知A_x＝0；当V_x＝V_max时，A_x≥A_p，由此可以根据线性插入法原理，换算出裂缝3横截面面积A_x；当求出裂缝3横截面面积为A_x以后，利用钢尺可以测量出裂缝3的宽度D，根据三角形的几何关系可以计算出裂缝3的径向深度H。

具体计算过程如下：

$A_x=A_p\frac{V_x}{V_{max}}=\frac{Q_x}{V_{max}}$

其中Q_max为输水管106恒压下的流量，Q_x为输水管106中的水流流入裂缝时的监测流量；可以由安装在输水管106上的流量计进行测定，不同的仪器规格对应不同的流量大小；

由上述的测量数据根据三角形的几何关系可以计算出裂缝3的径向深度H， $H=\frac{2*A_x}{D}=\frac{2*Q_x*A_p}{D*Q_{max}}.$

影响因素分析：由于本发明的输水管106采用塑料管，塑料管会产生沿程水头损失，塑料管沿程水头计算以PE管的水头损失计算，根据达西公式，塑料圆管沿程水头损失hf应按下式计算:

$hf=\mathrm{\λ}\frac{L}{4R}\frac{V^2}{2g}$

由公式可知，影响因素主要是管长度L和流速V,由于在仪器中L和V都很小，对测量结果影响很小，因此塑料管造成的水头损失hf忽略不计，因此，裂缝的径向深度H，

本发明的裂缝深度测量装置主要包括调压水箱101、水箱102、测量槽103、出水管104、进水管105和输水管106，调压水箱101与水箱102在竖向通过出水管104和进水管105连通，调压水箱101在保证水位在设计水位的同时，水流在调压水箱101和水箱102之间通过出水管104和进水管105进行循环利用，输水管106将调压水箱101内的水输给测量槽103与待测隧道衬砌裂缝3之间形成的腔体内，通过测量输水管106上的水流量即能进行隧道裂缝3深度的计算。

实施例一：

结合图3-7，本实施例的裂缝深度测量1装置包括调压水箱101、水箱102、测量槽103、出水管104、进水管105、输水管106、第一支杆107、第二支杆108和固定锥109，其中调压水箱101的顶端与水箱102分别通过出水管104和进水管105沿竖向连通，调压水箱101的底端与测量槽103通过输水管106在水平方向连通且通过第一支杆107和第二支杆108进行固定，固定锥109沿竖直方向安装在水箱102的下方，水箱102为调压水箱101提供用水来源，调压水箱101通过输水管106调节测量槽3中的水位与调压水箱101中的水位一致，固定锥109将水箱102的位置进行固定；其中：

调压水箱101与水箱通过连接架1011在竖向进行连接，水表1012设置在输水管106上进行输水管106中水的流量的测量，水箱102的上方设置水箱进水口1021，电池盒1022设置在水箱的侧壁外，水泵1023设置在水箱102内将水箱102内的水通过进水管105传输给调压水箱101；调压水箱101顶端的进水口和出水口的设置保证测量过程中水压不变，由于裂缝宽度小，水流动的速度慢，所以很快调压水箱101的水就会达到设计水位，多余的水会沿着出水管101流回水箱102内，这样就保证了水压是一个定值，且水流能循环使用；

测量槽103从正面外形上看是一个U形的槽体，测量槽103的两个侧边为由上到下逐渐变宽的边框，具体的由一个U形的平面板加上两边为由上到下渐宽的边框组成的槽体，槽体的内腔为测量腔1031，测量槽103的下方固设支撑杆1032，支撑杆1032通过与输水管106相互平行的第一支杆107和第二支杆108与调压水箱101下的连接架1011固定连接，为测量槽103与隧道衬砌2的接触提供更大的支撑力，测量槽103的U形外边上设置密封面1033和埋设在密封面1033与测量槽103边缘之间的弹簧1034，为测量槽103与隧道衬砌2的接触提供缓冲距离，使测量槽103与隧道衬砌2的接触面更加的紧密，防止水泄露；

109固定锥包括依次套接的一级管1091、二级管1092、三级管1093和锥管1094，当需要进行大于一级管1091和锥管1094高度的支撑时，可以将二级管1092和三级管1093拉出，并用螺栓固定或者各个管体之间的连接关系类似于雨伞的伞杆进行高度的固定。

本发明的隧道裂缝深度测量装置的工作过程：

结合图2，本发明的裂缝深度测量装置1用于测量隧道衬砌2上的衬砌裂缝3，隧道的基本结构包括隧道衬砌2、隧道行车道面板4和仰拱5，裂缝通常出现在隧道衬砌2上称为衬砌裂缝3，使用本装置进行衬砌裂缝3深度的测量时，首先根据裂缝的高度和位置需要，调整固定锥109的高度，通过拉出三级管1093和二级管1092增加固定锥109的高度满足不同高度的需求，再用螺栓拧入通孔中固定各级管的相对位置后，将锥管1094的尖端插入隧道行车面板4上进行固定；

其次，将测量槽103紧贴隧道衬砌2的表面衬砌裂缝3处安放好，安放好以后在水平方向给测量槽103一个压力，使测量槽103的密封面1033紧贴衬砌表面防止水侧漏，测量槽103与隧道衬砌2组成了上部开口的腔体；

最后启动水泵1023，将水箱102内的水充入调压水箱101内，水流通过水表1012，沿着输水管106进入测量槽103与隧道衬砌2和衬砌裂缝3组成的腔体内，在初始阶段，墙体会大量的吸水，当吸水饱和以后(测量槽中注满水后)进行测量；测量时，通过水表1012和一个秒表记录单位时间内通过裂缝流出的水的体积，再通过已知的其他参数计算得到裂缝的径向深度。

实施例二：

采用实施例一中的隧道裂缝深度测量装置对柳州市柳东新区官塘片曙光大道工程三门江隧道右线进口YK0+950附近隧道二次衬砌进行了实验性测量：

已知条件和测量的数值：输水管106的横截面面积A_p＝3.14cm²,输水管106恒压下的流量Q_max＝31.4cm³/s,在测量中由水表测得的输水管106深入隧道衬砌裂缝时的检测流量Q_x＝8.6cm³/s，测点位置的裂缝宽度D＝0.1cm；

根据计算原理公式： $H=\frac{2*A_x}{D}=\frac{2*Q_x*A_p}{D*Q_{max}}=5.480cm.$

Claims (9)

1.一种隧道衬砌裂缝深度测量方法，其特征在于，包括根据恒定水压的水流渗入不同深度裂缝导致水流量发生变化的原理，将通有恒压水流的测量管放置在待测隧道衬砌裂缝处，得到测量管中水流渗入隧道衬砌裂缝时的测量管监测流量，根据测量管监测流量、恒压下测量管流量和测量管横截面面积通过线性插入法原理计算得到隧道衬砌裂缝横截面面积；然后根据隧道衬砌裂缝宽度和计算得到的隧道衬砌裂缝横截面面积利用三角形几何关系计算得到隧道衬砌裂缝径向深度。

2.如权利要求1所述的隧道衬砌裂缝深度测量方法，其特征在于，所述的隧道衬砌裂缝径向深度的计算公式为：

$H=\frac{2*A_x}{D}=\frac{2*Q_x*A_p}{D*Q_{max}}---\left(1\right)$

公式(1)中，H为隧道衬砌裂缝径向深度，A_x为隧道衬砌裂缝横截面面积，D为隧道衬砌裂缝宽度，A_p为测量管横面面积，Q_max为恒压下测量管流量，Q_x为测量管监测流量。

3.一种实施权利要求1或2所述的隧道衬砌裂缝深度测量方法的装置，其特征在于，包括依次连通的调压构件、连通构件和定位构件，定位构件放置在待测定的衬砌裂缝处，水流通过调压构件和连通构件流入定位构件内，定位构件与隧道衬砌组成腔体结构仅使水流渗入裂缝中产生流量变化，通过测定连通构件的单位时间水流量计算得到裂缝径向深度。

4.如权利要求3所述的实施隧道衬砌裂缝深度测量方法的装置，其特征在于，所述的调压构件包括调压水箱(101)，在调压水箱(101)的顶端设置进水口和出水口，调压水箱(101)的底端与连通构件连通。

5.如权利要求3所述的实施隧道衬砌裂缝深度测量方法的装置，其特征在于，所述的连通构件为输水管(106)。

6.如权利要求3所述的实施隧道衬砌裂缝深度测量方法的装置，其特征在于，所述的定位构件为测量槽(103)，测量槽(103)包括一个U形的平面板及在U形平面板边缘上固设的由上到下渐宽的边框组成的槽体，所述的连通构件穿过U形平面板与测量槽(103)连通；

测量槽(103)的高度等于或大于调压构件的高度。

7.如权利要求6所述的实施隧道衬砌裂缝深度测量方法的装置，其特征在于，在所述测量槽(103)与隧道衬砌接触的边缘上设置软质的密封面(1033)，且密封面下设置多个弹簧(1034)。

8.如权利要求4所述的实施隧道衬砌裂缝深度测量方法的装置，其特征在于，还包括水箱(102)、出水管(104)和进水管(105)，调压水箱(101)的进水口与进水管(105)和水箱(102)连通，调压水箱(101)的出水口与出水管(104)和水箱(102)连通。

9.如权利要求8所述的实施隧道衬砌裂缝深度测量方法的装置，其特征在于，还包括固定锥(109)，固定锥(109)安装在水箱(102)的下方进行装置的固定；固定锥(109)包括依次套接的一级管(1091)、二级管(1092)、三级管(1093)和锥管(1094)。