CN106123849A - 一种暗挖隧道中拱顶沉降的监测方法及其监测元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种暗挖隧道中拱顶沉降的监测方法及其监测元件，其中监测方法是基于三角高程测量而研发获得的，无需测量仪器高和棱镜高，可大大减少误差，提高实用性；所述检测元件由观测板(1)、螺母(2)以及连杆(3)构成，具有结构简单，设计合理，使用方便等优点。

Description

一种暗挖隧道中拱顶沉降的监测方法及其监测元件

技术领域

本发明涉及隧道施工监测的技术领域，尤其提供一种暗挖隧道中拱顶沉降的监测方法及其监测元件。

背景技术

暗挖隧道变形监测是指在隧道施工过程中，对暗挖隧道围岩、支护结构的变形和稳定状态以及周边环境动态进行的经常性观察和监控量测工作，以了解和掌握围岩稳定状态及支护结构体系可靠程度，确保施工安全和结构的长期稳定性，为隧道施工中变更围岩级别、调整初期支护和二次衬砌的参数、指导施工顺序、修正及优化设计提供依据，是实现信息化设计与施工不可缺少的一道工序。其中，拱顶沉降监测、收敛监测是最基本和最重要的监测内容，同时也是规范所规定的必测项目。

传统暗挖隧道变形监控量测中，拱顶沉降监测通常在初期支护结构钢拱架中央焊接带“L型弯钩”的测杆，通过吊挂钢卷尺或塔尺，用水准仪来进行监测。然而传统观测方法有着这样或那样的不便、弊端和不及时性。例如：焊接“L型弯钩”的测杆挂钢卷尺、塔尺进行监测时，常常因隧道高度较高(常大于8m)，而使得操作不便，又或因开挖断面分步所限，使得操作空间有限而无法将钢卷尺、塔尺挂上测杆，再或因钢卷尺受力变形、每次挂钩位置不同等影响，使得观测精度不符合《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB50911-2013)中拱顶沉降观测的精度要达到高程中误差不超过1mm的要求。另外，暗挖隧道施工时常常因隧道内积水而至泥泞不堪，致使水准仪多次转站，不但影响监测效率，更会因此造成仪器的损坏等潜在风险。一般暗挖隧道内由于初期支护喷混凝土施工等一个循环完成后才有条件悬挂钢尺或者塔尺进行沉降观测，这种情况大部分都无法满足规范《地下铁道工程施工及验收规范》(GB50299-1999)中所要求“开挖后24h内获取监控量测数据的”，这使得监测所反映的变形情况大大滞后于真实情况。

总之，传统的埋点和观测方法，虽然使用了高精度的仪器，但是监测的高效性、准确性、实用性等在高精度的变形监测要求中是远远不足的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种暗挖隧道中拱顶沉降的监测方法及其监测元件，以解决现有监测方法存在的监测不方便、准确性低、实用性差等问题。

本发明提供一种暗挖隧道中拱顶沉降的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在所述暗挖隧道中的稳定位置处以及开挖面附近的初期支护结构上分别安装监测元件，其中，所述稳定位置处的高程为H_A；

2)在所述暗挖隧道中，位于所述稳定位置处和所述初级支护结构之间架设全站仪；

3)分别测量全站仪与稳定位置处监测元件的距离S₁和垂直角α₁以及全站仪与初期支护结构上监测元件的距离S₂和垂直角α₂；

4)依据稳定位置处的高程H_A、测得的距离S₁、垂直角α₁、距离S₂以及垂直角α₂，计算获得初期支护结构距离稳定位置处的高程差ΔH_AB；

5)按照监测频率重复步骤1)～步骤4)将每次监测获得的高程差ΔH_AB分别与第一次监测获得的高程差ΔH_AB进行比较，即可获得拱顶的沉降量。

优选，步骤4)中，计算获得初期支护结构距离稳定位置处的高程差ΔH_AB的公式为：ΔH_AB＝S₂Sinα₂-S₁Sinα₂。

进一步优选，所述全站仪与稳定位置处监测元件的距离S₁小于等于100米，且垂直角α₁小于等于25°。

进一步优选，所述全站仪与初期支护结构上监测元件的距离S₂小于等于100米，且垂直角α₂小于等于25°

进一步优选，所述监测元件安装于所述初期支护结构的中央。

本发明还提供了一种监测元件，适用于上述的监测方法，其特征在于，所述监测元件包括：观测板1、螺母2以及连杆3；

所述螺帽2的一侧侧面与所述观测板1固定连接；

所述连杆3的上端设置有螺纹31，且所述连杆3具有螺纹31的一端安装于所述螺母2内。

优选，所述观测板1上设置有监测标志。

本发明提供的暗挖隧道中拱顶沉降的监测方法，依据三角高程测量的方法进行监测，无需测量仪器高和棱镜高，可大大减少误差，提高实用性。

本发明提供的监测元件，以观测板作为观测目标，标识明显，在施工过程中轻微碰到后不会对观测产生影响，近而可以获得连续监测数据，此外，该监测元件又三个部件组装而成，具有结构简单，设计合理等优点。

附图说明

图1为高程测量的原理图；

图2为实施例中暗挖隧道中拱顶沉降的监测示意图；

图3为监测元件的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，为测量A、B两点间高程差，在A、B之间O点架设全站仪，在A点安置对应的监测元件，测得AO的距离S₁和垂直角α₁，进而计算得到O点处全站仪中心的高程H_O，

H_o＝H_A+v₁-Δh₁ (1)

其中，Δh₁＝S₁Sinα₁。

然后把A点安置的监测元件丝毫不改变其大小长度安置于B点处，测得BO的距离S₂和垂直角α₂，从而计算得到B点的高程H_B，

H_B＝H_o+Δh₂-v₂ (2)

其中，Δh₂＝S₂Sinα₂。

因此，点A和点B之间的高差H_AB为

ΔH_AB＝H_B-H_A＝Δh₂-Δh₁-v₂+v₁ (3)

其中v₁、v₂为同一个监测元件没有改变大小和长度。

则(3)式为：ΔH_AB＝H_B-H_A＝Δh₂-Δh₁

从以上(3)式可以看出，欲得出A点和B点的高差不需要量取仪器高、棱镜高。

基于上述原理本实施方案提供了一种暗挖隧道中拱顶沉降的监测方法，参见图2，其中D表示隧道开挖面、E表示隧道拱顶、F表示隧道底拱，具体监测步骤如下：

1)在暗挖隧道中的稳定位置A处以及开挖面附近的初期支护结构B上分别安装监测元件C，其中，已知稳定位置A处的高程为H_A,优选，监测元件C安装于所述初期支护结构B的中央；

2)在暗挖隧道中，位于稳定位置A处和初级支护结构B之间架设全站仪O；

3)分别测量全站仪O与稳定位置A处监测元件C的距离S₁和垂直角α₁以及全站仪O与初期支护结构B上监测元件的距离S₂和垂直角α₂；

4)依据稳定位置处的高程H_A、测得的距离S₁、垂直角α₁、距离S₂以及垂直角α₂，根据公式ΔH_AB＝S₂Sinα₂-S₁Sinα₂，计算获得初期支护结构B距离稳定位置A处的高程差ΔH_AB；

5)按照监测频率重复步骤1)～步骤4)将每次监测获得的高程差ΔH_AB分别与第一次监测获得的高程差ΔH_AB进行比较，即可获得拱顶的沉降量。

其中，

1、单向观测三角高程测量高差的计算公式为：

或

$\mathrm{\Δ}h=D\tan \mathrm{\α}+(1-k)\frac{D^2}{2R}+i-v---\left(4\right)$

式中，Δh为三角高程测量的高差；s为全站仪到监测元件的斜距；D为全站仪到监测元件的平距；α为垂直角；K为大气垂直折光系数，取K＝0.14；R为地球平均曲率半径，R＝6370Km；i为全站仪中心位置高；v为监测元件高。

2、单向观测三角高程测量高差的误差公式为：

或

$m_{\mathrm{\Δ}h}^2={\left({\mathrm{tan\αm}}_D\right)}^2+{\[\frac{D}{{\cos }^2\mathrm{\α}}\×\frac{m_{\mathrm{\α}}}{\mathrm{\ρ}}\]}^2+\left(\frac{D^2}{2R}\right)\·m_k^2+m_i^2+m_v^2---\left(5\right)$

从式(3)中看出测量AB间高差时，仪器高和元器件高为固定值，不需要量测，因此不存在仪器高和元器件高的量测误差m_i,m_v,式(5)可变为：

或

$m_{\mathrm{\Δ}h}^2={\left({\mathrm{tan\αm}}_D\right)}^2+{\[\frac{D}{{\cos }^2\mathrm{\α}}\×\frac{m_{\mathrm{\α}}}{\mathrm{\ρ}}\]}^2+\left(\frac{D^2}{2R}\right)\·m_k^2---\left(6\right)$

从式(6)可知单向观测三角高程测量高差的误差只与距离、垂直角的误差及两气差有关。

3、点A到点B高差的计算公式为：

或

$\mathrm{\Δ}h=D_i\×{\mathrm{tan\α}}_i+(1-k)\frac{D_i^2}{2R}-\{D_j\×{\mathrm{tan\α}}_j+(1-k)\frac{D_j^2}{2R}\}---\left(7\right)$

点A到点B高差误差的计算公式为：

$m_{{\mathrm{\ΔH}}_{AB}}^2=m_{{\mathrm{\Δh}}_1}^2+m_{{\mathrm{\Δh}}_2}^2---\left(8\right)$

4、单向观测三角高程测量高差的误差分析。当采用高精度的全站仪测量距离和垂直角，现令m_α＝±1.0",m_s＝±1.0mm。

代入式(6)，按不同的距离和垂直角计算高差的误差，计算结果见表1，

表2：

m_s＝±1.0mm m_a＝±1.0″ m_k＝±0.05

从表2中看出距离在100m、垂直角在25°以内，按(8)式计算小于±1mm。

进而得出结论，在一定的距离和一定的垂直角下，能满足±1mm的要求，因此，优选，全站仪与稳定位置处监测元件的距离S₁小于等于100米，且垂直角α₁小于等于25°以及全站仪与初期支护结构上监测元件的距离S₂小于等于100米，且垂直角α₂小于等于25°。

参见图3为监测元件，其包括：观测板1、螺母2以及连杆3，其中，螺帽2的一侧侧面与观测板1固定连接，连杆3的上端设置有螺纹31，且连杆3具有螺纹31的一端安装于螺母2内，为了方便观测可在观测板1上设置有反光光贴，同时为了方便连接连杆3的下部也设置有螺纹。

其中，在实际制作过程中，观测板1使用60mmx60mm的不锈钢钢板完成；螺母2使用内径为20mm的不锈钢螺母，内部使用数控车床按照1/2000精度进行内套丝；连杆3采用20mm×200mm螺纹钢筋，下部174mm为螺纹钢外表面螺纹，便于与隧道初期支护结构焊接，上部26mm使用数控车床按照1/2000精度进行外螺纹加工。

该检测元件具有以下优点：

(1)标识明显，且刚度较大，施工过程中轻微碰到后不会对观测产生影响，近而可以获得连续监测数据，根据监测数据来指导信息化施工，为业主及施工提供相应的保障。

(2)它是一个组合装置，使用简单，且安装速度较快，既不会影响观测对象的外观，并且将监测点被破坏的机率降到最低。

(3)它是对应本发明中的监测方法而生产出的，能解决传统“L型弯钩”的测杆通过吊挂钢卷尺或塔尺精度低的问题，可有效地提高隧道监控量测中拱顶沉降的精度和速度。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。

Claims (7)

1.一种暗挖隧道中拱顶沉降的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在所述暗挖隧道中的稳定位置处以及开挖面附近的初期支护结构上分别安装监测元件，其中，所述稳定位置处的高程为H_A；

2)在所述暗挖隧道中，位于所述稳定位置处和所述初级支护结构之间架设全站仪；

3)分别测量全站仪与稳定位置处监测元件的距离S₁和垂直角α₁以及全站仪与初期支护结构上监测元件的距离S₂和垂直角α₂；

4)依据稳定位置处的高程H_A、测得的距离S₁、垂直角α₁、距离S₂以及垂直角α₂，计算获得初期支护结构距离稳定位置处的高程差ΔH_AB；

5)按照监测频率重复步骤1)～步骤4)将每次监测获得的高程差ΔH_AB分别与第一次监测获得的高程差ΔH_AB进行比较，即可获得拱顶的沉降量。

2.按照权利要求1所述暗挖隧道中拱顶沉降的监测方法，其特征在于，步骤4)中，计算获得初期支护结构距离稳定位置处的高程差ΔH_AB的公式为：ΔH_AB＝S₂Sinα₂-S₁Sinα₂。

3.按照权利要求1所述暗挖隧道中拱顶沉降的监测方法，其特征在于，所述全站仪与稳定位置处监测元件的距离S₁小于等于100米，且垂直角α₁小于等于25°。

4.按照权利要求1或3所述暗挖隧道中拱顶沉降的监测方法，其特征在于，所述全站仪与初期支护结构上监测元件的距离S₂小于等于100米，且垂直角α₂小于等于25°。

5.按照权利要求1所述暗挖隧道中拱顶沉降的监测方法，其特征在于，所述监测元件安装于所述初期支护结构的中央。

6.一种监测元件，适用于权利要求1～5所述的监测方法，其特征在于，所述监测元件包括：观测板(1)、螺母(2)以及连杆(3)；

所述螺帽(2)的一侧侧面与所述观测板(1)固定连接；

所述连杆(3)的上端设置有螺纹(31)，且所述连杆(3)具有螺纹(31)的一端安装于所述螺母(2)内。

7.按照权利要求6所述监测元件，其特征在于，所述观测板(1)上设置有反光光贴。