CN106197306A - 一种盾构隧道管片接头变形的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构隧道管片接头变形的测量装置及方法。该装置由锚固接头、固定杆、传动杆、随动旋转激光发射器和光屏等部件组成。本发明装置的基本原理是通过合理设计与布置杆件和激光发射器将管片接头的变形进行放大，并且能够实现接头张开和错台互不影响。按照设计的测量装置，接头的张开会使激光光路发生水平转，接头的错台会使激光光路发生竖直偏转，激光光路变化前和变化后构成相应几何图形，通过几何相似关系可以方便地计算出接头的张开和错台量。相比于既有测量手段，采用本发明测量装置可以全面的测量接头的变形，并且大幅提高对接头变形的测量精度，解决了现有测量手段在实际工程中难以准确全面测量接头变形的难题。

Description

一种盾构隧道管片接头变形的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及工程测量技术领域，特别涉及一种盾构隧道管片接头变形的测量装置及方法。

背景技术

随着我国大量地铁的建成和投入运营，作为城市的交通命脉，地铁盾构隧道特性和状况对于城市正常运转至关重要，也越来越受到社会的广泛关注。地铁盾构隧道的衬砌一般由管片拼装而成，存在大量接头是其最显著的特征，接头的存在对于隧道结构的力学性能有极大的影响，一旦接头发生较大变形将会产生应力集中现象，严重时会致使管片开裂，引起渗漏水、冻害和钢筋锈蚀等一系列危害，对交通质量和人员生命安全构成严重威胁。因此，准确全面地测量接头变形对于盾构隧道结构的安全性具有重要意义。

目前，国内外对于盾构管片接头变形的研究成果已有很多，研究的手段主要采用数值模拟，而在测量装置方面还远远跟不上工程的要求。国内隧道变形的量测装置集中应用于整体变形的量测，如中国发明公开号CN104807412A公开的基于GPS定位的隧道整体变形监测装置，实现了量测的自动化、实时化并可起到及时预警的目的，量测精度从0.01毫米-10毫米。中国实用新型公开号CN201876245U公开的地铁隧道整体形变检测装置地铁隧道整体形变检测装置首次利用采用网络传感器技术和图像识别技术对运营地铁隧道形变进行在线式实时监测。而对于盾构管片接头变形的量测，中国发明公开号CN102297666A公开的一种测试盾构衬砌管片接头变形的装置及其测试方法，在接头处平行设置两层薄钢板，钢板之间布置一个内嵌钢丝弹簧的橡胶筒，橡胶筒连接一个滴定管，接头变形时，通过滴定管的水位变化来表征接头变形。这种装置与方法虽然简单，但实际上只能表征接头的张开。

国内外实际工程中盾构管片接头变形的量测手段往往是采用测缝计进行，测缝计主要用来测量结构物伸缩缝或周边缝的开合度，即同样只能测量接头的张开，而对于接头错台无能为力，无法全面反映管片接头的变形。

发明内容

针对现有测量手段的不足，本发明所要解决的主要技术问题是提供一种能够准确全面测量盾构隧道在施工过程以及外荷载作用下接头张开和错台的测量装置。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

一种盾构隧道管片接头变形的测量装置，包括两根直杆、激光发射器、光屏，所述的两根直杆分别固定在两块相邻的管片的接头部位的两侧，两根直杆之间活动连接有激光发射器，所述的激光发射器的中部活动连接于其中一根直杆上，激光发射器的尾端活动连接至另一根直杆上，所述的光屏通过固定杆来固定于其中一根直杆上且激光发射器所发射的激光照射于光屏上。

所述的一种盾构隧道管片接头变形的测量装置，所述的激光发射器通过球铰接头来分别活动连接两根直杆。

所述的一种盾构隧道管片接头变形的测量装置，所述的激光发射器的尾端设有凹槽，凹槽内设有滑块，滑块活动连接至两根直杆中的一根。

一种盾构隧道管片接头变形的测量方法，包括以下步骤：

步骤1，在两块相邻的管片的接头部位的两侧设置两根直杆，两根直杆之间活动连接激光发射器，所述的激光发射器的中部活动连接于其中一根直杆上，激光发射器的尾端活动连接至另一根直杆上，在激光发射器的照射方向上设置一个光屏，光屏通过固定杆来固定到其中一根直杆上；

步骤2，调整两根直杆、激光发射器和光屏，使激光发射器所发射的激光照射在光屏上并记录这个初始位置；

步骤3，当接头发生变形时，根据激光照射在光屏上偏移的距离，以及固定杆的长度，利用三角形几何相似关系来计算接头的变形量。

所述的一种盾构隧道管片接头变形的测量方法，所述的步骤1中，所述的激光发射器通过球铰接头来分别活动连接两根直杆。

所述的一种盾构隧道管片接头变形的测量方法，所述的步骤1中，所述的激光发射器的尾端设有凹槽，凹槽内设有滑块，滑块活动连接至两根直杆中的一根。

所述的一种盾构隧道管片接头变形的测量方法，所述的步骤3中，接头的变形量通过以下公式计算：

当接头发生错台时，错台量m为：

$m=\frac{AF\·oD}{\sqrt{{\mathrm{oD}}^2+{\mathrm{oA}}^2}}$

其中，AF为两根直杆与激光发射器连接点之间的距离，oD为错台时光屏上激光偏移量，oA为激光发射器尾端连接点与激光照射初始位置的距离；

当接头发生张开时，张开量n为：

$n=\frac{EG\·RM}{MN},EG=\frac{AF\·oC}{\sqrt{{\mathrm{oC}}^2+{\mathrm{oA}}^2}}$

其中，RM为连接激光发射器中部的直杆长度加上管片的厚度，MN为连接激光发射器尾端直杆的长度，AF为两根直杆与激光发射器连接点之间的距离，oC为张开时光屏上激光偏移量，oA为激光发射器尾端连接点与激光照射初始位置的距离。

本发明较既有的管片接头测量手段，其优点在于：

(1)该测量装置能够将接头的变形进行放大，然后通过几何关系反算出接头的张开与错台量，因此，采用本发明测量装置可以全面的测量接头的变形，并且大幅提高对接头变形的测量精度。

(2)该装置最大的特点在于能够将张开和错台分开，直接反映在光屏中光点的横、纵坐标，测量光点的坐标值即可反算出张开值与错台值，极大程度地提高了接头变形测量的便捷性与准确性，解决了直接测量手段难以准确全面测量接头变形的难题。

综上所述，本发明提供了一种能够准确测量盾构隧道管片接头变形的间接测量装置，该装置测量原理简单，操作方便，适合于工程中推广使用，对于完善盾构隧道工程施工过程中以及隧道服役期内的安全监控具有重要意义。

附图说明

图1为本发明测量装置整体及关键部位立体示意图；

图2为本发明测量装置锚固接头剖面图；

图3为本发明测量装置随动激光发射器剖面图；

图4为本发明测量装置光路变化几何关系图；

其中：1为锚固接头；2为其中一根直杆；3为另一根直杆；4为铰接头；5为激光发射器；6为激光发射器尾端的球铰接头；7为激光发射器中部的球铰接头；8为活动杆；9为光路；10为光屏；11为光屏固定杆；12为锚固头；13为锚固螺帽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步的说明：

如附图所示，本发明装置包括锚固接头1、两根直杆、随动激光发射器5、光屏10和光屏固定杆11等部件组成。两根直杆分别固定在两块相邻的管片的接头部位的两侧，两根直杆之间活动连接有激光发射器，激光发射器的中部活动连接于其中一根直杆上，激光发射器的尾端活动连接至另一根直杆上，光屏通过固定杆来固定于其中一根直杆上且激光发射器所发射的激光照射于光屏上。激光发射器通过球铰接头来分别活动连接两根直杆。激光发射器的尾端设有凹槽，凹槽内设有滑块，滑块活动连接至两根直杆中的一根。

测量装置具体的实施流程为：

(1)装置标定：在装置安装使用前，应对测量装置进行调试标定，保证光路能够射在光屏中心；

(2)装置安装：所述的锚固接头1在确定好测点位置后，对称地在接头两侧进行钻孔安装，布置时应严格控制锚固接头的方向，保证安装固定杆2和传动杆3在管片接头未发生变形前沿着盾构隧道的径向。

(3)测量与记录：如附图1和附图2所示，将固定杆2和传动杆3及其它联动部件安装在锚固接头上，若接头未发生变形，激光光路应射在光屏中心；若管片拼装时已发生张开或错台，则记录下光点距离光屏中心的水平距离和竖直距离，此即为接头的初始变形量。

(4)测量结果整理与分析：根据测量频率要求，定期重复第三步的工作，记录下光点距离光屏中心的水平距离、竖直距离、施工阶段与措施以及环境变量，并将测得的水平距离和竖直距离根据几何关系分别换算成张开量(规范容许值3mm)和错台量(规范容许值15mm)，整理测量结果，分析接头变形的影响因素及影响程度，为后续工程设计与施工提供资料参考。

(5)几何换算关系说明：接头未变形时，光路为Ao；接头错台时，传动杆3通过球铰接头②带动激光发射器竖直旋转，光路由Ao变为AC，错台量定义为m,见图4-(a)和图4-(c)，根据三角形几何相似关系可得

$m=EF=\frac{AF\·oD}{\sqrt{{\mathrm{oD}}^2+{\mathrm{oA}}^2}};$

接头张开时，传动杆3通过球铰接头②带动激光发射器水平旋转，光路由Ao变为AD，见图4-(a)和图4-(c)，张开量定义为n，根据三角形几何相似关系可得：

$EG=\frac{AF\·oC}{\sqrt{{\mathrm{oC}}^2+{\mathrm{oA}}^2}},n=\frac{EG\·RM}{MN};$

接头张开和错台同时发生时，光路由Ao变为AB，由于接头的张开与错台不互相影响，张开量和错台量的计算与上述相同。上述几个式子中，oC与oD为直接测量量；AF为球铰接头①球心与球铰接头②的距离；oA为球铰接头①球心与光屏中心的距离；MN为传动杆3的长度；RM为传动杆3的长度加上管片的厚度。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质和原理下所做的修改、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，包含在本发明的法律保护范畴内。

Claims (7)

1.一种盾构隧道管片接头变形的测量装置，其特征在于，包括两根直杆、激光发射器、光屏，所述的两根直杆分别固定在两块相邻的管片的接头部位的两侧，两根直杆之间活动连接有激光发射器，所述的激光发射器的中部活动连接于其中一根直杆上，激光发射器的尾端活动连接至另一根直杆上，所述的光屏通过固定杆来固定于其中一根直杆上且激光发射器所发射的激光照射于光屏上。

2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道管片接头变形的测量装置，其特征在于，所述的激光发射器通过球铰接头来分别活动连接两根直杆。

3.根据权利要求1所述的一种盾构隧道管片接头变形的测量装置，其特征在于，所述的激光发射器的尾端设有凹槽，凹槽内设有滑块，滑块活动连接至两根直杆中的一根。

4.一种盾构隧道管片接头变形的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在两块相邻的管片的接头部位的两侧设置两根直杆，两根直杆之间活动连接激光发射器，所述的激光发射器的中部活动连接于其中一根直杆上，激光发射器的尾端活动连接至另一根直杆上，在激光发射器的照射方向上设置一个光屏，光屏通过固定杆来固定到其中一根直杆上；

步骤2，调整两根直杆、激光发射器和光屏，使激光发射器所发射的激光照射在光屏上并记录这个初始位置；

步骤3，当接头发生变形时，根据激光照射在光屏上偏移的距离，以及固定杆的长度，利用三角形几何相似关系来计算接头的变形量。

5.根据权利要求4所述的一种盾构隧道管片接头变形的测量方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的激光发射器通过球铰接头来分别活动连接两根直杆。

6.根据权利要求4所述的一种盾构隧道管片接头变形的测量方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的激光发射器的尾端设有凹槽，凹槽内设有滑块，滑块活动连接至两根直杆中的一根。

7.根据权利要求6所述的一种盾构隧道管片接头变形的测量方法，其特征在于，所述的步骤3中，接头的变形量通过以下公式计算：

当接头发生错台时，错台量m为：

$m=\frac{AF\·oD}{\sqrt{{\mathrm{oD}}^2+{\mathrm{oA}}^2}}$

其中，AF为两根直杆与激光发射器连接点之间的距离，oD为错台时光屏上激光偏移量，oA为激光发射器尾端连接点与激光照射初始位置的距离；

当接头发生张开时，张开量n为：

$n=\frac{EG\·RM}{MN},EG=\frac{AF\·oC}{\sqrt{{\mathrm{oC}}^2+{\mathrm{oA}}^2}}$

其中，RM为连接激光发射器中部的直杆长度加上管片的厚度，MN为连接激光发射器尾端直杆的长度，AF为两根直杆与激光发射器连接点之间的距离，oC为张开时光屏上激光偏移量，oA为激光发射器尾端连接点与激光照射初始位置的距离。