CN107387167A - 浅埋隧道超前核心土挤出位移监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种浅埋隧道超前核心土挤出位移监测系统,包括地面监测系统、挤出位移测量装置，所述的地面监测系统包括全站型电子测距仪和基准点系统，所述的基准点系统设置于隧道轴线方向，且处于使用阶段的基准点系统必须位于掌子面前方未受施工扰动区域或掌子面后方地层变形已稳定区域；本发明成本低、操作简单且所有操作均在洞外进行、可有效提前预知隧道变形情况、对隧道稳定性进行全方位的预判。
Description
技术领域
本发明属于隧道变形监测装置或设备技术领域，具体涉及到一种浅埋隧道超前核心土挤出位移监测系统及方法。
背景技术
隧道开挖过程中，实质上在掌子面通过之前，超前核心土就已经开始产生变形，主要表现为超前核心土向掌子面方向的挤出变形和内轮廓向内部的预收敛变形，相关研究表明，掌子面前方超前核心土的变形不仅可以评估洞室稳定性，还可以对掌子面前方围岩变形反应做出提前预判。新意法强调超前核心土稳定性在隧道开挖中的重要性，并提倡通过在掌子面前方插入滑动测微计来对挤出位移进行监测，简单来说就是通过滑动测微计各测点相对于前方固定端距离的变化来确定该测点的挤出位移，但这种方式的缺点在于：(1)滑动测微计测管安装时，安装位置掌子面附近的超前核心土由于先前的开挖卸荷作用已经产生了部分挤出位移，因此该部分超前核心土量测得到的挤出位移只是真实位移的一部分；(2)测量过程中测管最里端是被假设不动的，但由于钻孔长度的限制，滑动测微计的安装长度一般只能在30m以内，而隧道开挖在掌子面前方的影响范围大致为1.5倍的洞径，故掌子面推进到一定距离后测管被假设不产生位移的“固定端”实质上已经开始产生水平位移，此时其它测环计算得到的挤出位移实际上也只是真实位移的一部分；由此可以看出，这种方式下滑动测微计的有效测量长度有限，若想避免只能通过不断搭界测管来解决这一问题。滑动测微计属高精度仪器，测管价格不菲，而无论何种施工方法都很难避免对测管的破坏，且该方式仪器安装和读数均需要在掌子面处进行，洞内复杂的施工环境也很难避免对测量工作的干扰，综上，利用滑动测微计监测超前核心土预收敛位移的方式并不实用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述不足,提供一种成本低、操作简单且所有操作均在洞外进行、可有效提前预知隧道变形情况、对隧道稳定性进行全方位的预判的浅埋隧道超前核心土挤出位移监测系统及方法。
解决上述技术问题采用的技术方案是：包括地面监测系统、挤出位移测量装置，所述的地面监测系统包括全站型电子测距仪和基准点系统，所述的基准点系统设置于隧道轴线方向，且处于使用阶段的基准点系统必须位于掌子面前方未受施工扰动区域或掌子面后方地层变形已稳定区域；基准点系统包括混凝土块和连接钢筋，混凝土块镶嵌于地层中，连接钢筋镶嵌于混凝土块中并伸入地层，连接钢筋地面端设置有反光片,所述电子测距仪可精确测定两点之间的水平距离及竖直方向高差，电子测距仪上连接的数据接收模块可接收挤出位移测量装置测读仪中数据发射模块发送的数据并实时与电子测距仪所得数据进行处理；
所述的挤出位移测量装置包括：在挤出位移测点正上方地表处垂直向下的钻孔，钻孔内设置有PVC测斜管，测斜管中设置有通过数据传输电缆与地表测读仪相连接的活动探头，所述的活动探头内设置有加速度计传感器，数据传输电缆带动活动探头沿测斜管做升降运动，所述的数据传输电缆上设置有用于判断活动探头沿测斜管移动距离的等间隔标记，测读仪可读取数据传输电缆所传输的数据，测读仪上设置有用于将数据传输电缆接收信号传输给电子测距仪数据接收模块的无线传输装置，测斜管的底部设置有密封尾管，密封尾管底部设置有缓冲橡胶垫，所述的测斜管的顶端设置有顶部定位组件。
本发明的顶部定位组件包括设置在测斜管顶端的连接套管，所述连接套管为PVC管，连接套管顶端连接有连接钢筋，连接钢筋上端设置有反光片。
本发明的活动探头上安装有四个导向轮，其中两个导向轮安装在活动探头的上部；另外两个安装在活动探头的下部，测斜管的内壁上开设有与导向轮相适配的导向槽；
本发明的活动探头的顶端设置有用于和数据传输电缆相连的电缆接头，电缆接头与加速度计传感器相连，将加速度传感器测得的电压信号经数据传输电缆传输给测读仪，测读仪上设置有无线传输装置，可将测读仪读取到的数据传输至电子测距仪数据接收模块；
本发明所述的浅埋隧道超前核心土挤出位移监测系统进行挤出位移监测的方法包括以下步骤：
S1、基准点设置：在满足测量条件的位置钻孔设置基准点，若当前使用基准点不满足测量条件时及时更换新的符合要求的基准点；
S2、测点钻孔：按照监测计划，在地表沿隧道轴线正上方等距离钻孔，钻孔方向保持竖直且钻孔底部应位于掌子面到达测点处时掌子面的中心位置；
S3、测点装置安装：将测斜管插入钻孔中，直至密封尾管到达钻孔底部，测斜管中两导向槽连线必须与隧道轴线方向即挤出位移发生方向一致。
S4、测斜管顶端水平坐标初始读数：将顶部定位组件安装在测斜管顶端，用全站型电子测距仪测定定位组件顶端反光片中心与基准点之间的水平距离，从而确定测斜管顶端与基准点之间的水平距离初始值S0，测量完成后即可将顶部定位组件从当前测点移除；
测斜管底端相对于顶端的水平偏差初始读数：按照测斜管长度确定单次提升测量次数n，将活动探头垂直放至测斜管底端并逐次向上提升并依次读取数据，每次提升距离L，提升距离与活动探头位置通过数据传输电缆上的等间隔标记进行确定；隧道开挖后掌子面前方超前核心土挤出位移会带动测斜管产生沿隧道轴线水平方向的偏移，活动探头移动至每一测量区间时，将测得的电压信号通过数据传输电缆传输至测读仪U+＝K0+Kgsinθ，式中，K0为加速计偏值、K为加速度计灵敏度、g为重力加速度；活动探头在竖直状态下，活动探头的理论值为零，但在实际情况下会有一个接近零值的输出，这就是零点的偏移误差，即式中的K0，为了消除K0的影响，将活动探头调转180°，在该点进行第二次测量：U-＝K0-Kgsinθ两式相减将偏值K0消去，得差数U+-U-＝2Kgsinθ，通过上述计算原理方式计算可得所在测量区间的倾斜角θ，则活动探头从前一测量区间到下一测量区间时，活动探头水平位移y＝L×sinθ，初始读数完成后最终获得测斜管底端相对于顶端在隧道轴线方向的水平偏差初始值Y0。
S5、挤出位移量测：初始读数完成后，按照监测计划频率进行挤出位移的量测，量测过程与初始读数过程一致，最终获得测斜管底端相对于顶端在隧道轴线方向的水平偏差测量值Y及测斜管顶端与基准点之间的水平距离测量值S；
S6、测点装置保护措施：每次测量工作完成后，采用保护盖板和封盖对测点进行保护。
上述的挤出位移计算公式为：
ξ＝ΔS+ΔY
ΔS＝S-S0
ΔY＝Y-Y0
式中，ξ为测点挤出位移，ΔS为测斜管顶端沿隧道轴线水平位移，以朝向掌子面方向为正；S、S0分别为反光片与基准点之间的水平距离测量值和初始值，以隧道开挖方向为前方，若基准点位于测点前方，则S和S0取正值，若基准点位于测点后方，则S和S0取负值；ΔY为测斜管底部相对于顶端在隧道轴向方向的水平偏移量，以朝向掌子面方向为正，Y、Y0分别为测斜管底端相对于顶端在隧道轴线方向水平偏差的测量值和初始值；n为测斜管测量时单次测量的读数次数，即活动探头移动次数θi为每次读取的探头倾斜角，yi、yi(0)分别为探头每次读数时所在区间上下端在隧道轴线方向的水平水平偏差和初始读数时的初始水平偏差，L为提升距离，取值50cm。
本发明的有益效果如下：
(1)、测点布置和读数工作在地表即可完成，不会造成测量工作与施工的相互干扰；
(2)、本系统中测斜管价格低廉、定位组件可重复利用，最大程度地避免了资源浪费；
(3)、隧道埋深越小，本方法相对于传统方法的实施成本和难度越小。
(4)、挤出变形的测量值为真实变形量，避免了滑动测微计监测方式中前期和后期只能监测到部分挤出位移的情况；
(5)采用数据传输和接收装置对数据进行集中、实时处理，可有效提高工作效率；
(6)、成本低、操作简单、可有效提前预知隧道变形情况、对隧道稳定性进行全方位的预判。
附图说明
图1是本发明地面测量系统的示意图。
图2是本发明挤出位移测量系统2的结构示意图。
图3是图2中活动探头2-6的结构示意图。
图4是图2中顶部定位组件2-1的结构示意图。
图5是本发明挤出位移计算原理图。
图6是本发明测斜管底端相对于顶端水平偏差的计算原理图。
图中：1、基准点系统；2、挤出位移测量装置；3、全站型电子测距仪；2-1、顶部定位组件；2-2、数据发射模块；2-3、测读仪；2-4、数据传输电缆；2-5、测斜管；2-6、活动探头；2-7、密封尾管；2-8、缓冲橡胶垫；2-1-1、反光片；2-1-2、连接钢筋；2-1-3、连接套管；2-6-1、电缆接头；2-6-2、导向轮；2-6-3、加速度传感器；3-1、数据接收模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
在图1、2、3、4、5、6中，本发明浅埋隧道超前核心土挤出位移监测系统,包括地面量测系统、挤出位移测量装置2，所述的地面监测系统包括全站型电子测距仪3和基准点系统1，所述的基准点系统设置于隧道轴线方向，且处于使用阶段的基准点系统必须位于掌子面前方未受施工扰动区域或掌子面后方地层变形已稳定区域；基准点系统1包括混凝土块和连接钢筋，混凝土块镶嵌于地层中，连接钢筋镶嵌于混凝土块中并伸入地层，连接钢筋地面端设置有反光片，所述电子测距仪可精确测定两点之间的水平距离，电子测距仪3上连接的数据接收模块3-1可接收挤出位移测量装置测读仪中数据发射模块2-2发送的数据并实时与电子测距仪所得数据进行处理。
所述的挤出位移测量装置2包括：挤出位移测点上方地表处向下的垂直钻孔，钻孔下端位于隧道开挖至相应测点时的掌子面中心处，钻孔内安装有测斜管2-5，所述的测斜管为PVC管，测斜管2-5中设置有通过数据传输电缆2-4与地表测读仪2-3相连接的活动探头2-6，测读仪2-3可读出数据传输电缆2-4传递来的电压信号，测读仪2-3上安装有用于将其获得的测量数据传输给电子测距仪3数据接收模块3-1的数据发射模块2-2，所述的活动探头2-6内安装有加速度计传感器2-6-3，本实施例的活动探头2-6上还安装有四个导向轮2-6-2，其中两个导向轮2-6-2安装在活动探头2-6的上部，另外两个安装在活动探头2-6的下部，测斜管2-5的内壁开设有与导向轮相适配的导向槽，活动探头2-6的顶端安装有用于和数据传输电缆2-4相连的电缆接头2-6-1，电缆接头2-6-1与加速度计传感器2-6-3相连，将加速度传感器2-6-3测得的电压信号经数据传输电缆2-4传输给测读仪2-3。数据传输电缆2-4带动活动探头2-6沿测斜管2-5做升降运动，所述的数据传输电缆2-4上设置有用于判断活动探头沿测斜管2-5移动距离的等间隔标记，标记之间间隔为50cm，测斜管2-5的底部设置有密封尾管2-7，密封尾管2-7底部设置有缓冲橡胶垫2-8，所述的测斜管2-5的顶端设置有顶部定位组件2-1，本实施例的顶部定位组件2-1由反光片2-1-1连接钢筋2-1-2、连接套管2-1-3连接构成，连接套管2-1-3的底端设置在测斜管2-5上，本实施例的连接套管2-1-3为PVC管，连接套管2-1-3上端设有连接钢筋2-1-2，连接钢筋顶端设置有反光片2-1-1。
利用上述的浅埋隧道超前核心土挤出位移监测系统进行挤出位移监测的方法包括以下步骤：
S1、基准点设置：在满足测量条件的位置钻孔设置基准点，若当前使用基准点不满足测量条件时及时更换新的符合条件的基准点；
S2、测点钻孔：按照监测计划，在地表沿隧道轴线正上方等距离竖向钻孔，钻孔方向保持竖直且钻孔底部应位于隧道开挖至测点处时掌子面的中心位置；
S3、测点装置安装：将测斜管2-5插入钻孔中，直至密封尾管2-7到达钻孔底部，测斜管2-5中两导向槽连线必须与隧道轴线方向即挤出位移发生方向一致。
S4、测斜管2-5顶端水平坐标初始读数：将顶部定位组件2-1安装在测斜管2-5顶端，用全站型电子测距仪3测定定位组件顶端反光片2-1-1与基准点之间的水平距离初始值S0，测量完成后即可将顶部定位组件移除当前测点；
测斜管底端相对于顶端的水平偏差初始读数：按照测斜管2-5长度确定单次提升测量次数n，将活动探头2-6垂直放至测斜管2-5底端逐次向上提升并依次读取数据，每次提升距离L，提升距离与活动探头2-6位置通过数据传输电缆2-4上的等间隔标记进行确定；隧道开挖后掌子面前方超前核心土挤出位移会带动测斜管产生沿隧道轴线水平方向的偏移活动探头2-6移动至每一测量区间时，由数据传输电缆2-4以电压信号的方式传输至测读仪U+＝K0+Kgsinθ式中，K0为加速计偏值、K为加速度计灵敏度、g为重力加速度；活动探头2-6在竖直状态下，活动探头2-6的理论值为零，但在实际情况下会有一个接近零值的输出，这就是零点的偏移误差，即式中的K0，为了消除K0的影响，将活动探头2-6调转180°，在该点进行第二次测量：U-＝K0-Kgsinθ两式相减将偏值K0消去，得差数U+-U-＝2Kgsinθ，通过上述计算原理方式计算可得倾斜角θ，则活动探头2-6从前一测量区间到下一测量区间的水平偏移量为y＝L×sinθ，初始读数完成后最终获得测斜管底部相对于地面端在隧道轴线方向的水平偏差初始值Y0；
S5、挤出位移量测：初始读数完成后，按照监测计划频率进行挤出位移的量测，量测过程与初始读数过程一致，最终获得测斜管2-5底端相对与顶端在隧道轴线方向的水平偏差测量值Y及测斜管顶端与基准点之间的水平距离测量值S；
S6、测点装置保护措施：每次测量工作完成后，采用保护盖板和封盖对测点进行保护。
上述的浅埋隧道超前核心土预收敛位移监测方法，挤出位移计算公式为：
ξ＝ΔS+ΔY
ΔS＝S-S0
ΔY＝Y-Y0
式中，ξ为测点挤出位移，ΔS为测斜管顶端沿隧道轴线水平位移，以朝向掌子面方向为正；S、S0分别为反光片与基准点之间的水平距离测量值和初始值，以隧道开挖方向为前方，若基准点位于测点前方，则S和S0取正值，若基准点位于测点后方，则S和S0取负值；ΔY为测斜管底部相对于顶端在隧道轴向方向的水平偏移量，以向掌子面方向为正，Y、Y0分别为测斜管底端相对测斜管顶端在隧道轴线方向水平偏差的测量值和初始值；n为测斜管测量时单次测量的读数次数，θi为每次读取的探头倾斜角，θi为初始读数时探头读取的初始倾斜角，yi、yi(0)分别为探头每次读数时所在区间上下端的在隧道轴线方向的水平偏差和初始读数时的初始水平偏差，L为探头测量时每次的提升距离，取值50cm。
Claims (6)
1.一种浅埋隧道超前核心土挤出位移监测系统,其特征在于：包括地面监测系统、挤出位移测量装置，所述的地面监测系统包括全站型电子测距仪和基准点系统，所述的基准点系统设置于隧道轴线方向，且处于使用阶段的基准点系统必须位于掌子面前方未受施工扰动区域或掌子面后方地层变形已稳定区域；基准点系统包括混凝土块和连接钢筋，混凝土块镶嵌于地层中，连接钢筋镶嵌于混凝土块中并伸入地层，连接钢筋地面端设置有反光片,所述电子测距仪可精确测定两点之间的水平距离及竖直方向高差，电子测距仪上连接的数据接收模块可接收挤出位移测量装置测读仪中数据发射模块发送的数据并实时与电子测距仪所得数据进行处理；
所述的挤出位移测量装置包括：在挤出位移测点正上方地表处垂直向下的钻孔，钻孔内设置有PVC测斜管，测斜管中设置有通过数据传输电缆与地表测读仪相连接的活动探头，所述的活动探头内设置有加速度计传感器，数据传输电缆带动活动探头沿测斜管做升降运动，所述的数据传输电缆上设置有用于判断活动探头沿测斜管移动距离的等间隔标记，测读仪可读取数据传输电缆所传输的数据，测读仪上设置有用于将数据传输电缆接收信号传输给电子测距仪数据接收模块的无线传输装置，测斜管的底部设置有密封尾管，密封尾管底部设置有缓冲橡胶垫，所述的测斜管的顶端设置有顶部定位组件。
2.根据权利要求1所述的浅埋隧道超前核心土挤出位移监测系统，其特征在于：所述的顶部定位组件包括设置在测斜管顶端的连接套管，所述连接套管为PVC管，连接套管顶端连接有连接钢筋，连接钢筋上端设置有反光片。
3.根据权利要求1所述的浅埋隧道超前核心土挤出位移监测系统，其特征在于：所述的活动探头上安装有四个导向轮，其中两个导向轮安装在活动探头的上部；另外两个安装在活动探头的下部，测斜管的内壁上开设有与导向轮相适配的导向槽。
4.根据权利要求1所述的浅埋隧道超前核心土挤出位移监测系统，其特征在于：所述的活动探头的顶端设置有用于和数据传输电缆相连的电缆接头，电缆接头与加速度计传感器相连，将加速度传感器测得的电压信号经数据传输电缆传输给测读仪，测读仪上设置有无线传输装置，可将测读仪读取到的数据传输至电子测距仪数据接收模块。
5.利用上述权利要求1～4所述的浅埋隧道超前核心土挤出位移监测系统进行挤出位移监测的方法包括以下步骤：
S1、基准点设置：在满足测量条件的位置钻孔设置基准点，若当前使用基准点不满足测量条件时及时更换新的符合要求的基准点；
S2、测点钻孔：按照监测计划，在地表沿隧道轴线正上方等距离钻孔，钻孔方向保持竖直且钻孔底部应位于掌子面到达测点处时掌子面的中心位置；
S3、测点装置安装：将测斜管插入钻孔中，直至密封尾管到达钻孔底部，测斜管中两导向槽连线必须与隧道轴线方向即挤出位移发生方向一致。
S4、测斜管顶端水平坐标初始读数：将顶部定位组件安装在测斜管顶端，用全站型电子测距仪测定定位组件顶端反光片中心与基准点之间的水平距离，从而确定测斜管顶端与基准点之间的水平距离初始值S0，测量完成后即可将顶部定位组件从当前测点移除；
测斜管底端相对于顶端的水平偏差初始读数：按照测斜管长度确定单次提升测量次数n，将活动探头垂直放至测斜管底端并逐次向上提升并依次读取数据，每次提升距离L，提升距离与活动探头位置通过数据传输电缆上的等间隔标记进行确定；隧道开挖后掌子面前方超前核心土挤出位移会带动测斜管产生沿隧道轴线水平方向的偏移，活动探头移动至每一测量区间时，将测得的电压信号通过数据传输电缆传输至测读仪U+＝K0+Kg sinθ，式中，K0为加速计偏值、K为加速度计灵敏度、g为重力加速度；活动探头在竖直状态下，活动探头的理论值为零，但在实际情况下会有一个接近零值的输出，这就是零点的偏移误差，即式中的K0，为了消除K0的影响，将活动探头调转180°，在该点进行第二次测量：U-＝K0-Kg sinθ两式相减将偏值K0消去，得差数U+-U-＝2Kg sinθ，通过上述计算原理方式计算可得所在测量区间的倾斜角θ，则活动探头从前一测量区间到下一测量区间时，活动探头水平位移y＝L×sinθ，初始读数完成后最终获得测斜管底端相对于顶端在隧道轴线方向的水平偏差初始值Y0。
S5、挤出位移量测：初始读数完成后，按照监测计划频率进行挤出位移的量测，量测过程与初始读数过程一致，最终获得测斜管底端相对于顶端在隧道轴线方向的水平偏差测量值Y及测斜管顶端与基准点之间的水平距离测量值S；
S6、测点装置保护措施：每次测量工作完成后，采用保护盖板和封盖对测点进行保护。
6.根据权利要求5所述的浅埋隧道超前核心土预收敛位移监测方法，其特征在于所述的挤出位移计算公式为：
ξ＝ΔS+ΔY
ΔS＝S-S0
ΔY＝Y-Y0
式中，ξ为测点挤出位移，ΔS为测斜管顶端沿隧道轴线水平位移，以朝向掌子面方向为正；S、S0分别为反光片与基准点之间的水平距离测量值和初始值，以隧道开挖方向为前方，若基准点位于测点前方，则S和S0取正值，若基准点位于测点后方，则S和S0取负值；ΔY为测斜管底部相对于顶端在隧道轴向方向的水平偏移量，以朝向掌子面方向为正，Y、Y0分别为测斜管底端相对于顶端在隧道轴线方向水平偏差的测量值和初始值；n为测斜管测量时单次测量的读数次数，即活动探头移动次数θi为每次读取的探头倾斜角，yi、yi(0)分别为探头每次读数时所在区间上下端在隧道轴线方向的水平水平偏差和初始读数时的初始水平偏差，L为提升距离，取值50cm。
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