CN108489368A - 一种隧道围岩变形高精度实时监控量测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道围岩变形高精度实时监控量测装置及方法，装置包括软套管、钢丝A、可滑动钢片、百分表、螺纹钢管、第一螺丝固定装置和具有螺纹外接口的数据采集盒；钢丝A设置在软套管内，钢丝A和软套管的一端均固定在固定器件上，软套管的另一端穿入螺纹钢管，螺纹钢管固定在围岩上；钢丝A的另一端穿过可滑动钢片并在端部设置第一螺丝固定装置；螺纹钢管套螺母，通过螺母实现与数据采集盒连接；软套管通过固定夹安装在围岩上；可滑动钢片和百分表设置在数据采集盒内，可滑动钢片设置在第一螺丝固定装置与百分表测头之间。本发明能够克服现有隧道围岩变形监测技术所存在的“人力、物力和时间耗费大”等缺点，测量工序简单，测量效果好。

Description

一种隧道围岩变形高精度实时监控量测装置及方法

技术领域

本发明专利涉及隧道围岩变形量测领域，特别涉及一种隧道围岩变形高精度实时监控量测装置及方法。

背景技术

隧道围岩变形监测在隧道的整体修建过程中是不可缺少的重要部分，总体来说，它具有以下作用：①通过量测，掌握围岩在施工中的动态，控制围岩的变形；②了解支护结构的效果，及时采取措施，做到安全施工；③在对量测数据进行分析处理与必要的计算后，进行下一阶段的施工预测，并对原设计和施工的合理性进行评估和信息反馈，以确保施工安全和隧道结构稳定；④将已有的量测结果应用到其他类似的工程中，作为今后设计和施工的依据；⑤量测是对围岩变形动态监控的手段，也是“新奥法”隧道施工的重要组成部分，尤其是在某些恶劣的地质条件和环境下，围岩变形量检测结果可以在一定程度上反映围岩结构的安全性，起到了“提前预警”的作用，为现场施工人员在灾害发生时的提前撤离提供了可能，因此它也具有一定的“防灾减灾”作用。

目前，隧道量测项目分为必测项目(A类测量)和选测项目(B类测量)，必测项目包括：洞内状态观察、拱顶下沉测量和净空变形量测。洞内状态观察主要是用肉眼对开挖地段和支护地段进行观察，以此来直接判断围岩、隧道的稳定性和支护结构参数的合理性。拱顶下沉测量即测出拱顶的绝对下沉量，可用精密水准仪配合拱顶位移计(普通钢卷尺)进行，且对量测点间距、量测频率、量测方法以及后期的数据整理均有相关要求。净空变形量测即测出隧道周边相对方向两个固定点连线上的相对位移值，一般采用隧道净空变化测定计(收敛仪)进行量测。如上所述，完成上述必测项目通常需要耗费大量的人力、物力和时间，且工序相对复杂，同时由于环境和仪器等误差客观存在的原因，常常导致测量结果的精度不高且影响现场施工，因此，针对以上问题研究出量测精度高、操作工序简单、测量成本低廉和量测动态化的新型隧道围岩变形量测装置就显得十分必要了。

发明内容

本发明专利的目的在于克服现有隧道围岩变形监测技术所存在的“人力、物力和时间耗费大”、“许多工序比较复杂”和“测量精度不高”的缺点，研发一种隧道围岩变形高精度实时监控量测装置，该装置能够很好地解决上述问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种隧道围岩变形高精度实时监控量测装置，它包括软套管、钢丝A、可滑动钢片、百分表、螺纹钢管、第一螺丝固定装置和具有螺纹外接口的数据采集盒；

钢丝A设置在软套管内，钢丝A和软套管的一端均固定在固定器件上，软套管的另一端穿入螺纹钢管，螺纹钢管固定在围岩上；钢丝A的另一端穿过可滑动钢片并在端部设置第一螺丝固定装置；

螺纹钢管套螺母，通过螺母实现与数据采集盒连接；

软套管通过固定夹安装在围岩上；

可滑动钢片和百分表设置在数据采集盒内，可滑动钢片设置在第一螺丝固定装置与百分表测头之间。

作为优选方式，固定夹为带吊环的膨胀螺丝。

作为优选方式，设置7个固定夹，固定夹均匀分布在围岩的上半部分。

作为优选方式，可滑动钢片上设置有一个与百分表测头相配合的凹槽，优选地，凹槽的深度为0.5mm。

作为优选方式，固定器件为10mm方形且厚2mm的金属垫板，软套管为直径为4mm厚1mm的塑料软套管，钢丝A为2mm钢丝，钢丝A与金属垫板点焊，软套管与金属垫板粘接。

作为优选方式，

数据采集盒位于隧道初支的外侧且位于靠近隧道截面水平线下方，钢丝A与软套管壁之间填充润滑剂层；

以隧道水平中心线为参考基准线在隧道上半侧围岩每30度方向上布置一个软套管固定夹，起着更好固定的作用，软套管与固定器件连接埋于隧道初支左侧端部且与隧道水平中心线齐平。

作为优选方式，螺母的直径50mm，厚度为5mm，长度为75mm；

螺纹外接口的长度为25mm；

螺纹钢管的厚度为3mm，带50mm长度的外螺纹接口。

作为优选方式，百分表为50mm的可拆卸百分表，数据采集盒为2mm厚的预制铁皮盒；

数据采集盒上设置有门，门上设置把手。

一种隧道围岩变形高精度实时监控量测装置安装方法，它包括如下步骤：

S1：在隧道断面上的预定位置将固定夹的膨胀螺丝打入围岩内部以固定软套管；

S2：将软套管安装于预先打入围岩的软套管固定夹中的膨胀螺丝圆孔内，将软套管的左端用固定器件进行固接，右端则穿入螺纹钢管(厚3mm带5cm长度外螺纹接口且埋入初支10cm)内部，然后将螺纹钢管固定于围岩表面；

S3：在步骤S1和S2完成且达到预期要求后，开始施工隧道初支，使其在约束围岩变形的同时也起到固定软套管和螺纹钢管(厚3mm带5cm长度外螺纹接口且埋入初支10cm)的作用；

S4：通过直径5cm且厚5mm的螺母与长度为2.5cm的铁盒螺纹外接口进行连接的形式，将围岩位移数据采集铁盒和螺纹钢管(厚3mm带5cm长度外螺纹接口且埋入初支10cm)进行紧密地连接；

S5：安装可滑动钢片和量程为50mm的可拆卸百分表于2mm厚预制铁皮盒内。

一种隧道围岩变形高精度实时监控量测装置测量方法，量测钢丝A端部移动变化量以反映围岩变形情况，当钢丝A端部移动变化量超过百分表量程时，松动可滑动钢片上方的第一螺丝固定装置将划片移至初始位置，再次对钢丝A端部移动变化量进行累加测量。

优选地，当隧道此处围岩变形趋于稳定后，可拆下铁盒和百分表，重复上述步骤用于隧道围岩其它位置的测量。

本发明的有益效果是：

本发明能够克服现有隧道围岩变形监测技术所存在的“人力、物力和时间耗费大”、“许多工序比较复杂”和“测量精度不高”的缺点，测量工序简单，测量效果好。

附图说明

图1为本发明专利装置“隧道横截面采集器布置图”；

图2为本发明专利装置“钢丝、软套管固端放大图(俯视)”；

图3为本发明专利装置“钢丝、软套管固端放大图(正视)”；

图4为本发明专利装置“隧道围岩位移采集器局部放大图(正视)，单位：mm”；

图5为本发明专利装置“测头和面板接触点局部详图，单位：mm”；

图6为本发明专利装置“隧道围岩位移采集器局部放大图(左视)，单位：mm”；

图7为本发明专利装置“塑料软套管固定夹放大图”；

图8为本发明专利装置“隧道围岩位移计算原理简图”之一；

图9为本发明专利装置“隧道围岩位移计算原理简图”之二；

图10为本发明专利装置“隧道围岩位移计算原理简图”之三；

图11为本发明专利装置“2mm厚且带圆孔且可滑动钢片放大图(俯视)，单位：mm”；

图12为本发明专利装置“铁盒门放大图，单位：mm”；

图中，1-软套管，2-钢丝A，3-隧道初支，4-第一环形金属导口，5-螺纹钢管，6-螺母，7-螺纹外接口，8-第二环形金属导口，9-钢丝B，10-可滑动钢片，11-第一螺丝固定装置，12-数据采集盒，13-第二螺丝固定装置，14-橡胶层，15-百分表，15.1-测头，15.2-紧缩装置，16-固定夹，17-围岩，18-润滑剂层，19-固定器件，20-把手。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图4和图6所示，一种隧道围岩17变形高精度实时监控量测装置，它包括软套管1、钢丝A2、可滑动钢片10、百分表15、螺纹钢管5、第一螺丝固定装置11和具有螺纹外接口7的数据采集盒12；

钢丝A2设置在软套管1内(软套管1的端部设置第一环形金属导口4)，钢丝A2和软套管1的一端均固定在固定器件19上，软套管1的另一端穿入螺纹钢管5，螺纹钢管5固定在围岩17上；钢丝A2的另一端穿过可滑动钢片10并在端部设置第一螺丝固定装置11；

螺纹钢管5套螺母6，通过螺母6实现与数据采集盒12连接；

软套管1通过固定夹16安装在围岩17上；

可滑动钢片10和百分表15设置在数据采集盒12内，可滑动钢片10设置在第一螺丝固定装置11与百分表15测头15.1之间。第一螺丝固定装置11包括套环和螺丝，套环的侧壁设置与螺丝配合使用的内螺纹，螺丝与套环配合使用，形成固定装置。

优选地，数据采集盒12的顶部安装钢丝B9，可滑动钢片10上设置定位孔，钢丝B9穿过定位孔，使得可滑动钢片10只能上下移动。钢丝B9为定位钢丝，设置四根定位钢丝，可滑动钢片10上设置四个定位孔，定位孔优选设置在可滑动钢片10的四角上，定位钢丝穿过相应的定位孔，对可滑动钢片10进行位置约束。

在一个优选实施例中，如图7所示，固定夹16为带吊环的膨胀螺丝。

在一个优选实施例中，如图1所示，设置7个固定夹16，固定夹16均匀分布在围岩17的上半部分。

在一个优选实施例中，如图5所示，可滑动钢片10(可滑动钢片10结构如图11所示)上设置有一个与百分表15测头15.1相配合的凹槽，优选地，凹槽的深度为0.5mm。

在一个优选实施例中，如图2和图3所示，固定器件19为10mm方形且厚2mm的金属垫板，软套管1为直径为4mm厚1mm的塑料软套管1，钢丝A2为2mm钢丝，钢丝A2与金属垫板点焊，软套管1与金属垫板粘接。

在一个优选实施例中，

数据采集盒12位于隧道初支3的外侧且位于靠近隧道截面水平线下方，钢丝A2与软套管1壁之间填充润滑剂层18；

以隧道水平中心线为参考基准线在隧道上半侧围岩17每30度方向上布置一个软套管1固定夹16，起着更好固定的作用，软套管1与固定器件19连接埋于隧道初支3左侧端部且与隧道水平中心线齐平。

在一个优选实施例中，螺母6的直径50mm，厚度为5mm，长度为75mm；

螺纹外接口7的长度为25mm；

螺纹钢管5的厚度为3mm，带50mm长度的外螺纹接口。

在一个优选实施例中，百分表15为50mm的可拆卸百分表15，数据采集盒12为2mm厚的预制铁皮盒；百分表15上设置有橡胶层14、紧缩装置15.2和第二螺丝固定装置13，第二螺丝固定装置13包括固定螺丝。数据采集盒12的顶部开口，开口处设置第二环形金属导口8。

如图12所示，数据采集盒12上设置有门，门上设置把手20。

一种隧道围岩17变形高精度实时监控量测装置安装方法，它包括如下步骤：

S1：依据设计文件要求，采用相关施工工艺对隧道围岩17进行开挖，形成隧道断面，后在开挖断面上的预定位置将塑料软套管1固定夹16中的带圆孔的膨胀螺丝打入围岩17内部以固定4mm塑料软套管1；

S2：将4mm塑料软套管1安装于预先打入围岩17的塑料软套管1固定夹16中的膨胀螺丝圆孔内，同时将4mm塑料软套管1的左端用钢片固定装置进行固接，右端则穿入螺纹钢管5(厚3mm带5cm长度外螺纹接口且埋入初支10cm)内部，然后将固定于围岩17表面；

S3：在步骤S1和S2完成且达到预期要求后，开始施工隧道初支3，使其在约束围岩17变形的同时也起到固定4mm塑料软套管1和螺纹钢管5(厚3mm带5cm长度外螺纹接口且埋入初支10cm)的作用；

S4：通过直径5cm且厚5mm的特制圆形螺母6与长度为2.5cm的铁盒螺纹外接口7进行连接的形式，将围岩17位移数据采集铁盒和螺纹钢管5(厚3mm带5cm长度外螺纹接口且埋入初支10cm)进行紧密地连接；

S5：当上述步骤完成后且需要对隧道围岩17变形量进行监测时，安装量程为50mm的可拆卸百分表15于2mm厚预制铁皮盒内，并设置好可滑动钢片10的位置，此时可以开始量测2mm钢丝端部移动变化量以反映围岩17变形情况，当钢丝端部移动变化量超过百分表15量程时，可松动滑动钢片上方的螺丝固定装置将划片移至初始位置，再次对钢丝端部移动变化量进行累加测量。

一种隧道围岩17变形高精度实时监控量测装置测量方法，量测2mm钢丝(即钢丝A2)端部移动变化量以反映围岩17变形情况，当钢丝端部移动变化量超过百分表15量程时，可松动滑动钢片上方的第一螺丝固定装置11将划片移至初始位置，再次对钢丝端部移动变化量进行累加测量；

优选地，当隧道此处围岩17变形趋于稳定后，可拆下铁盒和百分表15，重复上述步骤用于隧道围岩17其它位置的测量。

在一个优选实施例中，一种隧道围岩17变形高精度实时监控量测装置，它包括直径为4mm塑料软套管1、围岩17位移数据采集铁盒、量程为50mm的可拆百分表15和直径为2mm的可伸长变形的钢丝，塑料软套管1内部涂抹润滑剂，用以减少围岩17变形时钢丝与塑料软套管1内壁之间的摩擦，百分表15用以量测2mm钢丝端部移动变化量，根据百分表15读数值来反应围岩17的变形和围岩17安全稳定性。

围岩17变形情况与百分表15读数值之间的关系可以通过以下分析得出：

1.拱顶下沉为u_y,拱腰没有变形时，如图8所示：

假设即隧道围岩17的变形量随转角的增加而减少(即拱顶处变形量最大，往拱腰两侧的变形量不断减小)，且与角度成线性关系，则Δs＝dl₁-dl₂＝rdθ-(r-u_θ)dθ＝u_ydθ，即隧道上半侧围岩17总变形量为

2.拱顶下沉为0,拱腰变形为u_x时，如图9所示：

3.拱顶下沉和拱腰变形均为u_o时，如图10所示：

隧道上半侧围岩17总变形量为s＝π[r-(r-u₀)]＝πu₀。

备注：s为围岩17变形时引起的钢丝端部移动变化量；r为隧道衬砌截面外径；Δs为隧道围岩17变形前后dθ对应隧道围岩17弧段长度的变化量；u_θ为与参考线成θ夹角的隧道围岩17径向变形量。

本发明公开的技术方案至少具有以下优点：

1)该装置中的铁盒部分具有构造简单、体型小、制作方便、能够重复使用、成本低廉且可随意拆卸等优点；

2)该装置中的百分表15具有安装简单、可随时拆卸和能够重复使用的特点；

3)该装置中埋于隧道初支3结构中的软套管1直径较小，因此对隧道初支3结构的强度影响较小；

4)该装置具有测量精度高、量测速度快、操作简单、原理明确、适用范围广、实时量测、不影响现场隧道施工作业以及能够适应不同形状截面的隧道等特点；

5)该装置中位于软套管1内的2mm钢丝周围涂抹润滑油，因此在围岩变形时2mm钢丝端部能够准确及时地做出相应的移动变化反应；

6)塑料软导管固定夹16是由带吊环螺母的膨胀螺丝制成，因此能够在各种围岩条件下起到紧固软套管1的作用，使软套管1能够及时准确地反应围岩17的变形；

7)该装置中的百分表15可根据上方钢丝端部的移动量实时做出相应变化，从而得到围岩17变形量的实时读数；

8)通过控制与百分表15接触上方的固定螺丝，该围岩17变形量测装置的围岩17变形的量测范围将得到极大的提高，因此能够满足绝大多数类型的隧道围岩17最大变形量的要求；

9)百分表15测头15.1与2mm钢丝的水平距离较小，保证了百分表测头反应的灵敏度和测量结果的准确性；

10)由于在该装置中使用了较小量程的百分表15、与百分表15测头15.1能够很好结合的凹形钢片面板以及橡胶和螺丝组合固定装置，从而可以保证量测结果的精度和可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种隧道围岩变形高精度实时监控量测装置，其特征在于：它包括软套管、钢丝A、可滑动钢片、百分表、螺纹钢管、第一螺丝固定装置和具有螺纹外接口的数据采集盒；

钢丝A设置在软套管内，钢丝A和软套管的一端均固定在固定器件上，软套管的另一端穿入螺纹钢管，螺纹钢管固定在围岩上；钢丝A的另一端穿过可滑动钢片并在端部设置第一螺丝固定装置；

螺纹钢管套螺母，通过螺母实现与数据采集盒连接；

软套管通过固定夹安装在围岩上；

可滑动钢片和百分表设置在数据采集盒内，可滑动钢片设置在第一螺丝固定装置与百分表测头之间。

2.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形高精度实时监控量测装置，其特征在于：固定夹为带吊环的膨胀螺丝。

3.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形高精度实时监控量测装置，其特征在于：设置7个固定夹，固定夹均匀分布在围岩的上半部分。

4.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形高精度实时监控量测装置，其特征在于：可滑动钢片上设置有一个与百分表测头相配合的凹槽。

5.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形高精度实时监控量测装置，其特征在于：固定器件为10mm方形且厚2mm的金属垫板，软套管为直径为4mm厚1mm的塑料软套管，钢丝A为2mm钢丝，钢丝A与金属垫板点焊，软套管与金属垫板粘接。

6.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形高精度实时监控量测装置，其特征在于：

数据采集盒位于隧道初支的外侧且位于靠近隧道截面水平线下方，钢丝A与软套管壁之间填充润滑剂层；

以隧道水平中心线为参考基准线在隧道上半侧围岩每30度方向上布置一个软套管固定夹，软套管与固定器件连接埋于隧道初支左侧端部且与隧道水平中心线齐平。

7.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形高精度实时监控量测装置，其特征在于：螺母的直径50mm，厚度为5mm，长度为75mm；

螺纹外接口的长度为25mm；

螺纹钢管的厚度为3mm，带50mm长度的外螺纹接口。

8.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形高精度实时监控量测装置，其特征在于：百分表为50mm的可拆卸百分表，数据采集盒为2mm厚的预制铁皮盒；

数据采集盒上设置有门，门上设置把手。

9.一种隧道围岩变形高精度实时监控量测装置安装方法，其特征在于，它包括如下步骤：

S1：在隧道断面上的预定位置将固定夹的膨胀螺丝打入围岩内部以固定软套管；

S2：将软套管安装于预先打入围岩的软套管固定夹中的膨胀螺丝圆孔内，将软套管的左端用固定器件进行固接，右端则穿入螺纹钢管内部，然后将螺纹钢管固定于围岩表面；

S3：在步骤S1和S2完成且达到预期要求后，开始施工隧道初支，使其在约束围岩变形的同时也起到固定软套管和螺纹钢管的作用；

S4：通过直径5cm且厚5mm的螺母与长度为2.5cm的铁盒螺纹外接口进行连接的形式，将围岩位移数据采集铁盒和螺纹钢管进行紧密地连接；

S5：安装可滑动钢片和量程为50mm的可拆卸百分表于2mm厚预制铁皮盒内。

10.一种根据权利要求1或9所述装置的测量方法，其特征在于：量测钢丝A端部移动变化量以反映围岩变形情况，当钢丝A端部移动变化量超过百分表量程时，松动可滑动钢片上方的第一螺丝固定装置将划片移至初始位置，再次对钢丝A端部移动变化量进行累加测量。