CN109141265B - 一种隧洞开挖围岩全过程变形曲线超前监测装置及其实施方法 - Google Patents

一种隧洞开挖围岩全过程变形曲线超前监测装置及其实施方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种隧洞开挖围岩全过程变形曲线超前监测装置及实施方法，包括钢管弹性体、高差计结构和埋置光纤，以及实施步骤；所述的高差计为为等距离串联结构，固定于钢管内；所述的埋置光纤封装于钢管表面槽内；所述的高差计和埋置光纤与钢管形成变形协调结构，通过计算高差变化和光纤变形情况可以推算围岩变形；所述的实施步骤包括钻孔、钢管安装、高差计组装、埋置光纤封装以及钻孔封孔灌浆。本发明可以对隧洞开挖掌子面前围岩变形曲线进行测试计算，为工程动态设计、施工和安全提供支持。

Description

一种隧洞开挖围岩全过程变形曲线超前监测装置及其实施 方法
技术领域
本发明涉及地下工程围岩变形测量控制领域，具体是隧道开挖围岩变形曲线超前监测装置及方法。
背景技术
隧洞工程一般规模较大，工程地质条件复杂，岩体开挖过程中洞周岩体(围岩)由于应力重新调整而产生变形。围岩的稳定性受多种因素影响，工程实践表明，施工期间隧洞围岩变形情况在隧洞围岩稳定性评价以及洞室支护参数选择等方面具有重要的参考作用。目前，隧洞的变形监测主要集中在岩体位移、收敛沉降等方面，使用的测量仪器主要包括水准仪、经纬仪、全站仪等常规测量设备以及摄影测量设备等，测量精度较高，但存在以下缺点：(1)均为点式测量，布点具有随意性，增加测点数虽可提高可靠性，但会大大的增加成本，且测点布置受洞内施工组织影响很大；(2)测量对象多为隧洞内部洞壁变形情况，不能反映围岩内部的变形情况；(3)测量只针对已开挖的洞段，不能对开挖掌子面之前未开挖和正开挖的洞段变形情况进行监测，所测得值并非围岩整个变形阶段的量值，不能反应围岩真实变形特征，而这一变形特征在分析评价围岩稳定及洞室支护设计方面尤为重要。因而，设计研究一种能对隧洞开挖掌子面前后围岩全过程变形量值进行连续测量的装置成为急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供隧洞开挖围岩全过程变形曲线超前监测装置及其实施方法，能够对隧道开挖施工中围岩变形进行超前监测，可解决上述技术问题，可对开挖断面前后围岩的洞段变形情况进行监测。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种隧洞开挖围岩全过程变形曲线超前监测装置,包括围岩、开挖隧洞、设于开挖隧洞的围岩中的钻孔、设置在钻孔内的钢管、钢管内的钢管埋置光纤和至少一个高差计，在钻孔的一侧设置有钻孔外侧口密封体，钻孔内设置有灌浆管和钢管，钢管的一端设置有钢管外侧端密封体，钢管的外侧表面开设有钢管光纤槽和钢管埋置光纤进入孔，钢管的另一端设置有钢管内侧端堵头，钢管埋置光纤封装于钢管光纤槽内，钢管埋置光纤的两端引出钢管外，至少一个高差计置于钢管内，所述高差计通过高差计光纤串联起来，并通过高差计固定缆绳固定于钢管内端端的钢管内侧端堵头，高差计光纤两端分别引出钢管外侧端以方便测量，高差计液管也通过高差计固定缆绳与高差计和高差计光纤相连。
进一步地，所述的钻孔位于开挖隧洞开挖掌子面前顶部围岩中，与隧洞轴线方向一致并且与隧洞轴线成一定角度。钻孔可通过TBM观测孔或者其他可以操作的地方钻进形成，其长度可根据测量需求设定。
进一步地，所述的高差计通过高差计光纤等距离相连形成串联结构，高差计光纤两端皆可进行信号测量；高差计串联结构通过高差计固定缆绳固定于钢管内侧端堵头，钢管内侧端堵头固定于钢管内侧端，从而使高差计串联结构固定于钢管内；将高差计光纤两端分别引出钢管外侧端以方便测量；所述的高差计可以根据测量长度需要调整串联的数量，或者增加额外的串联结构，与已有的串联结构形成等距或变距分布，分别进行测量。
进一步地，所述的钢管为管状结构，内部可放置高差计串联结构以及高差计光纤和钢管埋置光纤，外径应小于钻孔直径，且在钻孔孔口能设置灌浆管；所述的钢管可由普通钢管现场焊接而成，形成需要的长度；所述的钢管在其外侧12点和6点钟位置设有钢管光纤槽，其尺寸应能满足钢管埋置光纤埋入要求；所述的钢管在其内侧和外侧位置钢管光纤槽内分别设有钢管埋置光纤进入孔，埋置于钢管光纤槽内的钢管埋置光纤通过钢管埋置光纤进入孔进入钢管内并引出管外进行测量；所述的钢管埋置光纤通过环氧树脂或其他粘接材料封装于钢管光纤槽内，与钢管形成变形协调体；所述的钢管埋置光纤和钢管埋置光纤进入孔可设置多根和多个，以满足不同的测量长度需求；所述的钢管在其外侧端设有钢管外侧端密封体对管口进行密封，钢管埋置光纤和高差计光纤可通过钢管外侧端密封体引出管外。
进一步地，所述的钢管埋置光纤为FBG光纤，可对微变形进行测量，从而计算变形体的压力、位移等信息。
进一步地，所述的钻孔在其孔口设有钻孔外侧口密封体将钢管连同高差计及钢管埋置光纤结构密封于钻孔内；钢管埋置光纤和高差计光纤可通过钻孔外侧口密封体引出钻孔孔口外进行测量；钻孔孔口设有灌浆管，在钻孔密封后对钻孔进行灌浆密封，使整体结构形成变形协调结构。
本发明还提供了一种隧洞开挖围岩全过程变形曲线超前监测装置的实施方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在开挖隧洞开挖断面顶端根据测量需要进行钻孔制作；
步骤2：对分段钢管相应位置分布进行钢管光纤槽和钢管埋置光纤进入孔的制作；
步骤3：将高差计串联，并在每个高差计液管注入一定量的溶液，从而可进行测量；将高差计通过高差计固定缆绳固定于钢管内侧端堵头，将钢管内侧端堵头固定于钢管内侧端；如有多个高差计串联结构，可分别按等距或变距布置于钢管内；将高差计光纤引出管外；
步骤4：将钢管埋置光纤封装于钢管光纤槽内，将光纤两端引出管外；
步骤5：将钢管分别放入钻孔内，对每段进行焊接，并根据长度连接整理高差计和对钢管埋置光纤进行封装，将高差计光纤和钢管埋置光纤尾端穿过钢管最后引出管外；
步骤6：钢管全部放入钻孔后，对钢管进行固定，将光纤引出钻孔外，并对钢管尾端进行密封处理；
步骤7：对钻孔孔口进行密封处理；
步骤8：通过灌浆管对钻孔进行灌浆，使钢管与围岩通过注浆体形成变形协调结构；
步骤9：进行隧洞开挖，同时对高差计光纤和钢管埋置光纤进行测量，记录数据；
步骤10：对测量数据进行处理，计算绘制围岩变形曲线。
与现有技术相比，本发明达到的有益效果包括：
(1)采用围岩超前钻孔，可对未开挖岩体的变形进行监测，同时可监测隧洞开挖过程中围岩变形情况，对隧洞安全状况和围岩稳定提前做出评估，对隧洞围岩的变形情况进行预测，对后期掘进方式或掘进速度等施工方案提供指导，对预防灾害、保障安全也能起到预警作用；
(2)采用串联的高差计，可根据需要对特定位置进行相对连续测量，其测量结果在时间上具有连续性，在空间上具有均匀性，能形成时域上特定位置完整的变形数据，对研究围岩变形特征、预测灾害、施工技术评估等具有重要意义；
(3)采用光纤技术沿超前钻孔全长分布，与钢管和围岩协调变形，能连续完整的监测围岩变形情况，形成连续时域上沿超前钻孔连续分布的围岩变形数据，对研究围岩变形等具有重要意义；
(4)利用超前钻进技术进行超前孔制作中，可结合钻孔电视、声波等技术，直接了解掌子面前方待开挖岩层属性及地质缺陷情况，有益于围岩稳定判别；
(5)沿超前钻孔全长分布的多条光纤及串联高差计监测数据可相互校验，以确保监测数据的可靠度和完整性；
(6)本发明中串联高差计和全长分布光纤可对不同深度围岩内部变形进行监测，可监测隧洞洞壁外不同深度岩体变形情况，监测数据可反映隧洞周边岩体内真实的变形情况，为直接判别围岩稳定及支护参数设计提供数据支撑。
附图说明
图1为本发明中测试装置整体图。
图2为本发明中钻孔口细节图。
图3为本发明中钻孔剖面示意图。
图4为本发明中钢管外侧端示意图。
图5为本发明中外侧钢管埋置光纤进入孔剖面图。
图6为本发明中内侧钢管埋置光纤进入孔剖面图。
图7为本发明中钢管内侧端剖面图。
图8为本发明中顶端高差计示意图。
图9为本发明中高差计示意图。
图10为高差计整体示意图。
图11为钢管整体示意图。
图12为钢管截面图。
其中，1-围岩；2-开挖隧洞；3-钻孔；301-钻孔外侧口密封体；302-灌浆管；4-钢管；401-钢管外侧端密封体；402-钢管光纤槽；403-钢管埋置光纤进入孔；404-钢管内侧端堵头；5-钢管埋置光纤；6-高差计；601-高差计光纤；602-高差计液管；7-高差计固定缆绳。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。
如图1-12所示，本发明的一种隧洞开挖围岩全过程变形曲线超前监测装置及其实施方法,包括围岩1，开挖隧洞2，钻孔3，钻孔外侧口密封体301，灌浆管302，钢管4，钢管外侧端密封体401，钢管光纤槽402，钢管埋置光纤进入孔403，钢管内侧端堵头404，钢管埋置光纤5，高差计6，高差计光纤601，高差计液管602，高差计固定缆绳7。
如图1、图2和图3所示，钻孔3位于开挖隧洞2开挖面前顶部围岩1中，与隧洞2轴线方向一致并且与隧洞2轴线成一定较小角度；钻孔3可通过TBM观测孔或者其他可以操作的地方钻制形成；钻孔3长度可根据测量需求设定。
如图5至图10所示，高差计6通过高差计光纤601等距离或变距离相连形成串联结构，高差计光纤601两端皆可进行信号测量；高差计6串联结构通过高差计固定缆绳7固定于钢管内侧端堵头404，钢管内侧端堵头404固定于钢管4内侧端，从而使高差计6串联结构固定于钢管内；将高差计光纤601两端分别引出钢管4外侧端以方便测量；所述的高差计6可以根据测量长度需要调整串联的数量，或者增加额外的串联结构，与已有的串联结构形成等距或变距分布，分别进行测量。
如图4、图5、图6、图7、图11和图12所示，钢管4为管状结构，内部直径可放置高差计6串联结构以及高差计光纤601和钢管埋置光纤5，外径应小于钻孔3直径，且在钻孔4孔口能设置灌浆管302；所述的钢管4可由普通钢管现场焊接而成，形成需要的长度；所述的钢管4在其外侧12点和6点钟位置设有钢管光纤槽402，其尺寸应能满足钢管埋置光纤5埋入要求；所述的钢管4在其内侧和外侧位置钢管光纤槽402内分别设有钢管埋置光纤进入孔403，埋置于钢管光纤槽402内的钢管埋置光纤5通过钢管埋置光纤进入孔403进入钢管4内并引出管外进行测量；所述的钢管埋置光纤5通过环氧树脂或其他粘接材料封装于钢管光纤槽402内，与钢管4形成变形协调体；所述的钢管埋置光纤5和钢管埋置光纤进入孔403可设置多根和多个，以满足不同的测量长度需求；所述的钢管4在其外侧端设有钢管外侧端密封体401对管口进行密封，钢管埋置光纤5和高差计光纤601可通过钢管外侧端密封体401引出管外。
如图4、图5、图6和图12所示，钢管埋置光纤5为FBG光纤，可对微变形进行测量，从而计算变形体的压力、位移等信息。
如图1、图2和图3所示，钻孔3在其孔口设有钻孔外侧口密封体301将钢管连同高差计6及钢管埋置光纤5结构密封于钻孔3内；钢管埋置光纤5和高差计光纤601可通过钻孔外侧口密封体301引出钻孔3孔口外进行测量；钻孔3孔口设有灌浆管302，在钻孔3密封后对钻孔3进行灌浆密封，使整体结构形成变形协调结构。
本发明的一种隧洞开挖围岩全过程变形曲线超前监测装置实施方法，包括以下施工步骤：
步骤1：在开挖隧洞2开挖断面顶端根据测量需要进行钻孔3制作；
步骤2：对分段钢管相应位置分布进行钢管光纤槽402和钢管埋置光纤进入孔403的制作；
步骤3：将高差计6串联，并在每个高差计液管602内注入一定量的溶液，从而可进行测量；将高差计6通过高差计固定缆绳7固定于钢管内侧端堵头404，将钢管内侧端堵头404固定于钢管4内侧端；如有多个高差计6串联结构，可分别按等距或边距布置于钢管内；将高差计6光纤引出管外；
步骤4：将钢管埋置光纤5封装于钢管光纤槽402内，将光纤两端引出管外；
步骤5：将钢管4分别放入钻孔3内，对每段进行焊接，并根据长度连接整理高差计6和对钢管埋置光纤5进行封装，将高差计6光纤和钢管埋置光纤5尾端穿过钢管4最后引出管外；
步骤6：钢管4全部放入钻孔3后，对钢管4进行固定，将光纤引出钻孔3外，并对钢管4尾端进行密封处理；
步骤7：对钻孔3孔口进行密封处理；
步骤8：通过灌浆管302对钻孔3进行灌浆，使钢管4与围岩1通过注浆体形成变形协调结构；
步骤9：进行隧洞开挖，同时对高差计光纤601和钢管埋置光纤5进行测量，记录数据；
步骤10：对测量数据进行处理，计算绘制围岩变形曲线。

Claims (8)

1.一种隧洞开挖围岩全过程变形曲线超前监测装置,包括围岩(1)、开挖隧洞(2)、设于开挖隧洞(2)的围岩(1)中的钻孔(3)、设置在钻孔(3)内的钢管(4)、钢管(4)内的钢管埋置光纤(5)和至少一个高差计(6)，在钻孔(3)的一侧设置有钻孔外侧口密封体(301)，钻孔(3)内设置有灌浆管(302)和钢管(4)，钢管(4)的一端设置有钢管外侧端密封体(401)，钢管(4)的外侧表面开设有钢管光纤槽(402)和钢管埋置光纤进入孔(403)，钢管(4)的另一端设置有钢管内侧端堵头(404)，钢管埋置光纤(5)封装于钢管光纤槽(402)内，钢管埋置光纤(5)的两端引出钢管(4)外，至少一个高差计(6)置于钢管(4)内，所述高差计(6)通过高差计光纤(601)串联起来，并通过高差计固定缆绳(7)固定于钢管(4)内端的钢管内侧端堵头(404)，高差计光纤(601)两端分别引出钢管(4)外侧端以方便测量，高差计液管(602)也通过高差计固定缆绳(7)与高差计(6)和高差计光纤(601)相连。
2.根据权利要求1所述的一种隧洞开挖围岩全过程变形曲线超前监测装置，其特征在于，所述的钻孔(3)位于开挖隧洞(2)开挖面前顶部围岩(1)中，与隧洞(2)轴线方向一致并且与隧洞(2)轴线成一定角度，钻孔(3)通过TBM观测孔或者其他可以操作的地方钻制形成。
3.根据权利要求1所述的一种隧洞开挖围岩全过程变形曲线超前监测装置，其特征在于，所述的高差计(6)通过高差计光纤(601)等距离或变距离相连形成串联结构固定于钢管(4)内，高差计光纤(601)两端皆可进行信号测量。
4.根据权利要求1所述的一种隧洞开挖围岩全过程变形曲线超前监测装置，其特征在于，所述钢管(4)为管状结构，内部直径可放置高差计(6)串联结构以及高差计光纤(601)和钢管埋置光纤(5)，外径小于钻孔(3)直径，且在钻孔(3)孔口能设置灌浆管(302)，所述钢管(4)在其外侧相对位置处设有钢管光纤槽(402)，所述的钢管(4)在其内侧和外侧位置钢管光纤槽(402)内分别设有钢管埋置光纤进入孔(403)，埋置于钢管光纤槽(402)内的钢管埋置光纤(5)通过钢管埋置光纤进入孔(403)进入钢管(4)内并引出管外进行测量。
5.根据权利要求1所述的一种隧洞开挖围岩全过程变形曲线超前监测装置，所述钢管埋置光纤(5)通过环氧树脂或其他粘接材料封装于钢管光纤槽(402)内，与钢管(4)形成变形协调体；所述钢管埋置光纤(5)和钢管埋置光纤进入孔(403)可设置多根和多个，以满足不同的测量长度需求。
6.根据权利要求1所述的一种隧洞开挖围岩全过程变形曲线超前监测装置，其特征在于，所述的钢管埋置光纤(5)为FBG光纤，可对微变形进行测量。
7.根据权利要求1所述的一种隧洞开挖围岩全过程变形曲线超前监测装置，其特征在于，所述的钻孔(3)在其孔口设有钻孔外侧口密封体(301)将钢管连同高差计(6)及钢管埋置光纤(5)结构密封于钻孔(3)内；钢管埋置光纤(5)和高差计光纤(601)可通过钻孔外侧口密封体(301)引出钻孔(3)孔口外进行测量；钻孔(3)孔口设有灌浆管(302)，在钻孔(3)密封后对钻孔(3)进行灌浆密封，使整体结构形成变形协调结构。
8.一种根据权利要求1-7任一所述的隧洞开挖围岩全过程变形曲线超前监测装置的实施方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在开挖隧洞(2)开挖断面顶端根据测量需要进行钻孔(3)制作；
步骤2：对分段钢管相应位置分布进行钢管光纤槽(402)和钢管埋置光纤进入孔(403)的制作；
步骤3：将高差计(6)串联，并在每个高差计(6)的高差计液管(602)内注入一定量的溶液，从而可进行测量；将高差计(6)通过高差计固定缆绳(7)固定于钢管内侧端堵头(404)，将钢管内侧端堵头(404)固定于钢管(4)内侧端；如有多个高差计(6)串联结构，可分别按等距或变距离布置于钢管内；将高差计光纤(601)引出管外；
步骤4：将钢管埋置光纤(5)封装于钢管光纤槽(402)内，将光纤两端引出管外；
步骤5：将钢管(4)分别放入钻孔(3)内，对每段进行焊接，并根据长度连接整理高差计(6)和对钢管埋置光纤(5)进行封装，将高差计(6)光纤和钢管埋置光纤(5)尾端穿过钢管(4)最后引出管外；
步骤6：钢管(4)全部放入钻孔(3)后，对钢管(4)进行固定，将光纤引出钻孔(3)外，并对钢管(4)尾端进行密封处理；
步骤7：对钻孔(3)孔口进行密封处理；
步骤8：通过灌浆管(302)对钻孔(3)进行灌浆，使钢管(4)与围岩(1)通过注浆体形成变形协调结构；
步骤9：进行隧洞开挖，同时对高差计光纤(601)和钢管埋置光纤(5)进行测量，记录数据；
步骤10：对测量数据进行处理，计算绘制围岩变形曲线。
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