CN110006393B - 一种隧道施工拱顶沉降监测装置与方法 - Google Patents

一种隧道施工拱顶沉降监测装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种隧道施工拱顶沉降监测装置与方法。监测装置部分主要包括测斜传感器、测斜管、监测仪，测斜传感器安置于测斜管中，通过电线与监测仪连接。监测方法的原理是，拱顶沉降引起测斜管的变形，进而引起测斜传感器的倾斜，将倾角变化转化成电阻变化,再经交流电阻电桥变换成电压讯号。通过计算得出每个传感器的倾斜量，进而计算得出每段(1m)测斜管的变形量，再根据叠加法计算得出整段测斜管发生的挠曲变形，即为该段的拱顶沉降总位移。利用本装置能够进行掌子面开挖前后拱顶沉降全过程的监测，指导施工工序，保证施工安全。

Description

一种隧道施工拱顶沉降监测装置与方法
技术领域
本发明涉及一种隧道施工拱顶沉降监测装置与方法，可广泛应用于隧道施工监控量测领域。
背景技术
监控量测是隧道新奥法施工三核心之一，对评价隧道施工方法的可行性、设计参数的合理性，了解隧道施工实际围岩级别及其变形特性等能够提供准确、及时的依据，对隧道二次衬砌的施作时间具有决定性意义。因此，它是保障隧道建设成功的重要手段。对隧道拱顶下沉周边收敛位移进行监测，根据量测数据确认围岩的稳定性，判断支护效果，指导施工工序预防坍塌，保证施工安全。
目前对隧道拱顶沉降的监测都是在掌子面开挖后进行的。在现行施工条件下，洞身变形一般开始于掌子面前方一倍洞径处，支护结构施做前洞身存在一定的位移值，属于不可监测洞身变形；支护结构施做后洞身与支护结构进一步协调变形并最终趋于稳定，协调变形值属于可监测洞身变形。开挖前的沉降没有考虑在内，属于不可测沉降。
发明人发现，在实际工程中，在施做初衬结构的同时布设拱顶沉降监测点，但是由于操作空间的局限性，实际初始数据的采集时间往往在支护设置后的1—3天时间。所以，布设监测点后读取的初始数据是不准确的。
发明内容
本发明目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供了一种实用的隧道拱顶沉降监测装置及其监测方法。本装置能够测量掌子面开挖前后拱顶沉降全过程。
本发明的第一发明目的是提供一种隧道施工拱顶沉降监测装置，为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种隧道施工拱顶沉降监测装置，包括测斜传感器、测斜管和监测仪；
所述的测斜传感器固定在所述的测斜管内，测斜传感器包括本体，在所述的本体内部设有一个密闭仓，在所述的密闭仓内盛装有导电液体，且在密闭仓内布设有三个与水平面垂直的铂电极，所述的铂电极的一端插入所述的导电液体中，另一端通过导线与检测仪相连；所述的检测仪位于测斜管外。
作为进一步的技术方案，所述的三个电极中，中间的电极为公共电极，两端的电极为端电极，所述的公共电极位于仓体的中心位置，三个电极平行等距并在同一直线上。
作为进一步的技术方案，所述的电解液深度等于仓体高度的1/2。
作为进一步的技术方案，所述测斜管内设置传感器安置槽，所述的测斜传感器设置在安置槽内，其与测斜管紧密固定；在所述测斜管的管口标有正负方向，以利于管内传感器正向放置。
作为进一步的技术方案，所述沿测斜管的长度方向，每隔一段距离设置一个传感器安置槽，所述的测斜传感器按照需要放置在对应的安置槽内。
作为进一步的技术方案，所述测斜管管壁设置有电线通道。
在提供监测装置的同时，本发明还提供一种利用上述隧道施工拱顶沉降监测装置进行掌子面开挖前后拱顶沉降全过程监测的方法，主要包括如下步骤：
A、在开挖掌子面上方往前打孔，用于安放测斜管；
B、将多个测斜传感器分别安置在测斜管对应的安置槽中，每隔n米设置一个，测斜传感器的电线置于测斜管的电线通道中，电线终端位于测斜管管口处；
C、将测斜管放置于预先打好的钻孔内，并以管口“正上负下”放置；
D、将测斜管口的各个测斜传感器的电线分别与监测仪连接；
E、掌子面开挖前监测仪分别读取每个测斜传感器数值记为初始值，掌子面开挖过程中，每次需要采集数据就记录一次数值；
F、然后计算求得相邻传感器之间的相对位移，根据叠加法计算得出整段测斜管发生的挠曲变形，即为该段的拱顶沉降总位移。
上述监测方法中，进一步的，步骤D中，将监测仪依次与测斜传感器连接，分别读取各个传感器的数值。
上述监测方法中，进一步的，步骤F中计算相对位移的方法如下：
定义第二电极为公共电极，定义第一、第三电极为端电极，令：第一电极、第二电极之间的电阻为R12，第二电极、第三电极之间的电阻为R23，且R12＝R23；l1为第一电极浸入电解液部分的长度，l3为第三电极浸入电解液部分的长度；l0为第二电极浸入电解液部分的长度；L为第一电极、第二电极及第二电极、第三电极之间距离；Et为桥路激励振荡电压；dθ为传感器倾斜量；dE为电桥输出电压；RB为桥臂匹配电阻；I1为第一电极和第二电极之间的电流，I2为第二电极和第三电极之间的电流；V1为第一电极和第二电极之间的电压，V2为第二电极和第三电极之间的电压；
把传感器相应电极与两个相同的精密电阻RB联成交流电阻电桥,R12、R23分别与RB串联，在其公共电极与RB公共结点之间加上固定的交流电压Et；
根据测斜传感器与监测仪连接的交流电桥电路，得到
Figure BDA0002014242140000031
Figure BDA0002014242140000041
V1＝-I1·R12
V2＝-I2·R23
Figure BDA0002014242140000042
根据
Figure BDA0002014242140000043
c是与导电液电阻率、几何尺寸有关的常数，得：
Figure BDA0002014242140000044
又因为，l3＝l0-Δl，l1＝l0+Δl；由上式可计算得相对位移Δl。再计算
Figure BDA0002014242140000045
测斜管每隔n m设置一个传感器安置槽，所以该段测斜管测得的竖直沉降量为
Figure BDA0002014242140000046
再根据叠加法计算得出整段测斜管发生的挠曲变形，即为整段的拱顶沉降位移。
本发明的有益效果是：
(1)本装置操作方便，能够为现场监测人员所接受；
(2)本装置于掌子面开挖前安置，现场监测人员拥有安全的监测环境；本装置数据采集方式简便，且可循环使用；测斜传感器安置于测斜管中，通过电线与监测仪连接；拱顶沉降引起测斜管的变形，进而引起测斜传感器的倾斜，将倾角变化转化成电阻变化,再经交流电阻电桥变换成电压讯号。通过计算得出每个传感器的倾斜量，进而计算得出每段(1m)测斜管的变形量，再根据叠加法计算得出整段测斜管发生的挠曲变形，即为该段的拱顶沉降总位移。利用本装置能够进行掌子面开挖前后拱顶沉降全过程的监测，指导施工工序，保证施工安全。
(3)本装置克服现有技术存在的缺点和不足，可以测量掌子面开挖前后拱顶沉降全过程。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的整体工作原理图；
图2为本发明中测斜传感器在测斜管中的安置示意图；
图3为本发明中监测仪的结构示意图；
图4为本发明中的测量工作原理图；
图5为本发明中的交流电桥电路图；
其中：1端电极，2公共电极，3端电极；
2-1、铂电极，2-2、导电液，2-3、密闭仓，2-4、测斜传感器，2-5、电线，2-6、测斜管管壁的电线通道，2-7、测斜管，2-8、测斜管管口的电线终端；
3-1、箱帽，3-2、显示屏，3-3、调节旋钮，3-4、电源开关，3-5、USB接口，3-6、功能按钮，3-7、插孔，3-8、带插头的连接电线，3-9、电线夹。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
“测斜管”是指用于侧倾的普通管道。“侧倾传感器”是指用于侧倾的传感器。
正如背景技术所介绍的，目前对隧道拱顶沉降的监测都是在掌子面开挖后进行的。在现行施工条件下，洞身变形一般开始于掌子面前方一倍洞径处，支护结构施做前洞身存在一定的位移值，属于不可监测洞身变形；支护结构施做后洞身与支护结构进一步协调变形并最终趋于稳定，协调变形值属于可监测洞身变形。开挖前的沉降没有考虑在内，属于不可测沉降。发明人发现，在实际工程中，在施做初衬结构的同时布设拱顶沉降监测点，但是由于操作空间的局限性，实际初始数据的采集时间往往在支护设置后的1—3天时间。所以，布设监测点后读取的初始数据是不准确的。
为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种隧道施工拱顶沉降监测装置，包括测斜传感器、测斜管和监测仪；测斜传感器固定在所述的测斜管内，测斜传感器包括本体，在所述的本体内部设有一个密闭仓，在所述的密闭仓内盛装有导电液体，且在密闭仓内布设有三个与水平面垂直的铂电极，所述的铂电极的一端插入所述的导电液体中，另一端通过导线与检测仪相连；所述的检测仪位于测斜管外。
实施例1
具体的，如图2和图3所示，一种隧道施工拱顶沉降监测装置，包括测斜传感器2-4、测斜传感器的电线2-5、测斜管的电线通道2-6、测斜管2-7和监测仪。其中，所述测斜传感器的电线2-5置于电线通道2-6中，所述测斜传感器电线2-5的终端2-8与监测仪中的连接电线3-8连接，并做好防水处理。
参考图3所示，监测仪安装有USB接口、插孔和内置锂电池，插孔3-7与带插头的连接电线3-8相连接，USB接口3-5可与电脑连接，以便记录储存数据。
监测仪上安装有电源开关3-4、功能按钮3-6、调节旋钮3-3和显示屏3-2。
所述带插头的连接电线内有3根铜导线，末端均安装有电线夹；
所述测斜传感器电线终端有3根铜导线，可分别与监测仪的连接电线连接，并做好防水处理。
所述测斜管2-7管口标有正负方向，在预先打好的钻孔内，将管口“正上负下”放置，以利于管内传感器正向放置。
测斜传感器2-4内部设有长方体密闭仓，仓内盛有高稳定导电液体,仓内布有三条垂直通过仓体轴线的铂电极2-1，分别是公共电极2和端电极1、端电极3；公共电极2垂直通过仓体轴线的中点，三条电极平行等距并在同一直线上，电解液深度等于仓体高度的1/2。
此时令：R为公共电极2与端电极1、端电极3之间电阻(欧姆)；l为端电极浸入电解液部分的长度(毫米)；l0为中心电极浸入电解液部分的长度(毫米)；L为端电极1、公共电极2及公共电极2、端电极3之间距离,即水平时导电路线的长度(毫米)；Et为桥路激励振荡电压(伏)；dθ为传感器倾斜量(角秒)；dE为电桥输出电压(毫伏)；RB为桥臂匹配电阻(欧姆)；
由于重力的作用，液面总是自然地保持水平。当传感器水平时,三条电极浸入导电液体深度相等。则端电极1、公共电极2及公共电极2、端电极3之间电阻相等,即R12＝R23。把传感器相应电极与两个相同的精密电阻RB联成交流电阻电桥,R12、R23分别与RB串联，在其公共电极2与RB公共结点之间加上固定的交流电压Et,此时,电桥平衡,输出为零。当传感器倾斜时,液面和传感器轴线之间产生一夹角(即倾斜角),此时,端电极1和端电极3所浸入液体的深度发生差动变化,R12、R23也同时差动变化(电极浸入愈深其电阻愈小),电桥呈不平衡状态,电桥有电压讯号输出,而且这电讯号的大小与倾角变化之间具有理想的线性关系；具体的参见图4。
在上述条件下,当传感器倾斜时,中心电极浸入电解液的长度l0是始终保持不变的,可得：
Figure BDA0002014242140000083
式中c是与导电液电阻率、几何尺寸有关的常数。
所述测斜管内设置传感器安置槽，将传感器与测斜管紧密固定。管口标有正负方向，以利于管内传感器正向放置。
所述与传感器相匹配的监测仪,由交流放大器、解调器、三路激励振荡源、稳压电源及显示屏组成。放大后的倾角电压,由相敏解调器输出直流电压讯号；
所述测斜传感器与监测仪连接的交流电桥电路图如下图5所示：
其中,
Figure BDA0002014242140000081
Figure BDA0002014242140000082
V1＝-I1·R12
V2＝-I2·R23
Figure BDA0002014242140000091
根据
Figure BDA0002014242140000092
得：
Figure BDA0002014242140000093
又因为，l3＝l0-Δl，l1＝l0+Δl，
所以由上式可计算得Δl，再计算
Figure BDA0002014242140000094
测斜管每隔1m设置一个传感器安置槽，所以该段测斜管测得的竖直沉降量为
Figure BDA0002014242140000095
再根据叠加法计算得出整段测斜管发生的挠曲变形，即为整段的拱顶沉降位移。
实施例2
本实施还提供了一种利用上述装置进行隧道施工拱顶沉降监测的方法，包括以下步骤：
A、先用钻机在开挖掌子面上方往前打孔，用于安放测斜管2-7；优选的，所述测斜管长20m，进一步的，所述测斜管管壁设置有电线通道。
B、每隔1m设置一个传感器安置槽，将20个测斜传感器2-4分别安装在测斜管2-7对应的安置槽中，测斜传感器与测斜管紧密固定；
C、将每个测斜传感器的电线2-5分别安置在对应的测斜管管壁的电线通道2-6中；
D、将装有测斜传感器的测斜管放置于预先打好的钻孔内，并以管口“正上负下”放置，将管口的传感器电线终端2-8放置于便于进行监测工作的干燥场所；
E、打开监测仪的电源开关按钮3-4，检查仪器的电量是否充足；
F、将连接电线3-8插头插入插孔3-7中，另一端的电线夹3-9依次与各个传感器的电线终端2-8连接；
G、从显示屏3-2上分别读取各个传感器在掌子面开挖前的数值，记为初始值；
H、掌子面开挖过程中，每次需要采集数据就记录一次数值；
I、然后按照上文中所述计算方法求得相邻传感器之间的相对位移，根据叠加法计算得出整段测斜管发生的挠曲变形，即为该段的拱顶沉降总位移。
J、监测仪的USB接口3-5可与电脑连接，便于记录整个监测过程的数据；
K、监测工作结束后，关闭监测仪的电源开关3-4，拔出连接电线3-8的插头，盖好箱帽3-1，将测斜管2-7从钻孔中取出，后取出每个测斜传感器2-4，所有仪器进行清洁处理。
本发明的原理为：
拱顶沉降引起测斜管的变形，进而引起测斜传感器的倾斜，将倾角变化转化成电阻变化,再经交流电阻电桥变换成电压讯号。通过计算得出每个传感器的倾斜量，进而计算得出每段(1m)测斜管的变形量，再根据叠加法计算得出整段测斜管发生的挠曲变形，即为该段的拱顶沉降总位移。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种隧道施工拱顶沉降监测装置进行掌子面开挖前后拱顶沉降全过程监测的方法，其特征在于，主要包括如下步骤：
A、在开挖掌子面上方往前打孔，用于安放测斜管；
B、将多个测斜传感器分别安置在测斜管对应的安置槽中，每隔n米设置一个，测斜传感器的电线置于测斜管的电线通道中，电线终端位于测斜管管口处，测斜传感器包括本体，在所述的本体内部设有一个密闭仓，在所述的密闭仓内盛装有导电液体，所述的导电液体深度等于仓体高度的1/2，且在密闭仓内布设有三个与水平面垂直的铂电极，所述的铂电极的一端插入所述的导电液体中，另一端通过电线与监测仪相连；
C、将测斜管放置于预先打好的钻孔内，并以管口“正上负下”放置；
D、将测斜管口的各个测斜传感器的电线分别与监测仪连接；
E、掌子面开挖前监测仪分别读取每个测斜传感器数值记为初始值，掌子面开挖过程中，每次需要采集数据就记录一次数值；
F、然后计算求得相邻传感器之间的相对位移，计算方法如下：
定义第二电极为公共电极，定义第一、第三电极为端电极，令：第一电极、第二电极之间的电阻为R12，第二电极、第三电极之间的电阻为R23，且R12＝R23；l1为第一电极浸入导电液体部分的长度，l3为第三电极浸入导电液体部分的长度；l0为第二电极浸入导电液体部分的长度；L为第一电极、第二电极及第二电极、第三电极之间距离；Et为桥路激励振荡电压；dθ为传感器倾斜量；dE为电桥输出电压；RB为桥臂匹配电阻；I1为第一电极和第二电极之间的电流，I2为第二电极和第三电极之间的电流；V1为第一电极和第二电极之间的电压，V2为第二电极和第三电极之间的电压；
把传感器相应电极与两个相同的精密电阻RB联成交流电阻电桥,R12、R23分别与RB串联，在其公共电极与RB公共结点之间加上固定的交流电压Et；
根据测斜传感器与监测仪连接的交流电桥电路，得到
Figure FDA0003398385830000021
Figure FDA0003398385830000022
V1＝-I1·R12
V2＝-I2·R23
Figure FDA0003398385830000023
根据
Figure FDA0003398385830000024
c是与导电液电阻率、几何尺寸有关的常数，得：
Figure FDA0003398385830000025
又因为，l3＝l0-Δl，l1＝l0+Δl；由上式可计算得相对位移Δl；
拱顶沉降引起测斜管的变形，进而引起测斜传感器的倾斜，将倾角变化转化成电阻变化,再经交流电阻电桥变换成电压讯号，通过计算得出每个传感器的倾斜量，进而计算得出每段测斜管的变形量,根据叠加法计算得出整段测斜管发生的挠曲变形，即为该段的拱顶沉降总位移，拱顶沉降总位移的计算方法如下：
计算
Figure FDA0003398385830000026
测斜管每隔n米设置一个传感器安置槽，所以该段测斜管测得的竖直沉降量为
Figure FDA0003398385830000027
再根据叠加法计算得出整段测斜管发生的挠曲变形，即为整段的拱顶沉降位移。
2.如权利要求1中所述的监测方法，其特征在于，步骤D中，将监测仪依次与测斜传感器连接，分别读取各个传感器的数值。
3.一种采用权利要求1-2的监测方法的隧道施工拱顶沉降监测装置，其特征在于，包括测斜传感器、测斜管和监测仪；
所述的测斜传感器固定在所述的测斜管内，测斜传感器包括本体，在所述的本体内部设有一个密闭仓，在所述的密闭仓内盛装有导电液体，且在密闭仓内布设有三个与水平面垂直的铂电极，所述的铂电极的一端插入所述的导电液体中，另一端通过电线与监测仪相连；所述的监测仪位于测斜管外。
4.如权利要求3所述的隧道施工拱顶沉降监测装置，其特征在于，所述的三个电极中，中间的第二电极为公共电极，两端的第一、第三电极为端电极，所述的公共电极位于仓体的中心位置，三个电极平行等距并在同一直线上。
5.如权利要求3所述的隧道施工拱顶沉降监测装置，其特征在于，所述测斜管内设置传感器安置槽，所述的测斜传感器设置在安置槽内，其与测斜管紧密固定，在所述测斜管的管口标有正负方向。
6.如权利要求3所述的隧道施工拱顶沉降监测装置，其特征在于，所述沿测斜管的长度方向，每隔一段距离设置一个传感器安置槽，所述的测斜传感器按照需要放置在对应的安置槽内。
7.如权利要求3所述的隧道施工拱顶沉降监测装置，其特征在于，所述测斜管管壁设置有电线通道。
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