CN111649720A - 一种大坡度隧道工作基点沉降的监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大坡度隧道工作基点沉降的监测装置及方法，包括一个方框状固定框体，固定框体与横向支杆固定连接；还包括调节杆，调节杆通过贯穿所述固定轴套的两个紧固螺栓与固定轴套连接；调节杆末端还设有斜块，斜块的倾斜面上设有反光板；固定框体下方与伸缩杆连接，伸缩杆底部设有安装支架，安装支架上固定有与储水罐连通的第一静力水准仪及设置于待观测点并与储水罐连通的第二静力水准仪，能够通过一套仪器满足对于不同种类待测点位如隧道基准面沉降、隧道壁收敛、拱顶下沉、断面收敛变形等类型的测量要求，同时一定程度上减少系统误差，得到更为准确的数据结果。

Description

一种大坡度隧道工作基点沉降的监测装置及方法

技术领域

本发明涉及沉降检测装置领域，特别是一种大坡度隧道工作基点沉降的监测装置及方法。

背景技术

近年来，随着交通建设的大发展，隧道工程穿越软弱地层及地质恶劣的高应力区段增多，经常发生各种坍塌、涌水、底鼓、大变形现象，底鼓是其中较为常见的一种，一旦发生其变形持续不确定，对工程建设及后期运营留下重大隐患。当隧道或隧洞中出现仰拱底鼓时，一般都是事后补救；若不良地质段监测不到位，处理不及时，施工中二衬施作后的隧道底板（仰拱）易出现开裂而拆换；运营中仰拱底鼓严重易出现降速运营，以上均产生较大的经济损失和不良的社会影响。

目前隧道仰拱沉降观测，施工过程中大多使用全站仪和水准仪，存在的主要问题测点易遭破坏，每次测量需要3～4人，费时费力。采用压差式静力水准仪进行测量在运营中的隧道已比较常见，但在隧道施工中，尤其大坡度隧道中，目前难以采用压差式静力水准仪，主要原因为量程大、精度高，二者无法兼得。

仰拱沉降自动监测通常采用的方法是首先在沉降范围外的稳定处设置适量的基准点，为了缩短基准点到观测点的距离以减少观测点的高程误差，也可在沉降范围内选取相对稳定点作为工作基点。其次在观测区埋设观测点。不同日期两次测得同一观测点的高程之差，即代表地面观测点在这两次观测期间的变化。自动监测，大多是监测观测点与工作基点之间的高程变化，由于工作基点本身存在着高程变化，因而造成不同日期两次测得同一观测点的高程之差可能不是其相对基准点的高程之差。现有市场普遍采用在工作基点和基准点上各装一个静力水准仪，用连通管把静力水准仪与水箱连通，水面要高于静力水准仪中压力检测传感器，分别检测工作基点和基准点上对应的静力水准仪的压力，再把压力换算成与水箱液面的高程值，再计算两个高程值的差值，因基准点高程是不变的，不同日期两次测得两个高程值的差值的变化值，即为工作基点高程的变化值。由于市场现有的静力水准仪精度为1‰FS，就是说1m量程的静力水准仪精度是1mm，而大多隧道坡度较大，基准点与工作基点之间距离远，如采用大量程的静力水准仪，测量精度自然不能满足规范要求的1mm要求，采用基准叠加（两个静力水准仪上下刚性连接），又会造成累计误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是在大坡度隧道仰拱沉降自动监测中，如采用压差式静力水准仪作为基准点，由于基准点与工作基点相距较远，高差较大，会导致测量精度无法满足监测规范中1mm以内的要求，但如果中间增加工作基点，又会导致安装过程繁琐，且容易造成累计误差较大及隧道施工中监测断面之间连接管路较长，连通管安装不便且容易发生破损的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供了一种大坡度隧道工作基点沉降的监测装置，包括一根水平置入隧道壁上的工作基点的固定杆，在所述固定杆的末端通过套设于所述固定杆外部的连接管连接全方位云台，所述全方位云台的活动球体与横截面有一个角为直角的三角柱连接，在所述三角柱的倾斜面上设有反光板，在所述三角柱的竖直面上设有水平气泡；所述连接管与全方位云台之间套接有连接件，在所述连接管的末端还设有两个贯穿所述连接管的梅花手柄螺丝；所述连接件的下端通过伸缩杆连接位于断面工作基点的安装支架，在所述安装支架上设有与安装于隧道壁上的储液罐连接的第一静力水准仪，还包括设置于观测点的第二静力水准仪，且储液罐液面高于第一静力水准仪及第二静力水准仪；还包括设置于基准点的激光测距仪。

特别的，所述的三角柱的截面为等腰直角三角形。

特别的，所述激光测距仪的激光水平射入所述反光板。

一种大坡度隧道工作基点沉降的监测装置的监测方法，包括以下步骤：

步骤1，确定工作基点，在工作基点上安装监测装置，通过三角柱上的水平气泡调平三角柱；测得三角柱截面的上部夹角为α；在观测点预留或开挖安装孔洞，安装第二静力水准仪并通过连通管连接储液罐及监测装置；

步骤2，调整激光发射器角度，使得激光射在三角柱上倾斜面上的反光板上；

步骤3，计算观测点实际沉降值；初始状态下第一静力水准仪与储液罐液面高差记为JZ₁，第二静力水准仪与储液罐液面高差记为GC₁，则第一静力水准仪与第二静力水准仪之间的高差H₁=GC₁-JZ₁，初始状态激光测距仪的激光与水平线夹角记为β，此时激光测距仪到反光板距离记为X₁；经过24小时后再次测量时，第一静力水准仪与储液罐液面高差记为JZ₂，第二静力水准仪与储液罐液面高差记为GC₂，则此时第一静力水准仪与第二静力水准仪之间的高差H₂=GC₂-JZ₂，激光测距仪到反光板距离记为X₂，此时激光测距仪的激光与水平线夹角仍为β，断面工作基点的自身沉降CJ₂=（X₂·COSβ-X₁·COSβ）·tanα，则观测点的实际沉降值CJ₁=H₂-H₁+CJ₁=（GC₂-JZ₂）-（GC₁-JZ₁）+（X₂·COSβ-X₁·COSβ）·tanα。

本发明的有益效果是：由于现有大坡度隧道的沉降测量方法中，通常情况下基准点与观测点之间距离较远，本发明通过在观测点附近架设工作基点的方式减少距离，同时降低工作基点与观测点之间的高差，便于使用小量程静力水准仪，如10cm量程静力水准仪，使得测量结果在精度上有较大的提升，满足监测规范的要求，降低了观测点对于距离基准点距离近的要求；同时装置结构简单，降低了装置在使用过程中由于管道长度过长而导致的连通管易破损的风险；操作便捷，实现了大坡度隧道仰拱沉降自动监测中对于高精确度及简化测量装置结构的实际要求。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图。

图2为本发明装置使用状态示意图。

图3为本发明装置原理示意图。

其中，工作基点—1；断面工作基点—11；观测点—12；固定杆—2；连接管—3；连接件—31；梅花手柄螺丝—32；全方位云台—4；活动球体—41；三角柱—5；反光板—51；水平气泡—52； 伸缩杆—6；安装支架—7；第一静力水准仪—71；第二静力水准仪—72；储液罐—8；基准点—9；激光测距仪—91。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

一种大坡度隧道工作基点沉降的监测装置，包括一根水平置入隧道壁上的工作基点1的固定杆2，在所述固定杆2的末端通过套设于所述固定杆2外部的连接管3连接全方位云台4，所述全方位云台4的活动球体41与三角柱5连接，在所述三角柱5的倾斜面上设有反光板51，在所述三角柱5的竖直面上设有水平气泡52；所述连接管3与全方位云台4之间套接有连接件31，在所述连接管3的末端还设有两个贯穿所述连接管3侧壁的梅花手柄螺丝32；所述连接件31的下端通过伸缩杆6连接位于断面工作基点11的安装支架7，在所述安装支架7上设有与安装于隧道壁上的储液罐8连接的第一静力水准仪71，还包括设置于观测点12的第二静力水准仪72且储液罐8液面高于第一静力水准仪71及第二静力水准仪72；还包括设置于基准点9的激光测距仪91。

作为一个优选的实施例，所述的三角柱5的截面为等腰直角三角形。

作为一个优选的实施例，所述激光测距仪91的激光水平射入所述反光板51。

一种大坡度隧道工作基点沉降的监测装置的监测方法，包括以下步骤：

步骤1，确定工作基点1，在工作基点1上安装监测装置，通过三角柱5上的水平气泡52调平三角柱；测得三角柱5截面的上部夹角为α；在观测点12预留或开挖安装孔洞，安装第二静力水准仪并通过连通管连接储液罐8及监测装置；

步骤2，调整激光发射器角度，使得激光射在三角柱5上倾斜面上的反光板51上；

步骤3，计算观测点实际沉降值；初始状态下第一静力水准仪71与储液罐8液面高差记为JZ₁，第二静力水准仪72与储液罐8液面高差记为GC₁，则第一静力水准仪71与第二静力水准仪72之间的高差H₁=GC₁-JZ₁，初始状态激光测距仪91的激光与水平线夹角记为β，此时激光测距仪91到反光板51距离记为X₁；经过24小时后再次测量时，第一静力水准仪71与储液罐8液面高差记为JZ₂，第二静力水准仪72与储液罐8液面高差记为GC₂，则此时第一静力水准仪71与第二静力水准仪72之间的高差H₂=GC₂-JZ₂，激光测距仪91到反光板51距离记为X₂，此时激光测距仪91的激光与水平线夹角仍为β，断面工作基点11的自身沉降也即工作基点1的自身沉降CJ₂₌（X₂-X₁）·COSβ·tanα，则观测点的实际沉降值CJ₁=H₂-H₁+CJ₁=（GC₂-JZ₂）-（GC₁-JZ₁）+（X₂·COSβ-X₁·COSβ）·tanα。

本发明的工作原理为：装置安装架设完毕后，当工作基点1自身未发生沉降时，由于工作基点1与断面工作基点11之间是刚性连接，则断面工作基点11未发生沉降；此时观测点12相对于断面工作基点11的沉降变化数值即为相对于基准点9的实际沉降数值；当工作基点1自身发生沉降时，观测点12实际沉降数值加上初始状态下观测点12与断面工作基点11之间的高差，等于二次测量时观测点12与断面工作基点11之间的高差加上断面工作基点11自身沉降数值。通过激光测距仪91测得初始状态下基准点9，即不会发生沉降的点位与装置中三角柱5的倾斜面上设置的反光板51的初始距离X₁，经过24小时后再次测得基准点9与反光板51之间的距离X₂，则两次测量下距离的差值X₂-X₁关于β角的余弦值就是两次测量下距离差值在水平方向上的位移分量即为（X₂-X₁）·COSβ，通过三角柱5截面上部夹角α从而计算出工作基点1的在竖直方向上的位移分量即为（X₂-X₁）·COSβ·tanα，再通过分别与储液罐8连接的第一静力水准仪71及设置于观测点12的第二静力水准仪72，测得第一静力水准仪71与观测点12之间的高差的差值为（GC₂-JZ₂）-（GC₁-JZ₁），此高差的差值加上工作基点1在竖直方向上的位移分量（X₂-X₁）·COSβ·tanα即可得到观测点12位的实际沉降值。由于在测量过程中将工作基点1的沉降也纳入了变化范围，因此对于提升测量结果的准确性具有较大的作用；同时由于观测点12所处的相对高度是由第二静力水准仪72及储液罐8确定的，而第二静力水准仪72是埋设于观测点位，因此对于数据的测量范围不仅包括施工现场的地表范围，还可以通过将第二静力水准仪72埋设于不同深度，用于测量不同深度下的不同土层平面的实际沉降状况。

为了便于计算，当三角柱5的三角形截面为等腰直角三角形时，通过激光测距仪91测出的两次距离的变化值的水平分量与工作基点1在竖直的高程变化值相等，即（X₂-X₁）·COSβ的值与工作基点1沉降高程数值相同。

当激光测距仪91的激光水平射入所述反光板51时，β角度为0°，通过激光测距仪91测出的两次距离的变化值即X₂-X₁即为工作基点1沉降数值，更加便于计算。

本发明描述中出现的“连接”、“固定”，可以是固定连接、加工成型、焊接，也可以机械连接，具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明描述中，出现的术语“中心”、“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系仅为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有的特定的方位，因此并不能理解为对本发明的限制。

最后应说明的是：以上各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所描述的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种大坡度隧道工作基点沉降的监测装置，其特征在于，包括一根水平置入隧道壁上的工作基点（1）的固定杆（2），在所述固定杆（2）的末端通过套设于所述固定杆（2）外部的连接管（3）连接全方位云台（4），所述全方位云台（4）的活动球体（41）与三角柱（5）连接，在所述三角柱（5）的倾斜面上设有反光板（51），在所述三角柱（5）的竖直面上设有水平气泡（52）；所述连接管（3）与全方位云台（4）之间套接有连接件（31），在所述连接管（3）的末端还设有两个贯穿所述连接管（3）侧壁的梅花手柄螺丝（32）；所述连接件（31）的下端通过伸缩杆（6）连接位于断面工作基点（11）的安装支架（7），在所述安装支架（7）上设有与安装于隧道壁上的储液罐（8）连接的第一静力水准仪（71），还包括设置于观测点（12）的第二静力水准仪（72）且储液罐（8）液面高于第一静力水准仪（71）及第二静力水准仪（72）；还包括设置于基准点（9）的激光测距仪（91）。

2.如权利要求1所述的一种大坡度隧道工作基点沉降的监测装置，其特征在于，所述的三角柱（5）的截面为等腰直角三角形。

3.如权利要求1所述的一种大坡度隧道工作基点沉降的监测装置，其特征在于，所述激光测距仪（91）的激光水平射入所述反光板（51）。

4.如权利要求1所述的一种大坡度隧道工作基点沉降的监测装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，确定工作基点（1），在工作基点（1）上安装监测装置，通过三角柱（5）上的水平气泡（52）调平三角柱；测得三角柱（5）截面的上部夹角为α；在观测点（12）预留或开挖安装孔洞，并通过连通管连接储液罐（8）及监测装置；

步骤2，在基准点（9）架设激光测距仪（91），调整激光发射器角度，使得激光射在三角柱（5）倾斜面上的反光板（51）上；

步骤3，计算观测点实际沉降值；初始状态下第一静力水准仪（71）与储液罐（8）液面高差记为JZ₁，第二静力水准仪（72）与储液罐（8）液面高差记为GC₁，则初始状态下第一静力水准仪（71）与第二静力水准仪（72）之间的高差H₁=GC₁-JZ₁，初始状态激光测距仪（91）的激光束与水平线夹角记为β，此时激光测距仪（91）到反光板（51）距离记为X₁；经过24小时后再次测量时，第一静力水准仪（71）与储液罐（8）液面高差记为JZ₂，第二静力水准仪（72）与储液罐（8）液面高差记为GC₂，则此时第一静力水准仪（71）与第二静力水准仪（72）之间的高差H₂=GC₂-JZ₂，激光测距仪（91）到反光板（51）距离记为X₂，此时激光测距仪（91）的激光与水平线夹角仍为β，断面工作基点（11）的自身沉降也即工作基点（1）的自身沉降CJ₂=（X₂·COSβ-X₁·COSβ）·tanα，则观测点（12）的实际沉降值CJ₁=H₂-H₁+CJ₂=（GC₂-JZ₂）-（GC₁-JZ₁）+（X₂·COSβ-X₁·COSβ）·tanα。

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