CN112556556B - 一种用于隧道二次衬砌结构变形的测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于隧道二次衬砌结构变形的测量装置及方法，测量装置包括在隧道二次衬砌弧形面上设置的若干只监测点，其中起始监测点与终止监测点分别设置在隧道起拱线位置，且拱顶位置设置有一只监测点；在起始监测点下方的拱脚位置设置有钢丝位移计，钢丝位移计实时测量得到相应钢丝绳的长度变化，实现隧道二次衬砌结构变形参数的测量。本发明将监测点上的衬砌变形参数巧妙转换为钢丝位移计的位移值，一方面解决了二次衬砌部分变形无法通过常规方法进行测量的问题，另一方面解决了外界因素影响造成的测量结果误差大、精度较低、成本高和监测不便等问题，并且解决了隧道施工至运营全过程持续量测的难题。

Description

一种用于隧道二次衬砌结构变形的测量装置和测量方法

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种用于隧道二次衬砌结构变形的测量装置和测量方法。

背景技术

二次衬砌的变形大小是判断隧道二次衬砌是否安全稳定的重要依据，相应的变形监测工作就显得尤为重要。目前二次衬砌变形量测主要有以下方法：(1)采用精密水准仪、隧道收敛剂进行测量；(2)采用高精度测量机器人进行测量；(3)采用激光测距设备进行测量。这些测量方法存在以下不足之处，如：①三车道、四车道隧道高度较大，前视标尺悬挂困难，二次衬砌的跨度较大，测量时前视标尺和隧道收敛计钢尺受隧道内通风影响，振动剧烈，测量结果的可靠性大大降低；②高精度测量机器人测量成本较高；③激光测距设备测量精度对隧道内空气质量变化敏感；④存在±1mm测量误差；⑤测量时隧道内无法正常行车，故运营后难以实现持续测量。因此，有必要对现有的测量方法进行改进。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种用于隧道二次衬砌变形测量的新方法，该测量方法能够克服测量难度大、成本高和精度低等问题，一定程度上避免隧道通风和空气质量等因素对测量结果的影响，提高测量精度，并能实现施工、运营全过程持续测量等要求。

本发明的技术方案如下：

一种用于隧道二次衬砌结构变形的测量装置，包括在隧道二次衬砌弧形面上设置的若干只监测点，其中起始监测点与终止监测点分别设置在隧道的起拱线位置，且拱顶位置设置有一只监测点；在起始监测点下方的拱脚位置设置有钢丝位移计，每只监测点紧贴二次衬砌的位置处安装有独立的钢丝分线装置；

每只钢丝分线装置上固定有一根本地钢丝绳，并支撑跨接有若干根异地钢丝绳；本地钢丝绳经沿线监测点上的钢丝分线装置支撑绷紧后，连接至对应的钢丝位移计；所述的钢丝位移计实时测量得到相应钢丝绳的长度变化，并计算得到拱顶位置处监测点在垂直方向上的变形位移参数、以及起始监测点与终止监测点之间的变形位移参数，实现隧道二次衬砌结构变形参数的测量。

上述用于隧道二次衬砌结构变形的测量装置中，钢丝位移计的一端通过花篮螺栓与钢丝绳连接。

上述用于隧道二次衬砌结构变形的测量装置中，钢丝位移计的另一端通过钻孔并辅以锚固的方式固定在隧道底部的拱脚一侧。

上述用于隧道二次衬砌结构变形的测量装置中，钢丝位移计上的固定圆环与花篮螺栓的挂钩相连接。

上述用于隧道二次衬砌结构变形的测量装置中，每只钢丝分线装置包括固定杆、U形支架和安装在U形支架上的若干只滑轮，所述的本地钢丝绳绕成钢丝扣后固定在其中一只滑轮上。

上述用于隧道二次衬砌结构变形的测量装置中，钢丝分线装置上滑轮的数量与支撑及固定的钢丝绳数量相匹配，异地钢丝绳)支撑绷紧在钢丝分线装置的滑轮上。

上述用于隧道二次衬砌结构变形的测量装置中，隧道的拱顶位置设置有一只监测点。

上述用于隧道二次衬砌结构变形的测量装置中，所述钢丝位移计的量程为50mm，精度为0.5％FS，灵敏度为0.01mm。

一种用于隧道二次衬砌结构变形的测量方法，包括以下步骤：

【1】测量装置的建立：

在隧道二次衬砌弧形面上从起始监测点至终止监测点，按照从前至后的顺序设置的2n+1只监测点，其中n为大于1的正整数；假设拱顶对应的监测点为0#，拱顶左侧的监测点由0#向左依次为1#、3#、5#……(2n-1)#，拱顶右侧的监测点由0#向右依次为2#、4#、6#……(2n)#，其中(2n-1)#为起始监测点，(2n)#为终止监测点，分别设置在隧道的起拱线位置，在起始监测点(1)下方的拱脚位置设置有钢丝位移计(11)；

在每只监测点紧贴二次衬砌的位置上安装有独立的钢丝分线装置，每只钢丝分线装置上固定有一根本地钢丝绳，并支撑跨接有若干根异地钢丝绳；本地钢丝绳经沿线监测点上的钢丝分线装置支撑绷紧后，连接至对应的钢丝位移计；

【2】采集每只钢丝位移计的参数：

采集得到每只监测点对应编号的钢丝位移计的位移值L₀、L₁、L₂…L_2n；

【3】计算每只监测点变形位移：

拱顶0#点左侧各个监测点对应的变形位移表示为：L_0,1＝L₀-L₁，L_1,3＝L₁-L₃，…，L_2n-3,2n-1＝L_2n-1-L_2n-3；

拱顶0#点右侧各个监测点对应的变形位移表示为：L_0,2＝L₂-L₀，L_2,4＝L₄-L₂，…，L_2n-2,2n＝L_2n-L_2n-2；

【4】计算得到二次衬砌垂直方向和水平方向的变形位移：

二次衬砌垂直方向的变形位移S₀表示为：

S₀＝(S₁+S₂)/2；

其中S₁＝L_0,1·sinα₁+L_1,3·sinα₃+…+L_2n-3,2n-1·sinα_2n-1；

α₁、α₃……α_2n-1分别为第1、3……2n-1个监测点与相邻后一个监测点之间的连线与水平方向的夹角；

S₂＝L_0,2·sinα₂+L_2,4·sinα₄+…+L_2n-2,2n·sinα_2n；

α₂、α₄……α_2n分别为第2、4……2n个监测点与相邻前一个监测点之间的连线与水平方向的夹角；

二次衬砌水平方向的变形位移C₀表示为：

C₀＝C₁+C₂；

其中

C₁＝L_0,1·cosα₁+L_1,3·cosα₃+…+L_2n-3,2n-1·cos_2n-1；

C₂＝L_0,2·cosα₂+L_2,4·cosα₄+…+L_2n-2,2n·cos_2n；

【5】重复步骤【2】至【4】，计算得到不同时刻的垂直方向和水平方向的变形位移，进而得到二次衬砌的累积变形量。

本发明针对目前二次衬砌变形测量步骤繁杂、测量人员要求多、受外界环境影响严重、量测结果误差大、且会对运行车辆产生影响等问题，本发明选取了二次衬砌上的若干只监测点，并在每只监测点上布置了钢丝分线装置，将钢丝绳固定及支撑绷紧在对应的钢丝分线装置后，连接至对应的钢丝位移计上，从而将监测点上的衬砌变形参数巧妙转换为钢丝位移计的位移值，并通过几何关系进行计算得到二次衬砌垂直方向和水平方向的变形位移。本发明简化了测量步骤，降低了环境影响因素，提高了测量准确性，一方面解决了二次衬砌部分变形无法通过常规方法进行测量的问题，另一方面解决了外界因素影响造成的测量结果误差大、精度较低、成本高和监测不便等问题，并且解决了隧道施工至运营全过程持续量测的难题。

附图说明

图1为本发明测量装置的组成原理示意图；

图2为本发明隧道上监测点排序及编号示意图；

图3为本发明具体实施例中二次衬砌水平方向变形测量原理示意图；

图4为本发明具体实施例中二次衬砌垂直方向变形测量原理示意图；

图5为本发明具体实施例中钢丝分线装置的结构示意图；

图6为本发明具体实施例中钢丝分线装置的滑轮结构示意图；

图7为本发明具体实施例中5#监测点上钢丝分线装置上的钢丝布置图；

图8为本发明具体实施例中3#监测点上钢丝分线装置上的钢丝布置图；

图9为本发明具体实施例中1#监测点上钢丝分线装置上的钢丝布置图；

图10为本发明具体实施例中0#监测点上钢丝分线装置上的钢丝布置图；

图11为本发明具体实施例中2#监测点上钢丝分线装置上的钢丝布置图；

图12为本发明具体实施例中4#监测点上钢丝分线装置上的钢丝布置图；

图13为本发明具体实施例中6#监测点上钢丝分线装置上的钢丝布置图；

图14为本发明具体实施例中钢丝位移计的连接示意图；

附图标记如下：1-起始监测点；2-终止监测点；3-路面；4-二次衬砌；5-钢丝分线装置；6-监测点；7-滑轮；8-U形支架；9-固定杆；11-钢丝位移计；12-花篮螺栓；13-钢丝绳扣；14-本地钢丝绳，15-异地钢丝绳；16-电缆槽。

具体实施方法

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

如图1所示，本发明提供了一种用于隧道二次衬砌结构变形的测量装置，隧道的下部为仰拱3，测量装置包括在隧道二次衬砌4弧形面上设置的若干只监测点6，其中起始监测点1与终止监测点2分别设置在隧道开挖跨度最大的起拱线位置，且拱顶位置设置有一只监测点6。

在起始监测点1下方的拱脚位置设置有钢丝位移计11，钢丝位移计11的数量与监测点的数量一致，确保每个监测点6都对应一只钢丝位移计11。每只监测点紧贴二次衬砌的位置上安装有钢丝分线装置5；钢丝分线装置5主要用于固定和支撑钢丝绳，其中每只钢丝分线装置5上固定有一根本底钢丝绳14，并支撑跨接有若干根异地钢丝绳15；本地钢丝绳14的一端固定在钢丝分线装置5上，另一端与对应的钢丝位移计11联接，并且依靠沿线监测点上的钢丝分线装置5进行支撑绷紧，确保测量结果准确。

钢丝位移计11实时测量得到对应的钢丝绳的长度变化，所述钢丝位移计一端为膨胀螺栓，另一端为一固定圆环，量程为50mm，精度为0.5％FS，灵敏度(分辨率)为0.01mm。钢丝位移计监测数据可采用便携式数据采集仪进行采集。测量时钢丝位移计测得的相邻监测点的数据相减后可得到两个变形监测点的相对位移，运用三角函数关系可得到某一变形监测点与相邻变形监测点垂直方向和水平方向上的变形参数，进而通过实时累计处理拱顶位置处监测点在垂直方向上的变形位移参数、以及起始监测点与终止监测点之间的变形位移参数，实现隧道二次衬砌结构变形参数的累计测量。

图2给出了本发明监测点在隧道二次衬砌上的编号顺序，进而方便地进行参数计算。图2中，在隧道二次衬砌弧形面上从起始监测点1至终止监测点2，按照从前至后的顺序设置的2n+1只监测点，其中n为大于1的正整数；其中拱顶对应的监测点为0#，拱顶左侧的监测点由0#向左依次为1#、3#、5#……(2n-1)#，拱顶右侧的监测点由0#向右依次为2#、4#、6#……(2n)#，其中(2n-1)#为起始监测点1，(2n)#为终止监测点2，分别设置在隧道的起拱线位置，钢丝位移计11设置在起始监测点1下方的拱脚位置。

测量中由钢丝位移计11实时测量得到对应的每根钢丝绳的长度变化，并根据图2中的几何关系计算得到拱顶位置处监测点6在垂直方向上的变形位移参数、以及起始监测点1与终止监测点2之间的变形位移参数，实现隧道二次衬砌结构变形参数的测量。一方面解决了二次衬砌部分测点通过常规的变形测试方法无法测量的问题，另一方面解决了由于外界因素影响造成的测量结果误差大，准确性较低等问题，做到既使得监测方法更为方便，又可以确保监测数据的精度。

下面以7个监测点为具体实施例，给出测量和计算原理。

如图3和图

4所示，在隧道二次衬砌弧形面上从起始监测点至终止监测点，按照从前至后的顺序设置的7只监测点，其中拱顶对应的监测点为0#，拱顶左侧的监测点由0#向左依次为1#、3#、5#，拱顶右侧的监测点由0#向右依次为2#、4#、6#，其中5#为起始监测点，6#为终止监测点。

图5和图6给出了钢丝分线装置5的结构示意图，每只钢丝分线装置5包括固定杆9、U形支架8和安装在U形支架8上的若干只滑轮7，所述的钢丝绳绕成钢丝扣后固定在其中一只滑轮7上。隧道的二次衬砌面上钻孔后将固定杆9固定在监测点6的位置，并辅以锚固剂对其固定。钢丝分线装置5上滑轮7的数量与支撑及固定的钢丝绳数量相匹配，对于7只监测点的测量系统，则滑轮7的数量为7只，其中一只滑轮7用于固定该监测点对应的本地钢丝绳14，其余滑轮7根据沿线其他钢丝分线装置5布设情况用于支撑和绷紧异地钢丝绳15。其中沿线的意思是指由于本地钢丝绳14需要从被测量的监测点拉伸至钢丝位移计11上，而为了测量和读取数据方便，钢丝位移计11位于隧道左侧起始监测点1下方的拱脚位置，故钢丝绳需要跨越沿途的若干只钢丝分线装置5，并进行绷紧后才能得到准确参数。每根钢丝绳从起始监测点至终止监测点长度依次减小，具体长度根据二次衬砌断面确定。

从起始监测点开始，长度最长的钢丝绳支撑绷紧在前面6只钢丝分线装置上，一端固定在终止监测点(即6#监测点)的钢丝分线装置上，另一端联接其对应的钢丝位移计，用于终止监测点的变形量；长度次之的钢丝绳支撑绷紧在前面5只钢丝分线装置上，一端固定在4#监测点的钢丝分线装置上，另一端联接其对应的钢丝位移计，用于监测4#监测点的变形量；以此类推，长度最短的钢丝绳一端固定在5#监测点的钢丝分线装置上，另一端联接其对应的钢丝位移计，用于监测5#监测点的变形量。

图7至图13分别给出了具体实施例中5#、3#、1#、0#、2#、4#、6#监测点上的钢丝分线装置5上的本地钢丝绳14、异地钢丝绳15及滑轮布置情况，可以看出每只钢丝分线装置5上其中一只滑轮7用于固定该监测点对应的本地钢丝绳14，另外的滑轮7用于支撑和绷紧沿线的异地钢丝绳14。

以图7的5#监测点为例，根据图3或图4的编号可以看出，5#监测点上的钢丝分线装置包含7只滑轮，其中一只滑轮用于固定该监测点上的本地钢丝绳14，另外6只滑轮则用于分别支撑和绷紧3#、1#、0#、2#、4#、6#上的异地钢丝绳15，且各钢丝绳之间不会产生干扰。

同样以图11的2#监测点为例，为了保持现场施工的统一性，2#监测点上的钢丝分线装置5也包含7只滑轮，其中一只滑轮用于固定该监测点上的本地钢丝绳14，另外2只滑轮则用于分别支撑和绷紧4#、6#上的异地钢丝绳15。

图14给出了钢丝位移计11的连接示意图；每根钢丝绳打结成钢丝绳扣13后，通过花篮螺栓12与钢丝位移计11的一端连接，其中花篮螺栓一端为圆环，另一端为挂钩，钢丝位移计11上的固定圆环与花篮螺栓12的挂钩相连接。钢丝位移计11的另一端为通胀螺栓，通过钻孔并辅以锚固的方式固定在隧道底部拱脚一侧的电缆槽16上方。花篮螺栓12可以调节钢丝绳的松紧程度，使位移计进入良好的工作状态。同样在每只钢丝分线装置5上的本地钢丝绳14也是通过打结成钢丝绳扣13后固定在滑轮7上。

下面结合图3和图4，给出系统的测量原理步骤：

【1】在二次衬砌结构通过全站仪选定7只变形监测点，并进行编号后，构建测量系统。

一、在二次衬砌结构中埋设钢丝分线装置5，将钢丝分线装置5的固定杆9安装在钻好的钻孔内，并辅以锚固剂固定。

二、装设钢丝位移计11：选择二次衬砌4一侧的拱脚装设钢丝位移计11，在电缆槽16顶部钻孔，并将钢丝位移计11的膨胀螺栓一端用锚固的方式将其固定，圆环一端与花篮螺栓12的挂钩连接。

三、钢丝绳与钢丝分线装置5的连接：按照监测点对钢丝绳进行编号并安装固定，将本地钢丝绳14一端打结为钢丝绳扣，固定在钢丝分线装置5中的一只滑轮上，经过本监测点钢丝分线装置5上的异地钢丝绳15跨接并支撑在各自的滑轮上。

四、钢丝绳与花篮螺栓12的连接：钢丝绳的另一端以钢丝绳扣13的方式固定在花篮螺栓12的圆环上，调整花篮螺栓12对钢丝绳进行松紧处理。

【2】由钢丝位移计测量得到各个监测点的位移值，并按照测点序号顺序依次将位移值记为L₀、L₁、L₂、L₃、L₄、L₅、L₆。

【3】按照下面的公式分别计算每只变形监测点相对变形位移：

L_4,6＝L₆-L₄，L_2,4＝L₄-L₂，L_0,2＝L₂-L₀，L_0,1＝L₀-L₁，L_3,5＝L₃-L₅，L_1,3＝L₁-L₃；

【4】计算二次衬砌垂直方向和水平方向的变形位移参数

图3和图4中，以拱顶0#监测点左侧的监测点来计算垂直方向变形位移，可得

S₁＝L_0,1·sinα₀+L_1,3sinα₃+L_3,5·sinα₅

以拱顶0#右侧监测点来计算垂直方向变形位移，可得

S₂＝L_0,2·sinα₂+L_2,4·sinα₄+L_6,4·sinα₆，

对其取均值按照S₀＝(S₁+S₂)/2计算

以5#监测点和6#监测点之间的变形位移来代表二次衬砌的变形位移参数，可得

C₀＝C₁+C₂；

其中C₁＝L_0,1·cosα₁+L_1,3·cosα₃+L_3,5·cosα₅；

C₂＝L_0,2·cosα₂+L_2,4·cosα₄+L_4,6·cosα₆；

【5】重复步骤【2】～【4】，计算得到不同时刻的二次衬砌垂直方向和水平方向的变形位移，进而得到累积位移变形量，完成隧道二次衬砌变形的监测。

Claims (3)

1.一种用于隧道二次衬砌结构变形的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

【1】测量装置的建立：

用于隧道二次衬砌结构变形的测量装置包括在隧道二次衬砌(4)弧形面上设置的若干只监测点(6)，其中起始监测点(1)与终止监测点(2)分别设置在隧道的起拱线位置，且拱顶位置设置有一只监测点(6)；在起始监测点(1)下方的拱脚位置设置有钢丝位移计(11)，每只监测点(6)紧贴二次衬砌(4)的位置处安装有独立的钢丝分线装置(5)；

每只钢丝分线装置包括固定杆(9)、U形支架(8)和安装在U形支架(8)上的若干只滑轮(7)，每只钢丝分线装置(5)上固定有一根本地钢丝绳(14)，并支撑跨接有若干根异地钢丝绳(15)；所述的本地钢丝绳(14)绕成钢丝扣后固定在其中一只滑轮(7)上；钢丝分线装置上滑轮的数量与支撑及固定的钢丝绳数量相匹配，异地钢丝绳(15)支撑绷紧在钢丝分线装置的滑轮(7)上；本地钢丝绳(14)经沿线监测点(6)上的钢丝分线装置(5)支撑绷紧后，连接至对应的钢丝位移计(11)；所述的钢丝位移计(11)实时测量得到相应钢丝绳的长度变化，并计算得到拱顶位置处监测点(6)在垂直方向上的变形位移参数、以及起始监测点(1)与终止监测点(2)之间的变形位移参数，实现隧道二次衬砌(4)结构变形参数的测量；

假设从起始监测点(1)至终止监测点(2)，按照从前至后的顺序设置有2n+1只监测点，其中n为大于1的正整数；假设拱顶对应的监测点为0#，拱顶左侧的监测点由0#向左依次为1#、3#、5#……(2n-1)#，拱顶右侧的监测点由0#向右依次为2#、4#、6#……(2n)#，其中(2n-1)#为起始监测点，(2n)#为终止监测点；

【2】采集每只钢丝位移计的参数：

采集得到每只监测点对应编号的钢丝位移计的位移值L₀、L₁、L₂…L_2n；

【3】计算每只监测点变形位移：

拱顶0#点左侧各个监测点对应的变形位移表示为：L_0,1＝L₀-L₁，L_1,3＝L₁-L₃，…，L_2n-3,2n-1＝L_2n-1-L_2n-3；

拱顶0#点右侧各个监测点对应的变形位移表示为：L_0,2＝L₂-L₀，L_2,4＝L₄-L₂，…，L_2n-2,2n＝L_2n-L_2n-2；

【4】计算得到二次衬砌垂直方向和水平方向的变形位移：

二次衬砌垂直方向的变形位移S₀表示为：

S₀＝(S₁+S₂)/2；

其中S₁＝L_0,1·sinα₁+L_1,3·sinα₃+···+L_2n-3,2n-1·sinα_2n-1；

α₁、α₃……α_2n-1分别为第1、3……2n-1个监测点与相邻后一个监测点之间的连线与水平方向的夹角；

S₂＝L_0,2·sinα₂+L_2,4·sinα₄+···+L_2n-2,2n·sinα_2n；

α₂、α₄……α_2n分别为第2、4……2n个监测点与相邻前一个监测点之间的连线与水平方向的夹角；

二次衬砌水平方向的变形位移C₀表示为：

C₀＝C₁+C₂；

其中

C₁＝L_0,1·cosα₁+L_1,3·cosα₃+···+L_2n-3,2n-1·cos_2n-1；

C₂＝L_0,2·cosα₂+L_2,4·cosα₄+···+L_2n-2,2n·cos_2n；

【5】重复步骤【2】至【4】，计算得到不同时刻的垂直方向和水平方向的变形位移，进而得到二次衬砌的累积变形量。

2.根据权利要求1所述的用于隧道二次衬砌结构变形的测量方法，其特征在于：钢丝位移计上的固定圆环与花篮螺栓的挂钩相连接。

3.根据权利要求1所述的用于隧道二次衬砌结构变形的测量方法，其特征在于：所述钢丝位移计的量程为50mm，精度为0.5％FS，灵敏度为0.01mm。

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