CN112697032B - 一种隧道底部结构变形综合监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种隧道底部结构变形综合监测方法，属于隧道监测及维护领域，其包括在隧道底部安装隧底深部围岩变形监测系统，用以监测隧底深部围岩的竖向变形情况；在隧道底部安装隧底仰拱变形监测系统，用以监测隧底仰拱竖向变形情况；根据隧道的实际条件设定控制值，并根据控制值划分出正常、预警、报警和超限四个隧道变形等级；根据隧底深部围岩的竖向变形量和隧底仰拱竖向变形量计算出累积变形值，比较累积变形值和控制值得到监测的隧底变形等级。本发明不仅能够监测隧道基底的仰拱填充层上或者轨道板的变形情况，还能够反映深层结构的变形问题，作出综合评价。

Description

一种隧道底部结构变形综合监测方法
技术领域
本发明涉及一种隧道底部结构变形综合监测方法，属于隧道监测、维护领域。
背景技术
铁路隧道基底是支撑列车行驶的基础，由于各种原因隧道基底往往会出现很多上拱或沉降变形问题，严重影响列车行车安全。为了避免铁路隧道基底发生上拱或沉降等变形问题对列车行车带来安全隐患，需要监测铁路隧道基底的变化。目前监测铁路隧道基底的方式比较单一，大多是通过水准仪监测隧道基底的仰拱填充层上或者轨道板的变形情况，不能直接反映深层结构(如仰拱、隧底围岩等) 变形问题。
发明内容
针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种隧道底部结构变形综合监测方法，不仅能够监测隧道基底的仰拱填充层上或者轨道板的变形情况，还能够反映深层结构的变形问题，作出综合评价。
本发明提出了一种隧道底部结构变形综合监测方法，包括：
在隧道底部安装隧底深部围岩变形监测系统，用以监测隧底深部围岩的竖向变形量；
在隧道底部安装隧底仰拱变形监测系统，用以监测隧底仰拱竖向变形量；
根据隧道的实际条件设定控制值，并根据控制值划分出正常、预警、报警和超限四个隧道变形等级；
根据隧底深部围岩的竖向变形量和隧底仰拱竖向变形量计算出累积变形值，比较累积变形值和控制值得到所监测隧道的隧底变形等级。
本发明的进一步改进在于，所述隧底深部围岩变形监测系统包括若干隧底深部围岩变形监测装置，所述隧底深部围岩变形监测装置按照一定的距离分层间隔布置在隧底深部围岩中。
本发明的进一步改进在于，所述隧底深部围岩变形监测装置包括深入到隧底深部围岩位置的安装孔，所述安装孔的底部设置有锚固在隧底深部围岩上的锚头，所述安装孔的上端设置有位移传感器；
其中，所述锚头通过测杆连接所述位移传感器的拉杆；所述锚头随隧底深部围岩发生变形时通过所述测杆带动所述拉杆伸缩，所述位移传感器根据所述拉杆的伸缩量得到隧底深部围岩的变形量。
本发明的进一步改进在于，安装所述隧底深部围岩变形监测装置的方法包括以下步骤：
钻安装孔，使用地质钻机或潜孔钻机进行钻孔，在安装孔的外端设置内径较大的孔口；
安装灌浆保护管，在安装孔内设置放置灌浆保护管，并通过锚固剂将灌浆保护管的管口固定在安装孔的孔口内；
安装锚头和测杆，将锚头和测杆组装好，并放置在安装孔内；根据现场地质选取浆液进行灌装；
安装位移传感器，将位移传感器插入安装孔，并使拉杆与所述测杆旋接，固定所述位移传感器并引出引线和输出电缆，最后加装传感器保护罩。
本发明的进一步改进在于，隧底深部围岩变形最深的位移传感器的末端固定在非扰动区。
本发明的进一步改进在于，隧底仰拱变形监测系统包括若干静力水准仪，所述静力水准仪包括均匀布置在隧道内各个观测点上的观测点静力水准仪和设置在最外端的基准点静力水准仪；其中，所述静力水准仪通过通气管和通液管相连通，使所有的静力水准仪的液面处于同一水平面；所述基准点静力水准仪连通储液罐。
本发明的进一步改进在于，初始时的静力水准仪的传感器系数为k0；实测时的静力水准仪的传感器系数为ki，基准点静力水准仪的初始值为H0，实时测量值为H；观测点静力水准仪的初始值为Hi0，实时测量值为Hi；则观测点沉降值ΔH 计算公式为：
ΔH＝ki(Hi-Hi0)-k0(H-Hi0)。
本发明的进一步改进在于，安装所述隧底仰拱变形监测系统的方法包括以下步骤：
确定基准点和观测点，通过全站仪或电子水准仪测量出各沉降观测点标高，通过标高数据确定观测点和基准点；在观测点和基准点钻孔安装定制锚杆到指定深度，将底座固定在锚杆托盘上；
安装静力水准仪和储液罐，将静力水准仪安装于底板上，所述储液罐的安装在距离基准点一定尺寸的位置；
固定线管并连接通液管、通气管、通讯线缆；
在静力水准仪内灌液。
本发明的进一步改进在于，所述储液罐设置在距离基准点40±2cm处的位置，并高于整条线路50cm以上；所述基准点静力水准仪到所述储液罐之间的连接管保持45°缓角上升。
本发明的进一步改进在于，在灌液时保证通液管内没有气泡，在完成灌液后每间隔一段时间均进行一次复查，并将通液管内的气泡排出。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的一种隧道底部结构变形综合监测方法，不仅能够监测隧道基底的仰拱填充层上或者轨道板的变形情况，还能够反映深层结构的变形问题，作出综合评价。
附图说明
下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：
图1所示为本发明的一个实施例的隧道底部结构变形综合监测系统的安装示意图；
图2所示为本发明的一个实施例的隧底深部围岩变形监测系统的安装示意图；
图3所示为本发明的一个实施例的位移传感器的结构示意图；
图4所示为本发明的一个实施例的位移传感器的安装示意图；
图5所示为本发明的一个实施例的传感器保护罩的安装示意图，显示了采用外置式安装方式的结构；
图6所示为本发明的一个实施例的传感器保护罩的安装示意图，显示了采用埋入式/嵌入式安装的结构；
图7所示为本发明的一个实施例的隧底深部围岩变形最深的位移传感器的所在地层结构示意图；
图8所示为本发明的一个实施例的隧底仰拱变形监测系统的安装示意图；
图9所示为本发明的一个实施例的隧底仰拱变形监测系统的结构示意图。
附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
在附图中各附图标记的含义如下：1、隧底深部围岩变形监测装置，2、隧底仰拱变形监测系统，3、隧底，10、安装孔，11、灌浆保护管，12、锚固剂，13、锚头，14、测杆，15、位移传感器，16、拉杆，17、传感器保护罩，18、测杆保护管，19、接头，21、观测点静力水准仪，22、基准点静力水准仪，23、储液罐， 24、通液管，25、通气管，31、松动区，32、塑性区，33、弹性区，34、非扰动区，35、仰拱，36、仰拱填充层，37、植物胶或混凝土。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。
图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例的一种隧道底部结构变形综合监测系统的安装示意图；根据所述隧道底部结构变形综合监测系统对隧道底部结构变形进行综合监测的方法，包括以下步骤：
在隧道底部安装隧底深部围岩变形监测系统(如图2所示)，用以监测隧底深部围岩的竖向变形量；
在隧道底部安装隧底仰拱变形监测系统2(如图8所示)，用以监测隧底仰拱竖向变形量；
根据隧道的实际条件设定控制值，并根据控制值划分出正常、预警、报警和超限四个隧道变形等级；
根据隧底深部围岩的竖向变形量和隧底仰拱竖向变形量计算出累积变形值，比较累积变形值和控制值得到所监测隧道的隧底变形等级。
在一个具体的实施例中，控制值选取为Lc，监测的隧底深部围岩的竖向变形为L1(距离仰拱最近点变形值)，隧底仰拱竖向变形为L2，那么，累积值 L＝k1L1+k2L2。(其中，k1和k2根据实际情况和经验进行选取的系数，满足k1+k2＝1，通常均选择为0.5，也可以根据实际的影响情况进行调整。)
具体评价等级可根据工程实际情况综合确定，一般取控制值的60％、80％和100％划分为正常、预警、报警和超限四个等级，如下表所示。
表1隧道底部结构竖向变形评价等级
Figure RE-GDA0002854067180000051
以高速铁路隧道为例，表中的控制值Lc为±5mm，L处于Lc至的60％以下 (即＜±3mm)，则评价等级为正常；L处于Lc的60％到80％之间(即在±3mm 到±4mm)，则评价等级为预警；L处于Lc的80％到100％之间(即在±4mm到±5mm)，则评价等级为报警；L超过Lc的100％(即大于±5)时，评价等级为超限。根据监测结果不同的等级对隧道进行维护。(普速铁路隧道的方法相同，控制值不同。)
在一个实施例中，如图2所示，所述隧底深部围岩变形监测系统包括若干隧底深部围岩变形监测装置1，所述隧底深部围岩变形监测装置1按照一定的距离分层间隔布置在隧底深部围岩中。优选地，隧底深部围岩变形监测装置1在隧道的长度方向上设置成若干排。
在一个优选的实施例中，如图2至4所示，所述隧底深部围岩变形监测装置 1包括深入到隧底深部围岩位置的安装孔10。安装孔10的底部设置有锚固在隧底深部围岩上的锚头13，安装孔10的上端设置有位移传感器15。其中，锚头13 的上端设置测杆14，测杆14的上端连接位移传感器15的拉杆16。锚头13随隧底深部围岩发生变形时通过所述测杆14带动所述拉杆16伸缩，所述位移传感器 15根据所述拉杆16的伸缩量得到隧底深部围岩的变形量。
优选地，如图3和图4所示，位移传感器15设置在安装基座上，并在上部设置传感器保护罩17。位移传感器15的下端伸出拉杆16并设置带有丝扣的接头 19。测杆14优选为不锈钢测杆14，其包覆在测杆保护管18的内部。测杆保护管 18的下端设置锚头13适配器，用于连接锚头13；上端设置带有丝扣的接头19，用于连接拉杆16。
在隧底深部围岩发生变形时，会带动锚头13移动，从而带动测杆14发生位移。测杆14位移时拉动位移传感器15的拉杆16移动。位移传感器15的拉杆16 的位移变形传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。位移传感器15内的电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物的变形量。
安装完毕后应记录初始读数(R0)，即进入观测期的当前读数(R1)，因传感器测量的是相对变化量，其位移变化D可用式如下计算。
D＝(R1－R0)G
式中，R为初始读数，通常在灌浆结束24小时后取值；R1为当前读数；G 为仪器系数，由率定表给定。
在一个实施例中，安装所述隧底深部围岩变形监测装置1的方法包括以下步骤：
首先钻安装孔10，使用地质钻机或潜孔钻机进行钻孔，在安装孔10的外端设置内径较大的孔口。在本实施例中，钻孔直径根据测点数而确定，若测头采用外置式安装，孔口0.5m段直径不小于110mm(如图5所示)；若采用埋入式/ 嵌入式安装，孔口1～1.4m段直径不小于150mm，钻孔的深度应比最深锚头13 多处1m以上(如图6所示)。
安装灌浆保护管11，在安装孔10内设置放置灌浆保护管11，并通过锚固剂 12将灌浆保护管11的管口固定在安装孔10的孔口内。在本实施例中，灌浆保护管11采用PVC管，锚固剂12采用水泥砂浆或环氧锚固剂将灌浆保护管11锚的管口锚固，或者采用棉纱条在速凝水泥浆浸泡后来填充灌浆保护管11与孔壁之间缝隙，灌浆保护管11外端须深入孔口至少320mm或更深。
安装锚头13和测杆14，将锚头13和测杆14组装好，并放置在安装孔10内。具体的过程是首先在孔钻附近使用吊车或搭设支架，然后起吊预先组装好的测杆 14，放入钻孔中，之后根据现场地质选取浆液进行灌装；为保证灌浆效果，沿孔向下灌浆，孔口作为排气口，灌浆压力应控制在≤0.5Mpa，沿孔向上灌浆，孔底作为排气口，压力可根据孔深适当增大。
安装位移传感器15，将位移传感器15插入安装孔10，并使拉杆16与所述测杆14旋接，固定所述位移传感器15并引出引线和输出电缆，最后加装传感器保护罩17。具体的方式为：待灌浆工作完成后，松开位移传感器15电测基座上的固定螺栓，将位移传感器15插入安装孔10，施加一定压力将传感器底端旋入测杆14顶部的连接孔中，拧紧传感器固定锚上的螺帽，连接传感器引线与输出电缆，加装传感器保护罩17，紧固螺栓。
安装完成后，位移传感器15与相应数据采集设备连接，引至观测站集中。多点位移传感器15的标准量程有50、100、200、300mm(可定制)，其精度为直线型时≤0.5％F.S，多项式时≤0.1％F.S(F.S表示满量程)，数据分辨率为 0.025％F.S。
在一个优选的实施例中，如图7所示，隧底深部围岩变形最深的位移传感器 15的末端固定在非扰动区34。隧道开挖后周围扰动，形成松动区31、塑性区32、弹性区32和非扰动区34，因此，要求隧底深部围岩变形最深位移计的末端须固定在非扰动区34。根据现场测试和数值分析结果，一般情况下，非扰动区34取在2～3倍洞距边界范围外。
在一个实施例中，如图9所示，隧底仰拱变形监测系统2包括若干静力水准仪，所述静力水准仪包括均匀布置在隧道内各个观测点上的观测点静力水准仪21 和设置在最外端的基准点静力水准仪22。其中，所述静力水准仪通过通气管25 和通液管24相连通，使所有的静力水准仪的液面处于同一水平面；所述基准点静力水准仪22连通储液罐23。
优选地，多支通过连通管连接在一起的储液罐23的页面总是在同一个水平面，通过测量不同的储液罐23的液面高度，经过计算就可以计算出各个静力水准仪的相对差异沉降。
设初始时的静力水准仪的传感器系数为k0；实测时的静力水准仪的传感器系数为ki，基准点静力水准仪22的初始值为H0，实时测量值为H；观测点静力水准仪21的初始值为Hi0，实时测量值为Hi；则观测点沉降值ΔH计算公式为：
ΔH＝ki(Hi-Hi0)-k0(H-Hi0)。
静力水准仪设置在钢筋上，钢筋通过钻孔插入仰拱35中，钢筋与仰拱35直接通过植筋胶或混凝土粘贴固定，钢筋与仰拱填充层36之间用细沙填充，确保仰拱竖向位移传递到静力水准仪上，同时不会在孔中左右摇摆。
在一个实施例中，如图8和图9所示，安装所述隧底仰拱变形监测系统2的方法包括以下步骤：
确定基准点和观测点，通过全站仪或电子水准仪测量出各沉降观测点标高，通过标高数据确定观测点和基准点。具体的方式为：首先标定点确认后，按照点的分布图做好标记，钻孔安装定制锚杆到指定深度，将底座固定在锚杆托盘上。之后固定基准点，基准点位于测线的最外端，以充分离开沉降监测范围。安装基准点时，注意相对应的测点高差，以便于压力流畅通顺，监测点与基点连接处，尽可能保持在一条水平线上。
安装静力水准仪和储液罐23，将静力水准仪安装于底板上，底板组件包括钢底板和三根不锈钢螺杆，静力水准仪通过螺栓固定在底板上，底板组件安装时用水平尺找平，确保底板水平。所述储液罐23设置在距离基准点40±2cm处的位置，要高于整条线路50cm以上，有助于液体压差流动。基准点静力水准仪22和储液罐23连接时，不得有直角转弯，保持45°缓角上升，以保证液体的流动性。
固定线管，根据现场环境选择合适材料作为固定管，把通液管24、通气管 25和通讯线缆固定在线管内，注意施工时不得伤及通讯线缆和通液管24。穿管完成后，将管线用U型固定夹固定，固定距离为50cm，以此类推。
连接通液管24、通气管25、通讯线缆，根据现场工作需要，切割通液管24、通气管25和通讯线缆至合适长度，然后分别与静力水准仪上相应接口连接。有一部分通液管24和通气管25需要连接储液罐23和基点静力水准仪。安装连接时需要注意松弛度和密闭性。
灌液工作，在灌液时，要注意水压的高低平衡，通液管24内不得有气泡产生，如果发现气泡要及时排出，否则会影响设备的精度。灌液后要认真检查，间隔24小时后认真复查，不得有气泡滞留在通液管24内。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种隧道底部结构变形综合监测方法，其特征在于，包括：
在隧道底部安装隧底深部围岩变形监测系统，用以监测隧底深部围岩的竖向变形量；
在隧道底部安装隧底仰拱变形监测系统(2)，用以监测隧底仰拱竖向变形量；
根据隧道的实际条件设定控制值，并根据控制值划分出正常、预警、报警和超限四个隧道变形等级；
根据隧底深部围岩的竖向变形量和隧底仰拱竖向变形量计算出累积变形值，比较累积变形值和控制值得到所监测隧道的隧底变形等级；
控制值选取为Lc，监测的隧底深部围岩的竖向变形为L1，隧底仰拱竖向变形为L2，则累积变形值满足：L＝k1L1+k2L2；其中，k1和k2根据实际情况和经验进行选取的系数，且满足k1+k2＝1；
隧底深部围岩的竖向变形为L1为隧底深部围岩变形监测系统监测的位移变化D，其满足：
D＝(R1－R0)G
式中，R0为初始读数，通常在灌浆结束24小时后取值；R1为当前读数；G为仪器系数，由率定表给定；
隧底仰拱变形监测系统(2)包括若干静力水准仪，所述静力水准仪包括均匀布置在隧道内各个观测点上的观测点静力水准仪(21)和设置在最外端的基准点静力水准仪(22)；
隧底仰拱竖向变形为L2为隧底仰拱变形监测系统(2)测得的观测点沉降值ΔH；
初始时的静力水准仪的传感器系数为k0；实测时的静力水准仪的传感器系数为ki，基准点静力水准仪(22)的初始值为H0，实时测量值为H；观测点静力水准仪(21)的初始值为Hi0，实时测量值为Hi；则观测点沉降值ΔH计算公式为：
ΔH＝ki(Hi-Hi0)-k0(H-Hi0)。
2.根据权利要求1所述的隧道底部结构变形综合监测方法，其特征在于，所述隧底深部围岩变形监测系统包括若干隧底深部围岩变形监测装置(1)，所述隧底深部围岩变形监测装置(1)按照一定的距离分层间隔布置在隧底深部围岩中。
3.根据权利要求2所述的隧道底部结构变形综合监测方法，其特征在于，所述隧底深部围岩变形监测装置(1)包括深入到隧底深部围岩位置的安装孔(10)，所述安装孔(10)的底部设置有锚固在隧底深部围岩上的锚头(13)，所述安装孔(10)的上端设置有位移传感器(15)；
其中，所述锚头(13)通过测杆(14)连接所述位移传感器(15)的拉杆(16)；所述锚头(13)随隧底深部围岩发生变形时通过所述测杆(14)带动所述拉杆(16)伸缩，所述位移传感器(15)根据所述拉杆(16)的伸缩量得到隧底深部围岩的变形量。
4.根据权利要求3所述的隧道底部结构变形综合监测方法，其特征在于，安装所述隧底深部围岩变形监测装置(1)的方法包括以下步骤：
钻安装孔(10)，使用地质钻机或潜孔钻机进行钻孔，在安装孔(10)的外端设置内径较大的孔口；
安装灌浆保护管(11)，在安装孔(10)内设置放置灌浆保护管(11)，并通过锚固剂(12)将灌浆保护管(11)的管口固定在安装孔(10)的孔口内；
安装锚头(13)和测杆(14)，将锚头(13)和测杆(14)组装好，并放置在安装孔(10)内；根据现场地质选取浆液进行灌装；
安装位移传感器(15)，将位移传感器(15)插入安装孔(10)，并使拉杆(16)与所述测杆(14)旋接，固定所述位移传感器(15)并引出引线和输出电缆，最后加装传感器保护罩(17)。
5.根据权利要求4所述的隧道底部结构变形综合监测方法，其特征在于，隧底深部围岩变形最深的位移传感器(15)的末端固定在非扰动区(34)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的隧道底部结构变形综合监测方法，其特征在于，所述静力水准仪通过通气管(25)和通液管(24)相连通，使所有的静力水准仪的液面处于同一水平面；所述基准点静力水准仪(22)连通储液罐(23)。
7.根据权利要求6所述的隧道底部结构变形综合监测方法，其特征在于，安装所述隧底仰拱变形监测系统(2)的方法包括以下步骤：
确定基准点和观测点，通过全站仪或电子水准仪测量出各沉降观测点标高，通过标高数据确定观测点和基准点；在观测点和基准点钻孔安装定制锚杆到指定深度，将底座固定在锚杆托盘上；
安装静力水准仪和储液罐(23)，将静力水准仪安装于底板上，所述储液罐(23)的安装在距离基准点一定尺寸的位置；
固定线管并连接通液管(24)、通气管(25)、通讯线缆；
在静力水准仪内灌液。
8.根据权利要求7所述的隧道底部结构变形综合监测方法，其特征在于，所述储液罐(23)设置在距离基准点40±2cm处的位置，并高于整条线路50cm以上；所述基准点静力水准仪(22)到所述储液罐(23)之间的连接管保持45°缓角上升。
9.根据权利要求8所述的隧道底部结构变形综合监测方法，其特征在于，在灌液时保证通液管(24)内没有气泡，在完成灌液后每间隔一段时间均进行一次复查，并将通液管(24)内的气泡排出。
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