CN113375633B - 基于静力水准仪的隧道全纵向地表沉降监测系统及方法 - Google Patents

基于静力水准仪的隧道全纵向地表沉降监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于静力水准仪的隧道全纵向地表沉降监测系统及方法，监测系统包括起点静力水准仪单元、终点静力水准仪单元和从测量起始点至处理终止点依次级联排布的m套中间静力水准仪单元；其中起点静力水准仪单元和终点静力水准仪单元分别沿隧道截面横向布置于隧道进口和出口洞顶地表，中间静力水准仪单元沿隧道长度方向纵向排布于洞顶地表；本发明通过监测获取各测点之间的相对沉降量，并与已知沉降量相加，得到各测点绝对沉降量，具有操作简便，监测精度高，可实现地表全纵向沉降自动化监测，应用前景广阔。

Description

基于静力水准仪的隧道全纵向地表沉降监测系统及方法
技术领域
本发明属于隧道工程监测领域，用于对隧道地表沉降进行自动化监测，具体为一种基于静力水准仪的隧道全纵向地表沉降监测方法。
背景技术
隧道施工引起的洞顶地表沉降监测是监控量测的必测项目，可有效预防隧道上覆土开裂和沉陷等问题。同时，对隧道洞顶地表纵向沉降进行监测和研究，可为隧道深浅埋界定提供数据支撑，可判别松散荷载和塑性圈的范围，进而对隧道洞口段长度和支护措施进行优化，但目前对隧道洞顶地表纵向沉降规律的研究和实测数据较少。
压差式静力水准仪由于其高精度、小体积、操作简便、自动化等优点，在沉降监测中应用较多，其内部由超高精度压力芯体和电路模块构成，精度可达到0.1～0.5mm以内。一般由水箱、连接管、静力水准仪测点、静力水准仪基准点和基座组成，其中基准点和水箱位于同一基座。将多个静力水准仪测点通过水管连接，后对端部水箱进行注水，排空气泡并封堵尾部测点，完成装置安装。通过水箱内液面和仪器内部压力芯片进行压差高度监测，当静力水准仪测点发生沉降时，压力芯片所测得的压差高度会增高，进而通过换算得到相应沉降量。
但静力水准仪的压力芯片具有一定量程，一般为1～5米高差，超过量程将无法监测，因此无法对大高差和长距离隧道地表进行监测。
发明内容
本发明的目的在于，对隧道开挖引起的地表沉降实现全纵向全过程自动化监测，提供了一种基于静力水准仪的隧道全纵向地表沉降监测系统和方法。
本发明的技术方案如下：
一种基于静力水准仪的隧道全纵向地表沉降监测系统，包括起点静力水准仪单元、终点静力水准仪单元和从测量起始点至处理终止点依次级联排布的m套中间静力水准仪单元；其中起点静力水准仪单元和终点静力水准仪单元分别沿隧道截面横向分布在待测隧道进口和出口的上方地表，中间静力水准仪单元沿隧道长度方向纵向排布在待测隧道上方地表；
所述的起点静力水准仪单元包括通过连接管连通的p只静力水准仪测点和一号水箱、一号静力水准仪基准点，所述的一号水箱和一号静力水准仪基准点设置在同一只混凝土基座上，以实现共同沉降；
所述的终点静力水准仪单元包括通过连接管连通的q只静力水准仪测点和二号水箱、二号静力水准仪基准点；所述的二号水箱和二号静力水准仪基准点设置在同一只混凝土基座上，以实现共同沉降；
所述的一号水箱、一号静力水准仪基准点、二号水箱和二号静力水准仪基准点的绝对沉降量已知；
所述每套中间静力水准仪单元包括通过连接管连通的n只静力水准仪测点和1个高位水箱；
所述第1套中间静力水准仪单元起始点的静力水准仪测点与起点静力水准仪单元中任意一只静力水准仪测点，即起始转换测点，处于同一只混凝土基座上，以实现共同沉降；
所述第i套中间静力水准仪单元的第1只静力水准仪测点与第i-1套中间静力水准仪单元的第n只静力水准仪测点、水箱处于同一只混凝土基座上，以实现共同沉降；
所述第m套中间静力水准仪单元最后一只静力水准仪测点与终点静力水准仪单元中任意一只静力水准仪测点，即终止转换测点，处于同一只混凝土基座上，以实现共同沉降；
其中m，n，p，q，i均为不小于3的正整数，i＝1～m。
上述起点静力水准仪单元、终点静力水准仪单元和中间静力水准仪单元均采用压差式静力水准仪，每套静力水准仪单元布置时高差保持在仪器量程以内。
上述一号静力水准仪基准点和二号静力水准仪基准点的绝对沉降量通过全站仪或水准仪测量获取。
上述起点静力水准仪单元、终点静力水准仪单元和中间静力水准仪单元组装完成后对水箱注水，排空内部气泡，并封堵尾部静力水准仪测点。
一种基于静力水准仪的隧道全纵向地表沉降监测方法，包括以下步骤：
【1】建立如权利要求1至4所述的基于静力水准仪的隧道全纵向地表沉降监测系统；
【2】采用全站仪或水准仪对一号静力水准仪基准点和二号静力水准仪基准点的绝对沉降量监测；并通过读取静力水准仪监测数据，计算得到起点静力水准仪单元和终点静力水准仪单元各测点的绝对沉降量；
【3】根据处于同一混凝土基座上的不同静力水准仪测点的绝对沉降量相同的原则，分别计算得到第i套中间静力水准仪单元中每个静力水准仪测点的绝对沉降值；其中i＝1～m；
【4】将计算得到的第m套中间静力水准仪单元最后一只静力水准仪测点的绝对沉降量与终止转换测点的监测绝对沉降量进行对比，得到测量偏差，对m套中间静力水准仪单元所有测点的绝对沉降值进行修正后，得到修正后的隧道全纵向地表沉降参数。
上述步骤【4】中的偏差修正方法是：假设第i套中间静力水准仪单元中第j个测点的绝对沉降量为xij；第m套中间静力水准仪单元第n只静力水准仪测点测得的绝对沉降量为a，与该静力水准仪测点处于同一只混凝土基座上的终点静力水准仪单元中的终止转换测点测得的绝对沉降量为b，则计算总偏差为E＝a-b，将总偏差E平均到m套中间静力水准仪单元后，得到修正后第i套中间静力水准仪单元中第j个测点的绝对沉降量为xij+E/m；其中i＝1～m，j＝1～n。
本发明的有益效果是：
一、本发明提供了一种基于静力水准仪的隧道全纵向地表沉降监测系统及方法，实现了隧道地表全纵向沉降自动化监测，克服了大高差和长距离沉降监测的困难，可为我国隧道工程研究提供可靠监测数据，填补了该领域监测设备的空白。
二、本发明布局简单，监测精度高，计算方法简便，可广泛应用于岩土和隧道工程监测领域。实施时在每段测线设置有基准点，避免了液面挥发和温度变化等因素的影响，同时设置了两条横向沉降测线对监测结果进行检验和矫正；数据处理时，以起点静力水准仪单元的测量结果为起始转换测点提供基准，并经过纵向方向若干只中间静力水准仪单元级联后，得到终止转换测点的计算结果，最后比较终点静力水准仪单元的测量结果与终止转换测点的数据得到测量偏差，并按照测量偏差对所有中间静力水准仪单元的测量结果进行修正，从而提高了测量精度，满足了工程应用的需求。
附图说明
图1为本发明隧道地表沉降监测系统整体布置图。
图2为静力水准仪布置平面示意图。
图3为第i套中间静力水准仪单元的相对沉降计算模型图。
图中：1-一号水箱；2-一号静力水准仪基准点；3-连接管；4-静力水准仪测点；5-水箱；6-混凝土基座；7-二号静力水准仪基准点；8-二号水箱；9-隧道；10-起点静力水准仪单元；11-中间静力水准仪单元；20-终点静力水准仪单元。
具体实施方式
如图1-2所示，一种基于静力水准仪的隧道全纵向地表沉降监测系统，包括起点静力水准仪单元10、终点静力水准仪单元20和从测量起始点至处理终止点依次级联排布的m套中间静力水准仪单元11；其中起点静力水准仪单元10和终点静力水准仪单元20分别沿隧道截面横向分布在待测隧道进口和出口的上方地表，中间静力水准仪单元11沿隧道长度方向纵向排布在待测隧道上方地表。
起点静力水准仪单元10包括通过连接管3连通的p只静力水准仪测点4和一号水箱1、一号静力水准仪基准点2，所述的一号水箱1和一号静力水准仪基准点2设置在同一只混凝土基座6上。终点静力水准仪单元20包括通过连接管3连通的q只静力水准仪测点4和二号水箱8、二号静力水准仪基准点7；所述的二号水箱8和二号静力水准仪基准点7设置在同一只混凝土基座6上。一号水箱1、一号静力水准仪基准点2、二号水箱8和二号静力水准仪基准点7的绝对沉降量已知。
每套中间静力水准仪单元11包括通过连接管3连通的n只静力水准仪测点4和1个高位水箱5；第1套中间静力水准仪单元11起始点的静力水准仪测点4与起点静力水准仪单元10中任意一只静力水准仪测点4，即起始转换测点，处于同一只混凝土基座6上；第i套中间静力水准仪单元11的第1只静力水准仪测点4与第i-1套中间静力水准仪单元11的第n只静力水准仪测点4、水箱处于同一只混凝土基座6上；第m套中间静力水准仪单元11最后一只静力水准仪测点4与终点静力水准仪单元20中任意一只静力水准仪测点4，即终止转换测点，处于同一只混凝土基座6上；其中m，n，p，q，i均为不小于3的正整数，i＝1～m。
起点静力水准仪单元10、终点静力水准仪单元20和中间静力水准仪单元11均采用压差式静力水准仪，每套测量单元布置时高差保持在仪器量程以内。
一号静力水准仪基准点2和二号静力水准仪基准点7的绝对沉降量通过全站仪或水准仪测量获取。
起点静力水准仪单元10、终点静力水准仪单元20和中间静力水准仪单元11端部为水箱5，通过连接管3将水箱5和若干静力水准仪测点4连接，组装完成后对水箱注水，排空内部气泡，并封堵尾部静力水准仪测点4。
实施时，在隧道进口端洞顶地表选取一条沿隧道截面横向分布的测线，作为起点静力水准仪单元10，在隧道地表挖坑浇筑混凝土基座。将一号水箱1和一号静力水准仪基准点2设置在同一只混凝土基座6上，同时，须高于其他静力水准仪测点4，总体高差保证在静力水准仪量程以内。将静力水准仪测点4、一号静力水准仪基准点2和一号水箱1通过连接管3进行串联，在一号水箱1内灌水或防冻液，使一号静力水准仪基准点2、静力水准仪测点4和连接管3内灌满水，并抖出气泡，封堵尾部静力水准仪测点4出口端。选取起点静力水准仪单元10任意一只静力水准仪测点4作为起始转换测点，将第1套中间静力水准仪单元11起始点的静力水准仪测点4与起始转换测点设置于同一只混凝土基座6上。沿隧道长度方向纵向依次向后设置n个静力水准仪测点4和水箱5，并通过连接管3串联，总体高差保证在静力水准仪量程以内。在水箱5内灌水或防冻液，使静力水准仪测点4和连接管3内灌满水，并抖出气泡，封堵尾部静力水准仪测点4出口端。
将第i-1套中间静力水准仪单元11的第n只静力水准仪测点4作为转点，将第i套中间静力水准仪单元11的第1只静力水准仪测点4与转点、水箱5设置于同一只混凝土基座6上，使其发生共同沉降。并沿隧道长度方向纵向依次向后设置m套中间静力水准仪单元11。
在隧道出口端洞顶地表或设计监测范围终点设置一条沿隧道截面横向分布的测线，作为终点静力水准仪单元20，用以对监测结果进行检验和修正。将二号水箱8和二号静力水准仪基准点7设置在同一只混凝土基座6上，同时，须高于其他静力水准仪测点4，总体高差保证在静力水准仪量程以内。将静力水准仪测点4、二号静力水准仪基准点7和二号水箱8通过连接管3进行串联，在二号水箱8内灌水或防冻液，使二号静力水准仪基准点7、静力水准仪测点4和连接管3内灌满水，并抖出气泡，封堵尾部静力水准仪测点4出口端。选取终点静力水准仪单元20任意一只静力水准仪测点4作为终止转换测点，将第m套中间静力水准仪单元11最后一只静力水准仪测点4与终止转换测点设置于同一只混凝土基座6上。
监测系统安装完成后，通过全站仪或水准仪对一号静力水准仪基准点2和二号静力水准仪基准点7进行长期监测，获取其绝对沉降量。
本发明的隧道全纵向地表沉降监测方法，包括以下步骤：
【1】建立基于静力水准仪的隧道全纵向地表沉降监测系统；
【2】采用全站仪或水准仪对一号静力水准仪基准点和二号静力水准仪基准点的绝对沉降量监测；并通过读取静力水准仪监测数据，计算得到起点静力水准仪单元和终点静力水准仪单元各测点的绝对沉降量；
【3】根据处于同一混凝土基座上的不同静力水准仪测点的绝对沉降量相同的原则，分别计算得到第i套中间静力水准仪单元中每个静力水准仪测点的绝对沉降值；其中i＝1～m；
【4】将计算得到的第m套中间静力水准仪单元最后一只静力水准仪测点的绝对沉降量与终止转换测点的监测绝对沉降量进行对比，得到测量偏差，对m套中间静力水准仪单元所有测点的绝对沉降值进行修正后，得到修正后的隧道全纵向地表沉降参数。
其中，步骤【4】中的偏差修正方法是：假设第i套中间静力水准仪单元中第j个测点的绝对沉降量为xij；第m套中间静力水准仪单元最后一只静力水准仪测点测得的绝对沉降量为a，与该静力水准仪测点处于同一只混凝土基座上的终点静力水准仪单元中的终止转换测点测得的绝对沉降量为b，则计算总偏差为E＝a-b，将总偏差E平均到m套中间静力水准仪单元后，得到修正后第i套中间静力水准仪单元中第j个测点的绝对沉降量为xij+E/m；其中i＝1～m，j＝1～n。
下面以某隧道地表沉降监测为例，给出具体的实施例步骤。
【1】采用全站仪或水准仪对一号静力水准仪基准点和二号静力水准仪基准点的绝对沉降量进行监测；并通过读取静力水准仪监测数据，计算得到起点静力水准仪单元和终点静力水准仪单元各测点的绝对沉降量：
【1.1】在隧道进口端洞顶地表沿隧道截面横向布置一套测线，作为起点静力水准仪单元。其中，一号静力水准仪基准点J0与一号水箱K0位于同一混凝土基座上，并依次设置静力水准仪测点C01～C0p，其中p≥4；
【1.2】采用水准仪对一号静力水准仪基准点J0的绝对沉降量xJ0进行长期监测。通过读取静力水准仪监测数据获取各静力水准仪测点的相对水箱液面的沉降量Δx′0p，并减去一号静力水准仪基准点J0的相对水箱液面的沉降量Δx′J0，得到各测点相对于一号静力水准仪基准点J0的相对沉降量Δx0p，即Δx0p＝Δx′0p-Δx′J0；
【1.3】将各测点相对于基准点J0的相对沉降量Δx0p，分别与一号静力水准仪基准点J0的绝对沉降量xJ0相加，得到各测点的绝对沉降量x0p，即x0p＝Δx0p+xJ0；
【1.4】同理，在隧道出口端洞顶地表沿隧道截面横向布置一套测线，作为终点静力水准仪单元。二号静力水准仪基准点J1与二号水箱K1位于同一混凝土基座上，并依次设置静力水准仪测点C11～C1q，其中q≥4；采用水准仪监测获取二号静力水准仪基准点J1的绝对沉降量xJ1，通过读取静力水准仪监测数据获取各静力水准仪测点的相对水箱液面的沉降量Δx′1q，进而得到各测点绝对沉降量x1q，即x1q＝Δx1q+xJ1＝Δx′1q-Δx′J1+xJ1。
【2】根据处于同一混凝土基座上的不同静力水准仪测点的绝对沉降量相同的原则，分别计算得到第i套中间静力水准仪单元中每个静力水准仪测点的绝对沉降值；其中i＝1～m；
【2.1】如图3所示，通过读取静力水准仪监测数据获取第i套中间静力水准仪单元各测点相对水箱液面的沉降量Δx′i1、Δx′ij和Δx′in，其中基准点Cin与水箱在同一混凝土基座；将各测点相对水箱液面的沉降量减去基准点Cin相对水箱液面的沉降量Δx′in，得到各测点相对于基准点Cin的相对沉降量Δxi1或Δxij，即Δxi1＝Δx′i1-Δx′in，Δxij＝Δx′i2-Δx′in，其中i＝1～m，j＝1～n；
【2.2】将起点静力水准仪单元的C04静力水准仪测点设置为起始转换测点，即第1套中间静力水准仪单元起始点的静力水准仪测点C11与该测点设置于同一只混凝土基座上，使其绝对沉降量保持一致，即x起点转点＝x04＝x11；则测点C1n的绝对沉降量x1n＝x11-Δx11，测点C1j的绝对沉降量x1j＝x11-Δxi1+Δx1j；
【2.3】如图3所示，将第i套中间静力水准仪单元的第n只静力水准仪测点与第i+1套中间静力水准仪单元的第1只静力水准仪测点Ci1设置于同一混凝土基座，使其绝对沉降量保持一致，即第i套中间静力水准仪单元的转点，即xin＝x(i+1)1；
【2.4】则第i套中间静力水准仪单元的各测点绝对沉降分别为：
xi1＝x(i-1)n＝Δx04+xJ0-(Δx11-Δx21-…-Δx(i-1)1)
xin＝xi1-Δxi1＝Δx04+xJ0-(Δx11-Δx21-…-Δxi1)
xij＝xi1-Δxi1+Δxij＝Δx04+xJ0-(Δx11-Δx21-…-Δxi1)+Δxij
【3】将计算得到的第m套中间静力水准仪单元最后一只静力水准仪测点的绝对沉降量与终止转换测点的监测绝对沉降量进行对比，得到测量偏差，对m套中间静力水准仪单元所有测点的绝对沉降值进行修正后，得到修正后的隧道全纵向地表沉降参数：
【3.1】将终点静力水准仪单元的C14静力水准仪测点设置为终止转换测点，即第m套中间静力水准仪单元最后一只静力水准仪测点Cmn与该测点设置于同一只混凝土基座上，使其绝对沉降量保持一致，即x终点转点＝x14。则理论上，通过起点静力水准仪单元计算得到的测点Cmn绝对沉降量计算值应该与终点静力水准仪单元C14的绝对沉降监测值相等，即xmn＝x14，展开可写为：xmn＝Δx04+xJ0-(Δx11-Δx21-…-Δxm1)＝x14＝Δx14+xJ1；
【3.2】当计算得到的xmn≠x14时，则计算总偏差为E＝|x14-xmm|，将总偏差E平均到m套中间静力水准仪单元中，得到修正后的第i套中间静力水准仪单元中第j个测点的绝对沉降量为xij+E/m；其中i＝1～m，j＝1～n。
本发明提供的隧道全纵向地表沉降监测方法克服了地表大高差和长距离的困难，实现了全纵向覆盖和自动化监测，填补了该领域监测设备的空白，其布局简单，计算方法简便，可广泛应用于我国岩土和隧道工程监测领域。

Claims (6)

1.一种基于静力水准仪的隧道全纵向地表沉降监测系统，其特征在于：包括起点静力水准仪单元(10)、终点静力水准仪单元(20)和从测量起始点至处理终止点依次级联排布的m套中间静力水准仪单元(11)；其中起点静力水准仪单元(10)和终点静力水准仪单元(20)分别沿隧道截面横向分布在待测隧道进口和出口的上方地表，中间静力水准仪单元(11)沿隧道长度方向纵向排布在待测隧道上方地表；
所述的起点静力水准仪单元(10)包括通过连接管(3)连通的p只静力水准仪测点(4)和一号水箱(1)、一号静力水准仪基准点(2)，所述的一号水箱(1)和一号静力水准仪基准点(2)设置在起点混凝土基座(6)上；
所述的终点静力水准仪单元(20)包括通过连接管(3)连通的q只静力水准仪测点(4)和二号水箱(8)、二号静力水准仪基准点(7)；所述的二号水箱(8)和二号静力水准仪基准点(7)设置在终点混凝土基座(6)上；
所述的一号水箱(1)、一号静力水准仪基准点(2)、二号水箱(8)和二号静力水准仪基准点(7)的绝对沉降量已知；
每套中间静力水准仪单元(11)包括通过连接管(3)连通的n只静力水准仪测点(4)和1个高位水箱(5)；
其中第1套中间静力水准仪单元(11)的第1只静力水准仪测点(4)与起点静力水准仪单元(10)中的起始转换测点处于第1混凝土基座(6)上，所述的起始转换测点为起点静力水准仪单元(10)中的任意一只静力水准仪测点(4)；
第i套中间静力水准仪单元(11)的第1只静力水准仪测点(4)与第i-1套中间静力水准仪单元(11)的第n只静力水准仪测点(4)、水箱(5)处于第i混凝土基座(6)上；
第m套中间静力水准仪单元(11)的第n只静力水准仪测点(4)与终点静力水准仪单元(20)中终止转换测点处于第m混凝土基座(6)上，所述的终止转换测点为终点静力水准仪单元(10)中的任意一只静力水准仪测点(4)；
其中m，n，p，q，i均为不小于3的正整数，i＝1～m。
2.根据权利要求1所述的基于静力水准仪的隧道全纵向地表沉降监测系统，其特征在于：所述起点静力水准仪单元(10)、终点静力水准仪单元(20)和中间静力水准仪单元(11)均采用压差式静力水准仪，每套静力水准仪单元布置时高差保持在仪器量程以内。
3.根据权利要求1所述的基于静力水准仪的隧道全纵向地表沉降监测系统，其特征在于：所述一号静力水准仪基准点(2)和二号静力水准仪基准点(7)的绝对沉降量通过全站仪或水准仪测量获取。
4.根据权利要求1所述的基于静力水准仪的隧道全纵向地表沉降监测系统，其特征在于：所述起点静力水准仪单元(10)、终点静力水准仪单元(20)和中间静力水准仪单元(11)组装完成后对水箱注水，排空内部气泡，并封堵尾部静力水准仪测点(4)。
5.一种基于静力水准仪的隧道全纵向地表沉降监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
【1】建立如权利要求1至4所述的基于静力水准仪的隧道全纵向地表沉降监测系统；
【2】采用全站仪或水准仪对一号静力水准仪基准点和二号静力水准仪基准点的绝对沉降量监测；并通过读取静力水准仪监测数据，计算得到起点静力水准仪单元和终点静力水准仪单元各测点的绝对沉降量；
【3】根据处于同一混凝土基座上的不同静力水准仪测点的绝对沉降量相同的原则，分别计算得到第i套中间静力水准仪单元中每个静力水准仪测点的绝对沉降值；其中i＝1～m；
【4】将计算得到的第m套中间静力水准仪单元最后一只静力水准仪测点的绝对沉降量与终止转换测点的监测绝对沉降量进行对比，得到测量偏差，对m套中间静力水准仪单元所有测点的绝对沉降值进行修正后，得到修正后的隧道全纵向地表沉降参数。
6.根据权利要求5所述的基于静力水准仪的隧道全纵向地表沉降监测方法，其特征在于：步骤【4】中的偏差修正方法是：
假设第i套中间静力水准仪单元中第j个测点的绝对沉降量为xij；第m套中间静力水准仪单元第n只静力水准仪测点测得的绝对沉降量为a，与所述第m套中间静力水准仪单元第n只静力水准仪测点处于同一只混凝土基座上的终止转换测点测得的绝对沉降量为b，则计算总偏差为E＝a-b；将总偏差E平均到m套中间静力水准仪单元后，得到修正后第i套中间静力水准仪单元中第j个测点的绝对沉降量为xij+E/m；其中i＝1～m，j＝1～n。
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