CN114279394B - 一种隧道变形的实时在线连续监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道变形的实时在线连续监测方法，包括步骤1、判定需监测隧道截面；步骤2、地质雷达检测；步骤3、确定变形位移计埋设位置；步骤4、选择变形位移计；步骤5、开设弧形槽；步骤6、组装变形位移计；步骤7、埋设变形位移计；步骤8、封槽；步骤9、隧道变形实时监测；步骤10、计算变形位移计的实际空间变形量；步骤11、隧道安全预警。本发明通过将变形位移计随柔性管嵌入到隧道二衬结构内，既不侵占隧道限界，也不影响隧道二衬结构，保证隧道通行安全。同时，变形位移计空间坐标将发生改变，很清晰反映隧道局部衬砌结构受力情况，与衬砌结构共同变形。
Description
技术领域
本发明涉及隧道监测技术领域，特别是一种隧道变形的实时在线连续监测方法。
背景技术
现阶段隧道衬砌结构表面位移监测多采用移动式检测车，如申请号为2016108678587的中国发明专利申请，其包括轨道装置、弹性动态位移监测装置、固定支撑装置、数据处理装置和行进装置；轨道装置与隧道洞壁贴合，能够与隧道洞壁共形变，轨道装置包括沉降记录轨道和收敛记录轨道，沉降记录轨道固定在隧道洞壁的拱顶，收敛记录轨道固定在隧道洞壁的侧壁；弹性动态位移监测装置行进在沉降记录轨道和收敛记录轨道上，能够将隧道洞壁的形变转换为位移数据并传输给数据处理装置；弹性动态位移监测装置与固定支撑装置固定连接，固定支撑装置与行进装置连接；数据处理装置根据若干次采集数据得到隧道水平收敛变化曲线与工地沉降变化曲线，通过不同时间的采集数据横向对比，得到隧道的连续性全覆盖位移监测数据。
上述专利申请，虽然一定程度上实现隧道位移数据的连续监测，然而还存在着如下不足，有待进行改进：工作时行进装置需沿着隧道的中轴线移动，并通过多根伸展测量臂分别与位于隧道顶部和侧壁的轨道装置相连接，影响隧道运营期间的车辆通行，故而只能适合施工期间的隧道安全监测，不适合运营期的隧道变形实时连续监测。
为实现运行期间的公路隧道监测，对移动式检测车进行了改进，如申请号为2019104910901的中国发明专利申请，其公开了一种公路隧道检测车，其能单边作业，保证隧道交通单边通行的情况下，动态、完备地采集隧道病害和轮廓断面信息，从而能用于隧道定期检查作业。
公路隧道检测车虽然能方便识别隧道病害，但是却无法实时得到病害发展趋势，只能在每次进入隧道检测时，才能得到一次隧道病害检测数据，各次所得数据时间间隔较长，无法精确得到隧道病害随时间变化的具体发展趋势，无法实现连续实时监测，难以保证隧道通行安全。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种隧道变形的实时在线连续监测方法，该隧道变形的实时在线连续监测方法通过将变形位移计随柔性管嵌入到隧道二衬结构内，既不侵占隧道限界，也不影响隧道二衬结构，保证隧道通行安全。同时，变形位移计空间坐标将发生改变，很清晰反映隧道局部衬砌结构受力情况，与衬砌结构共同变形。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种隧道变形的实时在线连续监测方法，包括如下步骤。
步骤1、判定需监测隧道截面：公路隧道检测车按照设定时间间隔对隧道的每个截面进行检测，当某隧道截面具有如下1A～1C中任一项病害特征时，则判定该隧道截面为需监测隧道截面。
1A、衬砌具有掉块。
1B、具有大裂缝；其中，大裂缝是指裂缝深度超过设定深度阈值的裂缝。
1C、衬砌变形速率大于设定变形阈值或超过预警速率。
步骤2、地质雷达检测：采用地质雷达对步骤1判定的需监测隧道截面进行检测，并判断需监测隧道截面中是否存在岩溶空洞和隧道衬砌质量不良；其中，隧道衬砌质量不良包括衬砌空洞、衬砌潜在裂缝和围岩接触面正投影；其中，衬砌潜在裂缝是指裂缝深度不超过设定深度阈值的裂缝；围岩接触面正投影是指隧道衬砌与围岩接触部位存在空洞。
步骤3、确定变形位移计埋设位置：在需监测隧道截面的内壁面，将步骤1检测的掉块部位和大裂缝部位，步骤2检测的岩溶空洞和每个隧道衬砌质量不良部位，分别进行位置标记。
每个标记位置均形成为一个变形位移计埋设位置；
步骤4、选择变形位移计：根据监测范围选取不同长度的变形位移计；变形位移计的数量不少于步骤3确定的变形位移计埋设位置数量。
步骤5、开设弧形槽：在需监测隧道截面的内壁面，开设弧形槽，弧形槽需穿过步骤3确定的所有变形位移计埋设位置；且弧形槽的深度和宽度应大于步骤4选择的变形位移计的高度和宽度。
步骤6、组装变形位移计：先将步骤4选择的变形位移计通过线缆相串联；然后，将串联完成的变形位移计放入柔性管中，并使变形位移计紧贴柔性管的管壁，串联变形位移计的线缆从柔性管的端部引出。
步骤7、埋设变形位移计：将具有变形位移计的柔性管放置在步骤5开设的弧形槽内，并使得每个变形位移计埋设位置均具有一个变形位移计；接着，将柔性管在弧形槽中的位置进行固定；变形位移计将随对应变形位移计埋设位置的隧道衬砌同步变形。
步骤8、封槽：将埋设有变形位移计的弧形槽进行充实封堵。
步骤9、隧道变形实时监测：将步骤6中从柔性管端部引出的线缆与设置在接收传输装置相连接，接收传输装置与监控终端无线连接；监控终端能实时获取每个变形位移计的变形位移。
步骤10、计算变形位移计的实际空间变形量Ln，具体计算公式为：
式中，(Xn，Yn，Zn)表示变形位移计的第n次在X、Y和Z轴三个方向的读数；(X0，Y0，Z0)表示变形位移计在X、Y和Z轴三个方向的原始读数；其中，X轴为隧道纵向，Y轴为隧道横向，Z轴为隧道高度方向；n为大于等于1的自然数。
步骤11、隧道安全预警：将步骤10得到的变形位移计的实际空间变形量Ln与设定的变形预警值进行比较，从而得出隧道结构是否处于安全状态。
步骤3中，当相邻两个变形位移计埋设位置之间的长度超过设定长度间隔时，需通过插点的方式，使得相邻两个变形位移计埋设位置之间的长度不超过设定长度间隔；每个插点处均进行插点位置标记。
步骤4中，变形位移计的数量等于变形位移计埋设位置数量和插点位置数量之和；步骤5中，弧形槽需穿过步骤3确定的所有变形位移计埋设位置和所有插点位置；步骤7中，柔性管放置后，应使得每个变形位移计埋设位置和每个插点位置均具有一个变形位移计。
步骤5中，弧形槽的深度和宽度均为50～120mm。
步骤7中，采用U型卡扣将柔性管在弧形槽中的位置进行固定。
步骤4中的变形位移计为三维变形位移计。
还包括步骤12、隧道加固：当变形位移计的实际空间变形量Ln大于变形预警值，得到隧道结构处于危险状态时，结合隧道地质勘察资料和施工资料，确定是否对隧道加固以及加固方式。
步骤8中封槽时，将埋设有变形位移计的弧形槽，使用快硬水泥砂浆进行充实封堵，并将表面的水泥砂浆抹平。
本发明具有如下有益效果：
1、当隧道结构发生变形时，变形位移计空间坐标将发生改变，很清晰反映隧道局部衬砌结构受力情况，与衬砌结构共同变形。
2、变形位移计随柔性管嵌入到隧道二衬结构内，既不侵占隧道限界，也不影响隧道二衬结构，保证隧道通行安全。
3、能将变形位移计从柔性管内抽出和放回，方便回收和检修。
4、支持任意监测点位埋设。
附图说明
图1显示了本发明中变形位移计在弧形槽(大弧形)内的布设位置示意图。
图2显示了本发明中变形位移计在弧形槽(小弧形)内的布设位置示意图。
图3显示了本发明中隧道内壁的实时变形形状示意图。
其中有：
10.初期支护；
20.二衬结构；21.弧形槽；
30.柔性管；
40.变形位移计；41.接收传输装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了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特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种隧道变形的实时在线连续监测方法，包括如下步骤。
步骤1、判定需监测隧道截面：公路隧道检测车按照设定时间间隔对隧道的每个截面进行检测，当某隧道截面具有如下1A～1C中任一项病害特征时，则判定该隧道截面为需监测隧道截面。
1A、衬砌具有掉块，本发明中的衬砌主要是指位于初期支护10内侧的二衬结构20。
1B、具有大裂缝；其中，大裂缝是指裂缝深度超过设定深度阈值的裂缝。
1C、衬砌变形速率大于设定变形阈值或超过预警速率。
步骤2、地质雷达检测：采用地质雷达对步骤1判定的需监测隧道截面进行检测，并判断需监测隧道截面中是否存在岩溶空洞和隧道衬砌质量不良；其中，隧道衬砌质量不良包括衬砌空洞、衬砌潜在裂缝和围岩接触面正投影；其中，衬砌潜在裂缝是指裂缝深度不超过设定深度阈值的裂缝；围岩接触面正投影是指隧道衬砌与围岩接触部位存在空洞。
步骤3、确定变形位移计埋设位置：在需监测隧道截面的内壁面，将步骤1检测的掉块部位和大裂缝部位，步骤2检测的岩溶空洞和每个隧道衬砌质量不良部位，分别进行位置标记，每个标记位置均形成为一个变形位移计埋设位置。
当相邻两个变形位移计埋设位置之间的长度超过设定长度间隔时，需通过插点的方式，使得相邻两个变形位移计埋设位置之间的长度不超过设定长度间隔；每个插点处均进行插点位置标记。
步骤4、选择变形位移计：根据监测范围选取不同长度的变形位移计；变形位移计的数量不少于步骤3确定的变形位移计埋设位置数量。本实施例中，监测范围主要包括裂缝较大处、空洞处和变形速率较大处等。变形位移计长度根据主要裂缝长度、空洞范围以及变形速率较大的范围进行确定。
上述每个变形位移计均优选为三维变形位移计，能用于三维空间内进行全方位变形(位移)测量，内部采用多节位移传感器串联，可根据需要任意弯折，以适应特殊场景的监测需求。
当步骤3具有插点时，变形位移计的数量等于变形位移计埋设位置数量和插点位置数量之和。每个变形位移计埋设位置和每个插点位置均为一个监测点。
步骤5、开设弧形槽
在需监测隧道截面的内壁面(优选为二衬结构的内壁)，开设弧形槽21，弧形槽需穿过步骤3确定的所有变形位移计埋设位置；当步骤3具有插点时，弧形槽需穿过步骤3确定的所有变形位移计埋设位置和所有插点位置。
上述弧形槽的深度和宽度应大于步骤4选择的变形位移计的高度和宽度。进一步，弧形槽的深度和宽度均优选为50～120mm。
上述弧形槽可以是如图1所示的大弧形，也即与隧道整个弧形拱的拱形保持一致。也可以是如图2所示的小弧形，仅为隧道弧形拱的部分拱弧。
步骤6、组装变形位移计
先将步骤4选择的变形位移计40通过线缆相串联；若干个变形位移计均能独自工作，分别读数。
然后，将串联完成的变形位移计放入柔性管30中，并使变形位移计紧贴柔性管的管壁，串联变形位移计的线缆从柔性管的端部引出。
步骤7、埋设变形位移计
将具有变形位移计的柔性管放置在步骤5开设的弧形槽内，并使得每个变形位移计埋设位置均具有一个变形位移计；当步骤3具有插点时，应使得每个变形位移计埋设位置和每个插点位置均具有一个变形位移计。
接着，优选采用U型卡扣将柔性管在弧形槽中的位置进行固定；此时，需记录每个变形位移计在X、Y和Z轴三个方向的原始读数(X0，Y0，Z0)；其中，X轴为隧道纵向，Y轴为隧道横向，Z轴为隧道高度方向。
上述变形位移计将随对应变形位移计埋设位置的隧道衬砌同步变形。
步骤8、封槽：将埋设有变形位移计的弧形槽，优选使用快硬水泥砂浆进行充实封堵，并将表面的水泥砂浆抹平。
步骤9、隧道变形实时监测：将步骤6中从柔性管端部引出的线缆与设置在接收传输装置相连接，接收传输装置与监控终端无线连接；监控终端能实时获取每个变形位移计的变形位移。
步骤10、计算变形位移计的实际空间变形量Ln，具体计算公式为：
式中，(Xn，Yn，Zn)表示变形位移计的第n次在X、Y和Z轴三个方向的读数，n为大于等于1的自然数。
步骤11、隧道安全预警：将步骤10得到的变形位移计的实际空间变形量Ln与设定的变形预警值进行比较，从而得出隧道结构是否处于安全状态。
在本发明中，通过将Ln与设定的变形预警值进行比较，能得到隧道向各个方向变形的趋势和大小，从而能判断隧道是否发生变形破坏或者变形破坏的方向。另外，
另外，通过上述公式，得到各个监测点的三维变形位移和变形方向，故而能够得出隧道横断面变形实时图像，也即如图3所示的隧道内壁的实时变形形状，从而能直观有效预判隧道结构安全。
步骤12、隧道加固：当变形位移计的实际空间变形量Ln大于变形预警值，得到隧道结构处于危险状态时，结合隧道地质勘察资料和施工资料，确定是否对隧道加固以及加固方式。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种隧道变形的实时在线连续监测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、判定需监测隧道截面：公路隧道检测车按照设定时间间隔对隧道的每个截面进行检测，当某隧道截面具有如下1A～1C中任一项病害特征时，则判定该隧道截面为需监测隧道截面；
1A、衬砌具有掉块；
1B、具有大裂缝；其中，大裂缝是指裂缝深度超过设定深度阈值的裂缝；
1C、衬砌变形速率大于设定变形阈值或超过预警速率；
步骤2、地质雷达检测：采用地质雷达对步骤1判定的需监测隧道截面进行检测，并判断需监测隧道截面中是否存在岩溶空洞和隧道衬砌质量不良；其中，隧道衬砌质量不良包括衬砌空洞、衬砌潜在裂缝和围岩接触面正投影；其中，衬砌潜在裂缝是指裂缝深度不超过设定深度阈值的裂缝；围岩接触面正投影是指隧道衬砌与围岩接触部位存在空洞；
步骤3、确定变形位移计埋设位置：在需监测隧道截面的内壁面，将步骤1检测的掉块部位和大裂缝部位，步骤2检测的岩溶空洞和每个隧道衬砌质量不良部位，分别进行位置标记；
每个标记位置均形成为一个变形位移计埋设位置；当相邻两个变形位移计埋设位置之间的长度超过设定长度间隔时，需通过插点的方式，使得相邻两个变形位移计埋设位置之间的长度不超过设定长度间隔；每个插点处均进行插点位置标记；
步骤4、选择变形位移计：根据监测范围选取不同长度的变形位移计；变形位移计的数量等于变形位移计埋设位置数量和插点位置数量之和；
步骤5、开设弧形槽：在需监测隧道截面的内壁面，开设弧形槽，弧形槽需穿过步骤3确定的所有变形位移计埋设位置和所有插点位置；且弧形槽的深度和宽度应大于步骤4选择的变形位移计的高度和宽度；弧形槽的深度和宽度均为50～120mm；
步骤6、组装变形位移计：先将步骤4选择的变形位移计通过线缆相串联；然后，将串联完成的变形位移计放入柔性管中，并使变形位移计紧贴柔性管的管壁，串联变形位移计的线缆从柔性管的端部引出；
步骤7、埋设变形位移计：将具有变形位移计的柔性管放置在步骤5开设的弧形槽内，并使得每个变形位移计埋设位置均具有一个变形位移计和每个插点位置均具有一个变形位移计；接着，将柔性管在弧形槽中的位置进行固定；变形位移计将随对应变形位移计埋设位置的隧道衬砌同步变形；
步骤8、封槽：将埋设有变形位移计的弧形槽进行充实封堵；
步骤9、隧道变形实时监测：将步骤6中从柔性管端部引出的线缆与设置在接收传输装置相连接，接收传输装置与监控终端无线连接；监控终端能实时获取每个变形位移计的变形位移；
步骤10、计算变形位移计的实际空间变形量Ln，具体计算公式为：
式中，(Xn，Yn，Zn)表示变形位移计的第n次在X、Y和Z轴三个方向的读数；(X0，Y0，Z0)表示变形位移计在X、Y和Z轴三个方向的原始读数；其中，X轴为隧道纵向，Y轴为隧道横向，Z轴为隧道高度方向；n为大于等于1的自然数；
步骤11、隧道安全预警：将步骤10得到的变形位移计的实际空间变形量Ln与设定的变形预警值进行比较，从而得出隧道结构是否处于安全状态；
步骤12、隧道加固：当变形位移计的实际空间变形量Ln大于变形预警值，得到隧道结构处于危险状态时，结合隧道地质勘察资料和施工资料，确定是否对隧道加固以及加固方式。
2.根据权利要求1所述的隧道变形的实时在线连续监测方法，其特征在于：步骤7中，采用U型卡扣将柔性管在弧形槽中的位置进行固定。
3.根据权利要求1所述的隧道变形的实时在线连续监测方法，其特征在于：步骤4中的变形位移计为三维变形位移计。
4.根据权利要求1所述的隧道变形的实时在线连续监测方法，其特征在于：步骤8中封槽时，将埋设有变形位移计的弧形槽，使用快硬水泥砂浆进行充实封堵，并将表面的水泥砂浆抹平。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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