CN207019680U - 一种用于监测裂缝三向变形的组件及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于监测裂缝三向变形的组件及系统。该监测组件包括第一组件和第二组件，所述第一组件包括第一固定段和固定于第一固定段上的第一观测段，所述第一观测段的下表面上设置有第一反光区域；所述第二组件包括第二固定段和固定于第二固定段上的第二观测段，所述第二观测段的下表面上设置有第二反光区域；所述第一观测段与第一固定段之间的夹角等于第二观测段与第二固定段之间的夹角；监测时，所述第一观测段与第二观测段相互平行设置；所述第一反光区域和第二反光区域的朝向相同。本实用新型的监测组件测量精度高，适用性强，测量精度稳定，结构简单，使用方便，综合成本低廉，一次安装即可实现对裂缝的长期监测。

Description

一种用于监测裂缝三向变形的组件及系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于工程安全监测的组件，具体涉及一种用于监测裂缝三向变形的组件。

背景技术

水电、交通、市政等行业工程建设上，均存在大量地下工程建筑。例如，在洞室开挖过程中拱顶出现裂缝时，由于作业面离拱顶高差较大，人工直接量测是不可能实现的，通常在裂缝处安装单向测缝计并将电缆引至作业面进行定期观测，但这种方式只能观测到裂缝宽度变化（单向变形），且开挖过程，受放炮影响，监测仪器和电缆很难得到保护，至目前没有有效的拱顶裂缝三向变形监测方法。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于，提供一种结构简单、基点设置灵活的用于监测裂缝三向变形的组件，以提高监测组件的测量精度。

本实用新型的技术方案为：一种用于监测裂缝三向变形的组件，包括第一组件和第二组件，所述第一组件包括第一固定段和固定于第一固定段上的第一观测段，所述第一观测段的表面上设置有第一反光区域；所述第二组件包括第二固定段和固定于第二固定段上的第二观测段，所述第二观测段的表面上设置有第二反光区域；所述第一观测段的长度不等于第二观测段的长度；

监测时，所述第一观测段与第二观测段相互平行设置；所述第一反光区域和第二反光区域的朝向相同，且从朝向方向观测，第一反光区域和第二反光区域均位于视野范围内，优选地，尽量保证全站仪视准器照准反光区域时垂直于反光区域或近似垂直反光区域为原则。

其中，第一反光区域和第二反光区域均可直接采用反光片，或者在相应的部位涂覆可以反光的反光涂层。

采用这样的结构设计，第一固定段、第二固定段可直接或间接固定于裂缝某一侧，感受裂缝某一侧的变形情况，第一观测段、第二观测段随之变形，反映出裂缝的变形情况；使用时，可以将第一组件固定于裂缝的一侧，将第二组件固定于裂缝的另一侧，同时，使得第一观测段与第二观测段处于相互平行状态，这样第一观测段与第二观测段相对位置的变化可以反映出裂缝的变形情况；通过测量第一观测段上某一位点和第二观测段上某一位点在两个时间点上，两个位点的水平距离、高度差和水平错位差值的变化情况，相应地，根据第一组件、第二组件与裂缝的位置关系，可以得到裂缝的张裂变形、水平错位变形和上下错位变形。其中，张裂变形为裂缝两侧在水平方向上垂直裂缝走向的变形差；水平错位变形为裂缝两侧在水平方向上沿着裂缝走向的变形差；上下错位变形为裂缝两侧在竖直方向上的变形差。

优选地，第一组件和第二组件均由刚性材料制成，采用刚性材料，可以减小组件自身形变所导致的测量误差，进一步提高监测精确度。

进一步地，所述第一观测段的一端固定于第一固定段的一端；所述第二观测段的一端固定于第二固定段的一端。

进一步优选地，所述第一组件和第二组件均由不锈钢制成。

进一步地，还包括用于传递裂纹一侧的变形的第三组件。

优选地，所述第三组件为Z型组件，所述Z型组件包括相互平行的第三固定段和传递段以及连接第三固定段和传递段的弯折段。

监测时，所述第一组件或第二组件固定于传递段上，第一组件或第二组件与传递段在水平方向的投影相互垂直。

通过“Z”字型的第三组件的设置，通过将第三组件的第三固定段固定于裂缝的某一侧，并使得其传递段伸向另一侧，这样可以将第一组件和第二组件平行于裂缝方向安装在裂缝的同一侧，方便全站仪的摆放，以采集数据。

第三固定段将裂缝某一侧的变形传递到传递段上，这样将第一组件和第二组件在裂缝的一侧即可实现对裂缝三向变形的监测，可以方便某些裂缝的监测，例如，对一些拱形结构的纵向裂缝，由于监测时还需借助全站仪等设备，通过第三组件的辅助作用，第一组件、第二组件安装于裂缝的同一侧，且安装方向与裂缝平行，监测时，只需调整全站仪在裂缝方向的位置即可，而无需受拱形结构横向调整范围的限制，容易获得准确度高的监测结果，从而解决地下工程拱形结构纵向裂缝三向变形监测的问题。

优选地，所述第一固定段和/或第二固定段上至少设有两个圆孔，提高固定时的稳定性，从而进一步提高监测精准度。

进一步地，所述第三固定段上至少设有两个圆孔，方便将第三组件通过膨胀螺钉等固定件稳定地固定在裂缝某一侧，使得第三组件位置的变化尽可能准确地反映出裂缝的变化。

作为本实用新型的另一种改进，所述第三组件为L型组件，所述L型组件包括固定段和垂直固定于固定段上的下平段。

监测时，所述第一组件或第二组件固定于下平段上，第一组件或第二组件与下平段在水平方向的投影相互垂直。

采用这样的结构设计，L型组件的固定段可采用类似钢钉的结构，监测时，直接将固定段钉入裂缝外部的一侧，即可，方便易用。

本实用新型还提供了一种用于监测裂缝三向变形的系统，包括全站仪和上述的用于监测裂缝三向变形的组件，全站仪用于采集某一时间点相关组件间的位置、距离相关数据。

利用上述的系统监测洞室顶部裂缝三向变形的方法，包括如下步骤：

（1）根据现场情况采用以下两种方法之一安装用于监测裂缝三向变形的系统：

方法1：将所述第一组件垂直于裂缝方向固定于裂缝外侧；相对地，将第二组件垂直于裂缝方向固定于裂缝的另一侧；

使得，所述第一观测段与第二观测段相互平行，高低相互错开；所述第一反光区域和第二反光区域的朝向相同，且从朝向方向观测，第一反光区域和第二反光区域位于均位于视野范围内，优选地，尽量保证全站仪视准器照准反光区域时垂直于反光区域或近似垂直反光区域为原则；

方法2：将所述第三组件垂直于裂缝方向固定在裂缝外侧，传递段或下平段伸向裂缝另一侧；将第一固定段和第二固定段中的一者平行于裂缝方向固定在传递段上，将第一固定段和第二固定段中的另一者平行于裂缝方向固定在同一侧；

使得，第一组件和第二组件位于裂缝的同一侧；所述第一观测段与第二观测段相互平行，高低相互错开；所述第一反光区域和第二反光区域的朝向相同，且从朝向方向观测，第一反光区域和第二反光区域位于均位于视野范围内，优选地，尽量保证全站仪视准器照准反光区域时垂直于反光区域或近似垂直反光区域为原则。

（2）架设全站仪并调整全站仪的安置位置，使得全站仪的照准器照准第一反光区域或第二反光区域时垂直于第一反光区域或第二反光区域；

（3）首次测量：用照准器照准第一反光区域的中心A点，读取水平角β_A0、竖直角α_A0和斜距D_A0；将照准器照准第二反光区域的中心B点，读取水平角β_B0、竖直角α_B0和斜距D_B0；根据几何关系，计算，获得首次测量的A、B两点X向水平距离差值X₀、Y向水平距离差值Y₀和Z向高度差Z₀；

其中，X向为与洞室走向平行的方向，Y向为在水平面上与洞室走向垂直的方向，Z向为高程方向；

（4）周期测量：采用步骤（3）中首次测量的方法和计算方法，获得第i周期测量的A、B两点的水平距离Xi、高度差Zi和水平错位差值Yi，其中i为正整数；

（5）分别计算获得第i次周期测量时，X方向、Y方向、Z方向变形值：

第i次周期测量X方向变形值ΔX_i=X_i–X₀=(D_Ai–D_Bi)/cosα_Ai–(D_A0–D_B0)/cosα_A0；

第i次周期测量Y方向变形值ΔY_i=Y_i–Y₀=(β_Bi–β_Ai)/206265*D_Bi/sinβ_Ai–(β_B0–β_A0)/206265*D_B0/sinβ_A0；

第i次周期测量Z方向变形值ΔZ_i=Z_i–Z₀=(α_Bi–α_Ai)/206265*D_Bi–(α_B0–α_A0)/206265*D_B0；

当采用方法1安装的组件进行测量时，ΔX_i代表裂缝张裂变形，ΔY_i代表裂缝水平错位变形，ΔZ_i代表上下错位变形；

当采用方法2安装的组件进行测量时，ΔX_i代表裂缝水平错位变形，ΔY_i代表裂缝张裂变形，ΔZ_i代表上下错位变形。

其中，采用方法1安装组件时，全站仪安置点的调整主要沿垂直裂缝的方向进行，适用于裂缝的垂直方向上空间较为宽广的情况；采用方法2安装组件时，全站仪安置点的调整主要沿平行于裂缝的方向进行，适用于平行于裂缝方向上空间较为宽广的情况。

进一步，如果每次测量基点是相同（即全站仪的固定基点），上式可进一步优化为：

ΔX_i=[(D_Ai–D_Bi)–(D_A0 –D_B0)]/cosα_A0；

ΔY_i=[(β_Bi–β_Ai)–(β_B0–β_A0)]/206265*D_A0/sinβ_A0；

ΔZ_i=[(α_Bi–α_Ai)–(α_B0–α_A0)]/206265*D_A0。

进一步地，A、B两点的水平距离X_i、高度差Z_i和水平错位差值Y_i分别采用如下公式计算获得：

X_i=E+(D_Ai-D_Bi)/cosα_Ai；

Y_i=(β_Bi-β_Ai)/206265*D_Bi/sinβ_A0；

Z_i=(α_B0-α_A0)/206265*D_Bi；

其中，i为自然数，E为固定值。

由于测量目标基本一致、各种影响精度因素相同，因此有较高的测量精度，测量基点也可不固定，开挖作业面掘进对测量工作无影响，由于组件结构简单，造价低廉，即使组件被破坏也可快速重新安装（或一次性安装多组）也不造成过多损失，不失为一种地下工程拱顶裂缝三向变形监测有效的监测手段。

与现有技术相比，本实用新型的具有如下有益效果：

（1）测量不受基点位置限制，测量精度高，通过将监测组件安装于裂缝周围的合适位置处，利用监测组件之间位置的相对变化真实反映出裂缝的三向变形情况，全站仪测量目标基本一致，各种影响精度因素相同，且影响因素较少，容易得到高的测量精度；

（2）适用性强，抗干扰能力强，测量精度稳定，组件精巧，占用空间小，不影响其他施工，也不容易受到其他施工的不利影响；

（3）本实用新型的组件结构简单，使用方便，综合成本低廉，一次安装即可实现对裂缝的长期监测。

附图说明

图1是本实用新型的用于监测裂缝三向变形的组件的机构示意图：（a）第一组件，（b）第二组件，（c）第三组件；（d）第一反光区域和第二反光区域；

图2是拱形结构顶部两种裂缝的结构示意图：（a）横向裂缝，（b）纵向裂缝；

图3是本实用新型中按方法1安装的监测组件的结构示意图：（a）左视图，（b）正视图，（c）俯视图；

图4是本实用新型中按方法2安装的监测组件的结构示意图：（a）左视图，（b）正视图，（c）俯视图；

图5是本实用新型中采用图3中监测组件的裂缝测量原理示意图；

图6是本实用新型中采用图4中监测组件的裂缝测量原理示意图；

图7是本实用新型的三向变形监测组件与差阻式裂缝计的开合度测量值对比过程线。

其中，1—第一组件；2—第一反光区域；3—第二组件；4—第二反光区域；5—膨胀螺栓；6—横向裂缝；7—第三组件；8—全站仪；9—全站仪照准器；α_A—A点竖直角；α_B—B点竖直角；D_A—A点斜距；D_B—B点斜距；X—A、B点X向距离；Y—A、B点Y向距离；Z—A、B点Z向距离。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

图1是本实用新型第一种实施方式的用于监测裂缝三向变形的组件的机构示意图，具体地，该用于监测裂缝三向变形的组件，包括第一组件1和第二组件3，所述第一组件1包括第一固定段101和固定于第一固定段101上的第一观测段102，所述第一观测段102的下表面上设置有第一反光区域2；所述第二组件3包括第二固定段301和固定于第二固定段301上的第二观测段302，所述第二观测段302的下表面上设置有第二反光区域4；所述第一观测段102与第一固定段101之间的夹角等于第二观测段302与第二固定段301之间的夹角；所述第一观测段102的长度大于第二观测段302的长度（见图1）；

监测时，所述第一观测段102与第二观测段302相互平行设置，高低相互错开；所述第一反光区域2和第二反光区域4的朝向相同，且从朝向方向观测，第二反光区域4位于第一反光区域2的前侧（见图3和图4）。

第一反光区域2和第二反光区域4均由反光区域构成，将反光区域贴在相应位置处即可。

第一组件1和第二组件3均由刚性材料制成；第一固定段101和第二固定段301上至少设有两个圆孔。

本实施方式中，第一组件1为不锈钢板钢，加工长度为500mm，宽为60mm，厚度为5.0mm，距离左端100mm处转折，转折夹角45度，第一固定段101轴线中心离两端点30mm处加工两个Ф10圆孔；第一反光区域由标准60mm×60mm反光区域构成，粘贴（自带不干胶）在第一观测段102底端作为测量标志A；第二组件3也为不锈钢板钢，加工长度为300mm，宽为60mm，厚度为5.0mm，在距离右端100mm处转折，转折夹角135度，水平段轴线中心离两端点30mm处加工两个Ф10圆孔；第二反光区域由标准60mm×60mm反光区域构成，粘贴（自带不干胶）在第二观测段302底端作为测量标志B，安装用膨胀螺栓5为标准Ф8自膨胀螺栓，每套三向变形监测组件配备4个膨胀螺栓。

图3中第二组件2安装在横向裂缝前侧，第一组件1安装在横向裂缝后侧，第一组件和第二组件尽量在轴线方向保持一致，间隔宽度尽量与裂缝原始宽度一致。

图4是本实用新型第二种实施方式的监测组件的安装示意图。该实施方式与第一种实施方式的区别主要在于多加了一个第三组件7，第三组件7为不锈钢板，加工长度为350mm，宽60mm，厚5.0mm，距离钢板右端100mm处转折，转折夹角90度，距离转折点50mm处反向转折90度，呈Z字型结构；上部水平段701轴线中心离两端点30mm处加工有两个Ф10圆孔；安装用膨胀螺栓5为标准Ф8自膨胀螺栓，每套三向变形监测组件配备4个膨胀螺栓。

第三组件7的设置可以方便对拱形结构顶部纵向裂缝的监测，监测时，第一组件1通过膨胀螺栓5固定在纵向裂缝的左侧，第二固定段301焊接在第三组件7的传递段703上，第二组件3和第三组件7在水平面的投影相互垂直，将焊接了第二组件3的第三组件7通过膨胀螺栓5固定在纵向裂缝的右侧，第三组件7垂直于纵向裂缝，第二组件3平行于纵向裂缝，安装后尽量保证第一组件1和第二组件的观测段尽量在轴线方向保持一致。

至此，地下工程拱顶裂缝三向变形监测组件加工安装完成。

下面结合对某地下试验厂房洞室拱顶裂缝的监测来对本实用新型进行进一步说明。

某地下试验厂房，主厂房洞室尺寸为388.5m×28.5m(31.3m)×74.5m(长×宽×高)，分9层开挖，当开挖至第4层时，发现拱顶出现裂缝，即按上述方案加工了3组地下工程拱顶裂缝三向变形监测组件并安装，其中2组为横向裂缝、1组为顺向裂缝，在安装间平台设置固定测点对三向变形监测组件的2 个反光区域进行距离、水平角和竖直角进行观测，采用TCA2003全站仪4测回测量，进行了12期测量，与此同时在裂缝张裂方向安装差阻式裂缝计，将电缆索引至作业面采用读数仪观测，测量成果表明，地下工程拱顶裂缝三向变形监测组件和测量方法能真实反映裂缝三向变形，采用两种手段测得的顺向裂缝开度方向测值对比过程线见图7，与差阻式裂缝计成果比较，裂缝开度方向变形成果差值在±0.5mm之内，说明地下工程拱顶裂缝三向变形监测测量方法测量精度高，满足规范要求，与传统测缝计相比，具有如下优势：一是一次性测量裂缝三个方向变形；二是非接触式，一次安装之后，可在整个施工阶段使用；三是避免传统测缝计电缆施工阶段很难保护的缺点，即使被破坏，由于成本低廉，再次安装或一次安装多套组件，可保证监测成果的系统性和完整性。

经实际工作验证，本实用新型组件结构简单、成本低廉、钢质结构能有效防止施工破坏，测量方法不受基点位置限制、测量精度高、综合成本低、效果好。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本实用新型，而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种用于监测裂缝三向变形的组件，其特征在于，包括第一组件（1）和第二组件（3），所述第一组件（1）包括第一固定段（101）和固定于第一固定段（101）上的第一观测段（102），所述第一观测段（102）的表面上设置有第一反光区域（2）；所述第二组件（3）包括第二固定段（301）和固定于第二固定段（301）上的第二观测段（302），所述第二观测段（302）的表面上设置有第二反光区域（4）；所述第一观测段（102）的长度不等于第二观测段（302）的长度；

监测时，所述第一观测段（102）与第二观测段（302）相互平行设置；所述第一反光区域（2）和第二反光区域（4）的朝向相同，且从朝向方向观测，第一反光区域（2）和第二反光区域（4）均位于视野范围内。

2.根据权利要求1所述的用于监测裂缝三向变形的组件，其特征在于，所述第一观测段（102）的一端固定于第一固定段（101）的一端；所述第二观测段（302）的一端固定于第二固定段（301）的一端。

3.根据权利要求1所述的用于监测裂缝三向变形的组件，其特征在于，所述第一组件（1）和第二组件（3）均由不锈钢制成。

4.根据权利要求1所述的用于监测裂缝三向变形的组件，其特征在于，还包括用于传递裂纹一侧的变形的第三组件。

5.根据权利要求4所述的用于监测裂缝三向变形的组件，其特征在于，所述第三组件为Z型组件（7），所述Z型组件（7）包括相互平行的第三固定段（701）和传递段（703）以及连接第三固定段（701）和传递段（703）的弯折段（702）。

6.根据权利要求5所述的用于监测裂缝三向变形的组件，其特征在于，监测时，所述第一组件（1）或第二组件（3）固定于传递段（703）上，第一组件（1）或第二组件（3）与传递段（703）在水平方向的投影相互垂直。

7.根据权利要求5或6所述的用于监测裂缝三向变形的组件，其特征在于，所述第三固定段（701）上至少设有两个圆孔。

8.根据权利要求4所述的用于监测裂缝三向变形的组件，其特征在于，所述第三组件为L型组件，所述L型组件包括固定段和垂直固定于固定段上的下平段。

9.根据权利要求8所述的用于监测裂缝三向变形的组件，其特征在于，监测时，所述第一组件（1）或第二组件（3）固定于下平段上，第一组件（1）或第二组件（3）与下平段在水平方向的投影相互垂直。

10.一种用于监测裂缝三向变形的系统，其特征在于，包括全站仪（8）和权利要求1~9任一项所述的用于监测裂缝三向变形的组件。