專利名稱：地裂縫地層隧道不均勻沉降的監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于實時監(jiān)測隧道沉降的裝置，特別涉及一種地裂縫地 層隧道不均勻沉降的監(jiān)測裝置，本發(fā)明還涉及利用該裝置監(jiān)測隧道不均勻沉 降的方法。
背景技術：
隧道等洞室構筑物，經常遇到不均勻沉降的問題。尤其是地質構造作用 下巖土體大面積不均勻沉降引起的地裂縫，因其所處的地質條件特殊、活動 類型多樣、產生的機理復雜、位移較大，造成的地層運動無法避免。隧道與 地裂縫相交的部分會隨地裂縫的活動產生沉降、變形，隧道襯砌結構具有明 顯的相對位移，甚至引起隧道襯砌結構的破壞，嚴重影響隧道的穩(wěn)定性。因 此，對隧道進行實時監(jiān)測，及時獲得地裂縫處隧道發(fā)生不均勻沉降的數據， 并根據所記錄的數據對隧道沉降的發(fā)展趨勢做出預測，然后采取相應的補救 措施，是保證隧道正常運營的有效手段。
目前，國內采用YDD-A型音頻大地電場儀量測方法和淺層高分辨縱波 反射法對隧道的沉降進行監(jiān)測，也有在施工過程中利用激光測量隧道變形的 方法，但上述方法不能進行長期實時監(jiān)測，且運作成本較高、不能定量監(jiān)測 沉降變形。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種地裂縫地層隧道不均勻沉降的監(jiān)測裝置，用于隧道的長期實時監(jiān)測，且運作成本較低。
.本發(fā)明的另一目的是提供一種利用上述裝置對隧道不均勻沉降進行監(jiān) 測的方法，通過該裝置顯示的隧道不同監(jiān)測點因沉降而產生的壓力差，計算 得到隧道的沉降變形量，提供采取措施的依據。
本發(fā)明所采用的技術方案是， 一種地裂縫地層隧道不均勻沉降的監(jiān)測裝
置，包括多個水平設置的剛性管B，相鄰兩剛性管B通過柔性連接管相連接， 形成一長管，該長管的兩端分別固接有一豎直設置的剛性管A，兩剛性管A 的下端分別與長管的兩端固接，兩剛性管A、多個柔性連接管和多個剛性管 B的內部相通，管內加注有水銀，剛性管A與剛性管B的連接處、各剛性 管B與柔性連接管的連接處分別設置有液壓傳感器。
本發(fā)明所采用的另一技術方案是， 一種利用上述監(jiān)測裝置對隧道沉降進 行監(jiān)測的方法，具體按以下步驟進行
步驟l:選取基準點
制備監(jiān)測裝置，該監(jiān)測裝置包括多個水平設置的剛性管B，相鄰兩剛性 管B通過柔性連接管相連接，形成一長管，該長管的兩端分別固接有一豎直 設置的剛性管A，兩剛性管A的下端分別與長管的兩端固接，兩剛性管A、 多個柔性連接管和多個剛性管B的內部相通，管內加注有水銀，剛性管A 與剛性管B的連接處、各剛性管B與柔性連接管的連接處分別設置有液壓 傳感器；
采用兩套上述的監(jiān)測裝置，將該兩套裝置分別固定于需監(jiān)測沉降的隧道 內壁的兩側，其沿隧道的軸向布設，勘察后，選擇隧道兩端地層相對穩(wěn)定的 一端作為基準點，記錄監(jiān)測裝置中各液壓傳感器的初始值壓力值Po;
步驟2:地層發(fā)生沉降后，記錄此時各液壓傳感器顯示的該點的壓力值P1;
步驟3:計算沉降前后測量點與基準點之間的高差
設基準點為C，測量點為D，按下式-△hCD0= (PC0-PD0) /Pg 計算得到沉降前C、 D兩點的高差AhcDo。式中，Pco、 P加分別為步驟1記 錄的C、 D兩點的初始壓力值，P為水銀的密度，g為重力加速度。
再根據下式.-
△hCD1= (PCi—PDi) /Pg 計算得到沉降后C、 D兩點的高差Ahcm。式中，PC1、 Pm分別為步驟2記 錄的沉降后基準點C和測量點D的壓力值，P為水銀的密度，g為重力加速 度；
步驟4:計算測量點的沉降量S
根據步驟3計算得到的沉降前后測量點D相對于基準點C的高差，按 下式計算測量點D的沉降量SD1:
So產AhcDi-AhcDo
式中，AhcDo、 AhCD1分別為步驟2計算得到的隧道沉降前后測量點D 相對于基準點C的高差；
根據上述方法，計算得到隧道沉降前后測量點E相對于基準點C的沉 降量SE1;
然后，根據下式計算兩測量點E、 D之間沉降前后的沉降差AhED:
△hED = SEl-Soi
式中，SE1、 SrM分別為步驟4計算得到的測量點E和D的沉降量； 步驟5:將步驟4計算得到的沉降量，作為隧道變形縫襯砌結構的縱向和橫向沉降的長期監(jiān)測的基礎數據，予以保存，
根據步驟4計算得到的沉降差，及時采取有效的措施，保證隧道的正常
運行。 '
本發(fā)明的有益效果是-
1. 通過連通管內的汞柱高度變化引起的液壓變化，反映隧道的不均勻沉 降，并在隧道襯砌結構變形縫部位采用柔性連接管結構，具有適應隧道大變 形的能力。
2. 對地裂縫地層隧道變形進行實時、長期監(jiān)測，可準確、及時了解地裂 縫地層隧道沉降的發(fā)展過程，為預測其發(fā)展趨勢提供依據。
3. 運營、造價成本較低，便于更換和修復，維護簡便，簡單實用。
圖1是本發(fā)明監(jiān)測裝置的結構示意圖； 圖2是本發(fā)明監(jiān)測裝置安裝于隧道中的布設示意圖； 圖3是隧道大位移錯動變形前后本發(fā)明監(jiān)測裝置的狀態(tài)示意圖；其中， a是變形前的狀態(tài)示意圖，b是變形后的狀態(tài)示意圖。
圖中，l.剛性管A， 2.柔性連接管，3.剛性管B， 4.水銀，5.液壓傳感器。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。 本發(fā)明監(jiān)測裝置的結構，如圖1所示。包括多個水平設置的剛性管B3， 相鄰兩剛性管B3通過柔性連接管2相連接，形成一長管，該長管的兩端分 別固接有一豎直設置的剛性管Al，兩剛性管Al的下端分別與長管的兩端固 接，兩剛性管A1、多個柔性連接管2和多個剛性管的內部相通，管內加注 有水銀4，每一剛性管Al與剛性管B3的連接處、各剛性管B3與柔性連接管2的連接處分別設置有液壓傳感器5。
本發(fā)明監(jiān)測裝置安裝于隧道中的布設圖，如圖2所示。同一隧道中，沿 隧道軸向、在隧道兩旁側壁表面分別對稱設置有該監(jiān)測裝置，監(jiān)測裝置中豎 直設置的兩剛性管Al分別固接于隧道的兩端，剛性管B3水平固接于隧道 側壁表面，柔性連接管2分別位于隧道的各變形縫處，并跨越該變形縫。
地裂縫地層隧道的襯砌隨變形縫處上下盤土體的錯動，產生明顯的相對 位移，本發(fā)明監(jiān)測裝置中采用柔性連接管2連接水平設置的相鄰兩剛性管 B3，并將該多個柔性連接管2相應設置于隧道變形縫處，且跨越相對應的隧 道變形縫，利用其產生的變形來適應隧道變形縫處襯砌的相對變形，保證監(jiān) 測裝置不被破壞。
水銀4的比重較大，其高度產生較小的變化，即可引起液壓的明顯變化， 將水銀4用于本發(fā)明監(jiān)測裝置中，可準確測量隧道不均勻沉降引起的監(jiān)測裝 置中壓力的變化。
隧道兩旁側壁表面對稱布設的兩套監(jiān)測裝置，可以同時監(jiān)測隧道軸向和 橫向的不均勻沉降，保證測試數據準確有效。
本發(fā)明方法采用上述監(jiān)測裝置，對地裂縫地層隧道進行實時、長期的監(jiān) 測。通過液壓傳感器測得監(jiān)測裝置內的水銀在各測試點的壓力的變化，可得 到隧道需測試兩點的壓力差，計算得到測試點與基準點之間的沉降量，進而 計算出任意測試點之間的沉降差。該方法具有按以下步驟進行
步驟l:選取基準點
經勘察，選擇隧道兩端地層相對穩(wěn)定的一端作為基準點，采用隧道不均 勻沉降監(jiān)測裝置，該監(jiān)測裝置中各液壓傳感器處于平衡狀態(tài)，如圖3a所示， 記錄各液壓傳感器的初始壓力值P0;步驟2:地層發(fā)生沉降，帶動該處的隧道產生位移，固接于隧道側壁的 剛性管B3隨之移動，此時，剛性管B3之間產生位置差，使得連接剛性管 B3的柔性連接管2產生變形，管內的水銀4隨之流動，位于剛性管B3與柔 性連接管2連接處的液壓傳感器5的平衡被打破，但兩剛性管Al中水銀4 的液面還是處于同一水平面，如圖3b所示，記錄此時各液壓傳感器5顯示 的該點的壓力值Pn
步驟3:計算需測量的測量點與基準點之間沉降前后的高差
設基準點為C，需測量沉降差的測試點為D，按下式-△hCD()= (Pco—PDo) /Pg 計算發(fā)生沉降前C、 D兩點的高差AhcD。。式中，Pc。、 PD。分別為步驟1記 錄的C、 D兩點的初始壓力值，P為水銀的密度，g為重力加速度；
'再根據下式
△hCD1= (PCi-PDi) /Pg 計算發(fā)生沉降后C、 D兩點的高差Ahcm。式中，PC1、 PiM分別為步驟2記 錄的沉降后基準點C和測量點D的壓力值，P為水銀的密度，g為重力加速 度。
步驟4:計算測量點的沉降量
根據步驟3計算得到的隧道沉降前后測量點D相對于基準點C的高差， 計算測量點D的沉降量SD,，其計算公式如下
So產AhcDi-AhcDo
式中，AhcD。、 AhcD,分別為步驟2計算得到的隧道沉降前后測量點D 相對于基準點C的高差；
同理，計算得到隧道沉降前后另一個測量點E相對于基準點C的沉降然后，計算兩測量點D、 E之間沉降前后的沉降差 將上述計算得到的沉降后D、 E兩測量點相對于基準點C的沉降量SE1 與Sm相減，計算得到沉降后該兩測量點之間的沉降差AhED，即
△hED = SEl-Soi
式中，SE1、 SD,分別為步驟4計算得到的測量點E和D相對于基準點C 的沉降量；
步驟5:根據步驟4計算得到的沉降量，為隧道變形縫襯砌結構的縱向 和橫向沉降的長期監(jiān)測提供基本數據，
根據步驟4計算得到的沉降差，及時采取相應的措施，保證隧道的正常 運行。
本發(fā)明監(jiān)測裝置，用于隧道變形縫襯砌結構縱、橫向不均勻沉降的長期 實時監(jiān)測，通過該監(jiān)測裝置中沿隧道軸向設置的剛性管B隨變形縫沉降產生 的高差引起的水銀柱的壓力差，該壓力差由液壓傳感器測得，然后通過計算 得到沉降量，從而能對隧道變形縫襯砌結構縱、橫向沉降量進行長期實時監(jiān) 測，并為了解地裂縫地層隧道沉降的發(fā)展過程，為預測其發(fā)展趨勢提供依據， 同時，通過計算得到沉降差，從而能及時采取措施，保證隧道的正常運行。 本發(fā)明具有可長期實時監(jiān)測，運作成本較低、定量監(jiān)測沉降變形、簡單方便 的特點。
權利要求
1. 一種地裂縫地層隧道不均勻沉降的監(jiān)測裝置，其特征在于，包括多個水平設置的剛性管B(3)，相鄰兩剛性管B(3)通過柔性連接管(2)相連接，形成一長管，該長管的兩端分別固接有一豎直設置的剛性管A(1)，兩剛性管A(1)的下端分別與長管的兩端固接，兩剛性管A(1)、多個柔性連接管(2)和多個剛性管B(3)的內部相通，管內加注有水銀(4)，剛性管A(1)與剛性管B(3)的連接處、各剛性管B(3)與柔性連接管(2)的連接處分別設置有液壓傳感器(5)。
2. —種利用權利要求1所述的監(jiān)測裝置對隧道沉降進行監(jiān)測的方法，其 特征在于，具體按以下步驟進行步驟h選取基準點制備監(jiān)測裝置，該監(jiān)測裝置包括多個水平設置的剛性管B (3)，相鄰兩 剛性管B (3)通過柔性連接管(2)相連接，形成一長管，該長管的兩端分 別固接有一豎直設置的剛性管A (1)，兩剛性管A (1)的下端分別與長管 的兩端固接，兩剛性管A (1)、多個柔性連接管(2)和多個剛性管B (3) 的內部相通，管內加注有水銀(4)，剛性管A (1)與剛性管B (3)的連接 處、各剛性管B (3)與柔性連接管(2)的連接處分別設置有液壓傳感器(5);采用兩套上述的監(jiān)測裝置，將該兩套裝置分別固定于需監(jiān)測沉降的隧道 內壁的兩側，其沿隧道的軸向布設，勘察后，選擇隧道兩端地層相對穩(wěn)定的 一端作為基準點，記錄監(jiān)測裝置中各液壓傳感器(5)的初始值壓力值Po;步驟2:地層發(fā)生沉降后，記錄此時各液壓傳感器(5)顯示的該點的壓 力值P,;步驟3:計算沉降前后測量點與基準點之間的高差設基準點為C，測量點為D，按下式 △hCD0= (Pco-Pdo) /Pg 計算得到沉降前C、 D兩點的高差AhcDo。式中，PCQ、 Poc分別為步驟1記 錄的C、 D兩點的初始壓力值，P為水銀的密度，g為重力加速度。 再根據下式△hCD1= (PCi-Pm) /Pg 計算得到沉降后C、 D兩點的高差AhcD,。式中，PC1、 Pm分別為步驟2記 錄的沉降后基準點C和測量點D的壓力值，P為水銀的密度，g為重力加速 度；.步驟4:計算測量點的沉降量S根據步驟3計算得到的沉降前后測量點D相對于基準點C的高差，按 下式計算測量點D的沉降量SD1:SD產AhcDi扁AhcDo式中，AhcDQ、 Ahcm分別為步驟2計算得到的隧道沉降前后測量點D 相對于基準點C的高差；'根據上述方法，計算得到隧道沉降前后測量點E相對于基準點C的沉 降量SE1;然后，根據下式計算兩測量點E、 D之間沉降前后的沉降差AhED:△hED^SEl-Soi式中，SE1、 SD,分別為步驟4計算得到的測量點E和D的沉降量； 步驟5:將步驟4計算得到的沉降量，作為隧道變形縫襯砌結構的縱向和橫向沉降的長期監(jiān)測的基礎數據，予以保存，根據步驟4計算得到的沉降差，及時采取有效的措施，保證隧道的正常運行。
全文摘要
本發(fā)明公開的一種地裂縫地層隧道不均勻沉降的監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法，監(jiān)測裝置包括多個水平設置的剛性管B，相鄰兩剛性管B通過柔性連接管相連接，形成長管，該長管的兩端分別與一豎直設置的剛性管A的下端固接，剛性管A、柔性連接管和剛性管B的內部相通，并加注有水銀，各管連接處分別設置有液壓傳感器。將該裝置安裝于隧道內壁的側面，確定基準點，通過沉降前后測量點處液壓傳感器壓力值的變化，計算得到測量點與基準點之間的沉降量和任意測量點之間的沉降差。本發(fā)明裝置可長期對隧道變形縫襯砌結構縱、橫向沉降量進行長期實時監(jiān)測，為了解地裂縫地層隧道沉降的發(fā)展過程，預測其發(fā)展趨勢提供依據，且運行成本低，具有良好的耐久性和準確性。
文檔編號E02D33/00GK101435208SQ20081023177
公開日2009年5月20日 申請日期2008年10月16日 優(yōu)先權日2008年10月16日
發(fā)明者梁永恒, 牛洪濤, 超 王, 鄧國華, 邵生俊, 鄭萬坤 申請人:西安理工大學