專利名稱：一種激光準(zhǔn)直tbm隧道凈空位移監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于應(yīng)用激光進(jìn)行位移測(cè)量的技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種適用于TBM 及盾構(gòu)施工環(huán)境下隧道凈空位移量測(cè)的隧道施工監(jiān)測(cè)方法。
技術(shù)背景TBM (隧道掘進(jìn)機(jī))施工中，由于掘進(jìn)機(jī)及后配套設(shè)備幾乎占據(jù)隧道開(kāi) 挖面后方160 170m范圍的整個(gè)空間，在這一長(zhǎng)度范圍內(nèi)用現(xiàn)有隧道監(jiān)測(cè) 方法進(jìn)行隧道凈空位移量測(cè)很難有效實(shí)施。如果采用常規(guī)有尺量測(cè)(收斂 計(jì)和水準(zhǔn)儀)以及全站儀無(wú)尺量測(cè)等手段，由于掘進(jìn)機(jī)及后配套設(shè)備的阻 擋，在該范圍內(nèi)均難以發(fā)揮作用。因此，國(guó)內(nèi)外資料及工程實(shí)例顯示，目 前在TBM施工條件下進(jìn)行隧道凈空位移監(jiān)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)十分缺乏。為了解決掘 進(jìn)機(jī)及后配套設(shè)備范圍內(nèi)的凈空位移量測(cè)，針對(duì)TBM施工條件下的隧道監(jiān) 測(cè)技術(shù)需要有所突破和創(chuàng)新。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種適用于TBM施工環(huán)境下的隧道凈空位移 監(jiān)測(cè)方法，可測(cè)定掘進(jìn)機(jī)及后配套設(shè)備范圍內(nèi)隧道拱頂豎向位移和兩側(cè)邊 墻水平位移，從而解決常規(guī)有尺量測(cè)以及全站儀無(wú)尺量測(cè)等手段受掘進(jìn)機(jī) 設(shè)備阻擋無(wú)法實(shí)施監(jiān)測(cè)的技術(shù)難題。本發(fā)明利用掘進(jìn)機(jī)與隧道周邊之間的縱向可通視空間、通過(guò)對(duì)拱頂和 兩側(cè)邊墻三點(diǎn)位應(yīng)用激光準(zhǔn)直原理量測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其方法如下1) 在緊貼掘進(jìn)機(jī)刀盤護(hù)盾尾部、分別在拱頂和兩側(cè)邊墻最大跨度處巖 面埋設(shè)測(cè)點(diǎn)并安裝靶器；2) 在耙器后方不小于5倍洞徑的穩(wěn)定地段安裝準(zhǔn)直激光源，它提供基準(zhǔn)光束射向靶器；3) 當(dāng)掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)時(shí)，圍巖變形使靶器隨之位移，通過(guò)手動(dòng)或電動(dòng)滑動(dòng)耙器上的靶標(biāo)，使其對(duì)準(zhǔn)激光束在靶標(biāo)上產(chǎn)生的光斑，然后通過(guò)靶器上的 電子數(shù)字顯示測(cè)量模塊測(cè)量和讀出圍巖的位移量。在本方法中，拱頂和兩側(cè)邊墻最大跨度處一般是隧道斷面產(chǎn)生變形的 最大部位，其位移矢量主要位于豎直(拱頂)和水平方向上(邊墻)，本方 法采用上述三點(diǎn)位量測(cè)可獲取斷面上的最大位移。準(zhǔn)直激光源應(yīng)設(shè)于圍巖 變形已穩(wěn)定的地段，以提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)光束。根據(jù)圍巖變形的空間效應(yīng)，一般圍巖變形主要發(fā)生在距掌子面3倍洞徑內(nèi)，超出此長(zhǎng)度圍巖變形已趨 穩(wěn)定。本方法按不小于5倍洞徑考慮，目的是確保激光源設(shè)于穩(wěn)定地段。 必要時(shí)(如膨脹性圍巖)可采用串聯(lián)接力方式將激光源引至不小于10倍洞 徑甚至更遠(yuǎn)，以確保激光源設(shè)于穩(wěn)定地段，這就保證了實(shí)施本方法的技術(shù) 可靠性。在本方法中，使用的靶器采用快速裝卸的移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，僅在量測(cè)時(shí)安 裝，測(cè)完即取下，使整個(gè)量測(cè)過(guò)程用一只靶器即可完成所有測(cè)點(diǎn)的量測(cè)任 務(wù)，具有不受施工干擾(尤其是掘進(jìn)機(jī)撐靴移位以及噴射混凝土、架設(shè)鋼 架等環(huán)節(jié))和成本低廉的特性。同時(shí)，靶器采用主動(dòng)尋的測(cè)量方式測(cè)定位 移量(重復(fù)性精度<0.5咖)，具有PSD、 CCD等片式陣列元件的激光位移系 統(tǒng)所不具備的大量程位移量測(cè)的特性(〉150mm)，尤適應(yīng)軟弱圍巖的變形 監(jiān)測(cè)要求。所述靶器操作簡(jiǎn)便，整個(gè)量測(cè)過(guò)程只需一人即可完成(而常規(guī) 有尺量測(cè)一般需要兩人才能完成)。靶器上的測(cè)量模塊采用電子數(shù)字顯示方 式，方便讀取數(shù)據(jù)且具有較高的位移分辨率(O.Olmm)。在本方法中，為配合靶器快速裝卸的移動(dòng)特性，測(cè)點(diǎn)件采用磁性結(jié)構(gòu)， 其上嵌入高能磁芯和定位銷，使靶器與測(cè)點(diǎn)件吸附并強(qiáng)制對(duì)中。同時(shí)，所 述測(cè)點(diǎn)件可回收重復(fù)使用。在本方法中，為適應(yīng)滑動(dòng)式靶器主動(dòng)尋的測(cè)量方式，激光源采用高性 能小光斑準(zhǔn)直激光器，具有熱穩(wěn)定性好、射程內(nèi)光束無(wú)抖動(dòng)且發(fā)散小、光斑邊緣清晰的特性，可提高靶器尋的精度。同時(shí)，激光器支架采用萬(wàn)向球鉸結(jié)構(gòu)，可在水平方向360。和豎直方向±30°范圍任意旋轉(zhuǎn)激光器，便于 基準(zhǔn)光束定位時(shí)對(duì)準(zhǔn)靶器。上述激光源和測(cè)點(diǎn)件的安裝極為簡(jiǎn)單，均只需在巖面上鉆一個(gè)安裝孔 即可。綜上所述，針對(duì)TBM施工環(huán)境下的隧道凈空位移監(jiān)測(cè)，本發(fā)明提出的 利用掘進(jìn)機(jī)與隧道周邊之間的縱向可通視空間、在拱頂和兩側(cè)邊墻進(jìn)行三 點(diǎn)量測(cè)的激光準(zhǔn)直TBM隧道凈空位移監(jiān)測(cè)方法，可在掘進(jìn)機(jī)及后配套設(shè)備 范圍內(nèi)獲取斷面上最大凈空位移，從而實(shí)現(xiàn)TBM施工環(huán)境下的凈空位移監(jiān) 須!l。系統(tǒng)采用主動(dòng)尋的測(cè)量方式，不同于PSD、 CCD等片式陣列元件的激 光位移系統(tǒng)，具有大量程特性(〉150ram)，尤適應(yīng)軟弱圍巖的變形監(jiān)測(cè)， 且量測(cè)精度滿足使用要求(重復(fù)性〈0.5mm，分辨率0.01mm)。同時(shí)，系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝簡(jiǎn)便，量測(cè)易行(只需一人即可完成)，成本低廉，便于 推廣。該方法已在Robbins和Wirth兩種掘進(jìn)機(jī)型的施工環(huán)境中得到驗(yàn)證， 其技術(shù)可靠、適用性強(qiáng)。


圖l是本發(fā)明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置圖，左圖為縱向視圖，右圖為橫斷面； 圖2是本發(fā)明技術(shù)方案工作原理圖，左圖為縱斷面圖，右圖為橫斷面； 圖3是本發(fā)明靶器及測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖； 圖4是本發(fā)明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中準(zhǔn)直激光源結(jié)構(gòu)圖。圖中標(biāo)記l為靶器，2為準(zhǔn)直激光源，3為靶標(biāo)，4為預(yù)埋件埋設(shè)桿， 5為頂緊螺母，6為磁性測(cè)點(diǎn)件，7為定位銷，8為高能磁芯，9為高能磁芯， 10為滑尺，11為高性能小光斑準(zhǔn)直激光器，12為萬(wàn)向球鉸，13為激光器 支架，14為鎖緊旋鈕，"。為盾尾測(cè)試前已發(fā)生位移，仏為測(cè)出位移，"lBax 為最大測(cè)出位移，"，為全位移最大值。A為拱頂，B為邊墻最大跨度處，C為刀盤護(hù)盾，D為洞徑。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，緊貼掘進(jìn)機(jī)刀盤盾尾C、分別在拱頂^和兩側(cè)邊墻最大 跨度處萬(wàn)巖面安裝靶器1,在其后方不小于5倍洞徑D距離￡的相同點(diǎn)位 安裝準(zhǔn)直激光源2，后者發(fā)出基準(zhǔn)光束通過(guò)掘進(jìn)機(jī)與隧道周邊之間縱向通視 空間射向靶器l。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)時(shí)，圍巖變形使靶器1隨之位移，通過(guò)滑動(dòng) (手動(dòng)或電動(dòng))靶器1上的靶標(biāo)3對(duì)準(zhǔn)光斑(刻線對(duì)準(zhǔn)或線陣元件控制)， 由測(cè)量模塊9測(cè)量和讀出位移量。測(cè)量的重復(fù)性精度<0. 5mm (40m基線場(chǎng) 檢定)，位移分辨率0.01mm，位移量程>150咖。實(shí)施中要求準(zhǔn)直激光源2設(shè)于圍巖變形已穩(wěn)定地段，以提供穩(wěn)定的基 準(zhǔn)光束。根據(jù)圍巖變形的空間效應(yīng)， 一般圍巖變形主要發(fā)生在距掌子面3 倍洞徑Z)內(nèi)，超出此長(zhǎng)度圍巖變形已趨穩(wěn)定(如圖2所示，i4ax="。+Wlmax。 當(dāng)測(cè)點(diǎn)緊貼盾尾埋設(shè)時(shí)，恥很小可忽略，所測(cè)仏即為圍巖變形中主要位移 量，m,&仏，)。實(shí)施按L《5D考慮，目的是確保激光源2設(shè)于穩(wěn)定地段， 必要時(shí)(如膨脹性圍巖)可采用串聯(lián)接力方式將激光源2引至丄《10D甚至 更遠(yuǎn)處以確保激光源設(shè)于穩(wěn)定地段。同時(shí)，拱頂和兩側(cè)邊墻最大跨度處一 般是隧道斷面產(chǎn)生變形的最大部位，其位移矢量主要位于豎直(拱頂)和 水平方向上(邊墻)，實(shí)施中采用上述三點(diǎn)位量測(cè)可獲取斷面上最大位移。 上述方法已在Robbins和Wirth兩種掘進(jìn)機(jī)型施工環(huán)境中得到驗(yàn)證。所述靶器1采用快速裝卸的移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，僅在量測(cè)時(shí)通過(guò)磁性和定位 銷強(qiáng)制對(duì)中安裝在測(cè)點(diǎn)件6上，測(cè)完即取下，可避免掘進(jìn)機(jī)撐靴移位以及 噴混凝土、架設(shè)鋼架等施工環(huán)節(jié)的干擾。整個(gè)量測(cè)過(guò)程僅使用一只耙器即 可完成所有測(cè)點(diǎn)的量測(cè)任務(wù)。同時(shí)，靶器1采用主動(dòng)尋的測(cè)量方式，具有 PSD、 CCD等片式陣列元件的激光位移系統(tǒng)不具備的大量程位移量測(cè)特性， 尤適應(yīng)軟弱圍巖的變形監(jiān)測(cè)。測(cè)點(diǎn)件6采用磁性結(jié)構(gòu)，其上嵌入高能磁芯8和定位銷7，用于吸附靶器1并使之強(qiáng)制對(duì)中。測(cè)點(diǎn)件6通過(guò)螺紋與預(yù)埋件 埋設(shè)桿4連接并用頂緊螺母5緊固。所述準(zhǔn)直激光源2采用高性能小光斑準(zhǔn)直激光器11，基準(zhǔn)光束的有效 射程40 60m (適用洞徑8 10m的隧道凈空位移監(jiān)測(cè))，有效射程內(nèi)光斑直 徑5 10mm、邊緣清晰、無(wú)抖動(dòng)。激光器支架13采用萬(wàn)向球鉸12，可在水 平方向360°和豎直方向±30°范圍任意旋轉(zhuǎn)激光器，便于基準(zhǔn)光束定位時(shí) 對(duì)準(zhǔn)靶器1，基準(zhǔn)光束定位后即用鎖緊旋鈕14固定萬(wàn)向球鉸12。測(cè)點(diǎn)件6和激光器支架13的預(yù)埋件均采用相同的埋設(shè)桿4,其埋設(shè)只 需在巖面上鉆一個(gè)016安裝孔即可。上述系統(tǒng)的安裝、量測(cè)以及預(yù)埋件的埋設(shè)，均利用掘進(jìn)機(jī)及后配套設(shè) 備提供的平臺(tái)進(jìn)行，其中電動(dòng)和線陣元件控制的靶器具有遙測(cè)特性，其量 測(cè)無(wú)需利用上述平臺(tái)。
權(quán)利要求
1、一種激光準(zhǔn)直TBM隧道凈空位移監(jiān)測(cè)方法，利用掘進(jìn)機(jī)與隧道周邊之間的縱向通視空間、通過(guò)對(duì)拱頂和兩側(cè)邊墻三點(diǎn)位應(yīng)用激光準(zhǔn)直原理量測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其特征如下1)緊貼掘進(jìn)機(jī)刀盤護(hù)盾(C)尾部、分別在拱頂(A)和兩側(cè)邊墻最大跨度處(B)巖面埋設(shè)測(cè)點(diǎn)件(6)并安裝靶器(1)；2)在靶器(1)后方不小于5倍洞徑(D)的穩(wěn)定地段的相同點(diǎn)位安裝準(zhǔn)直激光源(2)，后者發(fā)出基準(zhǔn)光束通過(guò)掘進(jìn)機(jī)與隧道周邊之間縱向通視空間射向靶器(1)；3)當(dāng)掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)時(shí)，圍巖變形使靶器(1)隨之位移，通過(guò)手動(dòng)或電動(dòng)滑動(dòng)靶器(1)上的靶標(biāo)(3)，使其對(duì)準(zhǔn)激光束在靶標(biāo)上產(chǎn)生的光斑，然后通過(guò)靶器(1)上的電子數(shù)字顯示測(cè)量模塊(9)測(cè)量和讀出圍巖的位移量。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種激光準(zhǔn)直TBM隧道凈空位移監(jiān)測(cè)方法，其 特征在于量測(cè)中所用的靶器(1)采用快速裝卸的移動(dòng)式結(jié)構(gòu)和主動(dòng)尋的 測(cè)量方式；所用測(cè)點(diǎn)件(6)采用磁性結(jié)構(gòu)，其上嵌入高能磁芯(8)和定 位銷(7);所用準(zhǔn)直激光源(2)采用高性能小光斑準(zhǔn)直激光器(11)，后 者通過(guò)萬(wàn)向球鉸(12)和鎖緊旋鈕(14)鎖定在激光器支架(13)上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種激光準(zhǔn)直TBM隧道凈空位移監(jiān)測(cè)方法，其 特征在于所述測(cè)點(diǎn)件(6)和激光器支架(13)的預(yù)埋件，均采用相同的 埋設(shè)桿(4)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種激光準(zhǔn)直TBM隧道凈空位移監(jiān)測(cè)方法，利用掘進(jìn)機(jī)與隧道周邊之間縱向通視空間、通過(guò)對(duì)拱頂和兩側(cè)邊墻三點(diǎn)位應(yīng)用激光準(zhǔn)直原理來(lái)實(shí)現(xiàn)。其特征是緊貼掘進(jìn)機(jī)刀盤盾尾、分別在上述三點(diǎn)位安裝靶器，在其后方距離L≮5D(洞徑)相同點(diǎn)位安裝準(zhǔn)直激光源，后者發(fā)出基準(zhǔn)光束射向靶器，靶器主動(dòng)尋的測(cè)出位移。該方法可在掘進(jìn)機(jī)及后配套設(shè)備范圍內(nèi)獲取斷面上最大凈空位移，從而實(shí)現(xiàn)TBM施工環(huán)境下的凈空位移監(jiān)測(cè)。具有大量程特性，尤適應(yīng)軟弱圍巖的變形監(jiān)測(cè)。該方法在Robbins和Wirth兩種掘進(jìn)機(jī)型施工環(huán)境實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證，技術(shù)可靠、適用性強(qiáng)。
文檔編號(hào)G01B11/02GK101251371SQ200810044599
公開(kāi)日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2008年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月14日
發(fā)明者任和東, 冶 宋, 剛 王 申請(qǐng)人:中鐵西南科學(xué)研究院有限公司