專利名稱：等效法收斂計(jì)變形監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工程測量領(lǐng)域中使用收斂計(jì)的變形監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
使用收斂計(jì)的變形監(jiān)測，目前采取的主要方法是直接量距法，即觀測者手持收斂 計(jì)，先將收斂計(jì)鋼尺掛鉤掛到一個監(jiān)測點(diǎn)上，再將收斂計(jì)的掛鉤掛到另一個監(jiān)測點(diǎn)上或基 準(zhǔn)點(diǎn)上，觀測兩點(diǎn)之間的相對位移或相對水平位移或垂直位移，其工作實(shí)質(zhì)是用收斂計(jì)獲 得精密量距，并進(jìn)行前后次量距比較。目前大多使用的是電子收斂計(jì)，當(dāng)搖動手柄緊張收斂計(jì)鋼尺到額定拉力時會有提 示，測量數(shù)據(jù)的讀取是電子可視化的。這種收斂計(jì)精度很高，以基康GK-1610型鋼尺收斂計(jì) 為例，其一次觀測精度可以達(dá)到0. 3mm,是迄今為止最精確的簡單測距設(shè)備之一。但是，這種 設(shè)備的使用受到以下實(shí)際限制(1)高空作業(yè)存在的高危險問題對于處于高空的監(jiān)測點(diǎn)，采用直接量距法需要將收斂計(jì)鋼尺端的掛鉤掛到高空處 的一個監(jiān)測點(diǎn)上，再將收斂計(jì)掛到另一個高空處的監(jiān)測點(diǎn)上，然后監(jiān)測這兩點(diǎn)之間的相對 位移量。或者，將收斂計(jì)鋼尺端的掛鉤掛到高空處的一個監(jiān)測點(diǎn)上，將收斂計(jì)掛到地面上的 一個固定點(diǎn)上，該固定點(diǎn)是被監(jiān)測點(diǎn)的垂直投影點(diǎn)，然后量取監(jiān)測點(diǎn)的垂直位移。不論將收 斂計(jì)鋼尺掛鉤或收斂計(jì)掛鉤掛到高空監(jiān)測點(diǎn)上，都需要人到達(dá)高空監(jiān)測點(diǎn)處用雙手進(jìn)行操 作，由于監(jiān)測工作是一項(xiàng)長期性的反復(fù)性工作，因此，經(jīng)常進(jìn)行高空作業(yè)充滿了危險。并且 如果出動大量人力或使用大量財力進(jìn)行各種防護(hù)措施勉強(qiáng)開展高空監(jiān)測工作而由此帶來 的高代價也是一般工程經(jīng)費(fèi)所難以承受的，所以不能充分發(fā)揮這一廉價高效的高精度量距 設(shè)備的作用。例如，對于大型隧道的高空變形監(jiān)測作業(yè)，由于在高空作業(yè)條件下要監(jiān)測兩個拱 腳點(diǎn)之間的相對水平位移或洞頂點(diǎn)的垂直位移，就存在人身安全和收斂計(jì)安全兩種弊端。(2)只能監(jiān)測兩個點(diǎn)之間的相對水平位移問題直接量距法只能監(jiān)測兩個點(diǎn)之間的相對水平位移，無法知道兩點(diǎn)各自的實(shí)際水平 位移變化情況。對于隧道的圍巖收斂變形監(jiān)測來說，只能依據(jù)隨機(jī)介質(zhì)理論，假設(shè)隧道斷面 的收斂變形是均勻發(fā)生的條件下開展監(jiān)測工作，如假設(shè)兩洞壁等高對稱兩點(diǎn)的水平位移量 是相等的。(3)垂直位移監(jiān)測問題直接量距法監(jiān)測一個點(diǎn)的垂直位移時需要在監(jiān)測點(diǎn)垂直投影到地面上的地方建 立一個固定標(biāo)志點(diǎn)，如建立埋石點(diǎn)，由于固定標(biāo)志點(diǎn)的位置選擇唯一，所以往往易受諸多施 工因素影響和破壞而無法進(jìn)行周期性的垂直位移監(jiān)測工作。

發(fā)明內(nèi)容
〈要解決的技術(shù)問題〉
用等效法代替用收斂計(jì)直接量距法所進(jìn)行的高空變形監(jiān)測作業(yè)帶來的高危險和 高代價問題，實(shí)現(xiàn)變高空高危險作業(yè)為無危險的地面安全作業(yè)，降低工程造價，節(jié)省人力、 物力和財力。并以點(diǎn)為監(jiān)測對象，實(shí)現(xiàn)斷面上的單點(diǎn)水平位移監(jiān)測和垂直位移監(jiān)測，還可以 監(jiān)測帶有傾斜角θ的任意點(diǎn)在其斷面上的三維位移，還具有在地面或近地面附近靈活選 擇掛收斂計(jì)用的基點(diǎn)，以避開各種施工因素干擾，使長期使用的基點(diǎn)在監(jiān)測期間免遭破壞， 尤其適合于大型隧道的地質(zhì)圍巖收斂變形監(jiān)測工作，也適應(yīng)于非高空條件下的變形監(jiān)測工 作。〈技術(shù)方案〉幾個主要名詞概念解釋①監(jiān)測和觀測的區(qū)別監(jiān)測指的是對變形點(diǎn)的變化的監(jiān)視，觀測指的是對具體角度、距離等數(shù)據(jù)的測量， 通過這些測量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對變形點(diǎn)的監(jiān)測。對于一個被監(jiān)測點(diǎn)來說，一次監(jiān)測可以只觀測一 次，也可以觀測多次，除第一次觀測為必要觀測外，從第二次觀測開始被稱為是對本次監(jiān)測 的復(fù)測。②隧道斷面隧道斷面是垂直于洞軸線的垂直面，它與洞壁有一條交線，其交線就是隧道的開 挖規(guī)格。在這條交線上，地質(zhì)人員根據(jù)需要布設(shè)一定規(guī)格的點(diǎn)，這些點(diǎn)稱為圍巖收斂變形監(jiān) 測點(diǎn)，如圖5就是一個5點(diǎn)法規(guī)格斷面示意圖。測量人員對所布點(diǎn)進(jìn)行斷面的圍巖收斂變 形監(jiān)測，以發(fā)現(xiàn)點(diǎn)的位移情況。③復(fù)位概念復(fù)位操作主要是消除各個掛鉤之間在后次監(jiān)測時與初始量距時的位置狀態(tài)有差 異所產(chǎn)生的誤差，還可以減弱收斂計(jì)讀數(shù)誤差。在一次后次監(jiān)測時，往往需要連續(xù)復(fù)測幾 次，目的就是實(shí)現(xiàn)很好的復(fù)位。復(fù)位很簡單，當(dāng)完成一次觀測后，將收斂計(jì)取下，輕輕擺動收 斂計(jì)鋼尺一端使得特征邊量距系統(tǒng)很好地恢復(fù)到初始量距時的狀態(tài)，然后再將收斂計(jì)掛上 重新來一次復(fù)測。所以用收斂計(jì)進(jìn)行復(fù)測的工作量并不大。④等效三角形由一個監(jiān)測點(diǎn)j和基點(diǎn)i為斜邊構(gòu)成的直角三角形稱為等效三角形，其直角在斜 邊的下方，其斜邊稱為特征邊，另外兩條邊分別稱為垂直直角邊和水平直角邊。等效三角形 由特征邊、垂直直角邊和水平直角邊組成。由等效三角形所決定的面是一個垂直面，該面垂 直于過該面處的隧道中心線(洞軸線)。收斂監(jiān)測時，用收斂計(jì)觀測到的特征邊變化量通過等效三角形關(guān)系換算為監(jiān)測點(diǎn) 的水平位移或垂直位移。典型的等效三角形如圖4所示，在開始變形監(jiān)測工作之前，等效三 角形特征邊的長度及其兩條垂直邊或其中之一必須事先較精確測出初始值。一般情況下初 始值在監(jiān)測期間是不變的，后次監(jiān)測中只觀測特征邊。特征邊的長度應(yīng)該是其兩端掛鉤接 觸點(diǎn)之間的距離。等效法所監(jiān)測的位移指的是被監(jiān)測點(diǎn)在等效三角形垂直面內(nèi)發(fā)生的垂直位移、水 平位移和實(shí)際位移。⑤偶基點(diǎn)概念掛收斂計(jì)的點(diǎn)稱為基點(diǎn)，基點(diǎn)一般選在穩(wěn)定的不受干擾的近地面處或地面上，使得人站在地面上就可以很方便的操作收斂計(jì)進(jìn)行監(jiān)測作業(yè)，但由于有時基點(diǎn)也可能會存在 微小的位移，當(dāng)其位移量達(dá)到不可忽略的程度時，則應(yīng)該對它們進(jìn)行觀測，為了觀測兩個等 高基點(diǎn)之間的相對水平位移而建立的兩個基點(diǎn)稱為偶基點(diǎn)。偶基點(diǎn)之間的相對水平位移是在人工能夠在非高空作業(yè)條件下使用收斂計(jì)直接 量距得到的。建立偶基點(diǎn)概念，是為了當(dāng)基點(diǎn)存在位移時，能夠?qū)τ伤鸬南嚓P(guān)高空點(diǎn)的位 移誤差進(jìn)行改正。對于隧道工程而言，偶基點(diǎn)是位于隧道兩臂上的對稱等高點(diǎn)、其連線垂直 于洞軸線。將觀測得到的偶基點(diǎn)之間的相對水平位移各分一半給兩個基點(diǎn)，其位移方向相 反。為了統(tǒng)一期間，偶基點(diǎn)之間的距離也稱為特征邊。⑥隧道斷面上兩類特定方向上的位移兩類特定方向上的位移，即垂直位移和在一定垂直面內(nèi)的水平位移，這樣的水平 位移一般是指在由基點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)所決定的垂直面上的水平位移。監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)際位移量是以 這兩個位移為直角邊的直角三角形的斜邊長。對于隧道監(jiān)測來說，水平位移是指在一定隧道斷面上兩拱腳或兩洞壁對稱點(diǎn)在水 平方向上的位移，垂直位移是指洞頂點(diǎn)在垂直方向上的下沉。但是，如果要對拱弧上的點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，則應(yīng)該考慮監(jiān)測點(diǎn)不僅具有水平位移，還要 考慮受重力作用垂直向下位移的情況。即，實(shí)際位移是監(jiān)測點(diǎn)沿過該點(diǎn)拱弧切線的垂線方 向上的位移，也可以說是沿切線的法線方向上的位移。這時，如果要求水平位移，則應(yīng)該增 加傾斜角θ改正。θ角是點(diǎn)的法線方向與過該點(diǎn)的水平方向的夾角。θ角的測定易采用 圖解法，有兩種方法一是先在圖紙上設(shè)計(jì)好監(jiān)測點(diǎn)的位置，然后到實(shí)地建立點(diǎn)位；第二種 方法是先在隧道斷面上建立好點(diǎn)位，再將其位置搬到圖上圖解出θ角。將隧道斷面圍巖收斂變形監(jiān)測中朝向隧道中心方向的位移定為正值，所以由于監(jiān) 測點(diǎn)的位移所引起特征邊的變化量Δ1為Δ 1 = I0-I ( Δ 1 彡 0)其中I0為特征邊的初始值；1為該特征邊的后次觀測值。一.點(diǎn)的水平位移監(jiān)測(一)如圖6的幾何關(guān)系可以看出，監(jiān)測點(diǎn)的水平位移用下式計(jì)算χ = Jio-^-Jl2 -h20-d (1)其中χ為水平位移；h0為垂直直角邊；d為基點(diǎn)的水平位移，若偶基點(diǎn)之間存在相對水平位移，則d取其之半，若基點(diǎn)穩(wěn) 定，則d = 0。對式(1)求全微分并轉(zhuǎn)換為中誤差方程得到水平位移中誤差估計(jì)式mx = l[s0Al - 0(χ + d)]2mfg + h20(_x + d)2m2ho + s^l20m2M + s^mj (2)
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其中Δ 1可通過給定的水平位移χ求出⑴= I0- ^h20 + (s0 - d - χ)2 ；S0為水平直角邊；"V為1。的中誤差；叫。為hQ的中誤差；πιΔ1為Δ 1的中誤差，它是影響mx的主項(xiàng)。當(dāng)I0與1精度相同時，則_ = VImi (Hi1 為收斂計(jì)一次觀測中誤差)，若I0的誤差可以忽略不計(jì)時，則πιΔ1 = mi。md為d的中誤差，如果基點(diǎn)穩(wěn)定，則md = 0，否則，設(shè)偶基點(diǎn)之間的相對水平位移為 Δ 1，則d = Δ 1/2，當(dāng)偶基點(diǎn)之間特征邊的初始值和后次觀測值精度相同時，則 =m;/V2； 如果叫。和^ 。對水平位移χ的影響可以達(dá)到忽略不計(jì)的程度，則
權(quán)利要求
等效法收斂計(jì)變形監(jiān)測方法，是一種通過收斂計(jì)量距監(jiān)測點(diǎn)的位移的方法，其特征是監(jiān)測一個點(diǎn)的水平位移或垂直位移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是監(jiān)測點(diǎn)的水平位移用下式計(jì)算x = Jl2o-h20-Jl^-h20-d (1)其中x為水平位移；Itl為特征邊的初始值；1為該特征邊的后次觀測值；％為垂直直角 邊；d為基點(diǎn)的水平位移，若偶基點(diǎn)之間存在相對水平位移，則d取其之半，若基點(diǎn)穩(wěn)定，則d =0 ；對式(1)求全微分并轉(zhuǎn)換為中誤差方程得到水平位移中誤差估計(jì)式=士] /Mi -l0(x + d)]2mfo + h20(x + d)2m2ho + s^l20m2M + S^m2d (2) 5O "V其中Δ 1可通過給定的水平位移χ求出⑴= I0- V^+ (^0-d-χ)2 ；S0為水平直角邊； 叫。為1。的中誤差； 為hQ的中誤差；πιΔ1為Δ 1的中誤差，它是影響mx的主項(xiàng)，當(dāng)1。與1精度相同時，則^i = VImi (Hi1為收 斂計(jì)一次觀測中誤差)，若I0的誤差可以忽略不計(jì)時，則πιΔ1 = Hl1 ；md為d的中誤差，如果基點(diǎn)穩(wěn)定，則md = 0，否則，設(shè)偶基點(diǎn)之間的相對水平位移為Δ 1， 則d = Δ 1/2，當(dāng)偶基點(diǎn)之間特征邊的初始值和后次觀測值精度相同時，則 =m;/々;如果 叫。和"^。對水平位移χ的影響可以達(dá)到忽略不計(jì)的程度，則= 士 ^gm么 +S02JT^ (3)sO N如果基點(diǎn)穩(wěn)定，則mx = λ 3πιδ1(4)其中= lo/so
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是監(jiān)測帶傾斜角θ的點(diǎn)的水平位移用下述 方法有些情況下，點(diǎn)位可能是沿著在其垂直面內(nèi)與水平方向成一定傾斜角 θ θ <90° )的實(shí)際方向位移的，這時為了得到水平位移分量χ，則可以按下述方法 進(jìn)行χ = Vo-^o — V2-^1O - d^h = h0_y、y = xtan θ、h = h0-xtan θ 綜合以上各式得X與θ角的關(guān)系方程為χ = Jlo — ^q — ^l2 — [h0 — xtan θ]2 — d其中:Χ'為實(shí)際位移量；y為垂直位移分量； 解方程得求得X以后，還可以求出實(shí)際位移量X'，即
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征是(一)間接法求垂直位移如果給出一個很小的正數(shù)ε (例如令ε = 0.0001° )，使θ左接近90°，即令θ = (90- ε)°，讓tan θ既存在又能保證計(jì)算精度，這樣(5)式和(6)式可以成為垂直位移χ' 的計(jì)算方法之一，即先用(5)式計(jì)算出X，再用(6)式計(jì)算出χ'；(二)直接法求垂直位移監(jiān)測點(diǎn)的垂直位移計(jì)算公式可用下述方法求得對于式(5)來說，當(dāng)θ =90°時，將達(dá)到一個極限狀態(tài)，此時的實(shí)際位移量χ'將變成垂直位移，這時式中的tan90°將不存在，水平位移χ達(dá)到了極限值0，于是出現(xiàn)不定型式,_ χ _ 0 _ 0 X ~ cos θ ~ cos 90° ~ 0因?yàn)棣?的極限是存在的，所以χ' = Iim -Θ—90° cos θ將式(5)式代人上式化簡整理得x' =h0-JP-^l20-h20-dJ (12)而垂直位移的中誤差用下式估計(jì)mx = ^(S0Al - 10 )2η ο + (s0x' - h0d)2m2ho + S02^mji + s^mj (13)其中δι可以通過給定的垂直位移x'求出..δι = ι0-/(h^tyt^ly 如果叫。和mft。對水平位移χ的影響可以達(dá)到忽略不計(jì)的程度時，則^x = 士去 J^mL + 功 m2d (14)如果基點(diǎn)穩(wěn)定，則mx = AhIiiA1(15)其中Xh= lQ/hQ
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是為了提高監(jiān)測精度，可以進(jìn)行多余復(fù)測，其 復(fù)測次數(shù)ω用下述方法確定假設(shè)一個點(diǎn)的位移量用χ表示，則一般地可以近似表示成 χ = λ Δ 1(16)其中λ為圖形條件系數(shù)，根據(jù)不同的圖形條件則λ =入11或λ3，λ可以將通過收斂 計(jì)觀測到的特征邊的變化量Δ 1近似地變換為實(shí)際水平位移或垂直位移，而復(fù)測次數(shù)在考 慮特征邊初始值誤差時為ω = 2λ2(17)若不考慮特征邊初始值誤差時為ω = λ2(18)
全文摘要
本發(fā)明公開了一種等效法收斂計(jì)變形監(jiān)測方法，用以等效代替用收斂計(jì)直接量距法所進(jìn)行的高空變形監(jiān)測作業(yè)帶來的高危險和高代價問題，實(shí)現(xiàn)變高空高危險作業(yè)為無危險的地面安全作業(yè)，降低工程造價，節(jié)省人力、物力和財力。本發(fā)明以點(diǎn)為監(jiān)測對象，實(shí)現(xiàn)斷面上的單點(diǎn)水平位移和垂直位移監(jiān)測，并且還可以監(jiān)測帶有傾斜角θ的任意點(diǎn)在其斷面上的三維位移，還可以有效地避開施工干擾，尤其適合于大型隧道的地質(zhì)圍巖收斂變形監(jiān)測工作，也適應(yīng)于非高空條件下的變形監(jiān)測工作。本發(fā)明還推薦了一種簡單易行的特征邊組成方法，使得監(jiān)測工作安全方便且投資小，需要增加的主要輔助設(shè)備僅是一些普通細(xì)鋼絲和一根伸縮桿，并且還基本上可以實(shí)現(xiàn)1人獨(dú)立作業(yè)。
文檔編號G01B5/30GK101982723SQ20101053519
公開日2011年3月2日 申請日期2010年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月9日
發(fā)明者楊浩 申請人:楊浩