專利名稱：隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及巖土力學(xué)監(jiān)測(cè)裝置，尤其涉及一種隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)裝置及其監(jiān)測(cè)方法；具體地說，該裝置是針對(duì)于高速公路、鐵路隧道施工中對(duì)拱頂沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)的裝置，它不僅適用于公路、鐵路隧道施工，而且對(duì)類似尺寸的地下空間開挖工程頂部沉降的監(jiān)測(cè)也同樣適用。
背景技術(shù)：
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，針對(duì)我國(guó)資源部分不均衡，山嶺地區(qū)所占比較大，同時(shí)為緩減日益膨脹的城市交通壓力，隧道建設(shè)日益增多。如何在施工中有效避免事故的發(fā)生，對(duì)隧道實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)控量測(cè)必不可少。因此，在這種形勢(shì)下，為了降低隧道拱頂沉降的監(jiān)測(cè)成本，提高效率，達(dá)到規(guī)范所要求的精度，迫切需要一種實(shí)用的隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)裝置。監(jiān)控量測(cè)是隧道新奧法(新奧法是應(yīng)用巖體力學(xué)理論，以維護(hù)和利用圍巖的自承能力為基點(diǎn)，采用錨桿和噴射混凝土為主要支護(hù)手段，及時(shí)的進(jìn)行支護(hù)，控制圍巖的變形和松弛，使圍巖成為支護(hù)體系的組成部分，并通過對(duì)圍巖和支護(hù)的量測(cè)、監(jiān)控來指導(dǎo)隧道施工和地下工程設(shè)計(jì)施工的方法和原則。)施工三核心之一，能直觀反映隧道圍巖變化特征，為預(yù)留變形量以及支護(hù)參數(shù)調(diào)整提供依據(jù)，為隧道施工安全提供保障。同時(shí)依據(jù)相關(guān)規(guī)范，拱頂沉降監(jiān)測(cè)是隧道施工中的必測(cè)項(xiàng)目，而且為了提高監(jiān)測(cè)精度一般要求通過水準(zhǔn)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此，考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，提供一種能夠根據(jù)不同施工工法，對(duì)初期支護(hù)或者二襯拱頂沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)的裝置意義重大。具體地說，目前對(duì)隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)是這樣的:
如圖1，隧道的作業(yè)空間包括圍巖A、仰拱B和掌子面C。目前高速公路隧道的斷面高度約在8-9m左右，隧道拱頂沉降測(cè)量存在工序復(fù)雜等諸多困難。目前隧道拱頂沉降測(cè)量的安全預(yù)警機(jī)制要求測(cè)量精度達(dá)到mm量級(jí)，但目前工程中常用的拱頂沉降測(cè)量設(shè)備和方法中對(duì)于測(cè)量精度和便攜程度存在一定缺陷。目前隧道拱頂監(jiān)測(cè)采用的主要設(shè)備手段和方法是:
1、全站儀:全站儀測(cè)量拱頂沉降存在誤差偏大的缺陷，誤差量級(jí)在Icm左右。2、水準(zhǔn)儀配合塔尺:塔尺的長(zhǎng)度可以滿足隧道高跨度的要求，但是塔尺存在誤差偏大的缺陷。3、水準(zhǔn)儀配合銦鋼尺:銦鋼尺的精度可以滿足要求，但是銦鋼尺的長(zhǎng)度偏低，不能滿足隧道斷面的大跨度監(jiān)測(cè)要求。目前隧道拱頂沉降的監(jiān)測(cè)需要一種既能滿足高精度的要求，又能適用于隧道的高跨度測(cè)量，而且便于安裝、拆卸和攜帶的拱頂沉降監(jiān)測(cè)裝置。經(jīng)檢索，尚未發(fā)現(xiàn)滿足上述要求的裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，提供了一種實(shí)用的隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)裝置及其監(jiān)測(cè)方法，要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，操作方便，安裝、拆卸和操作方便，便于攜帶，易于推廣應(yīng)用。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
一、隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)裝置(簡(jiǎn)稱裝置)
本裝置包括水準(zhǔn)儀、轉(zhuǎn)站尺墊、拱頂掛鉤、銦鋼尺、改裝銦鋼尺、接力掛桿和接力撐桿； 在隧道圍巖的測(cè)點(diǎn)設(shè)置拱頂掛鉤，拱頂掛鉤、接力掛桿和改裝銦鋼尺上下依次連接； 在隧道隧道內(nèi)地面或者仰拱上設(shè)置轉(zhuǎn)站尺墊，在轉(zhuǎn)站尺墊上設(shè)置銦鋼尺；
在隧道隧道內(nèi)地面或者仰拱上設(shè)置的水準(zhǔn)儀置于銦鋼尺和改裝銦鋼尺之間。二、隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)方法(簡(jiǎn)稱方法)
本方法包括下列步驟:
①制作水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)和安裝拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)掛鉤
水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)要求安裝在洞口外邊或者已經(jīng)穩(wěn)定的仰拱頂部，并且該基準(zhǔn)點(diǎn)不易被施工機(jī)械等破壞，在確定基準(zhǔn)點(diǎn)位置后，通過沖氣鉆在仰拱上打Im左右的深孔，將直徑22mm的鋼筋插入深孔中，用錨固劑加固；` 拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取在需要監(jiān)測(cè)斷面的拱頂中間部位，通過充氣鉆在拱頂圍巖中打Im左右的深孔，將帶有掛鉤的直徑12mm的光面)鋼筋插入孔中，用錨固劑加固。②選取合適的水準(zhǔn)儀測(cè)量站點(diǎn)，測(cè)量人員將三腳支架牢固支撐于地面上，將水準(zhǔn)儀安裝在三角支架上，進(jìn)行水準(zhǔn)儀調(diào)平。③將銦鋼尺放置在水準(zhǔn)基點(diǎn)上，測(cè)量輔助人員通過水準(zhǔn)泡對(duì)銦鋼尺進(jìn)行調(diào)平，測(cè)量人員將水準(zhǔn)儀對(duì)準(zhǔn)銦鋼尺，調(diào)節(jié)儀器，讀取測(cè)量數(shù)據(jù)。④測(cè)量輔助人員選取合適長(zhǎng)度的接力撐桿，進(jìn)行安裝對(duì)接，將第I撐桿上的挑鉤插入第I掛桿上的掛筒內(nèi)，將合適長(zhǎng)度的接力掛桿掛至待測(cè)量點(diǎn)提前安裝好的拱頂掛鉤處，將頂端安裝掛鉤的改裝銦鋼尺掛于接力掛桿的底部。⑤將水準(zhǔn)儀對(duì)準(zhǔn)懸掛至穩(wěn)定狀態(tài)的改裝銦鋼尺，調(diào)節(jié)水準(zhǔn)儀，讀取測(cè)量數(shù)據(jù)。⑥通過基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)、待測(cè)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)以及接力掛桿的長(zhǎng)度計(jì)算得出待測(cè)量與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的高程差。⑦監(jiān)測(cè)完畢后，將改裝銦鋼尺取下，通過接力撐桿以及第I接力撐桿上安裝的挑鉤將掛桿一一取下，并將接力撐桿拆開，同時(shí)檢查、整理所有設(shè)備。f選取合適的測(cè)量周期，再次重復(fù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果:
①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝、卸載以及攜帶都十分方便，經(jīng)濟(jì)適用，易于推廣；
②測(cè)量精度高，可以滿足隧道新奧法施工對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的精度要求；
③適用于隧道分臺(tái)階施工造成的的拱頂距離隧道內(nèi)地面高度不斷變化的情況。


圖1.1為隧道結(jié)構(gòu)圖，圖1.2為圖1.1的D-D剖視圖。圖2為本裝置的結(jié)構(gòu)示意圖3為接力掛桿的結(jié)構(gòu)示意圖4為改裝銦鋼尺的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為接力撐桿的結(jié)構(gòu)示意圖。其中:
A 一圍巖；B —隧道內(nèi)地面或者仰拱；C一掌子面；
10 一水準(zhǔn)儀；
20 —轉(zhuǎn)站尺墊；
30 一拱頂掛鉤；
40 一改裝銦鋼尺，41 一銦鋼尺，42—尺頂掛鉤；
50 一接力掛桿,51—第I掛桿,52—第2掛桿......5N—第N掛桿，N是自然數(shù)，小于10 ； a —掛筒；
60 一接力撐桿，61—第I撐桿，62—第2撐桿……
6N—第N撐桿，N是自然數(shù)，小于10 ； b 一挑鉤。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明:
一、裝置
1、總體
如圖2，本裝置包括水準(zhǔn)儀10、轉(zhuǎn)站尺墊20、拱頂掛鉤30、銦鋼尺41、改裝銦鋼尺40、接力掛桿50和接力撐桿60 ；
在隧道圍巖A 的測(cè)點(diǎn)設(shè)置拱頂掛鉤30，拱頂掛鉤30、接力掛桿50和改裝銦鋼尺40上下依次連接；
在隧道內(nèi)地面或者仰拱B上設(shè)置轉(zhuǎn)站尺墊20，在轉(zhuǎn)站尺墊20上設(shè)置銦鋼尺41 ；
在隧道內(nèi)地面或者仰拱B上設(shè)置的水準(zhǔn)儀10置于銦鋼尺41和改裝銦鋼尺40之間。2、功能部件
I)水準(zhǔn)儀10
如圖2，水準(zhǔn)儀10由照準(zhǔn)部和基座兩部分組成，其作用就是提供一條水平視線(視準(zhǔn)軸)。2)轉(zhuǎn)站尺墊20
如圖2，轉(zhuǎn)站尺墊20—般由平面為三角形的鑄鐵制成，下面有三個(gè)尖腳，便于踩入土中，使之穩(wěn)定。上面有一突起的半球形小包，立水準(zhǔn)尺于球頂，尺底部?jī)H接觸球頂最高的一點(diǎn)，當(dāng)水準(zhǔn)尺轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)，尺底的高程不會(huì)改變。3)拱頂掛鉤30
如圖2，拱頂掛鉤30設(shè)置在隧道圍巖A的測(cè)點(diǎn)上。4)改裝銦鋼尺40
如圖2、4，改裝銦鋼尺40包括銦鋼尺41和尺頂掛鉤42，在銦鋼尺41的頂面設(shè)置有尺頂掛鉤42。頂部掛鉤42利用光面鋼筋制成，有一定弧度，能有效提高拱頂沉降監(jiān)測(cè)精度。5)接力掛桿50如圖2、3，接力掛桿50包括依次連接的第I掛桿51、第2掛桿52……第N掛桿5N，N是自然數(shù)，小于10 ;在第I掛桿51的頂端設(shè)置有掛筒a。具體制作中，每節(jié)掛桿利用10號(hào)光面鋼筋制成，兩端均設(shè)置有彎鉤；
掛筒a長(zhǎng)約15cm,直徑1cm。6)接力撐桿60
如圖2、5，接力撐桿60包括依次連接的第I撐桿61、第2撐桿62……第N撐桿6N，N是自然數(shù)，小于10 ;在第I撐桿61的頂端設(shè)置有挑鉤b。具體制作中，各撐桿利用空心管切割、制作而成；每節(jié)撐桿的兩端均加工有和螺母適配的外螺紋，通過螺母便于現(xiàn)場(chǎng)連接。第I撐桿61為1.5米，第2撐桿62……第N撐桿6N均為2米，便于一般車輛攜帶;
每節(jié)撐桿均利用Φ 40mm X 2mm鋼管制成，重量較輕；
第I撐桿61頂部焊接有8號(hào)光面鋼筋制成的挑鉤b。二、方法
1、在實(shí)際操作中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采用的不同施工工藝來選擇接力掛桿50的數(shù)量:1)若采用三臺(tái)階施工，在監(jiān)測(cè)上臺(tái)階開挖后的拱頂沉降時(shí)，不需要接力掛桿50，直接將改裝的銦鋼尺40懸掛于拱頂掛鉤30下即可；
2)對(duì)應(yīng)的中臺(tái)階開挖，只需要第I掛桿51。3)對(duì)應(yīng)的下臺(tái)階開挖，要增加第2掛桿52。4)仰拱開挖之后或者需要對(duì)二襯拱頂沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，則需要繼續(xù)增加第N掛桿5N。2、對(duì)于各個(gè)接力掛桿50的長(zhǎng)度可以在隧道外面找塊場(chǎng)地，利用水準(zhǔn)儀進(jìn)行精確標(biāo)定。這樣同一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同施工階段，根據(jù)所懸掛的掛桿，直接對(duì)初始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)利用各接力掛桿50長(zhǎng)度進(jìn)行修正，即可計(jì)算出拱頂相應(yīng)的沉降量。
權(quán)利要求
1.一種隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于: 本裝置包括水準(zhǔn)儀(10)、轉(zhuǎn)站尺墊(20)、拱頂掛鉤(30)、銦鋼尺(41)、改裝銦鋼尺(40)、接力掛桿(50)和接力撐桿(60)； 在圍巖(A)的測(cè)點(diǎn)設(shè)置拱頂掛鉤(30)，拱頂掛鉤(30)、接力掛桿(50)和改裝銦鋼尺(40)上下依次連接； 在隧道內(nèi)地面或者仰拱(B)上設(shè)置轉(zhuǎn)站尺墊(20)，在轉(zhuǎn)站尺墊(20)上設(shè)置銦鋼尺(41)； 在隧道內(nèi)地面或者仰拱(B)上設(shè)置的水準(zhǔn)儀(10)置于銦鋼尺(41)和改裝銦鋼尺(40)之間。
2.按權(quán)利要求1所述的一種隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于: 所述的改裝銦鋼尺(40)包括銦鋼尺(41)和尺頂掛鉤(42)，在銦鋼尺(41)的頂面設(shè)置有尺頂掛鉤(42)。
3.按權(quán)利要求1所述的一種隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于: 所述的接力掛桿(50)包括依次連接的第I掛桿(51)、第2掛桿(52)……第N掛桿(5N)，N是自然數(shù)，小于10 ； 在第I掛桿(51)的頂端設(shè)置有掛筒(a)。
4.按權(quán)利要求1所述的一種隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于: 所述接力撐桿(60)包括依次連接的第I撐桿(61)、第2撐桿(62)……第N撐桿(6N)，N是自然數(shù)，小于10 ； 在第I撐桿(61)的頂端設(shè)置有挑鉤(b)。
5.基于權(quán)利要求1所述裝置的隧道拱頂沉降方法，其特征在于包括下列步驟: 本方法包括下列步驟: ①制作水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)和安裝拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)掛鉤； ②選取合適的水準(zhǔn)儀測(cè)量站點(diǎn)，將三腳支架牢固支撐于地面上，將水準(zhǔn)儀安裝在三角支架上，進(jìn)行水準(zhǔn)儀調(diào)平； ③將銦鋼尺放置在水準(zhǔn)基點(diǎn)上，通過水準(zhǔn)泡對(duì)銦鋼尺進(jìn)行調(diào)平，再將水準(zhǔn)儀對(duì)準(zhǔn)銦鋼尺，調(diào)節(jié)儀器，讀取測(cè)量數(shù)據(jù)； ④選取合適長(zhǎng)度的接力撐桿，進(jìn)行安裝對(duì)接，將第I撐桿上的挑鉤插入第I掛桿上的掛筒內(nèi)，將合適長(zhǎng)度的接力掛桿掛至待測(cè)量點(diǎn)提前安裝好的拱頂掛鉤處，將頂端安裝掛鉤的改裝銦鋼尺掛于接力掛桿的底部； ⑤將水準(zhǔn)儀對(duì)準(zhǔn)懸掛至穩(wěn)定狀態(tài)的改裝銦鋼尺，調(diào)節(jié)水準(zhǔn)儀，讀取測(cè)量數(shù)據(jù)； ⑥通過基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)、待測(cè)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)以及接力掛桿的長(zhǎng)度計(jì)算得出待測(cè)量與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的聞程差； ⑦監(jiān)測(cè)完畢后，將改裝銦鋼尺取下，通過接力撐桿以及第I接力撐桿上安裝的挑鉤將掛桿一一取下，并將接力撐桿拆開，同時(shí)檢查、整理所有設(shè)備； S選取合適的測(cè)量周期，再次重復(fù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)裝置及其監(jiān)測(cè)方法，涉及巖土力學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)。本裝置包括水準(zhǔn)儀、轉(zhuǎn)站尺墊、拱頂掛鉤、銦鋼尺、改裝銦鋼尺、接力掛桿和接力撐桿；在圍巖的測(cè)點(diǎn)設(shè)置拱頂掛鉤，拱頂掛鉤、接力掛桿和改裝銦鋼尺上下依次連接；在隧道內(nèi)地面或者仰拱上設(shè)置轉(zhuǎn)站尺墊，在轉(zhuǎn)站尺墊上設(shè)置銦鋼尺；在隧道內(nèi)地面或者仰拱上設(shè)置的水準(zhǔn)儀置于銦鋼尺和改裝銦鋼尺之間。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝、卸載以及攜帶都十分方便，經(jīng)濟(jì)適用，易于推廣；測(cè)量精度高，可以滿足隧道新奧法施工對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的精度要求；適用于隧道分臺(tái)階施工造成的拱頂距離隧道內(nèi)地面高度不斷變化的情況。
文檔編號(hào)G01C5/00GK103175505SQ20131006935
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月5日
發(fā)明者劉振平, 劉建, 張友良, 賀懷建 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所