专利名称：隧道拱顶沉降监测装置及其方法
技术领域：
本发明涉及岩土力学监测装置，尤其涉及一种隧道拱顶沉降监测装置及其监测方法；具体地说，该装置是针对于高速公路、铁路隧道施工中对拱顶沉降进行监测的装置，它不仅适用于公路、铁路隧道施工，而且对类似尺寸的地下空间开挖工程顶部沉降的监测也同样适用。
背景技术：
随着国民经济的不断发展，针对我国资源部分不均衡，山岭地区所占比较大，同时为缓减日益膨胀的城市交通压力，隧道建设日益增多。如何在施工中有效避免事故的发生，对隧道实时、准确地监控量测必不可少。因此，在这种形势下，为了降低隧道拱顶沉降的监测成本，提高效率，达到规范所要求的精度，迫切需要一种实用的隧道拱顶沉降监测装置。监控量测是隧道新奥法(新奥法是应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时的进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道施工和地下工程设计施工的方法和原则。)施工三核心之一，能直观反映隧道围岩变化特征，为预留变形量以及支护参数调整提供依据，为隧道施工安全提供保障。同时依据相关规范，拱顶沉降监测是隧道施工中的必测项目，而且为了提高监测精度一般要求通过水准仪进行监测。因此，考虑到现场施工实际情况，提供一种能够根据不同施工工法，对初期支护或者二衬拱顶沉降进行监测的装置意义重大。具体地说，目前对隧道拱顶沉降监测是这样的:
如图1，隧道的作业空间包括围岩A、仰拱B和掌子面C。目前高速公路隧道的断面高度约在8-9m左右，隧道拱顶沉降测量存在工序复杂等诸多困难。目前隧道拱顶沉降测量的安全预警机制要求测量精度达到mm量级，但目前工程中常用的拱顶沉降测量设备和方法中对于测量精度和便携程度存在一定缺陷。目前隧道拱顶监测采用的主要设备手段和方法是:
1、全站仪:全站仪测量拱顶沉降存在误差偏大的缺陷，误差量级在Icm左右。2、水准仪配合塔尺:塔尺的长度可以满足隧道高跨度的要求，但是塔尺存在误差偏大的缺陷。3、水准仪配合铟钢尺:铟钢尺的精度可以满足要求，但是铟钢尺的长度偏低，不能满足隧道断面的大跨度监测要求。目前隧道拱顶沉降的监测需要一种既能满足高精度的要求，又能适用于隧道的高跨度测量，而且便于安装、拆卸和携带的拱顶沉降监测装置。经检索，尚未发现满足上述要求的装置。
发明内容
本发明目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供了一种实用的隧道拱顶沉降监测装置及其监测方法，要求结构简单，成本低廉，操作方便，安装、拆卸和操作方便，便于携带，易于推广应用。本发明的目的是这样实现的:
一、隧道拱顶沉降监测装置(简称装置)
本装置包括水准仪、转站尺垫、拱顶挂钩、铟钢尺、改装铟钢尺、接力挂杆和接力撑杆； 在隧道围岩的测点设置拱顶挂钩，拱顶挂钩、接力挂杆和改装铟钢尺上下依次连接； 在隧道隧道内地面或者仰拱上设置转站尺垫，在转站尺垫上设置铟钢尺；
在隧道隧道内地面或者仰拱上设置的水准仪置于铟钢尺和改装铟钢尺之间。二、隧道拱顶沉降监测方法(简称方法)
本方法包括下列步骤:
①制作水准基准点和安装拱顶监测点挂钩
水准基准点要求安装在洞口外边或者已经稳定的仰拱顶部，并且该基准点不易被施工机械等破坏，在确定基准点位置后，通过冲气钻在仰拱上打Im左右的深孔，将直径22mm的钢筋插入深孔中，用锚固剂加固；` 拱顶监测点选取在需要监测断面的拱顶中间部位，通过充气钻在拱顶围岩中打Im左右的深孔，将带有挂钩的直径12mm的光面)钢筋插入孔中，用锚固剂加固。②选取合适的水准仪测量站点，测量人员将三脚支架牢固支撑于地面上，将水准仪安装在三角支架上，进行水准仪调平。③将铟钢尺放置在水准基点上，测量辅助人员通过水准泡对铟钢尺进行调平，测量人员将水准仪对准铟钢尺，调节仪器，读取测量数据。④测量辅助人员选取合适长度的接力撑杆，进行安装对接，将第I撑杆上的挑钩插入第I挂杆上的挂筒内，将合适长度的接力挂杆挂至待测量点提前安装好的拱顶挂钩处，将顶端安装挂钩的改装铟钢尺挂于接力挂杆的底部。⑤将水准仪对准悬挂至稳定状态的改装铟钢尺，调节水准仪，读取测量数据。⑥通过基准点测量数据、待测点测量数据以及接力挂杆的长度计算得出待测量与基准点之间的高程差。⑦监测完毕后，将改装铟钢尺取下，通过接力撑杆以及第I接力撑杆上安装的挑钩将挂杆一一取下，并将接力撑杆拆开，同时检查、整理所有设备。f选取合适的测量周期，再次重复。本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果:
①结构简单，安装、卸载以及携带都十分方便，经济适用，易于推广；
②测量精度高，可以满足隧道新奥法施工对测量数据的精度要求；
③适用于隧道分台阶施工造成的的拱顶距离隧道内地面高度不断变化的情况。
图1.1为隧道结构图，图1.2为图1.1的D-D剖视图。图2为本装置的结构示意图3为接力挂杆的结构示意图4为改装铟钢尺的结构示意图；图5为接力撑杆的结构示意图。其中:
A 一围岩；B —隧道内地面或者仰拱；C一掌子面；
10 一水准仪；
20 —转站尺垫；
30 一拱顶挂钩；
40 一改装铟钢尺，41 一铟钢尺，42—尺顶挂钩；
50 一接力挂杆,51—第I挂杆,52—第2挂杆......5N—第N挂杆，N是自然数，小于10 ； a —挂筒；
60 一接力撑杆，61—第I撑杆，62—第2撑杆……
6N—第N撑杆，N是自然数，小于10 ； b 一挑钩。
具体实施例方式下面结合附图和实施例详细说明:
一、装置
1、总体
如图2，本装置包括水准仪10、转站尺垫20、拱顶挂钩30、铟钢尺41、改装铟钢尺40、接力挂杆50和接力撑杆60 ；
在隧道围岩A 的测点设置拱顶挂钩30，拱顶挂钩30、接力挂杆50和改装铟钢尺40上下依次连接；
在隧道内地面或者仰拱B上设置转站尺垫20，在转站尺垫20上设置铟钢尺41 ；
在隧道内地面或者仰拱B上设置的水准仪10置于铟钢尺41和改装铟钢尺40之间。2、功能部件
I)水准仪10
如图2，水准仪10由照准部和基座两部分组成，其作用就是提供一条水平视线(视准轴)。2)转站尺垫20
如图2，转站尺垫20—般由平面为三角形的铸铁制成，下面有三个尖脚，便于踩入土中，使之稳定。上面有一突起的半球形小包，立水准尺于球顶，尺底部仅接触球顶最高的一点，当水准尺转动方向时，尺底的高程不会改变。3)拱顶挂钩30
如图2，拱顶挂钩30设置在隧道围岩A的测点上。4)改装铟钢尺40
如图2、4，改装铟钢尺40包括铟钢尺41和尺顶挂钩42，在铟钢尺41的顶面设置有尺顶挂钩42。顶部挂钩42利用光面钢筋制成，有一定弧度，能有效提高拱顶沉降监测精度。5)接力挂杆50如图2、3，接力挂杆50包括依次连接的第I挂杆51、第2挂杆52……第N挂杆5N，N是自然数，小于10 ;在第I挂杆51的顶端设置有挂筒a。具体制作中，每节挂杆利用10号光面钢筋制成，两端均设置有弯钩；
挂筒a长约15cm,直径1cm。6)接力撑杆60
如图2、5，接力撑杆60包括依次连接的第I撑杆61、第2撑杆62……第N撑杆6N，N是自然数，小于10 ;在第I撑杆61的顶端设置有挑钩b。具体制作中，各撑杆利用空心管切割、制作而成；每节撑杆的两端均加工有和螺母适配的外螺纹，通过螺母便于现场连接。第I撑杆61为1.5米，第2撑杆62……第N撑杆6N均为2米，便于一般车辆携带;
每节撑杆均利用Φ 40mm X 2mm钢管制成，重量较轻；
第I撑杆61顶部焊接有8号光面钢筋制成的挑钩b。二、方法
1、在实际操作中，根据现场采用的不同施工工艺来选择接力挂杆50的数量:1)若采用三台阶施工，在监测上台阶开挖后的拱顶沉降时，不需要接力挂杆50，直接将改装的铟钢尺40悬挂于拱顶挂钩30下即可；
2)对应的中台阶开挖，只需要第I挂杆51。3)对应的下台阶开挖，要增加第2挂杆52。4)仰拱开挖之后或者需要对二衬拱顶沉降进行监测时，则需要继续增加第N挂杆5N。2、对于各个接力挂杆50的长度可以在隧道外面找块场地，利用水准仪进行精确标定。这样同一个监测点在不同施工阶段，根据所悬挂的挂杆，直接对初始监测数据利用各接力挂杆50长度进行修正，即可计算出拱顶相应的沉降量。
权利要求
1.一种隧道拱顶沉降监测装置，其特征在于: 本装置包括水准仪(10)、转站尺垫(20)、拱顶挂钩(30)、铟钢尺(41)、改装铟钢尺(40)、接力挂杆(50)和接力撑杆(60)； 在围岩(A)的测点设置拱顶挂钩(30)，拱顶挂钩(30)、接力挂杆(50)和改装铟钢尺(40)上下依次连接； 在隧道内地面或者仰拱(B)上设置转站尺垫(20)，在转站尺垫(20)上设置铟钢尺(41)； 在隧道内地面或者仰拱(B)上设置的水准仪(10)置于铟钢尺(41)和改装铟钢尺(40)之间。
2.按权利要求1所述的一种隧道拱顶沉降监测装置，其特征在于: 所述的改装铟钢尺(40)包括铟钢尺(41)和尺顶挂钩(42)，在铟钢尺(41)的顶面设置有尺顶挂钩(42)。
3.按权利要求1所述的一种隧道拱顶沉降监测装置，其特征在于: 所述的接力挂杆(50)包括依次连接的第I挂杆(51)、第2挂杆(52)……第N挂杆(5N)，N是自然数，小于10 ； 在第I挂杆(51)的顶端设置有挂筒(a)。
4.按权利要求1所述的一种隧道拱顶沉降监测装置，其特征在于: 所述接力撑杆(60)包括依次连接的第I撑杆(61)、第2撑杆(62)……第N撑杆(6N)，N是自然数，小于10 ； 在第I撑杆(61)的顶端设置有挑钩(b)。
5.基于权利要求1所述装置的隧道拱顶沉降方法，其特征在于包括下列步骤: 本方法包括下列步骤: ①制作水准基准点和安装拱顶监测点挂钩； ②选取合适的水准仪测量站点，将三脚支架牢固支撑于地面上，将水准仪安装在三角支架上，进行水准仪调平； ③将铟钢尺放置在水准基点上，通过水准泡对铟钢尺进行调平，再将水准仪对准铟钢尺，调节仪器，读取测量数据； ④选取合适长度的接力撑杆，进行安装对接，将第I撑杆上的挑钩插入第I挂杆上的挂筒内，将合适长度的接力挂杆挂至待测量点提前安装好的拱顶挂钩处，将顶端安装挂钩的改装铟钢尺挂于接力挂杆的底部； ⑤将水准仪对准悬挂至稳定状态的改装铟钢尺，调节水准仪，读取测量数据； ⑥通过基准点测量数据、待测点测量数据以及接力挂杆的长度计算得出待测量与基准点之间的闻程差； ⑦监测完毕后，将改装铟钢尺取下，通过接力撑杆以及第I接力撑杆上安装的挑钩将挂杆一一取下，并将接力撑杆拆开，同时检查、整理所有设备； S选取合适的测量周期，再次重复。
全文摘要
本发明公开了一种隧道拱顶沉降监测装置及其监测方法，涉及岩土力学监测技术。本装置包括水准仪、转站尺垫、拱顶挂钩、铟钢尺、改装铟钢尺、接力挂杆和接力撑杆；在围岩的测点设置拱顶挂钩，拱顶挂钩、接力挂杆和改装铟钢尺上下依次连接；在隧道内地面或者仰拱上设置转站尺垫，在转站尺垫上设置铟钢尺；在隧道内地面或者仰拱上设置的水准仪置于铟钢尺和改装铟钢尺之间。本发明结构简单，安装、卸载以及携带都十分方便，经济适用，易于推广；测量精度高，可以满足隧道新奥法施工对测量数据的精度要求；适用于隧道分台阶施工造成的拱顶距离隧道内地面高度不断变化的情况。
文档编号G01C5/00GK103175505SQ20131006935
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月5日 优先权日2013年3月5日
发明者刘振平, 刘建, 张友良, 贺怀建 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所