本发明涉及隧道开挖监测技术领域，具体地，涉及单点位移计及隧道开挖超前核心土变形测量方法。
背景技术：
随着我国地铁与高速公路的大力发展，隧道开挖技术也被越来越多地应用。由于各个地方的地层、地形及水文地质情况不同，隧道开挖的方式及隧道开挖过程中的支护方法也会不一样。其中，影响隧道开挖质量的最重要因素是隧道在开挖时的变形速率和隧道开挖时的支护效果。如果在隧道开挖时不注意变形监测和超前支护，会导致工程事故的发生，如塌方、冒顶等。
在隧道开挖时，往往会遇到软弱岩层及破碎岩层，对软弱围岩及破碎围岩变形的监控是隧道开挖时监控的重点。通过经验和计算机仿真数值模拟找到超前核心土变形最大的地方，然后布置单点位移计，单点位移计与基岩牢固结为一体，当岩体沿着钻孔轴向发生变位时，锚固头通过加长测杆将变化量传递给位移计本体，通过振弦式读数仪读出与钻孔位移变化量相对应的频率，然后代入公式计算出位移变化值。
但是，传统的单点位移计是固定读取频率式，只能由现场的技术人员抄录数据，由于这样的监测方式全部是人为操作，人为操作的误差和失误较多，所以导致监控数据存在一定的不准确性。另外人为监测不是连续的监测，一般是技术人员隔一段时间记录一次，不能形成连续有效的监测效果，如果遇到变形出现较大的地方，而监测又不连续，导致不能形成及早的预防措施，而出现工程事故。传统的单点位移计布置，一般依靠有施工经验的技术专家指导确定，单纯靠经验难以布置最佳位置，如果轴向变形较大位置没有布置测点，只是靠经验，会给决策造成误判，影响隧道开挖的质量和隧道支护的质量。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种单点位移计及隧道开挖超前核心土变形测量方法。
第一方面，本发明提供一种单点位移计，包括：传感器、数据读取盘、法兰盘、单点沉降计本体、加长测杆、锚固头，所述传感器和所述数据读取盘通过所述法兰盘紧固安装在所述单点沉降计本体的一端，所述单点沉降计本体的另一端与所述加长测杆的一端相连，所述锚固头位于所述加长测杆的另一端上。
可选地，还包括：信息采集仪和zigbee无线监测系统，所述信息采集仪获取所述传感器所采集的测量数据，并通过所述zigbee无线监测系统以无线方式将所述测量数据传输给外部设备。
可选地，所述单点沉降计本体由不同梯度的圆柱体连接而成。
可选地，所述锚固头为圆锥形，且所述锚固头的圆锥底面与所述加长测杆相连，且所述圆锥底面直径大于所述加长测杆的直径。
可选地，所述加长测杆的长度可调节。
第二方面，本发明提供一种隧道开挖超前核心土变形测量方法，应用如第一方面中任一项所述单点位移计对隧道开挖超前核心土变形量进行测量，所述方法包括：
在隧道截面上标记出布置单点位移计的位置；
根据隧道变形情况布置不同深度的单点位移计；
获取所有单点位移计的测量数据，分析处理后得到隧道开挖超前核心土变形量。
可选地，所述在隧道截面上标记出布置单点位移计的位置，包括：
通过计算机仿真数值模拟方式得到隧道截面云图，从云图中选择出变形明显的位置，将所述变形明显的位置作为布置单点位移计的位置。
可选地，所述根据隧道变形情况布置不同深度的单点位移计，包括：
将单点位移计均匀地布置在隧道截面环向位置，其中，变形越大的位置所布设的单点位移计的长度越长。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供的单点位移计整体结构简单紧凑，可以通过数据读取盘直接得到单点位移计的测量数据，并通过传感器通过无线方式传输至信息采集仪，从而可以直接得到数据值，减少了人为读书的误差，保证数据的可靠性。本发明提供的隧道开挖超前核心土变形测量方法，可以应用前述的单点位移计实时连续地测量出隧道的开挖超前核心土变形量，测量结果准确，自动化程度高。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的单点位移计的结构示意图；
图2为隧道截面上为单点位移计的安装所述制造的安装孔的结构示意图；
图3为单点位移计在隧道内的安装结构示意图。
图中：
1-传感器；
2-数据读取盘；
3-法兰盘；
4-单点沉降计本体；
5-加长测杆；
6-锚固头。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1为本发明提供的单点位移计的结构示意图，如图1所示，包括：传感器1、数据读取盘2、法兰盘3、单点沉降计本体4、加长测杆5、锚固头6，所述传感器1和所述数据读取盘2通过所述法兰盘3紧固安装在所述单点沉降计本体4的一端，所述单点沉降计本体4的另一端与所述加长测杆5的一端相连，所述锚固头6位于所述加长测杆5的另一端上。
在一种可选的实施方式中，图1所示的单点位移计还可以包括：信息采集仪和zigbee无线监测系统，所述信息采集仪获取所述传感器1所采集的测量数据，并通过所述zigbee无线监测系统以无线方式将所述测量数据传输给外部设备。
在一种可选的实施方式中，所述单点沉降计本体4由不同梯度的圆柱体连接而成。
在一种可选的实施方式中，所述锚固头6为圆锥形，且所述锚固头6的圆锥底面与所述加长测杆5相连，且所述圆锥底面直径大于所述加长测杆5的直径。
在一种可选的实施方式中，所述加长测杆5的长度可调节。在实际应用中，加长测杆5的长度可以根据所布置监测点深度的不同来调整加长测杆的长度，监测点的深度即为加长测杆5的长度。
具体地，传感器1与数据读取盘2连接，通过传感器1使得数据读取盘2的频率值传输到信息采集仪中，再由信息采集仪以无线方式将频率值传输到zigbee监测系统。
具体地，信息采集仪可以预先固定在已经开挖完且支护完成的隧道内，用于接收传感器传输的频率值。信息采集仪中可以装入智能计算芯片，从而可以使频率数值通过无线传到zigbee无线监测系统，zigbee无线监测系统直接计算超前核心土轴向位移值。
具体地，本发明中应用的单点位移计的长度可以为5m、10m和15m。测点的变形即为单点位移计长度的总变形。根据地质水文情况和计算机仿真数值模拟的结果进行钻孔，孔径为65mm，孔深依次为5m、10m和15m，钻孔角度为5度，在孔口位置进行扩孔，使孔口位置250mm的孔径为105mm。用高压水枪进行清孔，排干孔内水，注浆材料为水泥砂浆，然后放入单点位移计、pvc护管、套管、排气管和注浆管。通过注浆孔注浆，先用潜孔钻(造孔设备)造孔，孔成形后埋入一根钢管(套管)，套管长度为孔深-50cm，再把单点位移计按孔深连接。最后把连接好的单点位移计及排气管水平推进安放在套管内，孔口做好封堵(预留排气管、注浆管位置)，最后用注浆设备向孔内注入水泥浆，注浆过程中当排气管中有水泥浆溢出时为注浆已满，此时停止注浆。待注浆结束24小时后取初始读数，通过信息采集仪和zigbee无线监测系统读取位移量。
进一步地，本发明还提供一种隧道开挖超前核心土变形测量方法，所述方法应用图1所示的单点位移计对隧道开挖超前核心土变形量进行测量。具体地，所述方法可以包括如下步骤：
步骤1：在隧道截面上标记出布置单点位移计的位置。
本实施例中，根据计算机仿真数值模拟，找到云图上变形比较明显的位置，在隧道截面上标注这些位置，然后在这些位置点上布置单点位移计。
步骤2：根据隧道变形情况布置不同深度的单点位移计。
本实施例中，可以将单点位移计均匀地布置在隧道截面环向位置，变形较大位置布置较长的位移计，变形较小的位置布置较短的位移计。
步骤3：获取所有单点位移计的测量数据，分析处理后得到隧道开挖超前核心土变形量。
本实施例，通过计算机仿真数值模拟找出隧道开挖超前核心土变形最大地方，在变形最大位置环向布置不同深度的上述单点位移计，以达到实时对隧道开挖变形的监测，有利于及早消除隧道开挖时的危险因素，减少施工事故的发生，节约项目预算投资。
下面结合具体实施例对本发明提供的方法做更加详细的说明。
在一种应用场景中，本发明提供的隧道开挖超前核心土变形测量方法，可以包括如下步骤：
1)隧道开挖前的测量与定位准备。
本实施例中，可以根据设计文件和工程水文地质情况，进行隧道开挖前的测量与定位准备工作，通过应用计算机仿真数值模拟软件flac3d，模拟出隧道开挖过程中变形量不同的位置，在隧道截面环向均匀布置“最浅一中等一最深”三种单点位移计。
2)计算机仿真数值模拟及隧道断面的确定。
3)单点位移计的尺寸和长度选择准备。
4)钻机定位，机械钻孔。
本实施例中，依据计算机仿真数值模拟及隧道断面上钻孔的确定，用钻机进行钻孔，钻孔方式采取跳钻，以减小钻孔之间的相互影响。钻孔孔径为65mm，孔深依次为5m、10m和15m，钻孔角度为5度，在孔口位置进行扩孔，使孔口位置250mm的孔径为105mm。
5)单点位移计的安装，角度定位。
6)压力注入水泥砂浆，检查注浆质量，养护。
7)第一次测量前由初始位置调节螺母将侧缝针“0”点值调到所需位置。
8)数据读取盘上频率值进行记录。
本实施例中，可以沿隧道截面进行均匀环向安装5m、10m和15m单点位移计，孔成形后埋入一根套管，套管安装的目的是对位移计的保护，套管长度为孔深-50cm，再把单点位移计按孔深连接。最后把连接好的单点位移计及排气管水平推进安放在套管内，孔口做好封堵工作，预留排气管、注浆管位置，最后用注浆设备向孔内注入水泥浆，注浆过程中当排气管中有水泥浆溢出时为注浆已满，此时停止注浆，对注入的水泥砂浆进行养护，待注浆结束24小时后取初始读数。
9)信息采集仪转换的轴向位移值到zigbee无线监测系统。
本实施例中，信息采集仪布置在已经开挖且支护完成的位置，不能影响其他施工。zigbee无线监测系统，即为隧道开挖超前核心土轴向变形智能监测系统，此系统包括：计算机控制中心、服务器、广域网和gsm基站。信息采集仪包括：gprs传输模块和供电设备。
10)zigbee无线监测系统进行远程监测。
11)进行数据的整合与处理。
本发明实施例中，第一次测量前由初始位置调节螺母将侧缝针“0”点值调到所需位置，对沿着隧道截面布置的单点位移计进行编号a1、a2、……、an，每一个编号对应一个传感器b1、b2、……bn。信息采集仪可以集合传感器所有的信息，zigbee无线监测系统可以整合采集仪传输的所有信息，给zigbee无线监测系统整合的数据进行编号s1、s2、……sn。本发明实施例中，s1、s2、……sn就是监测的位移值，通过对每一个位移值进行连续监测，预判出核心土变形的趋势，且全程智能监测，从而使得监测数据更合理、更科学。
本发明中在单点位移计上加设的传感器和数据读取盘，频率值可以直接在数据读取盘上显示，通过传感器无线传输到信息采集仪和zigbee无线监测系统，zigbee无线监测系统能够直接智能计算出准确的位移值，可以大大减少人为读数和计算的误差，保证数据的可靠性。
本发明通过计算机仿真数值模拟找到变形程度不同的位置，然后布置不同深度的单点位移计，单点位移计这样的布置方式可以有效监测变形，使监测更加科学、准确。本发明中应用了传感器、信息采集仪和zigbee无线监测系统，使得上次监测和本次监测没有时间差，即是一种连续监测方法，且不需要人为参与记录和计算，可以随时进行远程操控和现场指导。本发明通过计算机仿真数值模拟，已经确定好单点位移计的位置和布设角度，且监测的过程都是比较智能化，人为干预较少，所以可以避免采用传统单点位移计实施监测时存在的问题。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。