用于下穿公路的隧道围岩全位移测量装置的制作方法

本实用新型涉及隧道监控量测领域，具体涉及一种用于下穿公路的隧道围岩全位移测量装置。

背景技术：

随着国民经济持续快速发展，公路、高铁、水利等重大基础设施建设迫切需要新建大量隧道工程。我国目前已成为全球隧道工程建设规模最大的国家。全国仅公路隧道2015年就新增了1602座，总长达到1927公里。隧道的开挖必然引起围岩位移(包括变形)的发生，将隧道围岩位移控制在容许值以内是隧道全寿命安全管理的关键工作。因此量测隧道围岩位移具有重要的工程意义。

如图1所示，隧道围岩的全位移包括掌子面到达前的围岩位移(即先行位移)和掌子面到达时到传统量测开始时的围岩位移(即初始位移)以及掌子面通过后量测测得的围岩位移(量测位移)。目前隧道围岩位移量测工具包括接触量测工具(如收敛计)和非接触量测工具(如全站仪)，然而这两类量测工具仅能用于量测全位移值的一部分(量测位移)，无法用于测量先行位移和初始位移。针对当前初始位移和先行位移无法量测的问题，需要探寻一种用于隧道围岩全位移(含先行位移和初始位移)测量装置。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术中隧道围岩全位移测量工具的不足，提供一种用于下穿公路的隧道围岩全位移测量装置。

为解决技术问题，本实用新型的解决方案是：

提供一种用于下穿公路的隧道围岩全位移测量装置，包括多点位移计和全站型电子测距仪；该装置还包括混凝土观测墩和转动连接装置；其中，

转动连接装置包括外部包裹件与内部连接杆；外部包裹件是一个中空立方体，其底部为敞口，四个侧面中心部位的外侧分别设置径向贯通的内螺纹管，各内螺纹管中设顶紧螺栓；内部连接杆的一端为球头，球头能够通过外部包裹件底部敞口装入其内腔，并由顶紧螺栓实现紧固；内部连接杆的另一端为带有沉孔的夹具，沉孔四个侧面的中心部位分别设置径向贯通的螺孔，内设顶紧螺栓；

所述混凝土观测墩以浇筑方式包裹在转动连接装置的外部，且外部包裹件底部的敞口不被混凝土观测墩封闭；多点位移计的上端部伸入至内部连接杆的夹具的沉孔中，并由顶紧螺栓实现紧固；混凝土观测墩的上表面保持水平，全站型电子测距仪设于混凝土观测墩上。

作为一种改进，所述混凝土观测墩的侧部表面与内螺纹管的外端部齐平。

作为一种改进，所述外部包裹件与内部连接杆是金属材质或塑料材质的浇铸预制件。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型将多点位移计与全站型电子测距仪有机结合在一起，利用全站仪对多点位移计计算中的基准点位移进行校正，从而提高了隧道围岩的全位移量测精度；

2、本实用新型可实现垂直安装的外部观测墩与任意倾斜角度的多点位移计的现场快速连接。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图(全站型电子测距仪未在图中示出)；

图2是图1中装置的倾斜连接状态示意图；

图3是混凝土观测墩中部的局部剖视图；

图4是夹具中部的局部剖视图；

图5是转动连接装置的示意图；

图6是隧道围岩全位移量示意图；

图7是多点位移计平面布置图；

图8是多点位移计立面布置图；

图9是外部观测点的基准坐标系。

图中附图标记：

1公路；2隧道；3多点位移计及外部观测点；4掌子面；5开挖方向；6安装孔与掌子面的距离(L≥D)；7外部观测点；8多点位移计测点；9隧道围岩开挖面；10保护层(厚度20-30cm)；11局部放大图；12混凝土观测墩；13转动连接装置；14球头；15紧固螺栓；16紧固螺栓。

具体实施方式

全站型电子测距仪(Electronic Total Station，亦称全站仪)，是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离(斜距、平距)、高差测量功能于一体的测绘仪器系统。本发明中的外部观测点的量测可采用免棱镜全站仪，点的位置可以根据路面情况作较小的移位。

如背景部分所述，传统的测量技术需跟随隧道开挖进度在隧道内部布置测量仪器，但由于在掌子面到达测量点之前围岩移位移已经发生，因而无法对先行位移和初始位移进行量测，只能针对掌子面通过后的围岩位移进行(量测位移)。而本实用新型则可以被用于在隧道开挖前就介入围岩位移量测，因此能够实现对隧道围岩的全位移量测。

下面结合附图，对本实用新型作进一步的详细说明。

本实用新型中用于下穿公路的隧道围岩全位移测量装置，包括多点位移计和全站型电子测距仪，以及混凝土观测墩12和转动连接装置13；其中，

转动连接装置13包括外部包裹件与内部连接杆，均为金属材质或塑料材质的浇铸预制件。外部包裹件是一个中空立方体，其底部为敞口，四个侧面中心部位的外侧分别设置径向贯通的内螺纹管，各内螺纹管中设顶紧螺栓15；内部连接杆的一端为球头14，球头14能够通过外部包裹件底部敞口装入其内腔，并由顶紧螺栓15实现紧固；内部连接杆的另一端为带有沉孔的夹具，沉孔四个侧面的中心部位分别设置径向贯通的螺孔，内设顶紧螺栓16。

混凝土观测墩12以浇筑方式包裹在转动连接装置13的外部，且外部包裹件底部的敞口不被混凝土观测墩12封闭；多点位移计的上端部伸入至内部连接杆的夹具的沉孔中，并由顶紧螺栓16实现紧固；混凝土观测墩12的上表面保持水平，全站型电子测距仪设于混凝土观测墩12上。混凝土观测墩12的侧部表面与内螺纹管的外端部齐平。

在装配时，先将内部连接杆的球头14装入外部包裹件的内腔，然后浇筑混凝土观测墩12，待其干燥凝固。使用时，先将多点位移计的上端部伸入至内部连接杆的夹具的沉孔中，并由顶紧螺栓16实现紧固(如图1所示)；将多点位移计的下端部插入安装位置的孔洞中，然后调整外部混凝土观测墩12，保证其上表面水平(如图2所示)。最后，在混凝土观测墩12上表面放置全站型电子测距仪。

下面以示例方式，对本实用新型的具体应用方法进行介绍。

(1)沿着隧道2的开挖方向从公路1上方往下钻多个安装孔，安装孔距离掌子面4至少为D，D为隧道直径；在每个安装孔内分别安装本装置，各多点位移计均位于同一个垂直于隧道方向的平面上，在安装孔的孔口点设置外部观测点；

位于同一平面上的各多点位移计是沿隧道洞径方向(孔口点与隧道中心点的连线方向)布置的，且各多点位移计之间保持相同间距；各多点位移计的最深处测点与隧道围岩开挖面间隔着20～30cm围岩作为保护层。

(2)以安装孔的孔口点(外部观测墩顶部)为基准点，按预设时间点持续测量多点位移计上其它测点的位移值；该位移值包括传统量测技术中所述的先行位移值、初始位移值和量测位移值；其中，先行位移值是指掌子面4到达前的围岩位移值，初始位移值是指掌子面4到达时到传统量测开始时的围岩位移值，量测位移值是指掌子面4通过后传统量测测得的围岩位移值；

(3)随着隧道开挖进度不断布置新的装置，前后两次钻孔位置的相互间距为8～10m；按预设时间点持续记录多点位移计的测量数据；

(4)在获得各多点位移计在不同时间点测得的位移值后，对其数值按下述方法进行修正：

假定一个多点位移计共有m个测点，从孔口点往下分别记为P0(孔口)、P1(测点1)、P2(测点2)、……、Pm(测点m)；多点位移计测得各测点的位移值分别记为S1、S2、……、Sm；利用全站型电子测距仪测得孔口处外部观测点的位移记为(X0，Y0，Z0)(x、y、z坐标系如图4所示)；基于该坐标系计算多点位移计埋深方位(钻孔方位)，其向下单位向量记为(Xl，Yl，Zl)；那么孔口位移(X0，Y0，Z0)在多点位移计埋深方向(Xl，Yl，Zl)的投影值L0由下式得到：

L0＝X0Xl+Y0Yl+Z0Zl

则测点Pm的修正后的位移为S'm＝Sm+L0。

(5)根据各多点位移计在不同时间点测得的位移值(经修正的)，绘制不同深度的围岩位移-时间曲线，即为围岩全位移-时间曲线。

实际操作说明或示例：

(1)确定监控剖面的数量

根据隧道围岩的分类以及上部公路1的等级，确定监控量测的剖面数量；每个监控量测剖面一般可布置3套监测装置(即多点位移计+外部观测点)，如图8所示。

(2)确定多点位移计测上的测点数量

多点位移计测上的测点数量根据隧道埋深确定，埋深增大宜增加测点数；例如，隧道拱肩处的测点数建议多于拱顶处。如图8所示，在隧道2的拱顶处为3点式多点位移计，而在拱肩处为4点式多点位移计。

(3)安装多点位移计与设置外部观测点

根据多点位移计安装说明书，从公路1往下钻孔并安装多点位移计。多点位移计安装后，在其路面处做好标志，设置为外部观测点。安装时间尽可能早，应该保证获取初始值时间至少早于掌子面距离测点D的距离，其中D为隧道直径(如图7所示)。

(4)获取初始值

待多点位移计和外部观测点安装和设置完成后，尽快量测它们的初值。

(5)多点位移计各测点位移的计算

各测点的位移计算方法不同于一般多点位移计(从隧道内安装的)的计算方法，因为一般多点位移计选择最深点为基准点，而本实用新型选择孔口点为基准点。

注意：本实用新型的实际范围不仅包括上述所公开的具体实施例，还包括在权利要求书之下实施或者执行本实用新型的所有等效方案。