浅埋隧道超前核心土预收敛位移监测系统及方法与流程

本发明属于隧道变形监测装置或设备技术领域，具体涉及到一种浅埋隧道超前核心土预收敛位移监测系统及方法。

背景技术：

隧道开挖过程中，实质上在掌子面通过之前，超前核心土就已经开始产生变形，主要表现为超前核心土向掌子面方向的挤出变形和内轮廓向内部的预收敛变形，相关研究表明，掌子面前方超前核心土的变形不仅可以评估洞室稳定性，还可以对掌子面前方围岩变形反应做出提前预判。目前超前核心土挤出位移可以通过在掌子面前方插入滑动测微计进行监测，但预收敛位移的现场监测问题并没有得到相应的解决，现阶段只能通过数值模拟或理论分析的方式进行研究，因此亟需发展一种可对超前核心土收敛位移进行现场实测的系统及相应的监测方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服上述不足,提供一种成本低、操作简单且所有操作均在洞外进行、可有效提前预知隧道变形情况、对隧道稳定性进行全方位的预判的浅埋隧道超前核心土预收敛位移监测系统及方法。

解决上述技术问题采用的技术方案是：浅埋隧道超前核心土预收敛位移监测系统包括地面监测系统、预收敛位移测量系统，所述的地面监测系统包括全站型电子测距仪和基准点系统，所述的基准点系统设置于工作区域附近，且处于使用阶段的基准点系统必须位于掌子面前方未受施工扰动区域或掌子面后方地层变形已稳定区域；基准点系统包括混凝土块和连接钢筋，混凝土块镶嵌于地层中，连接钢筋镶嵌于混凝土块中并伸入地层，连接钢筋地表端设置有反光片，所述电子测距仪可精确测定两点之间的水平距离及竖直方向高差；

所述的预收敛位移测量系统包括：在拟定的预收敛位移测量点正上方地表处向下的垂直钻孔，钻孔内安装有pvc套管，pvc套管中设置有连接钢管，所述的连接钢管上间隔设置有环形定位支架，用于防止连接钢管倾斜，连接钢管的底端设置有强磁性接头，强磁性接头与设置在钻孔底端的锚固端混凝土上安装的金属锚固件相连接，钻孔顶端设置有镶嵌在地层中的混凝土固定块，pvc套管的顶部设置有固定法兰盘，固定法兰盘设置在混凝土固定块中，用于固定pvc套管，连接钢管的顶部设置有顶部定位组件，用于测量连接钢管顶端在隧道轴线方向上的竖向位移。

本发明的顶部定位组件为：连接套管下端设置在连接钢管上、上端设置有连接钢筋，连接钢筋上设置有反光片。

本发明的镶嵌在地层中的混凝土固定块低于地表，所述的混凝土固定块为中空圆柱体，外径为15～20cm，内径等于固定法兰盘的外径，高度为15～20cm。

本发明的连接钢管采用轻质钢材且由多跟钢管连接构成，每根钢管的长度为1m，相邻钢管之间通过螺纹连接。

本发明的金属锚固件由中间钢筋和设置在中间钢筋圆周方向上的锚固爪连为一体构成，所述的金属锚固件浇筑在锚固端混凝土中，金属锚固件通过强磁性接头与连接钢管相连接。

利用上述的浅埋隧道超前核心土预收敛位移监测系统进行预收敛位移监测的方法包括以下步骤：

s1、基准点设置：在满足测量条件的位置钻孔设置基准点，若当前使用基准不满足测量条件时及时更换新的、满足要求的基准点；

s2、测点钻孔：按照监测计划，在地表沿隧道轴线正上方等距离钻孔，钻孔方向保持竖直且钻孔底部应达到隧道拱顶位置；

s3、测点装置安装：将pvc套管插入钻孔中，套管底端距孔底30～50cm；向钻孔孔底注入少量浆液，将连接钢管与金属锚固件一端连接后插入钻孔中，在插入过程中逐段连接钢管，直到金属锚固件到达孔底浆液中，其中，浆液用量应保证浆液能够埋没金属锚固件，浆液凝固后形成锚固端混凝土，从而使金属锚固件固定在锚固端混凝土中；

s4、初始读数：：将顶部定位组件安装在连接钢管顶端，用全站型电子测距仪测定定位组件顶端反光片与基准点之间的初始高程差h0并记录；

s5、预收敛位移量测：初始读数完成后，按照监测计划频率进行预收敛位移的量测，量测过程与初始读数过程一致，最终获得超前核心土变形后反光片与基准点之间的高程差h；

s6、测点装置保护措施：每次测量工作完成后，采用保护盖板和封盖对测点进行保护。

根据上述的浅埋隧道超前核心土预收敛位移监测方法，所述的预收敛位移计算公式为：

u＝h-h0

式中，u为测点预收敛位移，h、h0分别为反光片与基准点之间的测量高差和初始高差。

本发明的有益效果如下：

(1)、测点布置和读数工作在地表即可完成，不会造成测量工作与施工的相互干扰；

(2)、本系统中定位组件、连接钢管等可重复利用，最大程度地减少了资源浪费；

(3)、隧道埋深越小，本方法实施成本和实施难度越低；

(4)、本发明成本低、操作简单、可有效提前预知隧道变形情况、对隧道稳定性进行全方位的预判。

附图说明

图1是本发明地面测量系统的示意图。

图2是本发明预收敛位移测量系统2的结构示意图。

图3是图2中强磁性接头2-6和金属锚固件2-8的结构示意图。

图4是图2中顶部定位组件2-1的结构示意图。

图5是本发明预收敛位移计算原理图。

图中：1、基准点系统；2、预收敛位移测量系统；3、全站型电子测距仪；2-1、顶部定位组件；2-2、固定法兰盘；2-3、混凝土固定块；2-4、pvc套管；2-5、环形定位支架；2-6、连接钢管；2-7、；强磁性接头；2-8、金属锚固件；2-9、锚固端混凝土；2-1-1、反光片；2-1-2、连接钢筋；2-1-3、连接套管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1、2、3、4、5中，本发明浅埋隧道超前核心土预收敛位移监测系统,包括地面监测系统、预收敛位移测量系统2，所述的地面监测系统包括全站型电子测距仪3和基准点系统1，所述的基准点系统1设置于工作区域附近，且处于使用阶段的基准点系统必须位于掌子面前方未受施工扰动区域或掌子面后方地层变形已稳定区域；基准点系统1包括混凝土块和连接钢筋，混凝土块镶嵌于地层中，连接钢筋镶嵌于混凝土块中并伸入地层，连接钢筋上端设置有反光片,所述电子测距仪3可精确测定两点之间的水平距离及竖直方向高差；

所述的预收敛位移测量系统2包括：在拟定的预收敛位移测点正上方地表处向下的垂直钻孔，钻孔中安装有pvc套管2-4，pvc套管2-4中设置有连接钢管2-6，本实施例的连接钢管2-6采用轻质钢材且由多跟钢管连接构成，每根钢管的长度为1m，相邻钢管之间通过螺纹连接，所述的连接钢管2-6上间隔安装有环形定位支架2-5，用于防止连接钢管2-6倾斜，连接钢管2-6的底端设置有强磁性接头2-7，强磁性接头2-7与浇筑在地层中的锚固端混凝土2-9上安装的金属锚固件2-8相连接，本实施例的金属锚固件2-8由中间钢筋和设置在中间钢筋圆周方向上的锚固爪连为一体构成，所述的金属锚固件2-8浇筑在锚固端混凝土中，金属锚固件2-8上端通过强磁性接头2-7与连接钢管2-6相连接。钻孔顶端设置有镶嵌在地层中的混凝土固定块2-3，镶嵌在地层中的混凝土固定块2-3应低于地表，本实施例的混凝土固定块2-3为中空圆柱体，外径为15～20cm，内径等于固定法兰盘的外径，高度为15～20cm；pvc套管2-4的顶部加工有固定法兰盘2-2，固定法兰盘2-2安装在混凝土固定块2-3中，用于固定pvc套管2-4，连接钢管2-6的顶部安装有顶部定位组件2-1，用于测量连接钢管顶端的竖向位移；本实施例的顶部定位组件2-1由反光片2-1-1、连接钢筋2-1-2、连接套管2-1-3连接构成，本实施例的连接套管2-1-3为pvc材质套管，连接套管2-1-3下端设置在连接钢管2-6上、上端设置有连接钢筋2-1-2，连接钢筋2-1-2上连接有反光片2-1-3。

利用上述的浅埋隧道超前核心土预收敛位移监测系统进行预收敛位移监测的方法包括以下步骤：

s1、基准点设置：在满足测量条件的位置钻孔设置基准点，若当前使用基准点不满足测量条件时及时更换新的、满足条件的基准点；

s2、测点钻孔：按照监测计划，在地表沿隧道轴线正上方钻孔，钻孔方向保持竖直且钻孔底部应达到隧道拱顶位置；

s3、测点装置安装：将pvc套管插入钻孔中，套管底端距孔底30～50cm；向钻孔孔底注入少量浆液，将连接钢管与金属锚固件一端连接后插入钻孔中，在插入过程中逐段连接钢管，直到金属锚固件到达孔底浆液中，其中，浆液用量应保证浆液可以埋没金属锚固件，浆液凝固后形成锚固端混凝土，从而使金属锚固件固定在锚固端混凝土中；

s4、初始读数：将顶部定位组件安装在连接钢管顶端，用全站型电子测距仪测定定位组件顶端反光片与基准点反光片之间的初始高程差h0并记录；

s5、预收敛位移量测：初始读数完成后，按照监测计划频率进行预收敛位移的量测，量测过程与初始读数过程一致，最终获得超前核心土变形后反光片中心与基准点之间的高程差h；

s6、测点装置保护措施：每次测量工作完成后，采用保护盖板和封盖对测点进行保护。

7、根据权利要求6所述的浅埋隧道超前核心土预收敛位移监测方法，其特征在于所述的预收敛位移计算公式为：

u＝h-h0

式中，u为测点预收敛位移，h、h0分别为反光片与基准点之间的测量高差和初始高差。