CN104061871A - 一种新型隧道非接触变形监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道岩土变形监测方法，具体为一种新型隧道非接触变形监测方法。计算塑性区厚度R0值，在围岩内钻传感器安装孔，将光纤单点位移传感器的末端设置一个锚固端，将锚固端由安装孔穿过塑性区埋设于弹性区内固定，光纤单点位移传感器位于塑性区内，传感器的伸缩探头顶端即活动点固定于隧道开挖界面，用于测量数据，根据光纤单点位移传感器测量的值计算塑性区形变。监测数据通过光纤传输到洞口，在此过程中人力资源耗费少，监测数据不受人为影响，并且可以有效避免电缆传输时数据的损失及损伤，并可以通过传感器装置的设置实现自动实时监测的目的。

Description

一种新型隧道非接触变形监测方法

技术领域

本发明涉及岩土隧道洞室形变监测领域，具体为一种新型隧道非接触变形监测方法。

背景技术

自新奥法技术问世以来，隧道设计与施工技术有了较大的进展，新奥法构筑隧道的特点是借助现场监测对隧道围岩进行动态监测，并据以指导隧道的开挖作业和支护结构的设计与施工。

目前，新奥法的设计工作是在其理论基础的指导下，参考已建工程的设计参数进行初选设计后，再通过施工过程对围岩的监测分析来完善设计。因此，监测工作是监视设计、施工是否正确的眼睛，是监视围岩是否安全稳定的手段。它始终伴随着施工全过程，实践证明，利用工程类比法和监测手段获得有关参数进行设计是可以收到满意效果的。其中隧道内空变形监测是最直观有效的监测项目。

传统的隧道变形监测主要采用收敛计等接触式的监测方式，收敛计由连接、测力、测距三部分组成，测距装置由钢带尺和螺旋测微器构成，螺旋测微器还兼有调整钢带尺张力的作用，量测时悬挂于两个测点之间旋进螺旋测微器时钢带尺张力即可增加，直至增加到规定的张力值时停止旋进后进行读数，通过多次测量求差值的方式监测隧道施工期间的变形。

该方式存在人力资源要求高、影响施工进度、监测数据受人为影响大并且数量少和测点容易破坏等不足之处，由于测点的布置和测量完全依靠人力进行，每次监测需1-2人同时操作，故需要在施工现场常驻监测人员，同时监测数据依靠人为读取，不同的监测人员可能造成读数的人为误差，每监测一个断面的变形值需要耗时10分钟甚至更长的时间。故监测数据的数量常常不能满足指导设计与施工。同时，监测时需在隧道监测断面内多方向拉钢尺，影响施工车辆的行进和人员的安全。由于监测测点长期暴露在隧道衬砌表面，在隧道施工过程中及其容易对测点造成破坏，影响监测数据。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足、缺陷，达到更好的监测隧道洞室的形变效果。

本发明的技术方案是：一种新型隧道非接触变形监测方法，包括如下步骤：

1）计算塑性区厚度R0值，隧道开挖界面周围的围岩由浅入深分为塑性区和弹性区，利用统一强度准则和岩土工程勘察报告中的岩体强度值估算出塑性区的范围边界，即塑性区厚度R0值；

统一强度准则的表达式如下：

或

隧道开挖受到初始低应力p0和内压力p的共同作用，在弹性变形阶段，围岩应力由Lame公式确定，即：

在围岩塑性区内，，，以r=a，为边界条件，求得围岩塑性区应力：

根据弹性区与塑性区交界处径向应力连续整理得：

继而通过地勘报告提供的岩体强度值估算出塑性区的范围边界r，即塑性区厚度R0值。

2）安装传感器，在围岩内钻传感器安装孔，将光纤单点位移传感器的末端设置一个锚固端，将锚固端由安装孔穿过塑性区埋设于弹性区内固定，光纤单点位移传感器位于塑性区内，传感器的伸缩探头顶端即活动点固定于隧道开挖界面，用于测量数据；传感器通过光纤与测控计算机连接并传输数据。

步骤1）中采用隧道开挖塑性区变形规律指导隧道施工和完善设计。

步骤2）中所述锚固端为采用钢筋焊接。

步骤2）中所述的光纤单点位移传感器长度大于R0，量程50mm~100mm，以满足隧道塑性区的变形量。

步骤2）中所述安装孔，为满足传感器的安装要求，及保证传感器的安装位置，钻孔深度为1m~1.5m，直径50mm，孔口为扩孔，扩大直径应大于100mm。

步骤2）中所述传感器伸缩探头顶端与隧道开挖界面的固定，采用在探头顶端垂直焊接一钢筋，将钢筋埋入隧道初期支护中。

光纤单点位移传感器原理为其中一端自带一个伸缩探头，伸缩探头随隧道开挖界面的位移而发生变形。通过探头的变形测试出不动点和活动点之间的变形值。位移传感器由传感器端和锚固端组成，隧道开挖后周围围岩的变形可分为弹性区和塑性区，用于指导设计与施工的变形监测数据主要为围岩的塑性变形，故可以将位移传感器的锚固端穿过弹塑性区交界面埋设于弹性区范围内并固定。将传感器端的伸缩探头顶端即活动点固定于隧道开挖界面。由此可有效测试出隧道开挖界面和弹塑性区交界面之间R0范围内的变形值。

本发明采用光纤单点位移传感装置，埋入隧道围岩内对围岩变形进行监测，监测数据通过光纤传输到洞口，在此过程中人力资源耗费少，监测数据不受人为影响，并且可以有效避免电缆传输时数据的损失及损伤，并可以通过传感器装置的设置实现自动实时监测的目的，本方法在监测过程中不需在隧道内空拉钢尺，不影响隧道的正常施工。同时可广泛应用于需进行变形监测的运营中的隧道及地铁轻轨设施。

附图说明

图1为 隧道围岩分区图；

图2为传感器安装示意图；

图3为传感器安装孔隧道钻孔图；

图4为传感器的探头顶端锚固示意图。

其中1——传感器，2——锚固端，3——伸缩探头，4——固定钢筋，5——安装孔，6——隧道衬砌表面。

具体实施方式

下面结合具体实施例和说明书附图对本发明作进一步说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：如图1和图2所示，开挖后隧道周围围岩的变形可分为弹性区和塑性区，用于指导设计与施工的变形监测数据主要为围岩的塑性变形。

如图2所示，将位移传感器的锚固端穿过弹塑性区交界面埋设于弹性区范围内并固定。将传感器端的伸缩探头顶端即活动点固定于隧道开挖界面。由此可有效测试出隧道开挖界面和弹塑性区交界面之间R0范围内的变形值。

在传感器埋设之前需首先确定隧道塑性区的范围边界，即R0的值，统一强度准则可以考虑中间主应力的影响求解围岩的应力及位移，实践证明求得的结果可以满足本方法在隧道监测中的实施应用。

或

式1 统一强度准则中应力与岩石抗剪强度指标的关系式

利用统一强度准则和岩土工程勘察报告中提出的岩体强度值可估算出塑性区的范围，在该R0值乘以一个安全系数后。可有效监测到由隧道开挖引起的塑性变形。

隧道开挖受到初始低应力p0和内压力p的共同作用，在弹性变形阶段，围岩应力由Lame公式确定，即：

在围岩塑性区内，，，以r=a，为边界条件，求得围岩塑性区应力：

根据弹性区与塑性区交界处径向应力连续整理得：

继而通过地勘报告提供的岩体强度值估算出塑性区的范围边界r，即塑性区厚度R0值。在该R0值乘以一个安全系数后。可有效监测到由隧道开挖引起的塑性变形。

本方法实施所采用传感器的规定：

1）传感器的量程：传感器的量测需大于塑性区内的变形值，以往经验证明，所需传感器的量程为50mm-100mm。目前的光纤传感器可以到达该量程。

2）传感器的长度：传感器的长度需穿过塑性区固定与弹性区内，故传感器长度需大于R0，由于本传感器由传感器端和锚固端两部分组成，故锚固端可自由加长。

本方法实施的隧道内的安装条件：

1）隧道内钻孔：以往经验证明，要保证传感器穿过塑性区锚固于弹性区范围内，钻孔深度约1m-1.5m，如图3所示。为保证传感器的正常使用需要采用直径50mm的钻孔设备。再对孔口位置进行扩大至直径>100mm，用于锚固传感器的探头顶端。

2）传感器的探头顶端锚固措施：如图4所示，为精确测量隧道开挖塑性区范围内的变形，需要对传感器的探头顶端进行合理的锚固。本方法采取对传感器进行改装，即在传感器的探头顶端垂直焊接一根直径为8mm固定钢筋，固定钢筋埋入隧道衬砌表面或隧道表面初期支护中。

综上所述是本发明较佳的实施例，凡依本发明技术方案所做的改变，所生产的功能作用未超出本发明技术方案的范围时均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种新型隧道非接触变形监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）计算塑性区厚度R0值，隧道开挖界面周围的围岩由浅入深分为塑性区和弹性区，利用统一强度准则和岩土工程勘察报告中的岩体强度值估算出塑性区的范围边界，即塑性区厚度R0值，

统一强度准则的表达式如下：

或

隧道开挖受到初始低应力p0和内压力p的共同作用，在弹性变形阶段，围岩应力由Lame公式确定，即：

在围岩塑性区内， ，，以r=a， 为边界条件，求得围岩塑性区应力：

根据弹性区与塑性区交界处径向应力连续整理得：

继而通过地勘报告提供的岩体强度值估算出塑性区的范围边界r，即塑性区厚度R0值；

2）安装传感器，在围岩内钻传感器安装孔，将光纤单点位移传感器的末端设置一个锚固端，将锚固端由安装孔穿过塑性区埋设于弹性区内固定，光纤单点位移传感器位于塑性区内，传感器的伸缩探头顶端即活动点固定于隧道开挖界面，用于测量数据。

2.根据权利要求1所述一种新型隧道非接触变形监测方法，其特征在于，步骤2）中所述锚固端为采用钢筋焊接。

3.根据权利要求1所述一种新型隧道非接触变形监测方法，其特征在于，步骤2）中所述的光纤单点位移传感器长度大于R0，量程50mm~100mm范围。

4.根据权利要求1所述一种新型隧道非接触变形监测方法，其特征在于，步骤2）中所述安装孔，钻孔深度为1m~1.5m，孔口为扩孔。

5.根据权利要求1所述一种新型隧道非接触变形监测方法，其特征在于，步骤2）中所述传感器伸缩探头顶端与隧道开挖界面的固定，采用在探头顶端垂直焊接一钢筋，将钢筋埋入隧道初期支护中。

6.根据权利要求1所述一种新型隧道非接触变形监测方法，其特征在于，步骤1）中采用隧道开挖塑性区变形规律指导隧道施工和完善设计。