CN111156051A - 一种隧道围岩内部位移监控***及塌方预警方法 - Google Patents
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Abstract
一种隧道围岩内部位移监控***及塌方预警方法，包括多组沿隧道延伸方向排布的传感器组，每组所述传感器组包括设置在同一横截面内的隧道拱部围岩以及拱脚围岩内的多根分布式位移传感器，所述分布式位移传感器在隧道拱部围岩内沿隧道延伸方向斜向前布设、在拱脚围岩内沿隧道径向布设，所述分布式位移传感器包括布设在同一直线上的、间距相同的多个倾角传感器和具有通信、定位功能的通信定位终端，所述倾角传感器与通信定位终端连接。本发明可以结合隧道正常施工措施布设分布式位移传感器，实现隧道周围围岩内部位移的全面监测，并通过数据分析判定塌方范围和趋势，施工完成后，分布式位移传感器可回收并用于后续施工，施工方便、结果可靠、成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及隧道与地下工程领域，具体是一种隧道围岩内部位移监控***及塌方预警方法。
背景技术
塌方是隧道工程施工中经常遇到的灾害事故。为了保证施工安全，隧道施工过程中需要对围岩和支护结构进行大量监测，监测内容包括隧道周边的位移和支护结构的内、外力等。这些监测主要针对隧道表面，是围岩和结构变形失稳结果的表现，其有效性和及时性往往不是很理想。实际上，在隧道围岩表面和支护结构出现显著坍塌征兆之前，围岩内部一定已经发生位移。对于一些较为软弱的围岩，在隧道还没有开挖之前，掌子面前方的岩土体往往已经发生较大位移。因此，***性监测隧道围岩内部位移，并通过分析围岩内部位移的量值及时空分布，对隧道塌方监测预警具有十分重要的意义。
对于围岩内部位移的监测，目前在一些复杂隧道施工中也有开展。其主要方法是在隧道内向围岩内部钻孔，然后安装单点或多点位移计，其中单点位移计可以监测围岩内部某个点沿钻孔轴线的相对位移，多点位移计可以监测围岩内部多个(通常为3-4个)点沿钻孔轴线的相对位移。这一方法由于需要采用专门的地质钻机钻孔并安装位移计，实施难度很大，工时和材料消耗很大，只能在个别断面安设少数测点，无法***性的监测隧道围岩内部位移，并通过围岩内部位移的时空变化分析来预测塌方，大多数仅用于隧道工程科学研究。
基于上述背景，如何低成本、高效率地全面开展隧道围岩内部位移的监测，并通过围岩内部位移的时空分析来预测隧道塌方，是现在隧道安全施工亟待解决的问题。
发明内容
本发明针对隧道施工安全监测只在围岩表面和支护结构中开展，预测隧道塌方的有效性和及时性不足，以及专门的围岩内部位移监测实施难度大、成本高而无法全面、***开展的问题，提供一种隧道围岩内部位移监测***及塌方预警方法。
本发明包括以下实施方案：
一种隧道围岩内部位移监控***，包括多组沿隧道延伸方向排布的传感器组，每组所述传感器组包括设置在同一横截面内的隧道拱部围岩以及拱脚围岩内的多根分布式位移传感器，所述分布式位移传感器在拱部沿隧道延伸方向斜向前布设、在拱脚沿径向布设，所述分布式位移传感器包括布设在同一直线上的、间距相同的多个倾角传感器和具有通信、定位功能的通信定位终端，所述倾角传感器与通信定位终端用电缆连接。
本实施方式中，所述倾角传感器上固定有磁性基座，所述倾角传感器通过磁性基座安装在钢管内形成整体，所述通信定位终端设置在钢管的末端。
本实施方式中，所述分布式位移传感器在隧道拱部时安装在超前支护钢管内，超前支护钢管包括超前支护小导管和超前管棚，分布式位移传感器1在隧道拱脚部时安装在锁脚钢管内。
本实施方式中，相邻所述倾角传感器的间距为20～100cm。
本实施方式中，所述隧道拱部围岩内沿环向布设1～5根分布式位移传感器。
本实施方式中，所述通信定位终端的信号端与监测工控机连接，所述监测工控机与计算机连接。
一种隧道围岩内部位移监控***的塌方预警方法，利用上述隧道围岩内部位移监控***，在隧道施工过程中，每一开挖循环在围岩内安装传感器组，每个分布式位移传感器形成一个测量点，实时监控沿隧道纵向任意相邻测点或相邻区域测点的位移差值，实时监控沿隧道环向拱脚和拱部位移的差值，上述任一指标达到预警值，启动预警。这里所述的预警值，根据岩土体强度确定，设定硬质岩***移差值为2-3mm，软质岩体或土质中位移差值为1-5cm，当位移差值超过设定值，启动预警。
本发明具有如下优点：
(1)采用分布式位移传感器获得了隧道周围围岩的全部内部位移值，包括拱部围岩和拱脚围岩，特别是掌子面前方未开挖的围岩的内部位移，为塌方预警等提供了基础数据。
(2)采用的分布式位移传感器安装固定在超前支护钢管(包括小导管和管棚)、锁脚钢管内，不需要专门钻孔施工，安装方便快捷，监测完成后可取出重复使用，降低了成本。
(3)通过全面监测隧道周围围岩内部位移，应用相邻测点、相邻区域的位移差值进行塌方预警，不仅可以快速、准确预测塌方，还可确定将要发生塌方的具***置。
综上所述，本发明提供的一种隧道围岩内部位移监控***，可以结合隧道正常施工措施布设分布式位移传感器，实现隧道周围围岩内部位移的全面监测，并通过数据分析判定塌方范围和趋势，施工完成后，分布式位移传感器可回收并用于后续施工，施工方便、结果可靠、成本低廉。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图1为本发明一种隧道围岩内部位移监控***总体构成图。
图2为本发明分布式位移传感器结构组成。
图3为本发明拱部分布式位移传感器监测原理图。
图4为本发明拱脚分布式位移传感器监测原理图。
图5为本发明通过围岩内部位移预测塌方位置的原理(横断面)。
图6为本发明通过围岩内部位移预测塌方位置的原理(纵断面)。
图中：1～分布式位移传感器；11～通信定位终端；12～倾角传感器；13～磁性支座；14～通信线；2～掌子面；3～未开挖区段；4～初期支护；5～已开挖区段；6～整体平移；7～挠曲位移；8～塌方范围。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图及实施实例，对发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此，本发明的保护范围也涉及本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
参见图1，一种隧道围岩内部位移监控***，包括多组沿隧道延伸方向排布的传感器组，每组所述传感器组包括设置在同一横截面内的隧道拱部围岩以及拱脚部围岩内的多根分布式位移传感器。分布式位移传感器1在隧道拱部时安装在超前支护钢管内，分布式位移传感器1在隧道拱脚部时安装在锁脚钢管内。
在隧道掌子面2拱部也布设有传感器组，所述分布式位移传感器1***到未开挖区段3中。开挖并施做初期支护4后，隧道掌子面2拱部的分布式位移传感器1将处于已开挖区段5(向前延伸)的初期支护4(向前延伸)的外侧。在隧道两侧拱脚的分布式位移传感器1位于已开挖区段5的初期支护4的两侧底部。上述分布式位移传感器1完全覆盖了隧道掌子面2前方未开挖区段3和已开挖区段5周围的围岩，能够密切监视围岩内部位移情况，为分析围岩稳定状态提供依据。
参见图2，所述分布式位移传感器1包括通信定位终端11和若干个间距相同的倾角传感器12组成，相邻倾角传感器12间距为20-100cm，所述倾角传感器12通过磁性支座13吸附在钢管内腔，并通过通信线14串联后再与通信定位终端11连接。所述通信定位终端具有通信和定位功能，能够向监测工控机传送通信定位终端的位置和相应倾角传感器的测试值，通过相应的计算机计算，可以直观的获得隧道拱部纵向不同位置的围岩内部位移和隧道拱脚不同位置的围岩内部位移，由此全面掌握隧道周围围岩的内部位移情况，为塌方预警提供依据。
参见图3，在隧道拱部的第一组传感器在围岩内部发生位移后，钢管可能发生整体平移6和挠曲位移7，其中整***移6通过通信定位终端11测得，挠曲位移7通过不同位置的倾角传感器12的角度变化及其所在几何位置累积计算获得。
参见图4，隧道两侧拱脚部的第二组和第三组传感器在围岩内部发生位移后，钢管也可能发生整体平移6和挠曲位移7，其中挠曲位移7也通过不同位置的倾角传感器12的角度变化及其所在几何位置累积计算获得，而整体平移通过端部通信定位终端11测得位移值和该处的挠曲位移7反算获得。
进一步的，一种应用隧道围岩内部位移监控***的塌方预警方法，在隧道掌子面2开挖之前，在隧道拱部沿径向从内向外斜向打入超前小导管后，在超前小导管内部安装分布式位移传感器1，施做初期支护4，然后在隧道两侧拱脚从内向外、沿径向斜向下打入锁脚钢管，在锁脚钢管内部安装分布式位移传感器1。随着隧道向前推进，分布式位移传感器1将覆盖已开挖区段5(向前延伸)的拱部和拱脚两侧，以及掌子面2拱部前方等可能发生塌方的布置。通过分布式位移传感器1末端的通信定位终端11和内部的倾角传感器12，通过简单几何计算获得隧道周围围岩的内部位移。在数据分析方面，一方面通过全部围岩中的最大值，可以为塌方预警提供一定参考，更重要的，通过分析相邻测点或相邻区域的位移差值，可以判定有坍塌趋势的位置及范围。
参见图5，在隧道横断面上，通过布设5根分布式位移传感器1，当塌方范围8有塌方趋势时，内部的两根分布式位移传感器1测值将显著大于相邻区域，由此可以实现预警，并界定横断面上的塌方范围。同理，参见图6，也可以界定纵断面上的塌方范围。
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种隧道围岩内部位移监控***，其特征在于：包括多组沿隧道延伸方向排布的传感器组，每组所述传感器组包括设置在隧道同一横截面的拱部围岩内以及拱脚围岩内的多根分布式位移传感器，所述分布式位移传感器在隧道拱部围岩内沿隧道延伸方向斜向前布设、在拱脚围岩内沿隧道径向布设，所述分布式位移传感器包括布设在同一直线上的、间距相同的多个倾角传感器和具有通信、定位功能的通信定位终端，所述倾角传感器与通信定位终端连接。
2.根据权利要求1所述的隧道围岩内部位移监控***，其特征在于：所述倾角传感器上固定有磁性基座，所述倾角传感器通过磁性基座安装在钢管内形成整体，所述通信定位终端设置在钢管的末端。
3.根据权利要求1所述的隧道围岩内部位移监控***，其特征在于：所述分布式位移传感器在隧道拱部时安装在超前支护钢管内，分布式位移传感器在隧道拱脚时安装在锁脚钢管内。
4.根据权利要求1所述的隧道围岩内部位移监控***，其特征在于：相邻所述倾角传感器的间距为20～100cm。
5.根据权利要求1所述的隧道围岩内部位移监控***，其特征在于：所述隧道拱部围岩内沿环向布设1～5根分布式位移传感器。
6.根据权利要求1所述的隧道围岩内部位移监控***，其特征在于：所述通信定位终端的信号端与监测工控机连接，所述监测工控机与计算机连接。
7.一种隧道围岩内部位移监控***的塌方预警方法，利用权利要求1至6任意一项所述的隧道围岩内部位移监控***，其特征在于：在隧道施工过程中，每一开挖循环在围岩内安装传感器组，每个分布式位移传感器形成一个测量点，实时监控沿隧道纵向任意相邻测点或相邻区域测点的位移差值，实时监控沿隧道环向拱脚和拱部位移的差值，上述任一指标达到预警值，启动预警。
8.根据权利要求7所述的隧道围岩内部位移监控***，其特征在于：所述的预警值，根据岩土体强度确定，设定硬质岩***移差值为2-3mm，软质岩体或土质中位移差值为1-5cm，当位移差值超过设定值，启动预警。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN112050776A (zh) * | 2020-10-20 | 2020-12-08 | 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 | 一种盾构隧道围岩变形超前监测结构及监测方法 |
| CN113175331A (zh) * | 2021-04-06 | 2021-07-27 | 中南大学 | 一种软弱围岩纤维网预支护结构和快速施工设备及方法 |
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