CN111288897B - 基于位移计和全站仪的围岩内部绝对位移测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于位移计和全站仪的围岩内部绝对位移测量装置和方法，多点位移计包括位移计表头和间隔设置在待测围岩深孔内的若干只锚头，每只锚头与位移计表头的对应测量端联接，实现锚头固定点的位移参数测量；所述的全站仪实现对深孔孔口的三维坐标参数测量；处理单元获取孔口的三维坐标参数和多个锚头固定点的位移参数后计算得到围岩内部的绝对位移值，进而拟合得到围岩的最大松弛半径值。本发明利用多点位移计联合全站仪测算围岩内部绝对位移，建立了隧道围岩内部绝对位移计算分析模型，为分析围岩松动范围、评价围岩稳定状态和优化结构设计参数提供更加真实可靠的数据支撑。

Description

基于位移计和全站仪的围岩内部绝对位移测量装置和方法

技术领域

本发明属于土木工程中隧道施工量测技术领域，具体涉及一种围岩内部绝对 位移参数的测量装置和方法，特别是基于位移计和全站仪的围岩内部绝对位移测 量装置和方法。

背景技术

我国是一个多山并且地质条件极其复杂的国家，山区面积占2/3以上。随着 国民经济的持续快速发展，交通基础工程的大规模建设，在公路、铁路的建设过 程中需要修筑大量隧道。目前，我国隧道基本都采用新奥法进行设计与施工，新 奥法的核心思想是强调预支护和监控量测，监控量测工作伴随着新奥法施工的全 过程。围岩内部位移量测作为一种投资大且较为复杂的量测项目，一直是隧道监 控量测工作中的一个重要内容，因为围岩内部位移的变化直接反映了围岩和支护 ***的力学形态，它不仅能够反映隧道开挖或支护后围岩内部位移情况、围岩松 动范围、围岩稳定效果，而且为围岩应力和力学参数的反演分析提供了可靠的信 息和依据。

目前，虽然隧道监控量测技术得到了很大发展，但也存在很大的改进空间， 就隧道围岩内部位移监控项目而言，国内开展的相对较少，只在少数重要工程中 用到。目前，常用的量测设备主要有各种单点或多点位移计。根据传感器的类型 不同主要可分为测微表式、电位器式、钢弦式和差动电阻式，还有其他一些利用 收敛计等间接量测围岩内部位移的方法。上述各种量测围岩内部位移的量测设备 或方法都不同程度地存在以下问题：位移计成本高，安装不便；构造复杂，量测 难度大；量测范围小，量测点数和深度受限；而结构简单的传感器，精度差，且 量测不便，误差也较大。

最为重要的是目前隧道工程中单点/多点位移计多是在隧道开挖并进行初期 支护后进行安装，以保障试验人员及元器件的安全，即多点位移计测量端均须固 定在隧道初期支护喷射混凝土的表面。而随着隧道的开挖卸荷，隧道周围岩体应 力平衡状态被打破，并发生向隧道净空的挤出变形，不同深度的岩体向隧道净空 的位移大小或程度不同。隧道支护结构也会在背后岩体的挤压作用下产生竖直方 向和水平方向的位移。因此，多点位移计的量测结果均是被测岩体与支护结构共 同运动下的相对位移，量测数据不能客观地反应围岩松动范围和稳定状态。此外， 受岩层产状、埋深条件、原始地应力大小等影响，围岩和支护在竖直和水平两个 方向的位移往往存在显著差异，即某一深度处的围岩向隧道净空的收敛并不一定 是沿隧道径向的。隧道工程人员往往最关心的是影响隧道稳定性的围岩松弛范围 或最大松弛半径，这也是多点位移计测试最重要的目的，而非径向的位移量无法 准确体现围岩向隧道净空的松弛变形程度。因此，亟需建立考虑不同方向位移形 式的隧道围岩内部绝对位移量测装置和综合计算分析模型。

发明内容

针对隧道施工过程中围岩内部位移测量中存在的问题，本发明提出了一种基 于位移计和全站仪的围岩内部绝对位移测量装置和方法，利用多点位移计联合全 站仪测算围岩内部绝对位移，进而测算围岩松动范围，评价围岩的稳定状态，对 于指导隧道结构设计与施工具有重要意义。

本发明的技术方案如下：

基于位移计和全站仪的围岩内部绝对位移测量装置，包括处理单元、全站仪 和多点位移计，所述的多点位移计包括位移计表头和间隔设置在待测围岩深孔内 的若干只锚头，每只锚头与位移计表头的对应测量端联接，实现锚头固定点的位 移参数测量；所述的全站仪实现对深孔孔口的三维坐标参数测量；处理单元获取 孔口的三维坐标参数和多个锚头固定点的位移参数后计算得到围岩内部的绝对 位移值，进而拟合得到围岩的最大松弛半径值。

上述基于位移计和全站仪的围岩内部绝对位移测量装置中，待测深孔孔口处 安装有反光贴片，全站仪瞄准所述的反光贴片获取深孔孔口的三维坐标参数。

上述基于位移计和全站仪的围岩内部绝对位移测量装置中，每根锚头上设置 有通孔，深孔内位于较深位置锚头的测线依次穿过位于较浅位置锚头上的通孔并 绷紧后，与对应的位移计表头的测量端联接。

上述基于位移计和全站仪的围岩内部绝对位移测量装置中，所述的多点位移 计为光纤光栅多点位移计。

上述基于位移计和全站仪的围岩内部绝对位移测量装置中，从深孔孔口引出 的每根测线绷紧后，经过独立的定滑轮后与位移计表头对应的测量端联接。

上述基于位移计和全站仪的围岩内部绝对位移测量装置中，在相邻锚头之间 设置有保护套管，测线穿在保护套管内。

上述基于位移计和全站仪的围岩内部绝对位移测量装置中，从深孔孔口引出 的每根测线上加载测力计或恒力砝码使其绷紧。

一种围岩内部绝对位移的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

【1】试验准备

【1.1】根据设定的角度、深度，在围岩上钻取深孔；

【1.2】根据测点的间距要求，从深孔的孔底至孔口依次安装n只锚头，每 只锚头的测线绷紧后与位移计表头的对应测量端联接；

【1.3】在孔口位置安装反光贴片，并使用全站仪测量孔口三维坐标的初 始值；

【2】参数测量

按照设定的测量频次对围岩进行测量，得到孔口的三维坐标实测值和每只锚 头的位移参数；

【3】数据处理

【3.1】计算得到第i个锚头所在的第i号测点位置处岩体沿径向的绝对位移 表示为：

其中

i—测点序号，从孔口至孔底依次编号为1至n；

u_ir—i号测点处岩体沿径向的绝对位移，mm；

Δl₀—洞壁孔口处绝对收敛值，mm；由全站仪测量得到。

Δh₀—洞壁孔口处绝对沉降值，mm；由全站仪测量得到；

a—岩体变形前后深孔轴线的变化角度，由全站仪测量计算得到；

r_i—i号测点处多点位移计初始长度值，mm；由多点位移计前期读数得到；

r_i'—i号测点处多点位移计最终长度值，mm；由多点位移计后期读数得到。

【3.2】根据【3.1】公式，对围岩内部n个测点的径向绝对位移和多点位移 计各测点的径向初始长度值进行拟合，得到围岩松弛位移关系式：

u_ir＝f(r_i)

【3.3】对围岩松弛关系式求取反函数可得：

r_i＝f^-1(u_ir)

【3.4】当u_ir＝0时，即取岩体径向绝对位移为0时，计算得到围岩最大松弛 半径。

本发明具有的有益技术效果如下：

1、本发明提出了一种基于多点位移计和全站仪的围岩内部绝对位移测量装 置和方法，利用多点位移计联合全站仪测算围岩内部绝对位移，测量中考虑了支 护和围岩的竖向沉降和水平位移工况条件，建立了隧道围岩内部绝对位移计算分 析模型，使得围岩内部位移量测结果更接近实际情况，为分析围岩松动范围、评 价围岩稳定状态和优化结构设计参数提供更加真实可靠的数据支撑，对于指导隧 道结构设计与施工具有重要意义。

2、本发明中由多点位移计测量得到深孔所在测点的初始位移长度和在施工 过程中的绝对位移值，由全站仪得到洞口的绝对收敛值、绝对沉降值和深洞轴线 的角度变化值，并根据围岩在施工中的位移变化规律和计算模型，得到了深孔内 部多点的径向绝对位移和径向位置之间的关系，进而通过曲线拟合得到了围岩松 弛关系式和围岩最大松弛半径值，克服传统方式测量中无法提供绝对位移参数的 不足，为围岩稳定状态的判断提供了一种简单可靠的方案。

3、本发明在实施中将洞外的测线通过测力计或者砝码进行恒力张紧，确保 了位移测量的准确性；同时采用光纤光栅多点位移传感器具有量测精度高、读数 方便，可通过光纤实现远程量测等优点。

4、本发明的锚头上设置有通孔，使得深孔内部的测线可以穿过；相邻锚头 之间设置有保护测线的套管，同时锚头经过独立的定滑轮后与位移计表头联接， 确保了测量的可靠性。

附图说明

图1为多点位移计联合全站仪测试隧道围岩内部绝对位移原理示意图；

图2为多点位移计安装示意图；

图3为锚头内部通孔及套管示意图；

图4为围岩内部绝对位移计算模型图；

图5为隧道围岩松弛位移曲线；

图6为陕西某隧道围岩绝对位移回归曲线；

附图标记为：1-围岩；2-混凝土；3-深孔；4-测线；5-位移计表头；6-定滑轮； 7-绷紧机构；8-测线束；9-通孔；10-锚头；15-保护套管；20-隧道内壁；21-掌子 面；31-全站仪；32-基准点；

具体实施方式

为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，以下结合图表及实施例，对本发 明进行进一步详细说明。应当理解，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。

如图1至图3所示，本发明基于位移计和全站仪的围岩内部绝对位移测量装 置，包括处理单元、全站仪31和多点位移计，多点位移计包括位移计表头5和 间隔设置在待测围岩深孔3内的若干只锚头10，每只锚头10与位移计表头5的 对应测量端联接，实现锚头10固定点的位移参数测量；所述的全站仪31实现对 深孔3孔口的三维坐标参数测量；处理单元获取孔口的三维坐标参数和多个锚头 10固定点的位移参数后计算得到围岩内部的绝对位移值，进而拟合得到围岩的 最大松弛半径值。多点位移计优选采用光纤光栅多点位移计；隧道内设置有基准 点32，全站仪31以该基准点32为位移参考点，测量时待测深孔3孔口处安装 有反光贴片，全站仪31对准所述的反光贴片。根据需要，一只全站仪31可以同 时检测若干个深孔3的孔口三维坐标，

图2和图3中，每根锚头10上设置有通孔9，深孔3内位于较深位置锚头 的测线4依次穿过位于较浅位置锚头上的通孔9并绷紧后，经过独立的定滑轮6 后与位移计表头5对应的测量端联接。从深孔3孔口引出的每根测线绷紧后，在 相邻锚头之间设置有保护套管15，测线4穿在保护套管15内。

目前隧道工程中通过现有装置(单/多点位移计)和方法测得的结果均为围 岩和支护共同运动下的相对位移，而非绝对位移。且围岩和支护结构在竖直方向 和水平方向的变形(或位移)往往存在现在差异，即某一深度处的围岩向隧道净 空的收敛并不一定是沿隧道径向的。基于此，建立考虑不同方向位移形式的隧道 围岩内部绝对位移综合计算分析模型。图4给出了围岩内部绝对位移计算模型 图。

以某深度处i测点为例，通常隧道受到施工的影响，当围岩内部应力重分布 并向隧道净空挤出变形时，往往会产生岩体和洞壁两向位移。根据图4可知，围 岩变形前后，多点位移计变形满足的几何条件如式(1)所示：

将式(1)变换可得i号测点绝对位移计算如式(2)所示。

则i号测点沿原始方向(或径向)的绝对位移计算如式(3)所示。

其中：

i—测点序号，从孔口至孔底依次编号为1至n；

u_ir—i号测点处岩体沿径向的绝对位移，mm；

Δl₀—洞壁孔口处绝对收敛值，mm；由全站仪测量得到。

Δh₀—洞壁孔口处绝对沉降值，mm；由全站仪测量得到；

a—岩体变形前后深孔轴线的变化角度，由全站仪测量计算得到；

r_i—i号测点处多点位移计初始长度值，mm；由多点位移计前期读数得到；

r_i'—i号测点处多点位移计最终长度值，mm；由多点位移计后期读数得到；

根据围岩内部绝对位移的计算结果和相应的径向距离(深度)，绘制围岩松 弛位移曲线，如图5所示。

对不同深入围岩的绝对位移进行拟合，回归出围岩松弛关系式：

u_ir＝f(r_i) (4)

对式(4)求取反函数可得：

r_i＝f^-1(u_ir) (5)

则当u_i＝0时，即取岩体绝对位移为0mm时，围岩最大松弛半径(松动圈范 围)的计算公式为：

r_max＝f^-1(0) (6)

其中：

r_max—围岩最大松弛半径，m。

通过式(6)可求得围岩最大松弛半径r_max。围岩内部位移是岩体对开挖扰 动最直接的力学响应之一，是评价围岩稳定状态的基本依据，也为反演岩石力学 参数、评估围岩压力大小提供了基础信息。

下面以陕西某隧道为例，给出具体实施过程。

【1】试验准备，制定试验及量测方案。

依托陕西省某高速公路隧道开展试验研究，该隧道为单洞两车道隧道，试验 段围岩等级为Ⅳ级，隧道开挖主要采用三台阶法施工。多点位移计的安装宜靠近 隧道掌子面为佳，越靠近掌子面，随隧道分部开挖测得的位移数据越全面。为测 量隧道中台阶围岩的内部位移情况，因此，选择在该隧道中台阶掌子面附近开展 试验。

试验断面桩号为YK197+010，多点位移计钻孔位置选择在隧道右边墙沿断面 最大开挖线水平径向打设(即打设角度为0°)，钻孔打设深度为5m，每1m安装 一锚固元件，即孔内安装5点位移计。多点位移计和全站仪量测频率为2次/天， 该断面分部开挖过程中适当加强量测频率。

【2】光纤光栅多点位移计安装

【2.1】成孔：利用潜孔钻机在隧道右侧壁1.5m处水平钻孔，钻头直径φ89， 钻孔深度5m，钻孔完成后应将孔内残留岩渣应清理干净，保证钻孔平滑顺直。

【2.2】锚固元件安装：将第一个锚固元件(机械锚头)推入钻孔5m处，机 械锚头推入深度根据锚头测线(钢丝线)的长度进行控制，轻拉测线使锚头锚固 牢靠，将测线穿入第一节保护套管(长1m、直径φ80)，并将套管送入孔内5m 处，保护测线不受塌孔、围岩挤压变形影响；将第一个锚固元件的测线穿过第二 个锚固元件底部的圆孔，将第二个锚固元件推入钻孔4m处，轻拉测线以确保锚 固元件锚固牢靠，然后将第一根测线和第二根测线穿入第二节保护套管(长1m、 直径φ80)，并将第二节保护套管推入孔内4m处，顶入过程中保持第一根测线绷 直，以防卷夹；依次类推，将其余锚固元件和保护套管依次推入3m、2m和1m 处，并确保锚固元件锚固牢靠。

【2.3】定滑轮安装：将所有测线穿过孔口带有转向滑轮的多孔锚盖，在测 试箱体内安装5个转向滑轮，并将所有测线引绕过转向滑轮，测线过程中需保证 测线间不互相缠绕。

【2.4】测力计安装：为防止监控量测过程中测线产生意外脱落或松弛等情 况的发生，在测试箱体的顶部安装测力计，以使其始终保持恒定的绷紧度。也可 以采用在每根测线的下部安装恒力砝码，在岩石变形位移中对引线施加恒定的拉 力，确保位移测量的准确性。

【2.5】光纤传感器安装：安装固定光纤传感器，并将所有测线与光纤传感 器连接，并调整好传感器量程(-50mm～450mm)，测量并记录传感器初始读数(波 长λ)。光纤光栅多点位移计参数见表1所列。

表1光纤光栅多点位移计参数表

【3】多点位移计洞壁孔口位置安装反光贴片，并在隧道路面中部前后无遮 挡位置架设全站仪，经过对中、粗平和精平将全站仪调平，输入测站点信息和仪 器高后进行设站，之后输入后视基准点坐标，并旋转全站仪照准部瞄准后视基准 点进行定向，即为全站仪建立空间坐标系。之后即可使用全站仪对准洞壁孔口处 的反光贴片，直接测量并记录其初始三维坐标。

【4】按照2次/天的频率对多点位移计和洞壁孔口三维坐标进行测量并记 录。

【5】量测数据处理：根据光纤光栅多点位移计标定公式及全站仪三维坐标 法对量测数据进行处理，计算每天的位移量。

【6】将光纤光栅多点位移计和全站仪最终量测结果代入综合分析模型进行 计算，此处以5m深处锚固元件的相关数据为例进行计算。

【6.1】经过60天的连续监控量测，得到最终的计算参数数据分别为： r₅＝5000mm，r₅′＝5395mm，△l₀＝400mm，△h₀＝472mm，a＝5°。

【6.2】

【6.3】同理，其他深度处测点(4m、3m、2m、1m)处的u_i和u_ir计算结果 见表2所列。

表2不同深度围岩绝对位移计算结果

【7】围岩松弛半径回归分析

将不同深度处各测点的绝对位移(此处代入u_ir)与所在径向半径进行回归， 如图6所示。

所得回归函数为：

u＝822.03e^-0.26r-203.47

对该回归函数求取反函数得：

r＝-ln[(u+203.47)/822.03]/0.26

则当u＝0时，即岩体无松弛位移时，围岩的r_max＝5.37m。

围岩内部位移是岩体对开挖扰动最直接的力学响应之一，是评价围岩稳定状 态的基本依据，也为反演岩石力学参数、评估围岩压力大小提供了基础信息。

Claims (6)

1.基于位移计和全站仪的围岩内部绝对位移测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

【1】建立基于位移计和全站仪的围岩内部绝对位移测量装置；

【2】试验准备

【2.1】根据设定的角度、深度，在围岩上钻取深孔；

【2.2】根据测点的间距要求，从深孔的孔底至孔口依次安装n只锚头，每只锚头的测线绷紧后与位移计表头的对应测量端联接；

【2.3】在多点位移计洞壁孔口位置安装反光贴片，并在隧道路面中部前后无遮挡位置架设全站仪，经过对中、粗平和精平将全站仪调平，输入测站点信息和仪器高后进行设站，之后输入后视基准点坐标，并旋转全站仪照准部瞄准后视基准点进行定向，即为全站仪建立空间坐标系，之后即可使用全站仪对准洞壁孔口处的反光贴片，直接测量并记录其初始三维坐标；

【3】参数测量

按照设定的测量频次对围岩进行测量，得到孔口的三维坐标实测值和每只锚头的位移参数；

【4】数据处理

【4.1】计算得到第i个锚头所在的第i号测点位置处岩体沿径向的绝对位移表示为：

其中

i—测点序号，从孔口至孔底依次编号为1至n；

u_ir—i号测点处岩体沿径向的绝对位移，mm；

Δl₀—洞壁孔口处绝对收敛值，mm；由全站仪测量得到；

Δh₀—洞壁孔口处绝对沉降值，mm；由全站仪测量得到；

a—岩体变形前后深孔轴线的变化角度，由全站仪测量计算得到；

r_i—i号测点处多点位移计初始长度值，mm；由多点位移计前期读数得到；

r′_i—i号测点处多点位移计最终长度值，mm；由多点位移计后期读数得到；

【4.2】根据【4.1】公式，对围岩内部n个测点的径向绝对位移和多点位移计各测点的径向初始长度值进行拟合，得到围岩松弛位移关系式

u_ir＝f(r_i)

【4.3】对围岩松弛关系式取反函数可得：

r_i＝f^-1(u_ir)

【4.4】当u_ir＝0时，即取岩体径向绝对位移为0时，计算得到围岩最大松弛半径；

所述的基于位移计和全站仪的围岩内部绝对位移测量装置包括处理单元、全站仪(31)和多点位移计，所述的多点位移计包括位移计表头(5)和间隔设置在待测围岩深孔(3)内的若干只锚头(10)，每只锚头(10)与位移计表头(5)的对应测量端联接，实现锚头(10)固定点的位移参数测量；所述的全站仪(31)实现对深孔(3)孔口的三维坐标参数测量；处理单元获取孔口的三维坐标参数和多个锚头(10)固定点的位移参数后计算得到围岩内部的绝对位移值，进而拟合得到围岩的最大松弛半径值。

2.根据权利要求1所述的基于位移计和全站仪的围岩内部绝对位移测量方法，其特征在于：每根锚头(10)上设置有通孔(9)，深孔(3)内位于较深位置锚头的测线(4)依次穿过位于较浅位置锚头上的通孔(9)并绷紧后，与对应的位移计表头(5)的测量端联接。

3.根据权利要求1所述的基于位移计和全站仪的围岩内部绝对位移测量方法，其特征在于：所述的多点位移计为光纤光栅多点位移计。

4.根据权利要求3所述的基于位移计和全站仪的围岩内部绝对位移测量方法，其特征在于：从深孔(3)孔口引出的每根测线绷紧后，经过独立的定滑轮(6)后与位移计表头(5)对应的测量端联接。

5.根据权利要求1所述的基于位移计和全站仪的围岩内部绝对位移测量方法，其特征在于：在相邻锚头之间设置有保护套管(15)，测线(4)穿在保护套管(15)内。

6.根据权利要求1所述的基于位移计和全站仪的围岩内部绝对位移测量方法，其特征在于：从深孔(3)孔口引出的每根测线上加载测力计或恒力砝码使其绷紧。

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