地裂缝地层隧道不均匀沉降的监测装置及监测方法

摘要

本发明公开的一种地裂缝地层隧道不均匀沉降的监测装置及监测方法，监测装置包括多个水平设置的刚性管B，相邻两刚性管B通过柔性连接管相连接，形成长管，该长管的两端分别与一竖直设置的刚性管A的下端固接，刚性管A、柔性连接管和刚性管B的内部相通，并加注有水银，各管连接处分别设置有液压传感器。将该装置安装于隧道内壁的侧面，确定基准点，通过沉降前后测量点处液压传感器压力值的变化，计算得到测量点与基准点之间的沉降量和任意测量点之间的沉降差。本发明装置可长期对隧道变形缝衬砌结构纵、横向沉降量进行长期实时监测，为了解地裂缝地层隧道沉降的发展过程，预测其发展趋势提供依据，且运行成本低，具有良好的耐久性和准确性。

权利要求

1.一种地裂缝地层隧道不均匀沉降的监测装置，其特征在于，包括多个水平设置的刚性管B(3)，相邻两刚性管B(3)通过柔性连接管(2)相连接，形成一长管，该长管的两端分别固接有一竖直设置的刚性管A(1)，两刚性管A(1)的下端分别与长管的两端固接，两刚性管A(1)、多个柔性连接管(2)和多个刚性管B(3)的内部相通，管内加注有水银(4)，刚性管A(1)与刚性管B(3)的连接处、各刚性管B(3)与柔性连接管(2)的连接处分别设置有液压传感器(5)。

2.一种利用权利要求1所述的监测装置对隧道沉降进行监测的方法，其特征在于，具体按以下步骤进行：步骤1：选取基准点

制备监测装置，该监测装置包括多个水平设置的刚性管B(3)，相邻两刚性管B(3)通过柔性连接管(2)相连接，形成一长管，该长管的两端分别固接有一竖直设置的刚性管A(1)，两刚性管A(1)的下端分别与长管的两端固接，两刚性管A(1)、多个柔性连接管(2)和多个刚性管B(3)的内部相通，管内加注有水银(4)，刚性管A(1)与刚性管B(3)的连接处、各刚性管B(3)与柔性连接管(2)的连接处分别设置有液压传感器(5)；

采用两套上述的监测装置，将该两套装置分别固定于需监测沉降的隧道内壁的两侧，其沿隧道的轴向布设，勘察后，选择隧道两端地层相对稳定的一端作为基准点，记录监测装置中各液压传感器(5)的初始值压力值P0；

步骤2：地层发生沉降后，记录此时各液压传感器(5)显示的该点的压力值P1；

步骤3：计算沉降前后测量点与基准点之间的高差

设基准点为C，测量点为D，按下式：

ΔhCD0＝(PC0-PD0)/ρg

计算得到沉降前C、D两点的高差ΔhCD0，式中，PC0、PD0分别为步骤1记录的C、D两点的初始压力值，ρ为水银的密度，g为重力加速度。

再根据下式：

ΔhCD1＝(PC1-PD1)/ρg

计算得到沉降后C、D两点的高差ΔhCD1，式中，PC1、PD1分别为步骤2记录的沉降后基准点C和测量点D的压力值，ρ为水银的密度，g为重力加速度；

步骤4：计算测量点的沉降量S

根据步骤3计算得到的沉降前后测量点D相对于基准点C的高差，按下式计算测量点D的沉降量SD1：SD1＝ΔhCD1-ΔhCD0

式中，ΔhCD0、ΔhCD1分别为步骤3计算得到的隧道沉降前后测量点D相对于基准点C的高差；

根据上述方法，计算得到隧道沉降前后测量点E相对于基准点C的沉降量SE1；

然后，根据下式计算两测量点E、D之间沉降前后的沉降差ΔhED：ΔhED＝SE1-SD1

式中，SE1、SD1分别为步骤4计算得到的测量点E和D的沉降量；

步骤5：将步骤4计算得到的沉降量，作为隧道变形缝衬砌结构的纵向和横向沉降的长期监测的基础数据，予以保存，根据步骤4计算得到的沉降差，及时采取有效的措施，保证隧道的正常运行。

说明书

地裂缝地层隧道不均匀沉降的监测装置及监测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于实时监测隧道沉降的装置，特别涉及一种地裂缝地层隧道不均匀沉降的监测装置，本发明还涉及利用该装置监测隧道不均匀沉降的方法。

背景技术

[0002] 隧道等洞室构筑物，经常遇到不均匀沉降的问题。尤其是地质构造作用下岩土体大面积不均匀沉降引起的地裂缝，因其所处的地质条件特殊、活动类型多样、产生的机理复杂、位移较大，造成的地层运动无法避免。隧道与地裂缝相交的部分会随地裂缝的活动产生沉降、变形，隧道衬砌结构具有明显的相对位移，甚至引起隧道衬砌结构的破坏，严重影响隧道的稳定性。因此，对隧道进行实时监测，及时获得地裂缝处隧道发生不均匀沉降的数据，并根据所记录的数据对隧道沉降的发展趋势做出预测，然后采取相应的补救措施，是保证隧道正常运营的有效手段。

[0003] 目前，国内采用YDD-A型音频大地电场仪量测方法和浅层高分辨纵波反射法对隧道的沉降进行监测，也有在施工过程中利用激光测量隧道变形的方法，但上述方法不能进行长期实时监测，且运作成本较高、不能定量监测沉降变形。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种地裂缝地层隧道不均匀沉降的监测装置，用于隧道的长期实时监测，且运作成本较低。

[0005] 本发明的另一目的是提供一种利用上述装置对隧道不均匀沉降进行监测的方法，通过该装置显示的隧道不同监测点因沉降而产生的压力差，计算得到隧道的沉降变形量，提供采取措施的依据。

[0006] 本发明所采用的技术方案是，一种地裂缝地层隧道不均匀沉降的监测装置，包括多个水平设置的刚性管B，相邻两刚性管B通过柔性连接管相连接，形成一长管，该长管的两端分别固接有一竖直设置的刚性管A，两刚性管A的下端分别与长管的两端固接，两刚性管A、多个柔性连接管和多个刚性管B的内部相通，管内加注有水银，刚性管A与刚性管B的连接处、各刚性管B与柔性连接管的连接处分别设置有液压传感器。

[0007] 本发明所采用的另一技术方案是，一种利用上述监测装置对隧道沉降进行监测的方法，具体按以下步骤进行：

[0008] 步骤1：选取基准点

[0009] 制备监测装置，该监测装置包括多个水平设置的刚性管B，相邻两刚性管B通过柔性连接管相连接，形成一长管，该长管的两端分别固接有一竖直设置的刚性管A，两刚性管A的下端分别与长管的两端固接，两刚性管A、多个柔性连接管和多个刚性管B的内部相通，管内加注有水银，刚性管A与刚性管B的连接处、各刚性管B与柔性连接管的连接处分别设置有液压传感器；

[0010] 采用两套上述的监测装置，将该两套装置分别固定于需监测沉降的隧道内壁的两侧，其沿隧道的轴向布设，勘察后，选择隧道两端地层相对稳定的一端作为基准点，记录监测装置中各液压传感器的初始值压力值P0；

[0011] 步骤2：地层发生沉降后，记录此时各液压传感器显示的该点的压力值P1；

[0012] 步骤3：计算沉降前后测量点与基准点之间的高差

[0013] 设基准点为C，测量点为D，按下式：

[0014] ΔhCD0＝(PC0-PD0)/ρg

[0015] 计算得到沉降前C、D两点的高差ΔhCD0。式中，PC0、PD0分别为步骤1记录的C、D两点的初始压力值，ρ为水银的密度，g为重力加速度。

[0016] 再根据下式：

[0017] ΔhCD1＝(PC1-PD1)/ρg

[0018] 计算得到沉降后C、D两点的高差ΔhCD1。式中，PC1、PD1分别为步骤2记录的沉降后基准点C和测量点D的压力值，ρ为水银的密度，g为重力加速度；

[0019] 步骤4：计算测量点的沉降量S

[0020] 根据步骤3计算得到的沉降前后测量点D相对于基准点C的高差，按下式计算测量点D的沉降量SD1：

[0021] SD1＝ΔhCD1-ΔhCD0

[0022] 式中，ΔhCD0、ΔhCD1分别为步骤2计算得到的隧道沉降前后测量点D相对于基准点C的高差；

[0023] 根据上述方法，计算得到隧道沉降前后测量点E相对于基准点C的沉降量SE1；

[0024] 然后，根据下式计算两测量点E、D之间沉降前后的沉降差ΔhED：

[0025] ΔhED＝SE1-SD1

[0026] 式中，SE1、SD1分别为步骤4计算得到的测量点E和D的沉降量；

[0027] 步骤5：将步骤4计算得到的沉降量，作为隧道变形缝衬砌结构的纵向和横向沉降的长期监测的基础数据，予以保存，

[0028] 根据步骤4计算得到的沉降差，及时采取有效的措施，保证隧道的正常运行。

[0029] 本发明的有益效果是：

[0030] 1.通过连通管内的汞柱高度变化引起的液压变化，反映隧道的不均匀沉降，并在隧道衬砌结构变形缝部位采用柔性连接管结构，具有适应隧道大变形的能力。

[0031] 2.对地裂缝地层隧道变形进行实时、长期监测，可准确、及时了解地裂缝地层隧道沉降的发展过程，为预测其发展趋势提供依据。

[0032] 3.运营、造价成本较低，便于更换和修复，维护简便，简单实用。

附图说明

[0033] 图1是本发明监测装置的结构示意图；

[0034] 图2是本发明监测装置安装于隧道中的布设示意图；

[0035] 图3是隧道大位移错动变形前后本发明监测装置的状态示意图；其中，a是变形前的状态示意图，b是变形后的状态示意图。

[0036] 图中，1.刚性管A，2.柔性连接管，3.刚性管B，4.水银，5.液压传感器。

具体实施方式

[0037] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0038] 本发明监测装置的结构，如图1所示。包括多个水平设置的刚性管B3，相邻两刚性管B3通过柔性连接管2相连接，形成一长管，该长管的两端分别固接有一竖直设置的刚性管A1，两刚性管A1的下端分别与长管的两端固接，两刚性管A1、多个柔性连接管2和多个刚性管的内部相通，管内加注有水银4，每一刚性管A1与刚性管B3的连接处、各刚性管B3与柔性连接管2的连接处分别设置有液压传感器5。

[0039] 本发明监测装置安装于隧道中的布设图，如图2所示。同一隧道中，沿隧道轴向、在隧道两旁侧壁表面分别对称设置有该监测装置，监测装置中竖直设置的两刚性管A1分别固接于隧道的两端，刚性管B3水平固接于隧道侧壁表面，柔性连接管2分别位于隧道的各变形缝处，并跨越该变形缝。

[0040] 地裂缝地层隧道的衬砌随变形缝处上下盘土体的错动，产生明显的相对位移，本发明监测装置中采用柔性连接管2连接水平设置的相邻两刚性管B3，并将该多个柔性连接管2相应设置于隧道变形缝处，且跨越相对应的隧道变形缝，利用其产生的变形来适应隧道变形缝处衬砌的相对变形，保证监测装置不被破坏。

[0041] 水银4的比重较大，其高度产生较小的变化，即可引起液压的明显变化，将水银4用于本发明监测装置中，可准确测量隧道不均匀沉降引起的监测装置中压力的变化。

[0042] 隧道两旁侧壁表面对称布设的两套监测装置，可以同时监测隧道轴向和横向的不均匀沉降，保证测试数据准确有效。

[0043] 本发明方法采用上述监测装置，对地裂缝地层隧道进行实时、长期的监测。通过液压传感器测得监测装置内的水银在各测试点的压力的变化，可得到隧道需测试两点的压力差，计算得到测试点与基准点之间的沉降量，进而计算出任意测试点之间的沉降差。该方法具有按以下步骤进行：

[0044] 步骤1：选取基准点

[0045] 经勘察，选择隧道两端地层相对稳定的一端作为基准点，采用隧道不均匀沉降监测装置，该监测装置中各液压传感器处于平衡状态，如图3a所示，记录各液压传感器的初始压力值P0；

[0046] 步骤2：地层发生沉降，带动该处的隧道产生位移，固接于隧道侧壁的刚性管B3随之移动，此时，刚性管B3之间产生位置差，使得连接刚性管B3的柔性连接管2产生变形，管内的水银4随之流动，位于刚性管B3与柔性连接管2连接处的液压传感器5的平衡被打破，但两刚性管A1中水银4的液面还是处于同一水平面，如图3b所示，记录此时各液压传感器5显示的该点的压力值P1；

[0047] 步骤3：计算需测量的测量点与基准点之间沉降前后的高差

[0048] 设基准点为C，需测量沉降差的测试点为D，按下式：

[0049] ΔhCD0＝(PC0-PD0)/ρg

[0050] 计算发生沉降前C、D两点的高差ΔhCD0。式中，PC0、PD0分别为步骤1记录的C、D两点的初始压力值，ρ为水银的密度，g为重力加速度；

[0051] 再根据下式：

[0052] ΔhCD1＝(PC1-PD1)/ρg

[0053] 计算发生沉降后C、D两点的高差ΔhCD1。式中，PC1、PD1分别为步骤2记录的沉降后基准点C和测量点D的压力值，ρ为水银的密度，g为重力加速度。

[0054] 步骤4：计算测量点的沉降量

[0055] 根据步骤3计算得到的隧道沉降前后测量点D相对于基准点C的高差，计算测量点D的沉降量SD1，其计算公式如下：

[0056] SD1＝ΔhCD1-ΔhCD0

[0057] 式中，ΔhCD0、ΔhCD1分别为步骤2计算得到的隧道沉降前后测量点D相对于基准点C的高差；

[0058] 同理，计算得到隧道沉降前后另一个测量点E相对于基准点C的沉降重；

[0059] 然后，计算两测量点D、E之间沉降前后的沉降差

[0060] 将上述计算得到的沉降后D、E两测量点相对于基准点C的沉降量SE1与SD1相减，计算得到沉降后该两测量点之间的沉降差ΔhED，即

[0061] ΔhED＝SE1-SD1

[0062] 式中，SE1、SD1分别为步骤4计算得到的测量点E和D相对于基准点C的沉降量；

[0063] 步骤5：根据步骤4计算得到的沉降量，为隧道变形缝衬砌结构的纵向和横向沉降的长期监测提供基本数据，

[0064] 根据步骤4计算得到的沉降差，及时采取相应的措施，保证隧道的正常运行。

[0065] 本发明监测装置，用于隧道变形缝衬砌结构纵、横向不均匀沉降的长期实时监测，通过该监测装置中沿隧道轴向设置的刚性管B随变形缝沉降产生的高差引起的水银柱的压力差，该压力差由液压传感器测得，然后通过计算得到沉降量，从而能对隧道变形缝衬砌结构纵、横向沉降量进行长期实时监测，并为了解地裂缝地层隧道沉降的发展过程，为预测其发展趋势提供依据，同时，通过计算得到沉降差，从而能及时采取措施，保证隧道的正常运行。本发明具有可长期实时监测，运作成本较低、定量监测沉降变形、简单方便的特点。