本發(fā)明涉及隧道施工監(jiān)測(cè)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其提供一種暗挖隧道中拱頂沉降的監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)元件。

背景技術(shù)：

暗挖隧道變形監(jiān)測(cè)是指在隧道施工過程中，對(duì)暗挖隧道圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和穩(wěn)定狀態(tài)以及周邊環(huán)境動(dòng)態(tài)進(jìn)行的經(jīng)常性觀察和監(jiān)控量測(cè)工作，以了解和掌握圍巖穩(wěn)定狀態(tài)及支護(hù)結(jié)構(gòu)體系可靠程度，確保施工安全和結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，為隧道施工中變更圍巖級(jí)別、調(diào)整初期支護(hù)和二次襯砌的參數(shù)、指導(dǎo)施工順序、修正及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，是實(shí)現(xiàn)信息化設(shè)計(jì)與施工不可缺少的一道工序。其中，拱頂沉降監(jiān)測(cè)、收斂監(jiān)測(cè)是最基本和最重要的監(jiān)測(cè)內(nèi)容，同時(shí)也是規(guī)范所規(guī)定的必測(cè)項(xiàng)目。

傳統(tǒng)暗挖隧道變形監(jiān)控量測(cè)中，拱頂沉降監(jiān)測(cè)通常在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼拱架中央焊接帶“L型彎鉤”的測(cè)桿，通過吊掛鋼卷尺或塔尺，用水準(zhǔn)儀來進(jìn)行監(jiān)測(cè)。然而傳統(tǒng)觀測(cè)方法有著這樣或那樣的不便、弊端和不及時(shí)性。例如：焊接“L型彎鉤”的測(cè)桿掛鋼卷尺、塔尺進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，常常因隧道高度較高(常大于8m)，而使得操作不便，又或因開挖斷面分步所限，使得操作空間有限而無法將鋼卷尺、塔尺掛上測(cè)桿，再或因鋼卷尺受力變形、每次掛鉤位置不同等影響，使得觀測(cè)精度不符合《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB50911-2013)中拱頂沉降觀測(cè)的精度要達(dá)到高程中誤差不超過1mm的要求。另外，暗挖隧道施工時(shí)常常因隧道內(nèi)積水而至泥濘不堪，致使水準(zhǔn)儀多次轉(zhuǎn)站，不但影響監(jiān)測(cè)效率，更會(huì)因此造成儀器的損壞等潛在風(fēng)險(xiǎn)。一般暗挖隧道內(nèi)由于初期支護(hù)噴混凝土施工等一個(gè)循環(huán)完成后才有條件懸掛鋼尺或者塔尺進(jìn)行沉降觀測(cè)，這種情況大部分都無法滿足規(guī)范《地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB50299-1999)中所要求“開挖后24h內(nèi)獲取監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的”，這使得監(jiān)測(cè)所反映的變形情況大大滯后于真實(shí)情況。

總之，傳統(tǒng)的埋點(diǎn)和觀測(cè)方法，雖然使用了高精度的儀器，但是監(jiān)測(cè)的高效性、準(zhǔn)確性、實(shí)用性等在高精度的變形監(jiān)測(cè)要求中是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種暗挖隧道中拱頂沉降的監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)元件，以解決現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法存在的監(jiān)測(cè)不方便、準(zhǔn)確性低、實(shí)用性差等問題。

本發(fā)明提供一種暗挖隧道中拱頂沉降的監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟：

1)在所述暗挖隧道中的穩(wěn)定位置處以及開挖面附近的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)上分別安裝監(jiān)測(cè)元件，其中，所述穩(wěn)定位置處的高程為H_A；

2)在所述暗挖隧道中，位于所述穩(wěn)定位置處和所述初級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)之間架設(shè)全站儀；

3)分別測(cè)量全站儀與穩(wěn)定位置處監(jiān)測(cè)元件的距離S₁和垂直角α₁以及全站儀與初期支護(hù)結(jié)構(gòu)上監(jiān)測(cè)元件的距離S₂和垂直角α₂；

4)依據(jù)穩(wěn)定位置處的高程H_A、測(cè)得的距離S₁、垂直角α₁、距離S₂以及垂直角α₂，計(jì)算獲得初期支護(hù)結(jié)構(gòu)距離穩(wěn)定位置處的高程差ΔH_AB；

5)按照監(jiān)測(cè)頻率重復(fù)步驟1)～步驟4)將每次監(jiān)測(cè)獲得的高程差ΔH_AB分別與第一次監(jiān)測(cè)獲得的高程差ΔH_AB進(jìn)行比較，即可獲得拱頂?shù)某两盗俊?/p>

優(yōu)選，步驟4)中，計(jì)算獲得初期支護(hù)結(jié)構(gòu)距離穩(wěn)定位置處的高程差ΔH_AB的公式為：ΔH_AB＝S₂Sinα₂-S₁Sinα₂。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述全站儀與穩(wěn)定位置處監(jiān)測(cè)元件的距離S₁小于等于100米，且垂直角α₁小于等于25°。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述全站儀與初期支護(hù)結(jié)構(gòu)上監(jiān)測(cè)元件的距離S₂小于等于100米，且垂直角α₂小于等于25°

進(jìn)一步優(yōu)選，所述監(jiān)測(cè)元件安裝于所述初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的中央。

本發(fā)明還提供了一種監(jiān)測(cè)元件，適用于上述的監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述監(jiān)測(cè)元件包括：觀測(cè)板1、螺母2以及連桿3；

所述螺帽2的一側(cè)側(cè)面與所述觀測(cè)板1固定連接；

所述連桿3的上端設(shè)置有螺紋31，且所述連桿3具有螺紋31的一端安裝于所述螺母2內(nèi)。

優(yōu)選，所述觀測(cè)板1上設(shè)置有監(jiān)測(cè)標(biāo)志。

本發(fā)明提供的暗挖隧道中拱頂沉降的監(jiān)測(cè)方法，依據(jù)三角高程測(cè)量的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，無需測(cè)量?jī)x器高和棱鏡高，可大大減少誤差，提高實(shí)用性。

本發(fā)明提供的監(jiān)測(cè)元件，以觀測(cè)板作為觀測(cè)目標(biāo)，標(biāo)識(shí)明顯，在施工過程中輕微碰到后不會(huì)對(duì)觀測(cè)產(chǎn)生影響，近而可以獲得連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，此外，該監(jiān)測(cè)元件又三個(gè)部件組裝而成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為高程測(cè)量的原理圖；

圖2為實(shí)施例中暗挖隧道中拱頂沉降的監(jiān)測(cè)示意圖；

圖3為監(jiān)測(cè)元件的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

參見圖1，為測(cè)量A、B兩點(diǎn)間高程差，在A、B之間O點(diǎn)架設(shè)全站儀，在A點(diǎn)安置對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)元件，測(cè)得AO的距離S₁和垂直角α₁，進(jìn)而計(jì)算得到O點(diǎn)處全站儀中心的高程H_O，

H_o＝H_A+v₁-Δh₁ (1)

其中，Δh₁＝S₁Sinα₁。

然后把A點(diǎn)安置的監(jiān)測(cè)元件絲毫不改變其大小長(zhǎng)度安置于B點(diǎn)處，測(cè)得BO的距離S₂和垂直角α₂，從而計(jì)算得到B點(diǎn)的高程H_B，

H_B＝H_o+Δh₂-v₂ (2)

其中，Δh₂＝S₂Sinα₂。

因此，點(diǎn)A和點(diǎn)B之間的高差H_AB為

ΔH_AB＝H_B-H_A＝Δh₂-Δh₁-v₂+v₁ (3)

其中v₁、v₂為同一個(gè)監(jiān)測(cè)元件沒有改變大小和長(zhǎng)度。

則(3)式為：ΔH_AB＝H_B-H_A＝Δh₂-Δh₁

從以上(3)式可以看出，欲得出A點(diǎn)和B點(diǎn)的高差不需要量取儀器高、棱鏡高。

基于上述原理本實(shí)施方案提供了一種暗挖隧道中拱頂沉降的監(jiān)測(cè)方法，參見圖2，其中D表示隧道開挖面、E表示隧道拱頂、F表示隧道底拱，具體監(jiān)測(cè)步驟如下：

1)在暗挖隧道中的穩(wěn)定位置A處以及開挖面附近的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)B上分別安裝監(jiān)測(cè)元件C，其中，已知穩(wěn)定位置A處的高程為H_A,優(yōu)選，監(jiān)測(cè)元件C安裝于所述初期支護(hù)結(jié)構(gòu)B的中央；

2)在暗挖隧道中，位于穩(wěn)定位置A處和初級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)B之間架設(shè)全站儀O；

3)分別測(cè)量全站儀O與穩(wěn)定位置A處監(jiān)測(cè)元件C的距離S₁和垂直角α₁以及全站儀O與初期支護(hù)結(jié)構(gòu)B上監(jiān)測(cè)元件的距離S₂和垂直角α₂；

4)依據(jù)穩(wěn)定位置處的高程H_A、測(cè)得的距離S₁、垂直角α₁、距離S₂以及垂直角α₂，根據(jù)公式ΔH_AB＝S₂Sinα₂-S₁Sinα₂，計(jì)算獲得初期支護(hù)結(jié)構(gòu)B距離穩(wěn)定位置A處的高程差ΔH_AB；

5)按照監(jiān)測(cè)頻率重復(fù)步驟1)～步驟4)將每次監(jiān)測(cè)獲得的高程差ΔH_AB分別與第一次監(jiān)測(cè)獲得的高程差ΔH_AB進(jìn)行比較，即可獲得拱頂?shù)某两盗俊?/p>

其中，

1、單向觀測(cè)三角高程測(cè)量高差的計(jì)算公式為：

或

$\mathrm{\Δ}h=D\tan \mathrm{\α}+(1-k)\frac{D^2}{2R}+i-v---\left(4\right)$

式中，Δh為三角高程測(cè)量的高差；s為全站儀到監(jiān)測(cè)元件的斜距；D為全站儀到監(jiān)測(cè)元件的平距；α為垂直角；K為大氣垂直折光系數(shù)，取K＝0.14；R為地球平均曲率半徑，R＝6370Km；i為全站儀中心位置高；v為監(jiān)測(cè)元件高。

2、單向觀測(cè)三角高程測(cè)量高差的誤差公式為：

或

$m_{\mathrm{\Δ}h}^2={\left({\mathrm{tan\αm}}_D\right)}^2+{\[\frac{D}{{\cos }^2\mathrm{\α}}\×\frac{m_{\mathrm{\α}}}{\mathrm{\ρ}}\]}^2+\left(\frac{D^2}{2R}\right)\·m_k^2+m_i^2+m_v^2---\left(5\right)$

從式(3)中看出測(cè)量AB間高差時(shí)，儀器高和元器件高為固定值，不需要量測(cè)，因此不存在儀器高和元器件高的量測(cè)誤差m_i,m_v,式(5)可變?yōu)椋?/p>

或

$m_{\mathrm{\Δ}h}^2={\left({\mathrm{tan\αm}}_D\right)}^2+{\[\frac{D}{{\cos }^2\mathrm{\α}}\×\frac{m_{\mathrm{\α}}}{\mathrm{\ρ}}\]}^2+\left(\frac{D^2}{2R}\right)\·m_k^2---\left(6\right)$

從式(6)可知單向觀測(cè)三角高程測(cè)量高差的誤差只與距離、垂直角的誤差及兩氣差有關(guān)。

3、點(diǎn)A到點(diǎn)B高差的計(jì)算公式為：

或

$\mathrm{\Δ}h=D_i\×{\mathrm{tan\α}}_i+(1-k)\frac{D_i^2}{2R}-\{D_j\×{\mathrm{tan\α}}_j+(1-k)\frac{D_j^2}{2R}\}---\left(7\right)$

點(diǎn)A到點(diǎn)B高差誤差的計(jì)算公式為：

$m_{{\mathrm{\ΔH}}_{AB}}^2=m_{{\mathrm{\Δh}}_1}^2+m_{{\mathrm{\Δh}}_2}^2---\left(8\right)$

4、單向觀測(cè)三角高程測(cè)量高差的誤差分析。當(dāng)采用高精度的全站儀測(cè)量距離和垂直角，現(xiàn)令m_α＝±1.0",m_s＝±1.0mm。

代入式(6)，按不同的距離和垂直角計(jì)算高差的誤差，計(jì)算結(jié)果見表1，

表2：

m_s＝±1.0mm m_a＝±1.0″ m_k＝±0.05

從表2中看出距離在100m、垂直角在25°以內(nèi)，按(8)式計(jì)算小于±1mm。

進(jìn)而得出結(jié)論，在一定的距離和一定的垂直角下，能滿足±1mm的要求，因此，優(yōu)選，全站儀與穩(wěn)定位置處監(jiān)測(cè)元件的距離S₁小于等于100米，且垂直角α₁小于等于25°以及全站儀與初期支護(hù)結(jié)構(gòu)上監(jiān)測(cè)元件的距離S₂小于等于100米，且垂直角α₂小于等于25°。

參見圖3為監(jiān)測(cè)元件，其包括：觀測(cè)板1、螺母2以及連桿3，其中，螺帽2的一側(cè)側(cè)面與觀測(cè)板1固定連接，連桿3的上端設(shè)置有螺紋31，且連桿3具有螺紋31的一端安裝于螺母2內(nèi)，為了方便觀測(cè)可在觀測(cè)板1上設(shè)置有反光光貼，同時(shí)為了方便連接連桿3的下部也設(shè)置有螺紋。

其中，在實(shí)際制作過程中，觀測(cè)板1使用60mmx60mm的不銹鋼鋼板完成；螺母2使用內(nèi)徑為20mm的不銹鋼螺母，內(nèi)部使用數(shù)控車床按照1/2000精度進(jìn)行內(nèi)套絲；連桿3采用20mm×200mm螺紋鋼筋，下部174mm為螺紋鋼外表面螺紋，便于與隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)焊接，上部26mm使用數(shù)控車床按照1/2000精度進(jìn)行外螺紋加工。

該檢測(cè)元件具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)標(biāo)識(shí)明顯，且剛度較大，施工過程中輕微碰到后不會(huì)對(duì)觀測(cè)產(chǎn)生影響，近而可以獲得連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來指導(dǎo)信息化施工，為業(yè)主及施工提供相應(yīng)的保障。

(2)它是一個(gè)組合裝置，使用簡(jiǎn)單，且安裝速度較快，既不會(huì)影響觀測(cè)對(duì)象的外觀，并且將監(jiān)測(cè)點(diǎn)被破壞的機(jī)率降到最低。

(3)它是對(duì)應(yīng)本發(fā)明中的監(jiān)測(cè)方法而生產(chǎn)出的，能解決傳統(tǒng)“L型彎鉤”的測(cè)桿通過吊掛鋼卷尺或塔尺精度低的問題，可有效地提高隧道監(jiān)控量測(cè)中拱頂沉降的精度和速度。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明并不局限于上面已經(jīng)描述并在附圖中示出的精確結(jié)構(gòu)，并且可以在不脫離其范圍進(jìn)行各種修改和改變。