一种隧道围岩变形监测仪及监测方法[发明专利]

(10)申请公布号 (43)申请公布日 2014.02.19
C N 103591880
A (21)申请号 201310631232.2
(22)申请日 2013.12.02
G01B 5/30(2006.01)
(71)申请人中国石油集团工程设计有限责任公
司
地址610041 四川省成都市高新区升华路6
号
(72)发明人辜利江 亢会明 郭涵宇 康胜
卿春和 吴有亮 于长杰 邓艳
潘如升 柴国良 曹昱 刘玉国
梁国卿 李欣 张晓光 王彬全
赵普 向阳 符枝华 何德伟
李志为 宋文平 邹勇 袁朝银
王海兰
(74)专利代理机构成都九鼎天元知识产权代理
有限公司 51214
代理人
邓世燕(54)发明名称
一种隧道围岩变形监测仪及监测方法
(57)摘要
本发明公开了一种隧道围岩变形监测仪及
监测方法，监测仪的位移传递杆为一根钢筋和套
在钢筋外的逐层变短的若干层钢管；在钢筋顶端
10cm 处、在各层钢管顶端、及距顶端10cm 均焊接
有钢圈；未被相邻层钢管嵌套的裸露部分均套有
PVC 塑料管，PVC 塑料管顶住嵌套层钢管的顶部；
在最外层钢管的PVC 塑料管末端设置有外接套
筒，在外接套筒顶部焊接一个测头，在测头上设置
有测孔，所述测孔的个数与位移传递杆的数量相
等，测孔的大小与电子百分表的测杆大小一致。

本
发明的各位移传递杆与岩体是点接触，既能够保
证各接触点的牢固，防止传递杆与岩体脱离，又可
以最大程度减小实验仪器本身对岩体位移结果的
影响。

本发明的环境适应性好，操作简单。

(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书4页 附图1页
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书4页 附图1页(10)申请公布号CN 103591880 A
1/1页
1.一种隧道围岩变形监测仪，其特征在于：位移传递杆为一根钢筋和套在钢筋外的若干层钢管；各层钢管的长度从里到外逐层变短、直径从里到外逐层变大；在钢筋顶端10cm 处焊接有钢圈，在钢圈和钢筋顶端之间为轰药包区；在各层钢管顶端、及距顶端10cm 均焊接有钢圈；未被相邻层钢管嵌套的裸露部分均套有PVC 塑料管，PVC 塑料管顶住嵌套层钢管的顶部；在最外层钢管的PVC 塑料管末端设置有外接套筒，在外接套筒顶部焊接一个测头，在测头上设置有测孔，所述测孔的个数与位移传递杆的数量相等，测孔的大小与电子百分表的测杆大小一致。

2.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形监测仪，其特征在于：在钢筋与各层钢管之间设置有软木塞。

3.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形监测仪，其特征在于：在所述测头外设置有保护盖。

4.一种隧道围岩变形监测方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）选取钢筋和各层钢管，按尺寸切割，各接触点分别焊接一个钢圈；
（2）现场套接钢筋、各层钢管、PVC 塑料管和外接套筒；
（3）设置药包的时候，首先将药包用细线绑扎稳固，绑扎好的药包大小与钻孔孔径一致，在安装的时候给药包浇水湿透；
（4）用固定的电子百分表测读。

5.根据权利要求4所述的一种隧道围岩变形监测方法，其特征在于：在各位移传递杆的距端点10cm 处焊接一个钢圈。

6.根据权利要求4所述的一种隧道围岩变形监测方法，其特征在于：在测量初期采用上午下午各测一次，取平均值的方法进行监测。

7.根据权利要求4所述的一种隧道围岩变形监测方法，其特征在于：在测读的时候，将电子百分表杆件垂直插入测孔，旋转电子百分表连续读三个数据，然后平均三个数据即为当天测读的数据。

权 利 要 求 书CN 103591880 A
一种隧道围岩变形监测仪及监测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种隧道围岩变形监测仪及监测方法。

背景技术
[0002] 随着我国经济的高速发展，隧道开挖越来越多，隧道围岩的变形是隧道工程建设中最关心的问题之一。

[0003] 隧道在开挖后，由于其所处的应力状态发生改变，打破了开挖前的应力平衡状态，围岩会通过变形和应力的调整来达到一个新的平衡。

这个调整是一个动态的过程，因此围岩的变形也是一个动态过程，应该通过围岩变形动态信息来掌握围岩的变形趋势，即由量测获得位移—时间曲线，对各时刻的总位移量、位移速度以及位移加速度的变化趋势加以分析，从而把握围岩的变形状况。

[0004] 隧道的监测在隧道工程中占有重要的位置。

隧道的监控量测就是在隧道开挖过程中，使用各种仪器设备和量测器材，对隧道的各种位移，应力等等进行量测。

隧道由于其自身的特殊性，其现场监测具有特殊的重要作用。

[0005] 1、设备精度要求高
由于隧道的开挖多数是在岩体中进行，而岩体的变形有其自身的特点，即变形时间长，短时间内变形量不大。

这就要求对岩体变形进行监测的仪器精度要高。

特别是对硬质岩的位移监测，短时间的位移量非常小，如果仪器精度不够，就会造成监测的结果不准确。

[0006] 2、自动化程度要求高
隧道的监测是在开挖的同时就进行的，隧道内工作环境的限制，对监测设备的自动化程度要求就高，由于隧道刚开挖后应力释放，这时候的围岩变形比较快，施工进行中，预留给监测的时间不长，如果监测仪器自动化程度较低，会直接影响监测仪器的安装、测试，从而影响监测结果。

[0007] 3、环境适应性强
隧道开挖，工作环境比较差，同时还要受到施工的影响，特别是爆破的影响。

位移监测仪器的保护是个很大的问题。

在实际操作中经常有监测仪器被施工人员破坏的情况。

所以，监测仪器的环境适应性一定要比较强。

[0008] 4、操作性强
复杂的监测仪器在隧道监测中常常不实用，隧道的位移监测仪器更是要力求操作简单，一般的工程技术人员都能够操作。

特别是在长大隧道中，测点较多的时候，可以很大程度上节省人力。

同时，在二衬跟的较紧的隧道中，便于经过指点就能操作的施工人员在监测人员不在的情况下，能自己拆卸安装测试。

[0009] 目前工程中经常采用位移计的基本原理是将岩体内部某一点的位移状态通过与之固定的某种传递介质(杆、弦)引至岩体外部，以便进行量测。

理论上，位移计量测时都是假定某一点是固定的，通过与固定点相联的某种介质（杆，弦）引到岩体外部，测其相对位移。

实际测量时，都是将固定点假定在不受开挖影响的岩石中，这里面有人为的因素，影响
测量结果。

更重要的是，由于多数介质是与岩体全孔接触，介质与岩体的物理性质不同，变形也就不同，直接影响测量结果。

当采用多点位移计的时候，各测点杆件相互影响，累计误差，造成测量结果偏离真实值。

存在的具体问题如下：
（1）监测实效性局限
由于隧道施工开挖断面一般都不大，开挖、爆破、喷浆、打锚等工序连接比较紧密，加上一些人为的因素，施工现场位移监控量测往往滞后于施工开挖。

不能及时快速地获取到相关信息，有时甚至采集不到或未等采集到信息，灾害事故已经发生，导致隧道变形监测失去了意义。

[0010] （2）监测仪器的保护
隧道的变形监测是与隧道的开挖同时进行的，围岩的卸荷回弹也是有实效性的。

要及时获得最准确的变形参数，就要尽量靠近隧道的掌子面。

而施工的工人时常忽视对监测仪器的保护，造成监测仪器经常被损坏。

如何保护监测仪器是个重要的问题。

[0011] （3）变形监测信息的反馈问题
隧道的变形监测一个重要的作用是通过已经开挖的围岩的变形情况对设计进行修正和对未开挖部分进行预测。

在应用于支护时间的选择上，变形监测资料可以发挥重要作用。

但目前，由于各种原因，在支护时间选择上，监测资料往往没有发挥其应有的作用。

因此，如何及时、快速地获取信息，如何综合分析信息以及如何快速地把监测信息反馈给其他各方，如何使信息得到切实有效的应用，是目前需要从施工、管理体制上急需解决的问题。

发明内容
[0012] 为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种隧道围岩变形监测仪及监测方法，具有监测设备安装简便、监测准确及时、工程造价低廉等显著优点。

[0013] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种隧道围岩变形监测仪，位移传递杆为一根钢筋和套在钢筋外的若干层钢管；各层钢管的长度从里到外逐层变短、直径从里到外逐层变大；在钢筋顶端10cm处焊接有钢圈，在钢圈和钢筋顶端之间为轰药包区；在各层钢管顶端、及距顶端10cm均焊接有钢圈；未被相邻层钢管嵌套的裸露部分均套有PVC 塑料管，PVC塑料管顶住嵌套层钢管的顶部；在最外层钢管的PVC塑料管末端设置有外接套筒，在外接套筒顶部焊接一个测头，在测头上设置有测孔，所述测孔的个数与位移传递杆的数量相等，测孔的大小与电子百分表的测杆大小一致。

[0014] 本发明还提供了一种隧道围岩变形监测方法，包括如下步骤：
（1）选取钢筋和各层钢管，按尺寸切割，各接触点分别焊接一个钢圈；
（2）现场套接钢筋、各层钢管、PVC塑料管和外接套筒；
（3）设置药包的时候，首先将药包用细线绑扎稳固，绑扎好的药包大小与钻孔孔径一致，在安装的时候给药包浇水湿透；
（4）用固定的电子百分表测读，测量时根据需要测读，一般一天一测。

[0015] 与现有技术相比，本发明的积极效果是：
相对于其他的多点位移计，本发明的一个重要的特点是各位移传递杆与岩体是点接触，而不是通常采用的全孔灌浆接触。

全孔接触对变形的影响非常显著，特别是在软弱岩体中。

通常采用全长灌浆时，对所测的数据进行分析时都要充分考虑到砂浆对围岩的加固作
用，在软岩中更是不可忽视。

但是这种加固作用到底有多大的影响，目前只能依靠经验来进行判断。

本发明采用的点接触，既能够保证各接触点的牢固，防止传递杆与岩体脱离，又可以最大程度减小实验仪器本身对岩体位移结果的影响。

[0016] 本发明的环境适应性好，操作简单。

相对于其他的同类型的位移监测仪器，本发明只需要打一个钻孔，可以测不同深度的岩体的位移情况。

在施工条件比较恶劣的隧道工程环境中，可以节省时间和工作量。

[0017] 本发明的测试装置简单易操作。

仪器的保护也非常容易，外面加一个小的保护盖，面积非常小，不容易被破坏。

[0018] 本发明利用电子百分表，所读数据准确到1/100毫米，即使在变形较小的硬质岩体中同样适用。

独特的外接盖钻孔，保证每次测读位置都在传递杆的同一位置，具有精度高的优点。

附图说明
[0019] 本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是隧道围岩变形监测仪的结构示意图。

具体实施方式
[0020] 一种隧道围岩变形监测仪，如图1所示，包括一根钢筋和套在钢筋外的若干层钢管，最里层的钢管的长度比钢筋的长度短，钢管的长度从里到外逐层变短，钢管的直径从里到外逐层变长。

在钢筋顶端10cm处焊接有钢圈1，在钢圈和钢筋顶端之间为轰药包区2，用于绑粘结药包；最里层的钢管顶端与距顶端10cm处各焊接一个钢圈，也是为了绑粘结药包用的，钢筋的裸露在最里层钢管外的部分套有PVC塑料管3，PVC塑料管顶住最里层钢管的顶部。

跟最里层钢管一样：其余各层钢管的顶端、及距顶端10cm处同样各焊接一个钢圈；相邻两层钢管之间的裸露部分均套有PVC塑料管，PVC塑料管顶住外层钢管的顶部。

在钢筋与各层钢管之间设置有软木塞，用于将各位移传递杆（即钢筋和各层钢管）固定在相应的位置。

在最外层钢管的PVC塑料管末端设置有外接套筒4，其作用是保护各传递杆。

在外接套筒顶部焊接一个供测读数据用的测头。

在测头上设置有测孔，测孔的个数与传递杆的数量相等，测孔的大小是根据电子百分表的测杆大小而制作的，大小刚好能保证百分表测杆垂直读数而不发生倾斜，以保证读数的准确性，同时确保各测孔的位置正好是各位移传递杆的位置。

[0021] 本发明的隧道围岩变形监测仪安装之后断面面积非常小，即使施工条件下也很难被破坏。

还可在测头外面用一个带丝扣的保护盖进行封闭，在保护盖上标明所在测点编号，读数的时候取下盖子，读完之后盖上，可以避免外界对传递杆的影响，从而保证测读的精度。

[0022] 采用钢筋作为传递位移的介质主要考虑它是钢性杆，不易受影响。

在其顶端10cm 处焊接一个钢圈，主要是为了绑粘结药包的时候能将药包限制在一个小的范围内。

既使钢筋与钻孔底部及钻孔洞壁牢固粘结，又将粘结区域尽量控制为小区域接触（相对杆的长度来说，可以认为是点接触）。

在各层钢管的顶端、及距顶端10cm处各焊接一个钢圈，也是为了绑粘结药包用的。

在各传递杆的顶端设置能顶住外层传递杆顶部的PVC塑料管，是为了
使整个仪器在进钻孔时，能保证各传递杆接触点在设定的深度。

[0023] 整个仪器的传递杆除了端点与围岩是牢固接触的以外，其他部分在径向上都是可以自由移动的。

PVC塑料管既可以保证锚固点的位置恰好是设计深度，又能有效减小传递杆与孔壁的接触，减小摩擦阻力对测量结果的影响，直接减小了灌浆对岩体变形的影响。

[0024] （1）最长测杆的选择
考虑到隧道开挖以后岩体的变形是有一定的影响范围的。

在一定范围以外的岩体变形非常小，可以近似的认为是不受开挖的影响。

如果在隧道开挖断面比较小，变形影响深度不大的地方，也可以选择长度相对较短的测杆。

[0025] （2）各内套钢管尺寸选择
各测点的变形传递杆是相对独立的，选择的时候，要保证钻孔能顺利安装最粗的套管。

目前的钻具都是有一定型号的，钻孔尺寸也就比较固定。

要增强仪器的适用性，就要求试验仪器的尺寸最好能与工程上通常使用的钻具相对应。

工程上采用的通常是56mm钻头，所以在仪器加工时，最好采用内径16、25、36三种型号的钢管。

各套管之间都能直接内套。

如果套管尺寸选择不对，容易造成内套不进和加工吃力。

[0026] （3）测试套筒的选择
测试套筒是百分表读数的重要构件，也是直接关系到量测结果是否准确的关键因素。

测试套筒的尺寸选择要求完全将位移传递杆套好，又要基本与钻孔尺寸相当。

套同上的测孔，大小要与电子百分表的大小刚好一致。

测孔可以现场加工，孔的位置刚好是各位移传递杆的位置。

测孔不能过大，过大会造成电子百分表在测孔内可以偏移，从而影响量测结果的准确性。

[0027] 本发明还提供了一种隧道围岩变形监测方法，包括如下步骤：
（1）首先选取钢筋和各层钢管，按尺寸切割，各接触点分别焊接一个钢圈，保证锚固的药包只作用在需要锚固的端点；为了保证药包的区域是设定的范围，在制作的时候在各传递杆的距端点10cm处再焊接一个钢圈，以防止在安装的时候药包的位置发生移动；
（2）将钢筋、各层钢管、PVC塑料管和外接套筒现场套接好；
（3）设置药包的时候，首先将药包用细线绑扎稳固，绑扎好的药包大小与钻孔孔径一致，在安装的时候给药包浇水湿透，然后快速安装（因为药包凝固速度比较快，约几分钟后就粘结牢固了）；
（4）隧道围岩变形监测仪测量时一天一测，在测量初期（是变形比较快的时候）尽量多测，可采用上午下午各测一次，取平均值的方法进行监测；隧道围岩变形监测仪采用电子百分表来读数，读数时，监测点要用固定的电子百分表来测读（因为不同的百分表测读会有一定的误差）；测试工具主要是电子百分表，百分表有一根固定测杆和两根加长杆。

测试的时候视传递杆的长度来决定是否需要加长；测读的时候，将电子百分表杆件垂直插入测孔，旋转电子百分表连续读三个数据，然后平均三个数据即为当天测读的数据。

[0028] 本发明的工作原理是：将几根传递杆全部安装在一个钻孔里，除最深的一根用钢筋外，其他几根都用钢管作为传递位移的介质。

各接触点都与岩体牢固粘结，将岩石的深部变形引到外面加以测量。

通过不同时间的位移监测，可以了解围岩中不同深度的径向位移的变化情况。

图1。