CN212806987U - 一种盾构隧道围岩变形超前监测结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种盾构隧道围岩变形超前监测结构，包括若干监测段、柔性连接段以及位于监测段上的角度感应装置组成的监测主体，其中，柔性连接段的两端分别与相邻两个监测段的首段和尾端连接，角度感应装置用于监测其上的监测段与水平面和铅垂面的角度。本装置具有沿隧道洞轴线方向进行长距离监测的功能，并通过监测主体的多个监测点可以获取洞轴线不同桩号围岩的变形数据，监测结果更加准确。

Description

一种盾构隧道围岩变形超前监测结构

技术领域

本实用新型涉及隧道领域，具体涉及一种盾构隧道围岩变形超前监测结构。

背景技术

目前大多数隧道工程监测技术均是针对钻爆法施工隧道而创造并使用的，而由于盾构机本身机身极为庞大、采用刀头破岩的掘进方式、内部封闭、有限的操作空间且不具有与围岩的接触通道，限制了盾构法施工隧道监测技术的发展，使其无法像钻爆法施工隧道一样具有广阔的操作空间，可以采用各种类型的监测技术进行监测。

对于盾构隧道而言，在钻爆法施工隧道中被广泛采用的土压力盒、多点位移计、钢筋计等监测仪器也极少被采用或效果较差。特别是由于盾构机内部封闭，操作空间有限且不具有与围岩的接触通道的特点，限制了多种隧道超前预报手段在盾构法施工隧道中的采用，而且不能布置长距离隧道变形监测仪器，这样对盾构法施工隧道安全稳定掘进十分不利，也对隧道运行期的长期稳定十分不利。

现有的少量针对盾构隧道的监测技术均通过在盾构管片上布置土压力盒、钢筋计等监测仪器，对隧道运行期的变形情况进行监测，但是现有的盾构隧道监测技术的缺点主要是：

(1)不具备在隧道掘进中进行超前监测并及时反馈围岩变形数据的能力，也就不能为衬砌结构的设计优化和后期加固处理提供支撑；

(2)通过在盾构管片布置监测仪器仅能对隧道运行期管片断面的变形进行监测，不能对隧道洞轴线方向进行长距离监测；

(3)只能对一个方向的围岩变形进行监测，不能进行三维方向的围岩变形监测，也不能监测到围岩的具体变形方向。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是现有的盾构隧道的监测装置中，不仅不能从多个方向较好的在挖掘中反馈围岩的变形数据，监测效率较低，目的在于提供一种盾构隧道围岩变形超前监测结构，解决盾构隧道在挖掘中的监测的问题。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种盾构隧道围岩变形超前监测结构，包括若干监测段、柔性连接段以及位于监测段上的角度感应装置组成的监测主体，其中，柔性连接段的两端分别与相邻两个监测段的首段和尾端连接，角度感应装置用于监测其上的监测段与水平面和铅垂面的角度。

进一步的，本监测结构的监测主体包括若干依次连接的监测段和柔性连接段，以及位于监测段上的角度感应装置，在使用时，将监测主体放置在预先钻好的超前钻孔中，当隧道围岩在不同位置产生变形时，变形的围岩带动监测主体发生相应的形变，通过监测主体中每个监测段的角度感应装置来得到变形前和变形后，分别与水平面和铅垂面之间的角度，进而得到每个监测段处的围岩的变形数据。

本监测主体设置若干监测段，不仅在于各在更多的位置监测围岩的变形数据，同时，通过设置若干监测段，并通过柔性连接段进行连接，可使各监测段能够产生任意方向的弯曲变形，并且在弯曲变形时，不会损坏本监测主体的完整结构，更便于长期使用，也更有利于监测变形数据。

其次，本结构在盾构机掘进中和隧道运行期一直具有监测功能，监测周期长，能极大的降低隧道监测成本。

优选的，靠近A端的监测段的首端连接有一端为尖锥状的导向头。导向头的作用为固定靠近A端的监测段，即第1监测段，在安装监测主体时起导向作用。

更进一步的，监测段和柔性连接段上套装有柔性套管，柔性套管将监测主体套装在其内。

通过柔性套管套装在监测段和柔性连接段上可对其进行保护，避免监测段和围岩之间的直接接触，进一步的减少磨损，有效的提高监测主体的使用寿命。

并且，本装置的监测段上套装有橡胶圈，橡胶圈的作用为对各监测段在柔性套管内进行限位，在围岩变形时，监测段随柔性套管同幅度变形，进一步的增加了使用寿命以及测量数据的准确性。

其次，本装置的监测主体位于超前钻孔内，超前钻孔为围岩中未挖段上方的斜向上倾斜的钻孔。超前钻孔为上仰孔，孔径大于柔性套管外径，孔底到达隧道稳定岩体部位。具体通过盾构机的超前钻机在掌子面位置向未开挖隧道段钻掘形成。根据实际的使用情况，超前钻孔与水平线直接的夹角在5-30°之间，并且超前钻孔的长度为5-15cm。

优选的，超前钻孔与监测主体之间填充有用于固定监测主体的填料层。

通过填料层对监测主体的放置位置进行固定，进而在围岩发生变形时，能直观的带动监测主体变形，使用时，更有有利于监测数据的准确性。

具体的，监测段为内部为中空的钢管，角度感应装置位于钢管内部。角度感应装置包括用于分别监测其上的监测段与水平面和铅垂面的角度的第一角度感应器和第二角度感应器。柔性连接段为波纹管，角度感应装置相连接的电缆穿过柔性连接段内部，从B端监测段穿出与数据采集器连接。

在使用时，角度感应装置位于监测段的内部能更好的对其进行保护，在长期的变形中，使其继续保持工作，并且柔性连接管以及监测装置均设置为内部为中空的管状结构，不仅更有利于变形使用，同时也能有效的穿过电缆，对其进行保护，同时在外连接数据采集器，更有利于收集数据。

优选的，柔性连接段和监测段之间通过螺栓连接。通过螺栓连接，连接快速，并且在变形移动中，也能进一步的保证连接端不会产生较大的应力，影响使用。

本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本实用新型一种盾构隧道围岩变形超前监测结构，本装置能准确测量各监测段与水平面和铅垂面的角度，通过简单的计算就可获得各监测段的水平方向位移、铅垂方向位移、洞轴线方向位移及合位移方向角，不仅可以准确得到各方向的位移量，还能获取合位移的方向；

2、本实用新型一种盾构隧道围岩变形超前监测结构，在盾构机掘进中和隧道运行期一直具有监测功能，监测周期长，能极大的降低隧道监测成本，同时，盾构机掘进中围岩实时产生的变形数据，不仅为衬砌结构的设计优化和后期加固处理提供监测数据支撑，而且可以帮助操作员调整盾构机的掘进速率和方式应对可能的风险；

3、本实用新型一种盾构隧道围岩变形超前监测结构，本装置具有沿隧道洞轴线方向进行长距离监测的功能，并通过监测主体的多个监测点可以获取洞轴线不同桩号围岩的变形数据，监测结果更加准确。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型结构安装示意图；

图3为本实用新型位移计算示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-监测段，2-柔性连接段，3-角度感应装置，4-电缆，5-柔性套管，6-橡胶圈，7-导向头， 8-超前钻孔，9-填料层，10-未挖段，11-挖开段，12-盾构机，13-掌子面，14-基准线，15-安装位置线，16-基准辅助线，17-变形位置线。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例1

如图1所示，本实用新型一种盾构隧道围岩变形超前监测结构，包括若干监测段1、柔性连接段2以及位于监测段1上的角度感应装置3组成的监测主体，其中，柔性连接段2的两端分别与相邻两个监测段1的首段和尾端连接，角度感应装置3用于监测其上的监测段1与水平面和铅垂面的角度。

实施例2

在实施例1的基础上，柔性连接段2分别将各相邻监测段1依次用螺栓固定连接，且在连接时接通各相邻监测段1中角度感应装置3的电缆。为了进一步的对监测主体的位置进行固定，并且对其进行保护，在靠近A端的监测段1的首端通过螺栓连接一个一端为尖锥状的导向头7，通过导向头7在安装监测主体时，起到导向作用。

并且，在监测段1和柔性连接段2上套装有柔性套管5，柔性套管5将监测主体套装在其内。此时导向头7与柔性套管5靠近A端的一端连接，用密封胶封堵导向头7与柔性套管5之间的缝隙，并进行防水处理，避免安装时填充剂进入监测主体中，进一步的提高使用寿命。

同时，橡胶圈6通过胶黏剂将其固定在监测段1的首尾两侧，橡胶圈6在围岩变形时，监测段1随柔性套管5同幅度变形。

实施例3

如图2所示，在实施例2的基础上，在使用时，监测主体位于超前钻孔8内，超前钻孔8为围岩中未挖段10上方的斜向上倾斜的钻孔，超前钻孔8与水平直线之间的夹角为15°，超前钻孔8的长度为10m，一个监测段1的长度为40cm。

将实施例2中，带有柔性套管5和导线头7的监测主体放置在超前钻孔8中，放置后在超前钻孔8与监测主体之间填充有用于固定监测主体的填料层9，本装置的填料层9为水泥砂浆，固定后，由于监测段1为内部为中空的钢管，角度感应装置3位于钢管内部。角度感应装置3包括用于分别监测其上的监测段1与水平面和铅垂面的角度的第一角度感应器和第二角度感应器。柔性连接段2为波纹管，角度感应装置3相连接的电缆4穿过柔性连接段2内部，从B端监测段1穿出与数据采集器连接。

当隧道围岩在不同位置产生变形时，将带动监测主体产生弯曲变形，通过数据采集仪获得具体变形数据。

实施例4

在使用时，盾构隧道掘进至设计监测洞段时暂停掘进，盾构机12位于挖开段11，利用盾构机12的超前钻机在掌子面13位置向隧道的未开挖段10的上端钻掘与水平直线之间的夹角为20°的斜向上倾斜的超前钻孔8，超前钻孔8孔底到达隧道稳定岩体部位停止钻孔，超前钻孔8的长度为15m。

在各监测段1首尾分别用胶黏剂固定一个橡胶圈6，再用柔性连接段2分别将各相邻的监测段1依次用螺栓固定连接，且在连接时接通各相邻监测段电缆；

从A端到B端的监测段1分别为第1-i监测段，将第1监测段首部与导向头7用螺栓固定连接，柔性套管5从第i监测段尾部穿入到第1监测段首部并与导向头7用螺栓固定连接形成带有保护结构的监测主体。组装完成后，用密封胶封堵导向头7与柔性套管5之间的缝隙，并进行防水处理，避免安装时填充剂进入监测主体内。

将监测主体放入超前钻孔8中，向超前钻孔8与柔性套管5的空隙注入水泥砂浆，形成填料层9，通过填料层9将三维监测主体固定在超前钻孔8内，然后将电缆4与数据采集仪连接。

导向头7到第1监测段长度范围的水泥砂浆使导向头7和隧道围岩紧密连接，避免导向头7产生移动，影响检测效果。

数据采集与水平方向位移、铅垂方向位移、洞轴线方向位移及合位移方向角的计算依靠基准线、柔性连接段、安装位置线、基准辅助线、变形位置线、监测段作关系图，然后利用数学公式进行计算。

图3中，基准线14为计算水平方向位移、铅垂方向位移、洞轴线方向位移的参考线，与水平面或铅垂面的夹角为0°。

基准辅助线16为与基准线平行的参考线。

安装位置线15为监测主体安装后在水平面或铅垂面的安装位置参考线。

变形位置线17为隧道围岩产生变形后监测主体在水平面或铅垂面的变形位置参考线。

其中，第i监测段尾部位移S_i：

S_i＝∑L_i*sinβ_i-∑L_i*sinα_i(1)

式中，S_i为第i监测段尾部位移，L_i为第i监测段长度和柔性连接段长度的和，β_i为变形位置线上第i监测段与基准线夹角，α_i为安装位置线上第i监测段与基准线夹角。

第i监测段尾部的水平方向位移S_xi：

S_xi＝∑L_i*sinβ_xi-∑L_i*sinα_xi(2)

式中，水平方向位移指第i监测段尾部的水平方向位移，水平方向位移方向为x，S_xi为第i监测段尾部的水平方向位移，β_xi为水平投影面变形位置线上第i监测段与基准线夹角，α_xi为水平投影面安装位置线上第i监测段与基准线夹角。水平方向位移为直角坐标x方向位移， x方向向右为正。

第i监测段尾部的铅垂方向位移：

S_yi＝∑L_i*sinβ_yi-∑L_i*sinα_yi(3)

式中，铅垂方向位移指第i监测段尾部的铅垂方向位移。铅垂方向位移方向为y，S_yi为第i监测段尾部的铅垂方向位移，β_yi为铅垂面变形位置线上第i监测段与基准线夹角，α_yi为铅垂面安装位置线上第i监测段与基准线夹角。铅垂方向位移为直角坐标y方向位移，y方向向下为正。

第i监测段尾部的洞轴线方向位移：

S_zi＝∑L_i*cosα_yi-∑L_i*cosβ_yi(4)

式中，洞轴线方向位移指第i监测段尾部的洞轴线方向位移。洞轴线方向位移方向为z，z与上述x和y垂直，为三维坐标系z轴；S_zi为第i监测段尾部的洞轴线方向位移，β_yi为铅垂面变形位置线上第i监测段与基准线夹角，α_yi为铅垂面安装位置线上第i监测段与基准线夹角。所述洞轴线方向位移为三维坐标系z方向位移，z方向为未开挖隧道段方向为正。

第i监测段的合位移方向与直角坐标y方向的夹角：

γ_i＝arctan(S_yi/S_xi)(5)

通过直角坐标系作关系图，然后利用数学公式进行计算，式中γ_i为第i监测段的合位移方向与直角坐标y方向的夹角。根据上述计算原理和计算公式计算γ_i，然后根据直角坐标系中水平位移和铅垂位移的方向，确定第i监测段合位移方向角δ_i。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种盾构隧道围岩变形超前监测结构，其特征在于，包括若干监测段(1)、柔性连接段(2)以及位于监测段(1)上的角度感应装置(3)组成的监测主体，其中，柔性连接段(2)的两端分别与相邻两个监测段(1)的首段和尾端连接，角度感应装置(3)用于监测其上的监测段(1)与水平面和铅垂面的角度。

2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道围岩变形超前监测结构，其特征在于，靠近A端的监测段(1)的首端连接有一端为尖锥状的导向头(7)。

3.根据权利要求1或2所述的一种盾构隧道围岩变形超前监测结构，其特征在于，监测段(1)和柔性连接段(2)上套装有柔性套管(5)，柔性套管(5)将监测主体套装在其内。

4.根据权利要求3所述的一种盾构隧道围岩变形超前监测结构，其特征在于，监测段(1)上套装有橡胶圈(6)，橡胶圈(6)在围岩变形时，监测段(1)随柔性套管(5)同幅度变形。

5.根据权利要求1所述的一种盾构隧道围岩变形超前监测结构，其特征在于，监测主体位于超前钻孔(8)内，超前钻孔(8)为围岩中未挖段(10)上方的斜向上倾斜的钻孔。

6.根据权利要求5所述的一种盾构隧道围岩变形超前监测结构，其特征在于，超前钻孔(8)与监测主体之间填充有用于固定监测主体的填料层(9)。

7.根据权利要求1所述的一种盾构隧道围岩变形超前监测结构，其特征在于，监测段(1)为内部为中空的钢管，角度感应装置(3)位于钢管内部。

8.根据权利要求1所述的一种盾构隧道围岩变形超前监测结构，其特征在于，角度感应装置(3)包括用于分别监测其上的监测段(1)与水平面和铅垂面的角度的第一角度感应器和第二角度感应器。

9.根据权利要求1所述的一种盾构隧道围岩变形超前监测结构，其特征在于，柔性连接段(2)为波纹管，角度感应装置(3)相连接的电缆(4)穿过柔性连接段(2)内部，从B端监测段(1)穿出与数据采集器连接。

10.根据权利要求1所述的一种盾构隧道围岩变形超前监测结构，其特征在于，柔性连接段(2)和监测段(1)之间通过螺栓连接。

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