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申请/专利权人：中铁十六局集团地铁工程有限公司;北京科技大学;中铁十六局集团有限公司

摘要：本发明提供一种隧道顶板围岩位移测量装置及方法，属于隧道测量技术领域。该装置包括球形测点、柱形刻度管、联通管、单通阀门、安装顶杆，球形测点和柱形刻度管通过联通管连接，单通阀门安装在柱形刻度管上端，连通管内包裹通气管和通液管，球形测点连接安装顶杆和戳土结构。测量前通过钻孔将球形测点埋置于工作面前方未开挖区域的顶板围岩中，柱形刻度管固定在施工横通道侧壁上，其中柱形刻度管的体积小于球形测点的体积的50％，随着工作面的推进，记录柱形刻度管液面的下降值h，进一步推算由于开挖所引起的顶板围岩沉降值。该测量系统可以测量出开挖引起的前期沉降和急剧沉降全过程，具有测点无需调平，测量范围大的优点。

主权项：1.一种隧道顶板围岩位移测量装置，其特征在于：包括球形测点5、柱形刻度管1、联通管9、单通阀门2和安装顶杆8，球形测点5和柱形刻度管1通过联通管9相连，单通阀门2安装在柱形刻度管1上端，球形测点5上半球外侧加工有戳土结构7，球形测点5下半球外侧加工有环形套筒6，安装顶杆8紧密嵌于环形套筒6内，测量前，球形测点5埋置于工作面前方未开挖区域的顶板围岩中，柱形刻度管1固定在施工横通道侧壁上，柱形刻度管1的轴向与水平面垂直；所述联通管9由通气管3和通液管4包裹于刚性外护套13内而构成，通气管3两端分别与柱形刻度管1上端和球形测点5上端相连，通液管4两端分别与柱形刻度管1下端和球形测点5下端相连；所述柱形刻度管1的体积小于球形测点5的体积的50％，保证在球形测点5随顶板围岩沉降过程中，球形测点5空腔内的液体不会从上端通气管3溢出；所述戳土结构7和环形套筒6轴向位于同一直线且穿过圆心，并与水平向的夹角呈10-30度。

全文数据：一种隧道顶板围岩位移测量装置及方法技术领域本发明涉及隧道测量技术领域，特别是指一种隧道顶板围岩位移测量装置及方法。背景技术随着城市人口的激增，路面交通日趋拥挤，城市地下轨道交通已经进入了快速发展阶段。与此同时，由于地质条件差，开挖断面大，施工扰动等，经常会引起地表沉降过大，甚至地表塌陷、建筑物倾斜等工程灾害。究其原因，很大一部分是由于土层参数不明，支护时间和强度不合理而造成的，而能否准确测量出由于开挖引起的顶板围岩沉降，对识别土层的力学参数，确定合理的支护时间和支护强度具有重要的意义。现有的测量方法大都是等工作面推进后再将测点布置衬砌结构上，其往往忽略了前期沉降和急剧沉降两个重要沉降过程，这实际上不能真正意义地测量出开挖所引起的顶板围岩沉降。针对这一问题，本发明提供一种隧道顶板围岩位移测量装置及方法，其通过钻孔将测点布置在工作面前方未开挖区域的顶板上方，从而能够较好地测量出开挖所引起的整个沉降过程。发明内容本发明未解决现有测量方法未能体现前期沉降和急剧沉降两阶段的顶板围岩沉降等问题，提供一种隧道顶板围岩位移测量装置及方法，能够较为准确地测量出由于隧道开挖引起的总沉降量。该装置包括球形测点、柱形刻度管、联通管、单通阀门和安装顶杆，球形测点和柱形刻度管通过联通管相连，单通阀门安装在柱形刻度管上端，球形测点上半球外侧加工有戳土结构，球形测点下半球外侧加工有环形套筒，安装顶杆紧密嵌于环形套筒内，测量前，球形测点埋置于工作面前方未开挖区域的顶板围岩中，柱形刻度管固定在施工横通道侧壁上，柱形刻度管的轴向与水平面垂直。其中，联通管由通气管和通液管包裹于刚性外护套内而构成，通气管两端分别与柱形刻度管上端和球形测点上端相连，通液管两端分别与柱形刻度管下端和球形测点下端相连。柱形刻度管的体积小于球形测点的体积的50％，保证在球形测点随顶板围岩沉降过程中，球形测点空腔内的液体不会从上端通气管溢出。戳土结构和环形套筒轴向位于同一直线且穿过圆心，并与水平向的夹角呈10-30度。单通阀门保证球形测点内气体只能够单向进入柱形刻度管。柱形刻度管外部刻有刻度，且零刻度位于管身上部。该装置使用时，球形测点和顶板围岩的钻孔之间充满膨化剂。应用该测量装置的方法，包括步骤如下：S1：沿工作面倾斜向上钻孔，钻进角度等于戳土结构与水平向之间的夹角，钻进至隧道顶板开挖轮廓线外停止；S2：将安装顶杆嵌入球形测点的环形套筒中，将球形测点送至钻孔顶端，使戳土结构插入孔顶的岩土体中；S3：取出安装顶杆，捣入与钻孔同直径的圆塞，然后在圆塞与孔顶所形成的空腔内打入膨化剂，从而将球形测点与岩土体固结为一体；S4：将柱形刻度管缓慢抬升至液面与零刻度重合，并固定在施工横通道侧壁上，再次调平；S5：随着工作面的推进，记录柱形刻度管液面的下降值h，进一步推算由于开挖所引起的顶板围岩沉降值Δh。本发明的上述技术方案的有益效果如下：1、本发明利用钻孔技术将球形测点埋置于工作面前方未开挖区域的顶板围岩中，可以测量出由于开挖引起的顶板围岩的总沉降量，包括前期沉降和急剧沉降过程；2、本发明利用液体在球形空腔内不受偏转影响的特点，将其作为测点允许有一定角度的旋转，无需调平；3、本发明中球形测点的体积远大细长的柱形刻度管体积，因此该测量设备相比于普通水准仪其量程范围更大。附图说明图1为本发明的隧道顶板围岩位移测量装置结构示意图；图2为本发明隧道顶板围岩位移测量装置的单通阀门结构示意图；图3为本发明实施例中开挖前的隧道剖面图；图4为本发明实施例中开挖后的隧道剖面图；图5为本发明隧道顶板围岩位移测量装置的安装顶杆与球形测点的连接示意图；图6为本发明隧道顶板围岩位移测量装置的联通管断面结构示意图；图7为本发明实施例中球形测点的布置示意图。其中：1-柱形刻度管，2-单通阀门，3-通气管，4-通液管，5-球形测点，6-环形套筒，7-戳土结构，8-安装顶杆，9-联通管，10-膨化剂，11-圆塞，12-衬砌，13-刚性外护套。具体实施方式为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。本发明提供一种隧道顶板围岩位移测量装置及方法。如图1所示，该装置包括球形测点5、柱形刻度管1、联通管9、单通阀门2和安装顶杆8，球形测点5和柱形刻度管1通过联通管9相连，单通阀门2安装在柱形刻度管1上端，球形测点5上半球外侧加工有戳土结构7，球形测点5下半球外侧加工有环形套筒6，安装顶杆8紧密嵌于环形套筒6内，测量前，开挖前，如图3所示，球形测点5埋置于工作面前方未开挖区域的顶板围岩中，柱形刻度管1固定在施工横通道侧壁上，柱形刻度管1的轴向与水平面垂直。开挖后的隧道剖面如图4所示。如图2所示，单通阀门2保证球形测点5内气体只能够单向进入柱形刻度管1。如图5所示，戳土结构7和环形套筒6轴向位于同一直线且穿过圆心，并与水平向的夹角呈10-30度。如图6所示，联通管9由通气管3和通液管4包裹于刚性外护套13内而构成，通气管3两端分别与柱形刻度管1上端和球形测点5上端相连，通液管4两端分别与柱形刻度管1下端和球形测点5下端相连。在实际设计中，柱形刻度管1的体积小于球形测点5的体积的50％，保证在球形测点5随顶板围岩沉降过程中，球形测点5空腔内的液体不会从上端通气管3溢出。如图7所示，按照图示装置的布置，该隧道顶板围岩位移测量装置的测量方法如下：S1：沿工作面倾斜向上钻孔，钻进角度等于戳土结构7与水平向之间的夹角，钻进至隧道顶板开挖轮廓线外停止；S2：将安装顶杆8嵌入球形测点的环形套筒6中，将其送至钻孔顶端，使戳土结构7插入孔顶的岩土体中；S3：取出安装顶杆8，捣入与钻孔同直径的圆塞11，然后在圆塞11与孔顶所形成的空腔内打入膨化剂10，从而将球形测点5与岩土体固结为一体；S4：将柱形刻度管1缓慢抬升至液面与零刻度重合，并将其固定在施工横通道侧壁上，再次调平。S5：随着工作面的推进，记录柱形刻度管1液面的下降值h，进一步推算由于开挖所引起的顶板围岩的沉降值Δh。上述测量方法中的S5步骤所涉及的推算过程如下：从柱形刻度管流出的液体体积为V1，流入球形测点空腔的液体体积为V2，其表达式如下：V1＝πr2h1式中：z1沉降前球形测点内液面相对于空腔最低点的标高，d为球形测点内液面增加的高度，h为柱形刻度管内液面的下降值。由于测量过程中液体体积保持不变，因而从柱形刻度管流出的液体体积等于流入球形测点空腔的液体体积，即：顶板围岩的沉降值Δh为柱形刻度管内的液面下降值h和球形测点内液面增加值d之和，其表达式如下：Δh＝h+d4测量时，柱形刻度管内的液面下降值h的值可以从刻度管上读出，由式3可推导出球形测点内液面增加高度d的值，进一步可以得知顶板围岩的沉降值Δh。以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

权利要求：1.一种隧道顶板围岩位移测量装置，其特征在于：包括球形测点5、柱形刻度管1、联通管9、单通阀门2和安装顶杆8，球形测点5和柱形刻度管1通过联通管9相连，单通阀门2安装在柱形刻度管1上端，球形测点5上半球外侧加工有戳土结构7，球形测点5下半球外侧加工有环形套筒6，安装顶杆8紧密嵌于环形套筒6内，测量前，球形测点5埋置于工作面前方未开挖区域的顶板围岩中，柱形刻度管1固定在施工横通道侧壁上，柱形刻度管1的轴向与水平面垂直。2.根据权利要求1所述的隧道顶板围岩位移测量装置，其特征在于：所述联通管9由通气管3和通液管4包裹于刚性外护套13内而构成，通气管3两端分别与柱形刻度管1上端和球形测点5上端相连，通液管4两端分别与柱形刻度管1下端和球形测点5下端相连。3.根据权利要求2所述的隧道顶板围岩位移测量装置，其特征在于：所述柱形刻度管1的体积小于球形测点5的体积的50％，保证在球形测点5随顶板围岩沉降过程中，球形测点5空腔内的液体不会从上端通气管3溢出。4.根据权利要求1所述的隧道顶板围岩位移测量装置，其特征在于：所述戳土结构7和环形套筒6轴向位于同一直线且穿过圆心，并与水平向的夹角呈10-30度。5.根据权利要求1所述的隧道顶板围岩位移测量装置，其特征在于：所述单通阀门2保证球形测点5内气体只能够单向进入柱形刻度管1。6.根据权利要求1所述的隧道顶板围岩位移测量装置，其特征在于：所述柱形刻度管1外部刻有刻度，且零刻度位于管身上部。7.根据权利要求1所述的隧道顶板围岩位移测量装置，其特征在于：该装置使用时，球形测点5和顶板围岩的钻孔之间充满膨化剂10。8.应用权利要求1所述的隧道顶板围岩位移测量装置的方法，其特征在于：包括步骤如下：S1：沿工作面倾斜向上钻孔，钻进角度等于戳土结构7与水平向之间的夹角，钻进至隧道顶板开挖轮廓线外停止；S2：将安装顶杆8嵌入球形测点5的环形套筒6中，将球形测点5送至钻孔顶端，使戳土结构7插入孔顶的岩土体中；S3：取出安装顶杆8，捣入与钻孔同直径的圆塞11，然后在圆塞11与孔顶所形成的空腔内打入膨化剂10，从而将球形测点5与岩土体固结为一体；S4：将柱形刻度管1缓慢抬升至液面与零刻度重合，并固定在施工横通道侧壁上，再次调平；S5：随着工作面的推进，记录柱形刻度管1液面的下降值h，进一步推算由于开挖所引起的顶板围岩沉降值Δh。

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