一种围岩水平绝对位移的监测装置和方法
技术领域
本发明属于岩土工程与隧道工程监测
技术领域
，可用于测量隧道开挖引起的围岩水平位移，具体为一种围岩水平绝对位移的监测装置和方法。背景技术
我国有属于多山的国家，山区面积占国土面积2/3以上，在建设高质量立体交通网过程中，必然要修筑大量山岭隧道和城市地铁。为了保证隧道施工安全、防止隧道失稳破坏、保证通车运营安全，隧道工程的监控量测项目必不可少。
隧道围岩内部位移可以直接反映围岩受力和变形状态，并对隧道开挖和运营全过程的安全性进行监测。同时，隧道开挖引起的围岩变形并非单一的径向收敛，而是三维方向上的变形，在开挖断面接近时，围岩会存在一定先期位移，而我国目前对围岩先期位移量和位移方向的研究存在较大空缺，因此，亟待构建一种围岩水平绝对位移的监测装置和计算方法，对隧道围岩水平位移和位移角度进行监测。
目前，常用的量测设备主要有测斜仪、单点/多点位移计、柔性测斜仪等，但这些设备不同程度上存在以下问题：测斜仪和位移计无法获取围岩绝对位移量和双轴水平位移量、测试误差较大；柔性测斜仪造价高，量测范围和长度受限。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明提出了一种围岩水平绝对位移的监测装置和方法，利用围岩测孔内双轴测斜仪和外部的全站仪分别实现了围岩内部多区段的和测孔处的位移参数监测，进而计算得到围岩水平绝对位移值。
本发明的技术方案如下：
一种围岩水平绝对位移的监测装置，包括设置在围岩内部的测斜装置和围岩外部的地表位移测量装置；
所述的测斜装置包括设置在同一只测斜管内的n只级联的双轴测斜仪，每只双轴测斜仪包括倾角传感器、刚性连接杆、正向滑轮组和侧向滑轮组，所述的正向滑轮组和侧向滑轮组分别设置在刚性连接杆的两端，并在空间上正交排布；相邻刚性连接杆之间通过万向关节活动联接；倾角传感器通过导线与外部的数据采集单元联接；
所述的测斜管设置在围岩内部的测孔内，并与测孔固为一体；
所述的地表位移测量装置包括全站仪和设置在测斜管的外露顶部上的反光贴，全站仪记录反光贴的位移；
所述的测斜装置获取测孔内部不同深度处倾斜参数，并与地表位移测量装置获取的测孔孔口处的位移参数结合，计算得到围岩水平方向绝对位移值。
上述一种围岩水平绝对位移的监测装置中，所述的正向滑轮组和侧向滑轮组均包括连杆和连杆两端设置的两只滑轮。
上述一种围岩水平绝对位移的监测装置中，所述的刚性连接杆中部设置有通孔，所述的连杆穿过所述的通孔。
上述一种围岩水平绝对位移的监测装置中，所述的测斜管为硬质PVC材质，测孔与测斜管之间通过细沙或混凝土添实，并固为一体，当围岩发生变形时引起测斜管不同位置发生位移。
上述一种围岩水平绝对位移的监测装置中，所述的测斜管内壁设置有限制滑轮沿测斜管轴线方向偏摆的十字刻槽。
上述一种围岩水平绝对位移的监测装置中，所述正向滑轮组与双轴测斜仪倾角传感器x轴的方向一致，侧向滑轮组与双轴测斜仪倾角传感器y轴的方向一致。
上述一种围岩水平绝对位移的监测装置中，n＝2～5。
一种围岩水平绝对位移的监测方法，包括以下步骤：
【1】建立围岩水平绝对位移的监测装置；
【2】全站仪获取反光贴的水平位移量Δx0和Δy0，即为测孔孔口处的位移值；
【3】计算任意一只双轴测斜仪的水平位移：
假设该双轴测斜仪中刚性连接杆上部位置不变，下部位置发生移动；刚性连接杆长度为li，刚性连接杆下部正向x位移长度为Δxi，侧向y位移长度为Δyi，计算得水平方向位移距离为：
Δxi＝li×cosθ×tanα
Δyi＝li×cosθ×tanβ
其中θ为刚性连接杆整体偏移角度，α为双轴测斜仪所测得的正向x偏移角度，β为侧向y偏移角度；
【4】对岩层内n段刚性连接杆位移量和测孔孔口处的位移值进行叠加得到：
其中Δxn和Δyn分别为围岩在x和y轴方向的水平绝对位移值。
本发明具有以下的有益技术效果：
1、本发明围岩水平绝对位移的监测装置利用围岩测孔内的双轴测斜仪和外部的全站仪分别实现了围岩内部位移和测孔处的位移参数监测，将传统测斜仪的孔口与测点相对位移监测相结合，进而计算得到围岩水平绝对位移值；与传统测斜仪相比，获得了孔口与测点之间的相对位移参数，又避免了传统位移计无法监测位移方向、修正位移量的缺点；同时相对于柔性测斜仪，该装置结构简单，成本较低。
2、本发明的双轴测斜仪采用双向滑轮、测斜管内十字刻槽和双轴测斜仪来定位监测方向，从而获取水平双轴位移量，避免了传统测斜仪单向滑轮和相对位移的缺点，测试精度更高，误差更小；同时将多个双轴测斜仪通过刚性连接杆和万向关节4活动联接，可深入至更深的岩体内部，并实现了测孔内不同位置处的区段化位移监测。
3、本发明双轴测斜仪中的刚性连接杆，可根据实际工程情况进行设计，满足不同工程的测试要求；同时滑轮位于连接杆端部，双轴测斜仪位于连接杆中部，实现了区段化监测，相比于传统测斜仪的短距离滑轮，提高了测试精度。
附图说明
图1为本发明隧道围岩水平绝对位移监测装置的整体组成示意图。
图2为本发明围岩内部测斜装置的组成结构图。
图3为本发明围岩内部测斜装置的局部结构示意图。
图4为本发明测斜装置双向滑轮组布局示意图。
图5为本发明滑轮组结构示意图。
图6为本发明某一只双轴测斜仪测得的水平位移计算示意图。
图中，1-测斜管，2-管底，3-刚性连接杆，4-万向关节，5-双轴测斜仪，6-正向滑轮组，6-1-测杆顶部正向滑轮组，6-2-测杆底部正向滑轮组，7-侧向滑轮组，7-1-测杆顶部侧向滑轮组，7-2-测杆底部侧向滑轮组，8-滑轮，9-连杆，10-外露顶部，11-反光贴，12-全站仪。
具体实施方式
如图1-5所示，本发明一种围岩水平绝对位移的监测装置，包括设置在围岩内部的测斜装置和围岩外部的地表位移测量装置；
测斜装置包括设置在同一只测斜管1内的n只级联的双轴测斜仪5，每只双轴测斜仪5包括倾角传感器、刚性连接杆3、正向滑轮组6和侧向滑轮组7，所述的正向滑轮组6和侧向滑轮组7分别设置在刚性连接杆3的两端，并在空间上正交排布；相邻刚性连接杆3之间通过万向关节4活动联接；倾角传感器通过导线与外部的数据采集单元联接；所述的测斜管1为硬质PVC材质，设置在围岩内部的测孔内，测孔和测斜管1之间通过细沙或混凝土添实，并固为一体；刚性连接杆3可在出厂前根据设计要求改变长度，而滑轮组位于刚性连接杆3端部。一段刚性连接杆表示一个测试区段，可以测量得到端部滑轮和尾部滑轮之间的水平位移量。
当围岩发生位移时，使测斜管不同位置发生不同程度偏移，进而引起滑轮和双轴测斜仪发生偏移，得到双轴角度变化量，通过刚性连接杆长度和角度大小换算得到水平位移变化量。
地表位移测量装置包括全站仪12和设置在测斜管1的外露顶部10上的反光贴11，全站仪12记录反光贴11的位移，监测可获取孔口的三维坐标变化量。
测斜装置获取测孔内部不同深度处倾斜参数，并与地表位移测量装置获取的测孔孔口处的位移参数结合，计算得到围岩水平方向绝对位移值。通过地表竖直测孔埋设该装置，测量深度和长度可根据实际情况改变；根据测量所得双轴角度偏移量和测杆长度，换算得到水平位移量；同时通过反光贴11监测，获取测孔水平位移量，进而得到隧道围岩水平方向绝对位移。
图2和图3中，正向滑轮组6和侧向滑轮组7分别设置在刚性连接杆3的两端，并在空间上正交排布；其中6-1为测杆顶部正向滑轮组，6-2为测杆底部正向滑轮组，7-1为测杆顶部侧向滑轮组，7-2为测杆底部侧向滑轮组。
如图4和5所示，正向滑轮组6和侧向滑轮组7均包括连杆9和连杆9两端设置的两只滑轮8，刚性连接杆3中部设置有通孔，连杆9穿过该通孔。测斜管1的内壁设置有限制滑轮沿测斜管轴线方向偏摆的十字刻槽。该十字刻槽的槽宽与滑轮的厚度相匹配，再加上刚性连接杆3中部通孔的限位作用，可确保正向滑轮组6和侧向滑轮组7均按照设定的方向进行位移，定位双轴测斜仪5测量方向。
实施时对待测地表进行钻孔，成孔后将安装有管底2的测斜管1放入孔内，调整好十字槽方向，后采用沙土或浆液填充孔壁与测斜管1之间空隙，使其粘结密实，能够共同变形。
双轴测斜仪出厂前需设计好刚性连接杆3的长度，并提前预制完成，每段刚性连接杆3之间采用万向关节4连接，双轴测斜仪5的正向和侧向需分别与正向滑轮组6和侧向滑轮组7的方向一致。将设计好长度和测距的监测装置放入测斜管1内，将正向滑轮组6和侧向滑轮组7与测斜管1内的十字槽对齐。双轴测斜仪5内部设置有相应长度的导线，可连通至地表，方便外部的采集仪进行数据采集。安装完成后，将地表孔口处用混凝土或砂浆封闭抹平，并安装反光贴11。
测量时采用全站仪12对反光贴11进行长期监测，获取三维坐标数据，并将位移变化量换算呈双轴测斜仪5的正向和侧向上的位移变化分量，以此获得孔口处的水平位移量Δx0和Δy0。采用采集仪对测斜管1内的双轴测斜仪5进行监测，获取双轴测斜仪5的角度变化量，并通过公式计算得到每段刚性连接杆3的底部水平位移量Δxi和Δyi。将孔口的水平位移量和刚性连接杆底部的水平位移量依次叠加，以获取围岩的水平绝对位移量，即
本发明一种围岩水平绝对位移的监测和计算方法，包括以下步骤：
【1】钻制测孔并埋设该监测装置，采用细沙或混凝土等材料填充测斜管侧壁，使测斜管与岩壁密贴紧实；
【2】安装完成上述仪器后，在孔口安装反光贴片，并进行长期监测，获取反光贴片水平位移量Δx0和Δy0；
【3】岩层水平位移量计算：
计算原理如图6所示，其中正向滑轮组6与双轴测斜仪5的x轴方向一致，侧向滑轮组7与双轴测斜仪5的y轴方向一致。图中li为测杆长度，θ为测杆整体偏移角度，α为测杆正向x偏移角度，Δxi为测杆下部侧向x位移长度，β为测杆侧向y偏移角度，Δyi为测杆下部侧向y位移长度。
【3.1】取监测装置其中一段刚性连接杆为例进行计算，假定刚性连接杆上部位置不变，下部位置发生移动，双轴测斜仪所测得正向x偏移角度为α，测得侧向y偏移角度为β，计算得到刚性连接杆整体偏移角度θ为：
【3.2】刚性连接杆长度为li，刚性连接杆下部正向x位移长度为Δxi，侧向y位移长度为Δyi，计算得水平方向位移距离为：
Δxi＝li×cosθ×tanα
Δyi＝li×cosθ×tanβ
【3.3】根据【3.2】公式，对岩层内n段刚性连接杆位移量进行叠加，得到岩层内水平位移量为：
