本發(fā)明屬于巖土工程與隧道工程監(jiān)測，當(dāng)隧道穿越斷層破碎帶時，可用于監(jiān)測并計算斷層破碎帶的絕對位移，具體為隧道穿越斷層破碎帶的圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法。

背景技術(shù)：

1、斷層是地殼內(nèi)部的巖層或巖體在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的面狀破壞面或面狀流變帶，勘察設(shè)計過程中很難準(zhǔn)確的查明隧道內(nèi)斷層破碎帶的具體地質(zhì)情況。在隧道穿越斷層破碎帶時，斷層破碎帶的位移變化往往無規(guī)律性，不同深度處變化截然不同。傳統(tǒng)的隧道監(jiān)測方法往往只在隧道內(nèi)部設(shè)置圍巖監(jiān)測裝置，無法得知其他深度處的斷層破碎帶的位移變化，導(dǎo)致隧道內(nèi)部的圍巖變形具有突發(fā)性，在隧道開挖后經(jīng)常出現(xiàn)突發(fā)性坍塌、冒頂?shù)仁鹿?，影響施工安全和工程質(zhì)量。在斷層破碎帶產(chǎn)生的地震波的影響下，斷層深層處產(chǎn)生較大的位移監(jiān)測誤差，而對地面?zhèn)鞲衅饔绊戄^小，在采用單一的拉線式傳感器時，會產(chǎn)生較大的監(jiān)測誤差，無法準(zhǔn)確監(jiān)測。

2、因此，為獲取隧道穿越的斷層破碎帶的位移情況，揭示隧道施工過程斷層破碎帶動態(tài)變化規(guī)律，分析斷層破碎帶時空演化規(guī)律，亟待研發(fā)一種全面、可靠、高精度的斷層破碎帶位移監(jiān)測系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、基于以上問題，本發(fā)明提出一種隧道穿越斷層破碎帶的圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法，將斷層破碎帶分層進(jìn)行監(jiān)測，獲取不同深度處的斷層破碎帶的絕對位移，進(jìn)而得到整個斷層破碎帶的時空演化規(guī)律，及時預(yù)測隧道內(nèi)部圍巖的變化趨勢，為隧道建設(shè)提供安全保障。

2、本發(fā)明的監(jiān)測系統(tǒng)裝置和方法如下：

3、隧道穿越斷層破碎帶的圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測系統(tǒng)包含設(shè)置在圍巖外部的地表位移測量單元，設(shè)置在圍巖內(nèi)部的位移測量單元、測斜單元和隧道內(nèi)部的位移測量單元；

4、所述地表位移測量單元包括連通管連通的p只靜力水準(zhǔn)儀測點和水箱、靜力水準(zhǔn)儀基準(zhǔn)點，所述的水箱和靜力水準(zhǔn)儀基準(zhǔn)點設(shè)置在同一只混凝土基座上；

5、所述圍巖內(nèi)部的位移測量單元包括每個靜力水準(zhǔn)儀測點混凝土基座下設(shè)置的多點位移計，多點位移計在土體不同深度位置處設(shè)置測點，測量各測點圍巖位移變化；

6、所述圍巖內(nèi)部的測斜單元包括設(shè)置多點位移計附近的雙軸測斜儀，通過雙軸測斜儀測量土體角度變化；

7、所述隧道內(nèi)部的位移測量單元包括全站儀和設(shè)置在隧道的開挖輪廓線上的反光貼，通過全站儀記錄反光貼的垂直坐標(biāo)變化量；

8、所述的測斜單元與圍巖內(nèi)部的位移測量單元、地表位移測量單元，以及隧道內(nèi)部的位移測量單元的測量數(shù)據(jù)相融合，得到隧道穿越斷層破碎帶的絕對位移。上述靜力水準(zhǔn)儀單元均采用壓差式靜力水準(zhǔn)儀，靜力水準(zhǔn)儀單元布置時高差保持在儀器量程以內(nèi)。

9、上述多點位移計和雙軸測斜儀外均設(shè)置保護(hù)管，并于土體固結(jié)為一體。上述多點位移計由測桿、位移計和測桿錨頭組成，頂端的位移計通過測桿與測桿錨頭聯(lián)接至一起。

10、上述雙軸測斜儀的傾角傳感器通過剛性連接桿固定于保護(hù)管內(nèi)部，傾角傳感器的測量方向與待測位移方向保持一致。

11、上述多點位移計和雙軸測斜儀中引出的電纜與靜力水準(zhǔn)儀中引出的電纜接到自動化采集儀中進(jìn)行實時監(jiān)測。

12、上述多點位移計的測點布置在每個靜力水準(zhǔn)儀測點混凝土基座正下方，布置5～6組多點位移計，各組位移計間橫向間距為5m，各測點埋深位于10-20m之間。

13、上述雙軸測斜儀布置于多點位移計之間，雙軸測斜儀測點位置與多點位移計測點位置相對應(yīng)，測得多點位移計每一測點處的角度變化。

14、上述洞內(nèi)反光貼片與上方靜力水準(zhǔn)儀及多點位移計位于同一豎直平面，通過全站儀監(jiān)測獲取洞內(nèi)圍巖的絕對位移。

15、隧道穿越斷層破碎帶的圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測方法，包括以下步驟：

16、【1】建立隧道穿越斷層破碎帶的圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測系統(tǒng)；

17、【2】采用全站儀或水準(zhǔn)儀對靜力水準(zhǔn)儀基準(zhǔn)點的絕對沉降量監(jiān)測；

18、【3】通過讀取靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算得到靜力水準(zhǔn)儀單元各測點的絕對沉降量z0i，i為測點號，i＝1,2,3,...,n；

19、【4】圍巖內(nèi)部第i個測點第1個深度測點錨頭測點的絕對沉降計算：

20、【4.1】假定第i個測點第1個深度測點至混凝土基座的初始長度為l1i(i為測點號，i＝1,2,3,...,n),產(chǎn)生位移后長度變?yōu)閘′1i；同時測孔內(nèi)雙軸測斜儀測得測桿與正向x初始角度為α1i，與正向y初始角度為β1i，發(fā)生位移后，測得測桿與正向x位移后角度為α′1i，與正向y位移后角度為β′1i，計算得到第i個測點第1個深度測點的整體初始角度θ1i和位移后角度θ′1i為：

21、

22、【4.2】豎向z的初始高度z′1i和位移后的高度z′1i為：

23、z1i＝l1ieosθ1i,z′1i＝l′1i·cosθ′1i

24、【4.3】計算第i個測點第1個深度測點的豎向位移z的位移變化量δz1i和第i個測點第1個深度測點錨頭位置在z方向的絕對位移：

25、δz1i＝z′1i-z1i，z1＝z0i+δz1i

26、【5】圍巖內(nèi)部第i個測點第2個深度測點錨頭測點的絕對沉降計算：

27、【5.1】假定第i個測點第2個深度測點錨頭至混凝土基座的初始長度為l2i(i為測點號，i＝1,2,3,...,n),產(chǎn)生位移后長度變?yōu)閘′2i；同時測孔內(nèi)的雙軸測斜儀測得測桿下部與正向x初始角度為α2i，與正向y初始角度為β2i，發(fā)生位移后，測得測桿與正向x位移后角度為α′2i，，與正向y位移后角度為β′2i，計算得到第i個測點第2個深度測點的整體初始角度θ2i和位移后角度θ′2i：

28、

29、【5.2】計算得到深度測點下部豎向z的初始高度z2i和位移后的高度為：

30、z2i＝(l2i-l1i)·cosθ2i,z′2i＝(l′2i-l′1i)·cosθ′2i

31、【5.3】計算第i個測點第2個深度測點下部的豎向位移z的位移變化量δz2i，和第i個測點第2個深度測點錨頭位置在z方向的絕對位移：

32、δz2i＝z′2i-z2i，z2＝z0i+δz1i+δz2i

33、【6】同理，計算得到第i個測點第j個測桿在z方向上的絕對位移為：

34、

35、【7】通過全站儀測得隧道內(nèi)與地面測點對應(yīng)的反光貼的坐標(biāo)值，得到隧道內(nèi)的絕對沉降量zd；

36、【8】對隧道上方每個測點不同深度測點的絕對沉降進(jìn)行分析，得到隧道穿越的斷層破碎帶圍巖內(nèi)部的絕對位移，分析整個隧道穿越的斷層破碎帶的時空演化規(guī)律。

37、本發(fā)明具有的有益技術(shù)效果如下：

38、一、本發(fā)明提供了一種隧道穿越斷層破碎帶的圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測系統(tǒng)及計算方法，可對隧道斷層破碎帶位移進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測，相較于傳統(tǒng)的位移監(jiān)測裝置和系統(tǒng)，本發(fā)明能夠獲取斷層破碎帶分層的絕對位移，揭示整個斷層破碎帶的時空演化規(guī)律，及時預(yù)測斷層破碎帶處隧道內(nèi)部圍巖變形規(guī)律，在有地震波干擾時，地面采集裝置仍提供地面沉降信息，為隧道安全做出預(yù)警，并為我國斷層破碎帶研究提供可靠數(shù)據(jù)支撐。

39、二、本發(fā)明所設(shè)計隧道穿越斷層破碎帶的圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測系統(tǒng)裝置，所采用的位移測量單元和測斜單元均采用自動化采集，實現(xiàn)數(shù)據(jù)不間斷采集，減少人工誤差；同時根據(jù)靜力水準(zhǔn)儀、多點位移計和全站儀數(shù)據(jù)，采用本發(fā)明的系統(tǒng)方法進(jìn)行系統(tǒng)計算分析，獲取了斷層破碎帶位移監(jiān)測，效果優(yōu)于傳統(tǒng)隧道內(nèi)部位移監(jiān)測設(shè)備和系統(tǒng)。

40、三、本發(fā)明多點位移計和測斜儀外設(shè)置有保護(hù)管，鉆孔完成后，可在裝置組裝成型后一次性注漿封孔，避免多次反復(fù)注漿。同時，結(jié)構(gòu)簡單，安裝簡便，造價成本低，計算方法簡便，可獲取斷層破碎帶分層沉降及整體變化規(guī)律，應(yīng)用前景廣闊。