获取矩形隧道节段间接缝水平变形量和差异沉降量的方法

摘要

本发明涉及一种获取矩形隧道节段间接缝水平变形量和差异沉降量的方法，通过使第一位移计以始终垂直于接缝的方式连接在两个矩形隧道节段上，第一位移计的测量值即为两个矩形隧道节段在垂直于接缝的方向上的实际距离变化，也即实际接缝水平变形量。由此，第一位移计能够准确的测量出接缝水平变形量。进一步，结合相对于接缝倾斜地连接在两个矩形隧道节段上并且能够适应于两个矩形隧道节段的相对运动的第二位移计的设置，可根据接缝水平变形量以及第二位移计测得的位移量，通过几何数学模型计算获得两个矩形隧道节段之间的差异沉降量。综上，通过两个位移计即可同时准确地获得接缝水平变形量和差异沉降量，整体成本明显降低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种获取矩形隧道节段间接缝水平变形量和差异沉降量的方法。

背景技术

隧道通常是由多组矩形节段预制拼装或现浇连接形成的埋设于地下的构筑物，其内部可以为行人、车辆和管线等提供通行和运输空间。然而，在百年的设计基准期内，隧道结构由于受到地基不均匀沉降、长期承受动荷载、混凝土收缩与徐变等因素的影响，往往会发生较大变形，从而增大隧道重大灾害发生的风险。而两个矩形隧道节段之间的接缝变形可以直观反映隧道结构的变形情况，因此，工程中通常对接缝变形进行实时监测，以直观反映隧道结构的状况，从而避免重大灾害的发生。

目前，接缝变形的测量多依赖于人工手动测量和单个位移计测量的方法。其中，人工手动测量误差大，数据准确性低，参考意义不大；而单个位移计测量的方法是指采用单个位移计垂直于接缝放置，位移计中包含万向节，即位移计自身可转动，位移计的两端分别固定在相邻两个矩形隧道节段上，如两个矩形隧道节段之间产生的相对移动中包含平行于接缝方向的相对移动(称为差异沉降)，则位移计不仅会伸缩，还会进行转动来适应差异沉降，由此，位移计的实际数值变化是差异沉降与接缝水平变形(垂直于接缝的方向的变形)的位移叠加，如此导致位移计所测得的接缝水平变形量的准确度不高。此外，差异沉降量通常使用水准仪单独进行测量，但水准仪昂贵，价格远高于位移计。

由此，现有方法存在接缝水平变形量的测量不准确以及差异沉降量的测量成本高的问题，亟需一种能够准确且低成本的获取矩形隧道节段间接缝水平变形量和差异沉降量的方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种能够准确且低成本的获取矩形隧道节段间接缝水平变形量和差异沉降量的方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种获取矩形隧道节段间接缝水平变形量和差异沉降量的方法，第一位移计和第二位移计跨设在两个矩形隧道节段之间的接缝上，其中，第一位移计为直线式位移计(直线式位移计为不含万向节等可转动部件的位移计，此种位移计只能适应于其两端沿其长度方向的相对移动)，并且第一位移计以始终垂直于接缝的方式连接在两个矩形隧道节段上，第二位移计相对于接缝倾斜地连接在两个矩形隧道节段上，并且能够适应于两个矩形隧道节段的相对运动；第一位移计测得的位移值为两个矩形隧道节段之间的接缝水平变形量，根据接缝水平变形量和第二位移计测得的位移量，通过几何数学模型，计算获得两个矩形隧道节段之间的差异沉降量。

根据本发明，通过如下公式获得差异沉降量：

其中，Δy为差异沉降量，l为第二位移计的初始长度，Δl为第二位移计测得的位移量，Δx为接缝水平变形量，θ为初始夹角值。

根据本发明，第一位移计和第二位移计位于两个矩形隧道节段的同侧。

根据本发明，第一位移计和第二位移计交叉设置。

根据本发明，第一位移计和第二位移计还设置为：第一位移计沿长度方向的中心与第二位移计沿长度方向的中心对齐。

根据本发明，计算设备接收第一位移计和第二位移计测得的位移值，并结合输入的第二位移计的初始长度以及第二位移计与接缝之间的初始夹角值，自动计算出差异沉降量。

根据本发明，第一位移计的相对两端分别为固定端和活动端，固定端与一个矩形隧道节段固定连接，活动端可沿平行于接缝的方向滑动地与另一个矩形隧道节段连接。

根据本发明，在活动端所在的矩形隧道节段上设有限位机构，活动端与限位机构连接，限位机构限定活动端的移动方向平行于接缝。

根据本发明，限位机构包括固定在矩形隧道节段上的滑杆和可滑动地套设在滑杆上的滑动件，滑杆的延伸方向平行于接缝，活动端与滑动件固定连接。

根据本发明，第二位移计的两端分别固定连接在两个矩形隧道节段上，第二位移计自身能够转动；或者第二位移计的两端分别可转动地连接在两个矩形隧道节段上，第二位移计自身能够伸缩。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明的获取矩形隧道节段间接缝水平变形量和差异沉降量的方法，通过使为直线式位移计的第一位移计以始终垂直于接缝的方式连接在两个矩形隧道节段上，使得两个矩形隧道节段之间平行于接缝的方向上的错位(即差异沉降方向上的错位)不会影响第一位移计的测量值，进而第一位移计的测量值即为两个矩形隧道节段在垂直于接缝的方向上的实际距离变化，也即实际接缝水平变形量。由此，第一位移计能够准确的测量出接缝水平变形量。进一步，结合相对于接缝倾斜地连接在两个矩形隧道节段上并且能够适应于两个矩形隧道节段的相对运动的第二位移计的设置，可根据接缝水平变形量、和第二位移计测得的位移量，通过几何数学模型计算获得两个矩形隧道节段之间的差异沉降量，由此，能够获取准确的差异沉降量，并且获取差异沉降量只需两个位移计，相比于现有技术中采用水准仪的方式，成本更低。综上，通过两个位移计即可同时准确地获得接缝水平变形量和差异沉降量，整体成本也明显降低。

附图说明

图1为如下具体实施方式提供的获取矩形隧道节段间接缝水平变形量和差异沉降量的方法中两个位移计的布设示意图；

图2为如下具体实施方式提供的获取矩形隧道节段间接缝水平变形量和差异沉降量的方法中差异沉降量和接缝水平变形量计算示意图，其中实线为变形前位置，虚线为变形后位置；

图3为图1中限位机构的局部示意图。

【附图标记】

1：矩形隧道节段；2：接缝；3：固定组件；4：第二位移计；5：固定端；6：固定组件；7：第一位移计；8：固定组件；9：固定组件；10：滑杆；11：滑动件；12：活动端；13：固定组件；14：光缆；x：接缝水平变形方向；y：差异沉降方向。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

参照图1，本实施例提供一种获取矩形隧道节段间接缝水平变形量和差异沉降量的方法，其中，第一位移计7和第二位移计4跨设在两个矩形隧道节段1之间的接缝2上。其中，垂直于接缝2的方向为接缝水平变形方向，以“x”示出；平行于接缝2的方向为差异沉降方向，以“y”示出。

具体地，第一位移计7为直线式位移计，直线式位移计为不含万向节等可转动部件的位移计，此种位移计只能适应于其两端沿其长度方向的相对移动。第一位移计7以始终垂直于接缝2的方式连接在两个矩形隧道节段1上，即第一位移计7与两个矩形隧道节段1相连接，随着两个矩形隧道节段1的相对移动(可能是单纯沿差异沉降方向的相对移动、可能是单纯沿垂直于接缝2的方向的相对移动、也可能是沿上述两个方向的叠加方向的相对移动)，第一位移计7始终垂直于接缝2做伸缩运动(例如通过其中的伸缩杆)而不会有转动。

具体地，第二位移计4相对于接缝2倾斜地连接在两个矩形隧道节段1上，并且能够适应于两个矩形隧道节段1的相对运动，即第二位移计4跟随两个矩形隧道节段1的相对运动做适应性的转动和/或伸缩。其中，第二位移计4与接缝2之间的夹角值大于0°且小于90°。

进一步，第一位移计7测得的位移值为两个矩形隧道节段1之间的接缝水平变形量，根据接缝水平变形量和第二位移计4测得的位移量，通过几何数学模型计算获得两个矩形隧道节段1之间的差异沉降量。

综上，一方面，两个矩形隧道节段1之间的差异沉降不会影响第一位移计7的测量值，进而第一位移计7的测量值即为两个矩形隧道节段1在垂直于接缝2的方向上的实际距离变化，也即实际接缝水平变形量，由此，第一位移计7能够准确的测量出接缝水平变形量。总而言之，本实施例的方法中摒弃了现有技术中采用含有万向节的位移计来适应差异沉降方向的错位的做法，而创新出一种既能够适应两个矩形隧道节段之间的差异沉降方向的错位又能准确测量接缝水平变形量的位移计的设置方式；另一方面，获得准确的接缝水平变形量的基础上，结合第二位移计4的设置，可计算获得两个矩形隧道节段1之间的差异沉降量，由此，能够获取准确的差异沉降量，并且获取差异沉降量只需两个位移计，相比于现有技术中采用水准仪的方式，成本更低。其中，因同时垂直于差异沉降方向和接缝水平变形方向的错位在实际工况中一般不会出现(除非有大的灾难性事故)，所以本方法不考虑此方向的错位。综上，通过两个位移计的不同定向的排布安装，能够同时准确地获得接缝水平变形量差异沉降量，整体成本明显降低。

具体地，在本实施例中，第一位移计7和第二位移计4位于两个矩形隧道节段1的同侧。因为接缝的变形在不同位置会存在一点偏差，所以将两个位移计放在同侧进行测量比较准确。

基于同样的原因，优选将第一位移计7和第二位移计4交叉设置，使二者测量的位置相同或相近。当然，更加优选地，两个位移计还设置为：第一位移计7沿长度方向的中心与第二位移计4沿长度方向的中心对齐，即两个中心的连线垂直于矩形隧道管节1的面向于两个位移计的表面所在的平面内。

具体地，在本实施例中，根据接缝水平变形量、第二位移计4的初始长度、第二位移计4测得的位移量以及第二位移计4与接缝2之间的初始夹角值，计算获得两个矩形隧道节段1之间的差异沉降量。结合图1和图2，上述几何数学模型为如下公式：

其中，Δy为差异沉降量，l为第二位移计4的初始长度，Δl为第二位移计4测得的位移量，Δx为接缝水平变形量，θ为初始夹角值。

上述公式(1)推导过程具体如下：

根据三角公式得关系式(2)，

(Δy+y₀)²+(Δx+x₀)²＝l′²>

其中，l′为矩形隧道节段1发生移动后第二位移计4的总长度，Δy为第二位移计4的初始长度在平行于接缝2的方向上的分量；Δx为第二位移计4的初始长度在垂直于接缝2的方向上的分量。

根据已有的参数可以得到关系式(3)、关系式(4)和关系式(5)

x₀＝lcosθ>

y₀＝lsinθ>

l′＝l+Δl(5)

将关系式(3)、(4)和(5)代入式(2)中得关系式(6)，

(Δy+lsinθ)²+(Δx+lcosθ)²＝(l+Δl)²>

将关系式(6)简化可得上述公式(1)。

当然，本发明不局限于此，在通过第一位移计7获得准确的接缝水平变形量以及通过倾斜的第二位移计4两个隧道节段的总位移量的基础上，本领域技术人员也可建立不同的几何数学模型来求解差异沉降量。

进一步，在本实施例中，计算设备接收第一位移计7和第二位移计4测得的位移值，并结合已在计算设备中输入的第二位移计4的初始长度以及第二位移计4与接缝2之间的初始夹角值，自动计算出差异沉降量。由此，本实施例的方法还能够简便、快速的获取接缝水平变形量和差异沉降量。其中，通过与第一位移计7和第二位移计4连接的光缆14(优选为电芯光缆)将位移计的测量值输出。当然，在其他实施例中，只要几何数学模型和相应的预输入量存储在计算设备中，计算设备接收第一位移计7和第二位移计4测得的位移值，即可根据几何数学模型计算出出差异沉降量。

进一步，参照图1，第一位移计7的相对两端分别为固定端5和活动端12，固定端5与一个矩形隧道节段1固定连接，活动端12可沿平行于接缝2的方向滑动地与另一个矩形隧道节段1连接。由此，在两个矩形隧道节段1出现平行于接缝2的相对移动时，活动端12会沿平行于接缝2的方向滑动，因此活动端12仅会跟随固定端5做平行于接缝2的方向上的移动，进而实现第一位移计7连接在两个矩形隧道节段1上并在两个矩形隧道节段1相对移动的过程中始终垂直于接缝2。

更进一步，结合图1和图3，固定端5通过固定组件6固定在矩形隧道节段上。在活动端12所在的矩形隧道节段上设有限位机构，活动端12与限位机构连接，限位机构限定活动端12的移动方向平行于接缝2。由此实现活动端12可沿平行于接缝2的方向滑动地与矩形隧道节段1连接。

更加具体地，结合图1和图3，限位机构包括固定在矩形隧道节段1上的滑杆10和可滑动地套设在滑杆10上的滑动件11(优选为滑块)，滑杆10的延伸方向平行于接缝2，活动端12与滑动件11固定连接。由此，实现限位机构限定活动端12的移动方向平行于接缝2。其中，滑杆10的两端分别通过固定组件9和固定组件13固定在矩形隧道节段1上。其中，滑动件11可以是圆筒，固定连接在第一位移计7的活动端12。

当然，对于第一位移计7在两个矩形隧道节段1相对移动的过程中始终垂直于接缝2的实现方式，本发明不局限于图1和图3所示出的方式，本领域技术人员可根据现有具有相同作用的结构来实现。例如，限位机构可以是滑动机构也可以是滚动机构，其中，所谓滑动机构，即其内部部件可相对滑动，所谓滚动机构，即其内部部件可相对滚动。在使用滑动机构时，滑杆10和滑动件11的配合可改为任何现有技术中的其他滑动配合，例如限位机构包括固定在矩形隧道节段1的滑槽以及与滑槽可滑动地接合的滑动件(例如滑块)，滑槽的延伸方向平行于接缝2，滑动件与第一位移计5的活动端9固定连接；在使用滚动机构时，限位机构可包括固定在矩形隧道节段1上的导轨以及与导轨可滚动地接合的滚动件(例如滚轮)，导轨的延伸方向平行于接缝2，滚动件与第一位移计5的活动端9可转动地连接。

此外，继续参照图1，第二位移计4的两端分别通过固定组件3、8固定连接在两个矩形隧道节段1上，第二位移计4自身能够伸缩和转动，例如第二位移计4中包含伸缩杆和万向节。或者，第二位移计4为直线式位移计(即第二位移计4自身仅能够伸缩而不含万向节)且第二位移计4的两端分别可转动地连接在两个矩形隧道节段1上，例如通过转轴或万向节，第二位移计4自身仅能够伸缩而不含万向节。如上两种方式均可以使第二位移计4适应于两个矩形隧道节段1的相对运动。当然，本发明不局限于此，在其他实施例中，还可采用其他本领域技术人员公知的方式来设置第二位移计4以使其适应于两个矩形隧道节段1的相对运动。

上述所说的用于固定固定端5的固定组件6、用于固定滑杆10的两端的固定组件9和固定组件13、用于固定第二位移计4的两端的固定组件3和固定组件8，可以是相同的或不同的，只要能够起到固定作用以同时实现连接和防止相对运动的作用即可。

举例而言，固定组件包括固定座和固定螺栓(优选膨胀螺栓)，固定座包括与矩形隧道节段1固定的固定部和连接于固定部的支承部，支承部与待固定件(滑杆10、第一位移计7或第二位移计4)连接，固定螺栓将固定部和矩形隧道节段1固定。或者，固定组件包括定位座和固定螺栓(优选膨胀螺栓)，定位座包括与矩形隧道节段1固定的固定部和连接于固定部的支承部，支承部上设有安装凹槽，待固定件(滑杆10、第一位移计7或第二位移计4)的端部插设在安装凹槽中，固定螺栓将固定部和矩形隧道节段1固定。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。