本發(fā)明涉及一種用于工程安全監(jiān)測的組件和監(jiān)測方法，具體涉及一種用于監(jiān)測裂縫三向變形的組件及監(jiān)測方法。

背景技術(shù)：

水電、交通、市政等行業(yè)工程建設(shè)上，均存在大量地下工程建筑。例如，在洞室開挖過程中拱頂出現(xiàn)裂縫時(shí)，由于作業(yè)面離拱頂高差較大，人工直接量測是不可能實(shí)現(xiàn)的，通常在裂縫處安裝單向測縫計(jì)并將電纜引至作業(yè)面進(jìn)行定期觀測，但這種方式只能觀測到裂縫寬度變化（單向變形），且開挖過程，受放炮影響，監(jiān)測儀器和電纜很難得到保護(hù)，至目前沒有有效的拱頂裂縫三向變形監(jiān)測方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、基點(diǎn)設(shè)置靈活的用于監(jiān)測裂縫三向變形的組件及監(jiān)測方法，以提高監(jiān)測組件的測量精度。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種用于監(jiān)測裂縫三向變形的組件，包括第一組件和第二組件，所述第一組件包括第一固定段和固定于第一固定段上的第一監(jiān)測段，所述第一監(jiān)測段的下表面上設(shè)置有第一反光區(qū)域；所述第二組件包括第二固定段和固定于第二固定段上的第二監(jiān)測段，所述第二監(jiān)測段的下表面上設(shè)置有第二反光區(qū)域；所述第一監(jiān)測段與第一固定段之間的夾角等于第二監(jiān)測段與第二固定段之間的夾角；所述第一監(jiān)測段的長度大于第二監(jiān)測段的長度；其中，所述夾角為銳角；

監(jiān)測時(shí)，所述第一監(jiān)測段與第二監(jiān)測段相互平行設(shè)置，高低相互錯(cuò)開；所述第一反光區(qū)域和第二反光區(qū)域的朝向相同，且從朝向方向觀測，第二反光區(qū)域位于第一反光區(qū)域的前側(cè)。

采用這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，第一固定段、第二固定段可直接或間接固定于裂縫某一側(cè)，感受裂縫某一側(cè)的變形情況，第一監(jiān)測段、第二監(jiān)測段隨之變形，反映出裂縫的變形情況；使用時(shí)，可以將第一組件固定于裂縫的一側(cè)，將第二組件固定于裂縫的另一側(cè)，同時(shí)，使得第一監(jiān)測段與第二監(jiān)測段處于相互平行狀態(tài)，這樣第一監(jiān)測段與第二監(jiān)測段相對(duì)位置的變化可以反映出裂縫的變形情況；通過測量第一監(jiān)測段上某一位點(diǎn)和第二監(jiān)測段上某一位點(diǎn)在兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，兩個(gè)位點(diǎn)的水平距離、高度差和水平錯(cuò)位差值的變化情況，相應(yīng)地，根據(jù)第一組件、第二組件與裂縫的位置關(guān)系，可以得到裂縫的張裂變形、水平錯(cuò)位變形和上下錯(cuò)位變形。其中，張裂變形為裂縫兩側(cè)在水平方向上垂直裂縫走向的變形差；水平錯(cuò)位變形為裂縫兩側(cè)在水平方向上沿著裂縫走向的變形差；上下錯(cuò)位變形為裂縫兩側(cè)在豎直方向上的變形差。

進(jìn)一步地，所述第一反光區(qū)域和第二反光區(qū)域主要由可反射光線的反光涂層或反光片構(gòu)成。

優(yōu)選地，第一反光區(qū)域設(shè)置于第一監(jiān)測段的下表面靠近第一監(jiān)測段下端的位置；第二反光區(qū)域設(shè)置于第二監(jiān)測段的下表面靠近第二監(jiān)測段下端的位置

進(jìn)一步地，所述第一組件和第二組件均由剛性材料制成，采用剛性材料，如鋼板等，可以減小組件自身形變所導(dǎo)致的測量誤差，進(jìn)一步提高監(jiān)測精確度。

進(jìn)一步地，還包括“z”字型的第三組件，第三組件包括相互平行的上平段和下平段以及連接上平段和下平段的彎折段。

通過“z”字型的第三組件的設(shè)置，通過將第三組件的上平段固定于裂縫的某一側(cè)，并使得其下平段伸向另一側(cè)，這樣可以將第一組件和第二組件平行于裂縫方向安裝在裂縫的同一側(cè)，方便全站儀的擺放，以采集數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，所述第一組件或第二組件固定于下平段上，第一組件或第二組件與下平段在水平方向的投影相互垂直。

上平段將裂縫某一側(cè)的變形傳遞到下平段上，這樣將第一組件和第二組件在裂縫的一側(cè)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫三向變形的監(jiān)測，可以方便某些裂縫的監(jiān)測，例如，對(duì)一些拱形結(jié)構(gòu)的縱向裂縫，由于監(jiān)測時(shí)還需借助全站儀等設(shè)備，通過第三組件的輔助作用，第一組件、第二組件安裝于裂縫的同一側(cè)，且安裝方向與裂縫平行，監(jiān)測時(shí)，只需調(diào)整全站儀在裂縫方向的位置即可，而無需受拱形結(jié)構(gòu)橫向調(diào)整范圍的限制，容易獲得準(zhǔn)確度高的監(jiān)測結(jié)果，從而解決拱形結(jié)構(gòu)的縱向裂縫的三向變形的監(jiān)測問題。

進(jìn)一步地，所述上平段上至少設(shè)有兩個(gè)圓孔，方便將第三組件通過膨脹螺釘?shù)裙潭€(wěn)定地固定在裂縫某一側(cè)，使得第三組件位置的變化盡可能準(zhǔn)確地反映出裂縫的變化。

進(jìn)一步地，所述第一固定段和/或第二固定段上至少設(shè)有兩個(gè)圓孔，提高固定時(shí)的穩(wěn)定性，從而進(jìn)一步提高監(jiān)測精準(zhǔn)度。

本發(fā)明還提供了一種用于監(jiān)測裂縫三向變形的系統(tǒng)，包括全站儀和上述的用于監(jiān)測裂縫三向變形的組件，全站儀用于采集某一時(shí)間點(diǎn)相關(guān)組件間的位置、距離相關(guān)數(shù)據(jù)。

本發(fā)明還提供一種利用上述的系統(tǒng)監(jiān)測洞室頂部裂縫三向變形的方法，包括如下步驟：

（1）根據(jù)現(xiàn)場情況采用以下兩種方法之一安裝用于監(jiān)測裂縫三向變形的系統(tǒng)：

方法1：將所述第一組件垂直于裂縫方向固定于裂縫外側(cè)；相對(duì)地，將第二組件垂直于裂縫方向固定于裂縫的另一側(cè)；

使得，所述第一監(jiān)測段與第二監(jiān)測段相互平行，高低相互錯(cuò)開；所述第一反光區(qū)域和第二反光區(qū)域的朝向相同，且從朝向方向觀測，第二反光區(qū)域位于第一反光區(qū)域的前側(cè)；

方法2：將所述第三組件的上平段垂直于裂縫方向固定在裂縫外側(cè)，下平段伸向裂縫另一側(cè)；將第一固定段和第二固定段中的一者平行于裂縫方向固定在下平段上，將第一固定段和第二固定段中的另一者平行于裂縫方向固定在同一側(cè)；

使得，第一組件和第二組件位于裂縫的同一側(cè)；所述第一監(jiān)測段與第二監(jiān)測段相互平行，高低相互錯(cuò)開；所述第一反光區(qū)域和第二反光區(qū)域的朝向相同，且從朝向方向觀測，第二反光區(qū)域位于第一反光區(qū)域的前側(cè)；

（2）架設(shè)全站儀并調(diào)整全站儀的安置位置，使得全站儀的照準(zhǔn)器照準(zhǔn)第一反光區(qū)域或第二反光區(qū)域時(shí)垂直于第一反光區(qū)域或第二反光區(qū)域；

（3）首次測量：用照準(zhǔn)器照準(zhǔn)第一反光區(qū)域的中心a點(diǎn)，讀取水平角βa0、豎直角αa0和斜距da0；將照準(zhǔn)器照準(zhǔn)第二反光區(qū)域的中心b點(diǎn)，讀取水平角βb0、豎直角αb0和斜距db0；根據(jù)幾何關(guān)系，計(jì)算，獲得首次測量的a、b兩點(diǎn)x向水平距離差值x0、y向水平距離差值y0和z向高度差z0；

其中，x向?yàn)榕c洞室走向平行的方向，y向?yàn)樵谒矫嫔吓c洞室走向垂直的方向，z向?yàn)楦叱谭较颍?/p>

（4）周期測量：采用步驟（3）中首次測量的方法和計(jì)算方法，獲得第i周期測量的a、b兩點(diǎn)的水平距離xi、高度差zi和水平錯(cuò)位差值yi，其中i為正整數(shù)；

（5）分別計(jì)算獲得第i次周期測量時(shí)，x方向、y方向、z方向變形值：

第i次周期測量x方向變形值δxi=xi–x0=(dai–dbi)/cosαai–(da0–db0)/cosαa0；

第i次周期測量y方向變形值δyi=yi–y0=(βbi–βai)/206265*dbi/sinβai–(βb0–βa0)/206265*db0/sinβa0；

第i次周期測量z方向變形值δzi=zi–z0=(αbi–αai)/206265*dbi–(αb0–αa0)/206265*db0；

當(dāng)采用方法1安裝的組件進(jìn)行測量時(shí)，δxi代表裂縫張裂變形，δyi代表裂縫水平錯(cuò)位變形，δzi代表上下錯(cuò)位變形；

當(dāng)采用方法2安裝的組件進(jìn)行測量時(shí)，δxi代表裂縫水平錯(cuò)位變形，δyi代表裂縫張裂變形，δzi代表上下錯(cuò)位變形。

其中，采用方法1安裝組件時(shí)，全站儀安置點(diǎn)的調(diào)整主要沿垂直裂縫的方向進(jìn)行，適用于裂縫的垂直方向上空間較為寬廣的情況；采用方法2安裝組件時(shí)，全站儀安置點(diǎn)的調(diào)整主要沿平行于裂縫的方向進(jìn)行，適用于平行于裂縫方向上空間較為寬廣的情況。

進(jìn)一步，如果每次測量基點(diǎn)是相同（即全站儀的固定基點(diǎn)），上式可進(jìn)一步優(yōu)化為：

δxi=[(dai–dbi)–(da0–db0)]/cosαa0；

δyi=[(βbi–βai)–(βb0–βa0)]/206265*da0/sinβa0；

δzi=[(αbi–αai)–(αb0–αa0)]/206265*da0。

進(jìn)一步地，a、b兩點(diǎn)的水平距離xi、高度差zi和水平錯(cuò)位差值yi分別采用如下公式計(jì)算獲得：

xi=e+(dai-dbi)/cosαai；

yi=(βbi-βai)/206265*dbi/sinβa0；

zi=(αb0-αa0)/206265*dbi；

其中，i為自然數(shù)，e為固定值。

由于測量目標(biāo)基本一致、各種影響精度因素相同，因此有較高的測量精度，測量基點(diǎn)也可不固定，開挖作業(yè)面掘進(jìn)對(duì)測量工作無影響，由于組件結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，即使組件破壞可重新安裝（或一次性安裝多組）也不造成過多損失，不失為一種地下工程拱頂裂縫三向變形監(jiān)測有效的監(jiān)測手段。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的具有如下有益效果：

（1）測量方法不受基點(diǎn)位置限制，測量精度高，通過將監(jiān)測組件安裝于裂縫周圍的合適位置處，利用監(jiān)測組件之間位置的相對(duì)變化真實(shí)反映出裂縫的三向變形情況，全站儀測量目標(biāo)基本一致，各種影響精度因素相同，且影響因素較少，容易得到高的測量精度；

（2）適用性強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，測量精度穩(wěn)定，組件精巧，占用空間小，不影響其他施工，也不容易受到其他施工的不利影響；

（3）本發(fā)明的組件結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，綜合成本低廉，一次安裝即可實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫的長期監(jiān)測。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的用于監(jiān)測裂縫三向變形的組件的機(jī)構(gòu)示意圖：（a）第一組件，（b）第二組件，（c）第三組件；（d）第一反光區(qū)域和第二反光區(qū)域。

圖2是拱形結(jié)構(gòu)頂部兩種裂縫的結(jié)構(gòu)示意圖：（a）橫向裂縫，（b）縱向裂縫。

圖3是本發(fā)明中按方法1安裝的監(jiān)測組件的結(jié)構(gòu)示意圖：（a）左視圖，（b）正視圖，（c）俯視圖。

圖4是本發(fā)明中按方法2安裝的監(jiān)測組件的結(jié)構(gòu)示意圖：（a）左視圖，（b）正視圖，（c）俯視圖。

圖5是本發(fā)明中采用圖3中監(jiān)測組件的裂縫測量原理示意圖。

圖6是本發(fā)明中采用圖4中監(jiān)測組件的裂縫測量原理示意圖。

圖7是本發(fā)明的三向變形監(jiān)測組件與差阻式裂縫計(jì)的開合度測量值對(duì)比過程線。

其中，1—第一組件；2—第一反光區(qū)域；3—第二組件；4—第二反光區(qū)域；5—膨脹螺栓；6—橫向裂縫；7—第三組件；8—全站儀；9—全站儀照準(zhǔn)器；αa—a點(diǎn)豎直角；αb—b點(diǎn)豎直角；da—a點(diǎn)斜距；db—b點(diǎn)斜距；x—a、b點(diǎn)x向距離；y-a、b兩點(diǎn)y向距離；z—a、b點(diǎn)z向距離。

具體實(shí)施方式

以下將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。為敘述方便，下文中如出現(xiàn)“上”、“下”、“左”、“右”字樣，僅表示與附圖本身的上、下、左、右方向一致，并不對(duì)結(jié)構(gòu)起限定作用。

圖1是本發(fā)明第一種實(shí)施方式的用于監(jiān)測裂縫三向變形的組件的機(jī)構(gòu)示意圖，具體地，該用于監(jiān)測裂縫三向變形的組件，包括第一組件1和第二組件3，所述第一組件1包括第一固定段101和固定于第一固定段101上的第一監(jiān)測段102，所述第一監(jiān)測段102的下表面上設(shè)置有第一反光區(qū)域2；所述第二組件3包括第二固定段301和固定于第二固定段301上的第二監(jiān)測段302，所述第二監(jiān)測段302的下表面上設(shè)置有第二反光區(qū)域4；所述第一監(jiān)測段102與第一固定段101之間的夾角等于第二監(jiān)測段302與第二固定段301之間的夾角；所述第一監(jiān)測段102的長度大于第二監(jiān)測段302的長度（見圖1）；

監(jiān)測時(shí)，所述第一監(jiān)測段102與第二監(jiān)測段302相互平行設(shè)置，高低相互錯(cuò)開；所述第一反光區(qū)域2和第二反光區(qū)域4的朝向相同，且從朝向方向觀測，第二反光區(qū)域4位于第一反光區(qū)域2的前側(cè)（見圖3和圖4）。

第一反光區(qū)域2和第二反光區(qū)域4均由反光片構(gòu)成，將反光片貼在相應(yīng)位置處即可。

第一組件1和第二組件3均由剛性材料制成；第一固定段101和第二固定段301上至少設(shè)有兩個(gè)圓孔。

本實(shí)施方式中，第一組件1為不銹鋼板鋼，加工長度為500mm，寬為60mm，厚度為5.0mm，距離左端100mm處轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折夾角45度，第一固定段101軸線中心離兩端點(diǎn)30mm處加工兩個(gè)ф10圓孔；第一反光區(qū)域由標(biāo)準(zhǔn)60mm×60mm反光片構(gòu)成，粘貼（自帶不干膠）在第一監(jiān)測段102底端作為測量標(biāo)志a；第二組件3也為不銹鋼板鋼，加工長度為300mm，寬為60mm，厚度為5.0mm，在距離右端100mm處轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折夾角135度，水平段軸線中心離兩端點(diǎn)30mm處加工兩個(gè)ф10圓孔；第二反光區(qū)域由標(biāo)準(zhǔn)60mm×60mm反光片構(gòu)成，粘貼（自帶不干膠）在第二監(jiān)測段302底端作為測量標(biāo)志b，安裝用膨脹螺栓5為標(biāo)準(zhǔn)ф8自膨脹螺栓，每套三向變形監(jiān)測組件配備4個(gè)膨脹螺栓。

圖3中第二組件2安裝在橫向裂縫前側(cè)，第一組件1安裝在橫向裂縫后側(cè)，第一組件和第二組件盡量在軸線方向保持一致，間隔寬度盡量與裂縫原始寬度一致。

圖4是本發(fā)明第二種實(shí)施方式的監(jiān)測組件的安裝示意圖。該實(shí)施方式與第一種實(shí)施方式的區(qū)別主要在于多加了一個(gè)第三組件7，第三組件7為不銹鋼板，加工長度為350mm，寬60mm，厚5.0mm，距離鋼板右端100mm處轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折夾角90度，距離轉(zhuǎn)折點(diǎn)50mm處反向轉(zhuǎn)折90度，呈z字型結(jié)構(gòu)；上部水平段701軸線中心離兩端點(diǎn)30mm處加工有兩個(gè)ф10圓孔；安裝用膨脹螺栓5為標(biāo)準(zhǔn)ф8自膨脹螺栓，每套三向變形監(jiān)測組件配備4個(gè)膨脹螺栓。

第三組件7的設(shè)置可以方便對(duì)拱形結(jié)構(gòu)頂部縱向裂縫的監(jiān)測，監(jiān)測時(shí)，第一組件1通過膨脹螺栓5固定在縱向裂縫的左側(cè)，第二固定端302焊接在第三組件7的下平段703上，第二組件3和第三組件7在水平面的投影相互垂直，將焊接了第二組件3的第三組件7通過膨脹螺栓5固定在縱向裂縫的右側(cè)，第三組件7垂直于縱向裂縫，第二組件3平行于縱向裂縫，安裝后盡量保證第一組件1和第二組件的監(jiān)測段盡量在軸線方向保持一致。

至此，地下工程拱頂裂縫三向變形監(jiān)測組件加工安裝完成。

下面結(jié)合對(duì)某地下試驗(yàn)廠房洞室拱頂裂縫的監(jiān)測來對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。

某地下試驗(yàn)廠房，主廠房洞室尺寸為388.5m×28.5m(31.3m)×74.5m(長×寬×高)，分9層開挖，當(dāng)開挖至第4層時(shí)，發(fā)現(xiàn)拱頂出現(xiàn)裂縫，即按上述方案加工了3組地下工程拱頂裂縫三向變形監(jiān)測組件并安裝，其中2組為橫向裂縫、1組為順向裂縫，在安裝間平臺(tái)設(shè)置固定測點(diǎn)對(duì)三向變形監(jiān)測組件的2個(gè)反光片進(jìn)行距離、水平角和豎直角進(jìn)行觀測，采用tca2003全站儀4測回測量，進(jìn)行了12期測量，與此同時(shí)在裂縫張裂方向安裝差阻式裂縫計(jì)，將電纜索引至作業(yè)面采用讀數(shù)儀觀測，測量成果表明，地下工程拱頂裂縫三向變形監(jiān)測組件和測量方法能真實(shí)反映裂縫三向變形，采用兩種手段測得的順向裂縫開度方向測值對(duì)比過程線見圖7，與差阻式裂縫計(jì)成果比較，裂縫開度方向變形成果差值在±0.5mm之內(nèi)，說明地下工程拱頂裂縫三向變形監(jiān)測測量方法測量精度高，滿足規(guī)范要求，與傳統(tǒng)測縫計(jì)相比，具有如下優(yōu)勢：一是一次性測量裂縫三個(gè)方向變形；二是非接觸式，一次安裝之后，可在整個(gè)施工階段使用；三是避免傳統(tǒng)測縫計(jì)電纜施工階段很難保護(hù)的缺點(diǎn)，即使被破壞，由于成本低廉，再次安裝或一次安裝多套組件，可保證監(jiān)測成果的系統(tǒng)性和完整性。

經(jīng)實(shí)際工作驗(yàn)證，本發(fā)明組件結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)能有效防止施工破壞，測量方法不受基點(diǎn)位置限制、測量精度高、綜合成本低、效果好。

上述實(shí)施例闡明的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)理解為這些實(shí)施例僅用于更清楚地說明本發(fā)明，而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落入本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。