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

背景技術：

水電、交通、市政等行業工程建設上，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裂縫時，由于作業面離拱頂高差較大，人工直接量測是不可能實現的，通常在裂縫處安裝單向測縫計并將電纜引至作業面進行定期觀測，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，監測儀器和電纜很難得到保護，至目前沒有有效的拱頂裂縫三向變形監測方法。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明的目的在于，提供一種結構簡單、基點設置靈活的用于監測裂縫三向變形的組件及監測方法，以提高監測組件的測量精度。

本發明的技術方案為：一種用于監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測段，所述第一監測段的下表面上設置有第一反光區域；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測段，所述第二監測段的下表面上設置有第二反光區域；所述第一監測段與第一固定段之間的夾角等于第二監測段與第二固定段之間的夾角；所述第一監測段的長度大于第二監測段的長度；其中，所述夾角為銳角；

監測時，所述第一監測段與第二監測段相互平行設置，高低相互錯開；所述第一反光區域和第二反光區域的朝向相同，且從朝向方向觀測，第二反光區域位于第一反光區域的前側。

采用這樣的結構設計，第一固定段、第二固定段可直接或間接固定于裂縫某一側，感受裂縫某一側的變形情況，第一監測段、第二監測段隨之變形，反映出裂縫的變形情況；使用時，可以將第一組件固定于裂縫的一側，將第二組件固定于裂縫的另一側，同時，使得第一監測段與第二監測段處于相互平行狀態，這樣第一監測段與第二監測段相對位置的變化可以反映出裂縫的變形情況；通過測量第一監測段上某一位點和第二監測段上某一位點在兩個時間點上，兩個位點的水平距離、高度差和水平錯位差值的變化情況，相應地，根據第一組件、第二組件與裂縫的位置關系，可以得到裂縫的張裂變形、水平錯位變形和上下錯位變形。其中，張裂變形為裂縫兩側在水平方向上垂直裂縫走向的變形差；水平錯位變形為裂縫兩側在水平方向上沿著裂縫走向的變形差；上下錯位變形為裂縫兩側在豎直方向上的變形差。

進一步地，所述第一反光區域和第二反光區域主要由可反射光線的反光涂層或反光片構成。

優選地，第一反光區域設置于第一監測段的下表面靠近第一監測段下端的位置；第二反光區域設置于第二監測段的下表面靠近第二監測段下端的位置

進一步地，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致的測量誤差，進一步提高監測精確度。

進一步地，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置，通過將第三組件的上平段固定于裂縫的某一側，并使得其下平段伸向另一側，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，方便全站儀的擺放，以采集數據。

進一步地，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即可實現對裂縫三向變形的監測，可以方便某些裂縫的監測，例如，對一些拱形結構的縱向裂縫，由于監測時還需借助全站儀等設備，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，且安裝方向與裂縫平行，監測時，只需調整全站儀在裂縫方向的位置即可，而無需受拱形結構橫向調整范圍的限制，容易獲得準確度高的監測結果，從而解決拱形結構的縱向裂縫的三向變形的監測問題。

進一步地，所述上平段上至少設有兩個圓孔，方便將第三組件通過膨脹螺釘等固定件穩定地固定在裂縫某一側，使得第三組件位置的變化盡可能準確地反映出裂縫的變化。

進一步地，所述第一固定段和/或第二固定段上至少設有兩個圓孔，提高固定時的穩定性，從而進一步提高監測精準度。

本發明還提供了一種用于監測裂縫三向變形的系統，包括全站儀和上述的用于監測裂縫三向變形的組件，全站儀用于采集某一時間點相關組件間的位置、距離相關數據。

本發明還提供一種利用上述的系統監測洞室頂部裂縫三向變形的方法，包括如下步驟：

（1）根據現場情況采用以下兩種方法之一安裝用于監測裂縫三向變形的系統：

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

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

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，下平段伸向裂縫另一側；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；

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

（2）架設全站儀并調整全站儀的安置位置，使得全站儀的照準器照準第一反光區域或第二反光區域時垂直于第一反光區域或第二反光區域；

（3）首次測量：用照準器照準第一反光區域的中心a點，讀取水平角βa0、豎直角αa0和斜距da0；將照準器照準第二反光區域的中心b點，讀取水平角βb0、豎直角αb0和斜距db0；根據幾何關系，計算，獲得首次測量的a、b兩點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向為與洞室走向平行的方向，y向為在水平面上與洞室走向垂直的方向，z向為高程方向；

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

（5）分別計算獲得第i次周期測量時，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；

當采用方法1安裝的組件進行測量時，δxi代表裂縫張裂變形，δyi代表裂縫水平錯位變形，δzi代表上下錯位變形；

當采用方法2安裝的組件進行測量時，δxi代表裂縫水平錯位變形，δyi代表裂縫張裂變形，δzi代表上下錯位變形。

其中，采用方法1安裝組件時，全站儀安置點的調整主要沿垂直裂縫的方向進行，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，全站儀安置點的調整主要沿平行于裂縫的方向進行，適用于平行于裂縫方向上空間較為寬廣的情況。

進一步，如果每次測量基點是相同（即全站儀的固定基點），上式可進一步優化為：

δxi=[(dai–dbi)–(da0–db0)]/cosαa0；

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

δzi=[(αbi–αai)–(αb0–αa0)]/206265*da0。

進一步地，a、b兩點的水平距離xi、高度差zi和水平錯位差值yi分別采用如下公式計算獲得：

xi=e+(dai-dbi)/cosαai；

yi=(βbi-βai)/206265*dbi/sinβa0；

zi=(αb0-αa0)/206265*dbi；

其中，i為自然數，e為固定值。

由于測量目標基本一致、各種影響精度因素相同，因此有較高的測量精度，測量基點也可不固定，開挖作業面掘進對測量工作無影響，由于組件結構簡單，造價低廉，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測有效的監測手段。

與現有技術相比，本發明的具有如下有益效果：

（1）測量方法不受基點位置限制，測量精度高，通過將監測組件安裝于裂縫周圍的合適位置處，利用監測組件之間位置的相對變化真實反映出裂縫的三向變形情況，全站儀測量目標基本一致，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，抗干擾能力強，測量精度穩定，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）本發明的組件結構簡單，使用方便，綜合成本低廉，一次安裝即可實現對裂縫的長期監測。

附圖說明

圖1是本發明的用于監測裂縫三向變形的組件的機構示意圖：（a）第一組件，（b）第二組件，（c）第三組件；（d）第一反光區域和第二反光區域。

圖2是拱形結構頂部兩種裂縫的結構示意圖：（a）橫向裂縫，（b）縱向裂縫。

圖3是本發明中按方法1安裝的監測組件的結構示意圖：（a）左視圖，（b）正視圖，（c）俯視圖。

圖4是本發明中按方法2安裝的監測組件的結構示意圖：（a）左視圖，（b）正視圖，（c）俯視圖。

圖5是本發明中采用圖3中監測組件的裂縫測量原理示意圖。

圖6是本發明中采用圖4中監測組件的裂縫測量原理示意圖。

圖7是本發明的三向變形監測組件與差阻式裂縫計的開合度測量值對比過程線。

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

具體實施方式

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

圖1是本發明第一種實施方式的用于監測裂縫三向變形的組件的機構示意圖，具體地，該用于監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上的第一監測段102，所述第一監測段102的下表面上設置有第一反光區域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上的第二監測段302，所述第二監測段302的下表面上設置有第二反光區域4；所述第一監測段102與第一固定段101之間的夾角等于第二監測段302與第二固定段301之間的夾角；所述第一監測段102的長度大于第二監測段302的長度（見圖1）；

監測時，所述第一監測段102與第二監測段302相互平行設置，高低相互錯開；所述第一反光區域2和第二反光區域4的朝向相同，且從朝向方向觀測，第二反光區域4位于第一反光區域2的前側（見圖3和圖4）。

第一反光區域2和第二反光區域4均由反光片構成，將反光片貼在相應位置處即可。

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上至少設有兩個圓孔。

本實施方式中，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處轉折，轉折夾角45度，第一固定段101軸線中心離兩端點30mm處加工兩個ф10圓孔；第一反光區域由標準60mm×60mm反光片構成，粘貼（自帶不干膠）在第一監測段102底端作為測量標志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處轉折，轉折夾角135度，水平段軸線中心離兩端點30mm處加工兩個ф10圓孔；第二反光區域由標準60mm×60mm反光片構成，粘貼（自帶不干膠）在第二監測段302底端作為測量標志b，安裝用膨脹螺栓5為標準ф8自膨脹螺栓，每套三向變形監測組件配備4個膨脹螺栓。

圖3中第二組件2安裝在橫向裂縫前側，第一組件1安裝在橫向裂縫后側，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是本發明第二種實施方式的監測組件的安裝示意圖。該實施方式與第一種實施方式的區別主要在于多加了一個第三組件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處轉折，轉折夾角90度，距離轉折點50mm處反向轉折90度，呈z字型結構；上部水平段701軸線中心離兩端點30mm處加工有兩個ф10圓孔；安裝用膨脹螺栓5為標準ф8自膨脹螺栓，每套三向變形監測組件配備4個膨脹螺栓。

第三組件7的設置可以方便對拱形結構頂部縱向裂縫的監測，監測時，第一組件1通過膨脹螺栓5固定在縱向裂縫的左側，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，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測組件加工安裝完成。

下面結合對某地下試驗廠房洞室拱頂裂縫的監測來對本發明進行進一步說明。

某地下試驗廠房，主廠房洞室尺寸為388.5m×28.5m(31.3m)×74.5m(長×寬×高)，分9層開挖，當開挖至第4層時，發現拱頂出現裂縫，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，在安裝間平臺設置固定測點對三向變形監測組件的2個反光片進行距離、水平角和豎直角進行觀測，采用tca2003全站儀4測回測量，進行了12期測量，與此同時在裂縫張裂方向安裝差阻式裂縫計，將電纜索引至作業面采用讀數儀觀測，測量成果表明，地下工程拱頂裂縫三向變形監測組件和測量方法能真實反映裂縫三向變形，采用兩種手段測得的順向裂縫開度方向測值對比過程線見圖7，與差阻式裂縫計成果比較，裂縫開度方向變形成果差值在±0.5mm之內，說明地下工程拱頂裂縫三向變形監測測量方法測量精度高，滿足規范要求，與傳統測縫計相比，具有如下優勢：一是一次性測量裂縫三個方向變形；二是非接觸式，一次安裝之后，可在整個施工階段使用；三是避免傳統測縫計電纜施工階段很難保護的缺點，即使被破壞，由于成本低廉，再次安裝或一次安裝多套組件，可保證監測成果的系統性和完整性。

經實際工作驗證，本發明組件結構簡單、成本低廉、鋼質結構能有效防止施工破壞，測量方法不受基點位置限制、測量精度高、綜合成本低、效果好。

上述實施例闡明的內容應當理解為這些實施例僅用于更清楚地說明本發明，而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落入本申請所附權利要求所限定的范圍。