基于全站仪法的地下工程拱顶沉降量测装置技术领域
本发明涉及一种地下工程监控量测装置，具体地说，是涉及一种基于全站仪法的
地下工程拱顶沉降量测装置。
背景技术
隧道、隧洞、山岭洞库等地下工程，由于其施工的隐蔽性、地质的复杂性、施工的多
样性和环境的多变性，造成施工难度大，极易发生掉块和坍塌等安全事故，不仅严重地影响
了工程施工进度，还极大地威胁着施工人员的生命安全。监控量测是指在地下工程施工过
程中对围岩、地表、支护结构的变形和稳定状态，以及周边环境动态进行的经常性观察和量
测工作。通过监控量测可以了解和掌握围岩的稳定状态以及支护结构体系的可靠程度，确
保施工安全和支护结构稳定，为施工中变更围岩级别、调整初期支护和二次衬砌参数、指导
施工顺序、修正及优化设计提供依据，对地下工程施工的安全监测具有十分重要的意义。
隧道拱顶沉降测量是地下工程监控量测的主要内容之一，其测量装置主要有水准
仪、收敛计、全站仪等，与水准仪、收敛计相比，全站仪具有精度高、施测方便、数据传输方便
等优点，是隧道拱顶沉降测量最常用的工具。针对全站仪法的地下工程拱顶沉降测量而言，
因拱顶位置较高、维护困难等原因，无法在拱顶处设立单独的棱镜，因此普遍采用在测点贴
反光贴的方法来进行测量。
贴反光贴的常规测点埋设步骤为：首先，将钢板焊接于钢筋上，制作成测点；然后，
使用钻机钻孔后插入钢筋并使用锚固剂进行固定；待初支混凝土喷射完成后，及时将反光
贴粘贴到钢板上，确保粘贴牢固可靠。
上述测点埋设过程中存在几点不足：
1.采用钢筋深入围岩内壁紧固效果差，一旦围岩松动，将直接影响测试结果及延续性；
2.高空粘贴反光贴，操作难度大，操作人员安全性难以保证，而且效果不易确认；
3.反光贴粘贴后无法避免工程施工对其造成的污染和破坏，又无法自动恢复至初始状
态，更换也极不方便，因此，测量数据的连续性和准确性很低；
4.测点采用焊接方式连接钢筋与钢板，固定后无法再次使用，测量成本高；
5.初期支护施工完成后，增设监控测点的实施难度极大，后期调整测点的灵活性很差。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于全站仪法的地下工
程拱顶沉降测量装置，测点埋设方便、紧固效果好、各部件拆卸方便且可重复利用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
基于全站仪法的地下工程拱顶沉降量测装置，包括两端均设置有螺纹结构的预埋杆
件，以螺纹方式连接于该预埋杆件埋入端的膨胀紧固件，以及连接于所述预埋杆件另一端
的测量部件；所述膨胀紧固件包括管状连接件，等间距分布在该管状连接件圆周上的推进
片，以及分布在该管状连接件和推进片外壁上的凸起导向件；所述测量部件包括与所述预
埋杆件非埋入端螺纹连接的固定接头，与该固定接头活动连接的基座，用于锁定该固定接
头与基座的定位螺钉，固定在所述基座底部的支撑板，以及粘贴在该支撑板外侧面上的反
光片。
进一步地，所述推进片呈内牙型结构，且至少包括三个，每个推进片的尖端均向外
扩张。优选地，所述推进片与所述管状连接件之间的夹角为10°～15°。
进一步地，所述基座的侧壁设置有便于固定接头卡入的连接孔，其顶部设置有便
于定位螺钉穿入并锁定固定接头的定位孔。
再进一步地，所述固定接头由依次连接的底座、柱状杆、半球结构组成，所述底座
的底部开设有与预埋杆件的非埋入端螺纹连接的螺孔，且所述半球结构与所述基座侧壁的
连接孔匹配连接。
优选地，所述反光片的中心设置有十字丝。
优选地，所述预埋杆件长度为300~500mm，其埋入端螺纹长度为50mm，非埋入端螺
纹长度为10mm。
优选地，所述定位螺钉为T型旋柄螺钉，且其长度大于定位孔的长度。
优选地，所述基座固定在所述支撑板的中心。
优选地，所述预埋杆件、膨胀紧固件、固定接头、基座、定位螺钉以及支撑板均由镀
锌钢材制作。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明中膨胀紧固件和预埋杆件插入围岩层后，由于推进片和凸起导向件的作用，
使得紧固效果十分稳定，受围岩层松动的影响几乎可以忽略不计，大大提高了长期测量的
数据准确性和可靠性。测量部件以螺纹方式连接在预埋杆件的非埋入端，装卸十分方便，更
可以针对不同的围岩情况或者受到污染、损坏时快速、灵活地更换测量部件，甚至更换测
点，具有很高的灵活性。
（2）本发明中各个组件均采用螺纹方式进行活动连接，一旦组件损坏或被污染，均
可以直接快速地进行更换，而且因更换部件带来的误差小，可忽略不计，确保了测试工作的
长时间连续进行；未损坏的测量部件则可以再次使用，有效降低了测量运营成本。
（3）本发明中预埋杆件长度为300~500mm，配合膨胀紧固件可以深埋于围岩松动
圈，其埋入端的螺纹长度为50mm，能够在埋设过程中促使内牙型膨胀紧固件充分张开，从而
牢牢紧固于围岩层中，如此，在初期支护完成后，即使遇到围岩大变形，也可以保证预埋杆
件的稳定性，不仅确保了后期测量的准确性，而且为监测过程中测点的选择提供了广阔的
空间。
（4）本发明中膨胀紧固件由多个内牙型的推进片组成，抓扣能力强，不会发生空
转，可充分满足隧道围岩打孔要求，而且施工简单，不需要专业施工技巧；其外侧的凸起导
向件具有锁止防松功能，利用反向推力效应紧紧锁入围岩层中，保证了测点安装的稳定性。
（5）本发明中各零部件均采用镀锌钢材制作，具有良好的防潮、抗腐蚀、抗拉、抗
弯、抗折的特性，可适用于各种隧道的拱顶沉降量测，具有很强的环境适应能力。
附图说明
图1为本发明中除激光发射装置之外的其他部件的结构示意图。
图2为本发明中膨胀紧固件的结构示意图。
图3为本发明中测量部件的结构示意图。
图4为本发明中固定接头的结构示意图。
图5为本发明中基座和支撑板的结构示意图。
附图中的部分零部件名称为：
1-预埋杆件，2-膨胀紧固件，21-管状连接件，22-推进片，23-凸起导向件，3-测量部件，
31-固定接头，32-基座，33-定位螺钉，34-支撑板，311-底座，312-柱状杆，313-半球结构，
321-连接孔，322-定位孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于
下列实施例。
实施例
如图1至图5所示，本发明公开的基于全站仪法的地下工程拱顶沉降量测装置，包
括预埋杆件1、膨胀紧固件2和测量部件3。预埋杆件1的两端均设置有外螺纹，膨胀紧固件2
和测量部件3的内壁上均设置有内螺纹，两者分别通过螺纹连接在预埋杆件1的两端。所述
膨胀紧固件2包括管状连接件21，等间距分布在管状连接件21圆周上的推进片22，以及分布
在所述管状连接件21和推进片22外壁上的凸起导向件23。
本实施例中，管状连接件21的圆周上均匀分布有三个推进片22，整体呈锥形结构，
前端细、尖，能够最大程度地减小埋入过程中推进片22受到的阻力，降低埋入难度，从而节
省人力物力。而三个推进片22与管状连接件21的前端之间具有10°～15°的夹角关系，呈扩
口状，如此又可以在推进片胀开后最大程度地增大推进片22与围岩层的接触面积，使推进
片多方位、多角度地紧扣于围岩层中，保证紧固效果。而设置在管状连接件21和推进片22外
壁上的凸起导向件23由于前端低、后端高，在推进片膨胀之后，能够在推进片向围岩层外部
滑动时提供阻力，阻止推进片从围岩层中脱落，进一步强化了推进片在为岩层中的紧固效
果。
所述测量部件3包括固定接头31、基座32、定位螺钉33、支撑板34；其中，所述固定
接头31由底座311、柱状杆312、半球结构313组成，底座311通过设置在其底部的螺孔与预埋
杆件1的非埋入端连接，基座32的侧壁上设置有连接孔321，柱状杆312和半球结构313一起
插入该连接孔321内，实现与基座32的连接；而且，所述基座32的顶部设置有定位孔322，定
位螺钉33穿过该定位孔322抵住固定接头31的半球结构313部，实现基座32与固定接头31的
锁紧；所述支撑板34的一个侧面的中心位置与所述基座32的底部焊接，另一个侧面粘贴反
光片，反光片的中心位置刻画有十字丝。上述测量部件配合全站仪法的现有激光发射装置，
利用光线在发光片上的位置变化，来得到拱顶沉降数据，实现地下工程拱顶沉降量的检测。
为了确保各组件之间的有效配合，所述底座311设置为正方体结构，其宽度大于柱
状杆312，半球结构313的直径与柱状杆312匹配，基座32侧壁上的连接孔321的大小与半球
结构313的大小匹配。为了便于紧固操作，所述定位螺钉33选择T型旋柄螺钉，且其长度大于
定位孔322的长度。
本发明中，预埋杆件1埋入端的螺纹长度为50mm，在其旋进过程中可以使三个推进
片完全胀开；非埋入端的螺纹长度为10mm，与固定接头31的底部螺孔深度匹配；整个预埋杆
件的长度为300～500mm，即使在初期支护完成后也足以穿透初期支护到达围岩层，实现灵
活增加测点的目的。所述预埋杆件1、膨胀紧固件2、固定接头31、基座32、定位螺钉33以及支
撑板34均由镀锌钢材制作，具有良好的防潮、抗腐蚀、抗拉、抗弯、抗折特性，可适用于各种
隧道的拱顶沉降量测。
本发明在隧道开挖后进行膨胀紧固件和预埋杆件的埋设，埋设后膨胀紧固件紧扣
于围岩层中，然后直接将测量部件以螺纹方式快速连接在预埋杆件的非埋入端，再将激光
发射装置安装好，即可开始拱顶沉降数据测量。施工过程中，如果反光片因初期支护、工作
面开挖等施工作业而受到污染和损坏，可以直接更换新的反光片；被污染的测量部件，粘贴
新的反光片后可以继续使用。而且，各组件均为活动连接，损坏的测量部件可以使用新的同
类部件替换，进行重新组装，不仅装卸灵活，而且大大降低了运营成本。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用
本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的
保护范围之内。