測斜儀

分為便攜式測斜儀和固定式測斜儀，便攜式測斜儀分為便攜式垂直測斜儀和便攜式水平測斜儀，固定式分為單軸和雙軸測斜儀，應(yīng)用最廣的是便攜式測斜儀。測斜儀是一種通過測定鉆孔傾斜角從而求得水平向位移的原位監(jiān)測儀器 。

測斜儀的基本配置包括測斜儀套管、測斜儀探頭、控制電纜及測斜讀數(shù)儀 。

測斜管通常安裝在穿過不穩(wěn)定土層至下部穩(wěn)定地層的垂直鉆孔內(nèi)。使用數(shù)字垂直活動測斜儀探頭，控制電纜，滑輪裝置和讀數(shù)儀來觀測測斜管的變形。第一次觀測可以建立起測斜管位移的初始斷面。其后的觀測會顯示當?shù)孛姘l(fā)生運動時斷面位移的變化。觀測時，探頭從測斜管底部向頂部移動，在半米間距處暫停并進行測量傾斜工作。探頭的傾斜度由兩支受力平衡的伺服加速度計測量所得。一支加速度計測量測斜管凹槽縱向位置，即測斜儀探頭上測輪所在平面的傾斜度。另一支加速度計測量垂直于測輪平面的傾斜度。傾斜度可以轉(zhuǎn)換成側(cè)向位移。對比當前與初始的觀測數(shù)據(jù)，可以確定側(cè)向偏移的變化量，顯示出地層所發(fā)生的運動位移。繪制偏移的變化量可以得到一個高分辨率的位移斷面圖。此斷面圖有助于確定地面運動位移的大小，深度，方向和速率。

測斜儀的工作原理圖2所示。當測斜探頭在測斜管內(nèi)自下而上逐段滑動測量時，探頭內(nèi)的傳感器敏感地反映出測斜管在每一深度段L處的傾斜角度變化，進而根據(jù)傾斜角求出不同高程處的水平位移增量，即

在測斜儀觀測時，為了消除和減少儀器的零漂及裝配誤差等，應(yīng)在位移的正方向及測頭調(diào)轉(zhuǎn)180度以后的反方向各測讀一次數(shù)據(jù)，取正反兩方向測讀數(shù)據(jù)的代數(shù)平均值作為傾角測值 。

測斜儀的使用注意事項：

1. 在工作溫度內(nèi)使用，防止震動、嚴禁撞擊孔底、防止探頭突然加速、嚴禁提著電纜搖擺探頭；

2. 在捆綁電纜線的時候嚴禁使用鐵絲和金屬類，最好使用絞盤或者繩類收線；

3. 及時擦凈探頭、清潔并干燥接頭、潤滑測輪和o型圈，注意防潮、清潔插座及面板；

4. 用完后嚴禁長期性讓每個連接處不分開，這樣會引起水分長期殘留在探頭內(nèi)腐蝕接頭；

5. 測試完成后，擦干探頭和電纜，蓋好保護蓋，將探頭放入保護箱內(nèi)；

6. 回到室內(nèi)，擦干讀數(shù)儀并給電池充電；

7. 最好讓所有的接頭在室內(nèi)風干。

經(jīng)過幾十年的理論研究和應(yīng)用實踐，測斜儀越來越向輕便、簡易、自動化方向發(fā)展，由此產(chǎn)生的效果也越來越明顯。為保證巖土工程設(shè)計、施工及其運行安全，各種各樣的測斜儀發(fā)揮了重要的作用。相信隨著巖土工程信息化建設(shè)，各種監(jiān)測方法將會得到廣泛重視 。

工程概況

LNG電廠，廣東省惠州市大亞灣殼牌石油項目旁。該廠東臨大海，北為丘陵地貌。地基處理面積約36.06萬m²。本次試驗區(qū)監(jiān)測與檢測，面積約900m²。根據(jù)深圳市勘察測繪院提供的工程地質(zhì)勘察報告表明，場地內(nèi)無揭露淤泥質(zhì)土之類的軟弱下臥土層。試驗區(qū)內(nèi)采用強夯、碾壓加固的處理方法。測斜儀監(jiān)測的主要目的是監(jiān)測強夯過程中引起的土體側(cè)向位移。

設(shè)計布置

按照設(shè)計及規(guī)范要求，共布設(shè)3個監(jiān)測點(靠近海邊)，位置按設(shè)計方要求布設(shè)。測斜監(jiān)測分別在地面下約1.5、2.5、4.5、5.5m處進行。測斜管埋設(shè)好后，強夯施工前每天觀測1次，強夯施工時加密觀測，以后每天觀測一次，總共監(jiān)測時間為一個月。

監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與處理

監(jiān)測使用的儀器是南京葛南事業(yè)有限公司生產(chǎn)的GN-1A型固定式測斜儀，通過自動數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，可以得到測斜儀監(jiān)測成果表。

監(jiān)測意義

在場地強夯過程中，場地土體發(fā)生了結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的轉(zhuǎn)變：一方面，場地中心區(qū)域的土體得到加密，甚至部分土體發(fā)生隆起(分析原因可能是夯點間距過小或夯擊能量過大)；另一方面，場地中心的土體會擠壓周邊的土體，特別是靠近海邊的土體具有凌空面，凌空面的高度4～6m，肉眼可以發(fā)現(xiàn)凌空面在強夯過程中發(fā)生明顯變化，局部地區(qū)甚至發(fā)生少量土體坍塌。在靠近海邊的區(qū)域等距離布置了3個監(jiān)測孔。經(jīng)過對布置的3個孔進行監(jiān)測，可以得到場地強夯過程中引起的土體側(cè)向位移情況，為場地強夯施工提供了及時的監(jiān)測信息，從而及時修改強夯點距和夯擊能量。通過對面積約900m²的試驗區(qū)監(jiān)測，得到最佳強夯點距為6～7m，夯擊能量為2000kN·m。這樣既可以滿足場地地基承載力的設(shè)計值，又防止靠近海邊的土體發(fā)生傾斜或坍塌。

測斜儀使用中有五個誤區(qū) ：

（1）位移～深度曲線作法：位移～深度曲線即位移隨深度的變化曲線，是測斜儀最重要的監(jiān)測成果曲線，然而在長期的監(jiān)測實踐中發(fā)現(xiàn)，測讀時很容易出錯。

（2）每1m測讀一次時的數(shù)據(jù)處理：當測斜孔深度較大，同時傾斜角隨深度的變化較小時，為了加快測量進度，往往采用每1m測讀一次的方式進行。然而在數(shù)據(jù)處理過程中，工程人員往往仍沿用每0.5m測讀一次時的數(shù)據(jù)處理方法。這將導致所作的位移～深度曲線與實際不符。

（3）“累計位移”與“相對位移”的區(qū)別：位移有累計位移與相對位移之分。所謂累計位移，即計算點相對于孔底的位移;相對位移，是指計算點相對其本身初始值的位移變化值。同時又有工程人員將位移曲線分為絕對位移曲線和相對位移曲線。所謂絕對位移曲線，即按每次測讀數(shù)據(jù)單獨作出的位移曲線;相對位移曲線，即將每次測讀數(shù)據(jù)所得位移值減去測斜管初始位移值后所作出的曲線。顯然，絕對位移與累計位移是同一個概念 。

然而，累計位移(或絕對位移)與相對位移在概念上是錯誤的。測斜管在埋設(shè)完畢之后一般不可能完全呈鉛垂狀態(tài)，即初始時刻已經(jīng)存在傾斜，但是該傾斜顯然并不能稱之為“位移”，而累計位移即是將初始傾斜值作為其位移的一部分，因此，累計位移在概念上是錯誤的。而相對位移為土體確實發(fā)生的位移，并不是相對的，應(yīng)改稱之為“位移”。

（4）正反兩測回讀數(shù)差值問題：零漂對位移結(jié)果并無影響，通過標準兩測回和數(shù)據(jù)處理過程，零漂能被有效消除，最后得出的位移值U是正確的。此外可以看出，校核累計值正好為零漂值的兩倍，是一個常數(shù)。因此，如果校核累計值為常數(shù)，那么表示U₀和U₁₈₀之間的差值只是由儀器零漂引起，這對測量結(jié)果來說是無影響的。而如果校核累計值不穩(wěn)定，往往反映了測斜管內(nèi)存在異物等其它因素，這些因素無法通過兩測回的方法得以消除，從而導致所測位移值與實際不符。故從位移測讀方面來看，校核累計值應(yīng)是越穩(wěn)定越好，尤其是當其為常數(shù)時最佳。

（5）判別測斜管底部發(fā)生位移的方法：測斜數(shù)據(jù)處理中，假設(shè)底部為位移零點。由于測斜管底部通常嵌入穩(wěn)定的基巖內(nèi)，因此該假設(shè)一般來說是合理的。然而在深厚軟土層中，測斜管底部亦可能發(fā)生位移。通常情況下，通過測讀數(shù)據(jù)無法判別底部是否發(fā)生移動，然而在某些特殊情況下，這是可以實現(xiàn)的。

性能卓越：便攜式數(shù)字垂直活動測斜儀以其耐久性，高精度和反應(yīng)快速而贏得世界廣泛的贊譽。

可重復探測：為確保在各種測斜管上同樣可以探測，測斜儀探頭配備了堅固的輪架，密封的輪軸和特殊設(shè)計的測輪。

使用壽命長：探頭結(jié)構(gòu)緊湊，允許通過小半徑曲線，安裝使用期限超過了其他所有廠商的測斜儀。

計算機率定：每個測斜儀探頭都經(jīng)過專門設(shè)計的計算機率定工作臺嚴格率定。

可靠的控制電纜：控制電纜非常耐用而且便于搬運，即使在低溫下也可以保持靈活耐用的特點。控制電纜還具有耐化學腐蝕及耐磨損的特性，并提供了極好的空間穩(wěn)定性。柔韌的橡皮深度標記永久可靠地硬化在電纜護套上。標記不會松散，也沒有會損壞電纜護套及導線的毛刺。

深度控制一致：滑輪裝置為推薦輔助設(shè)備，它有助于操作者完成統(tǒng)一的深度控制。只能單向活動的電纜夾具確保了探頭的位置一致。

系統(tǒng)的完整性：測斜儀系統(tǒng)包括高質(zhì)量的測斜管，垂直和水平的活動測斜儀，垂直和水平的固定測斜儀，記錄讀數(shù)裝置，圖表分析軟件和專用附件。

測斜儀技術(shù)指標

分辨率：0.02mm/500mm；

重復性： ±0.01%FS；

系統(tǒng)精度：±6mm/50 個讀數(shù)，通過軟件的修正程序可以得到更高的精度；

溫度范圍：-20 至 50 ℃；

尺寸：26 × 650 mm。

測斜儀儀器性能

1、高精度：傾斜角精度0.01°，方位角精度1°；

2、海量存儲：可存9999根樁的數(shù)據(jù)；

3、低功耗：連續(xù)工作超過24小時；

4、測量參數(shù)：傾斜角、方位角；

5、顯示方式：中文液晶顯示 ；

6、報警設(shè)置：量程范圍內(nèi)任意設(shè)定；

7、供電方式：內(nèi)置可充電鋰電池；

8、外形尺寸：150（mm）×65(mm）×43（mm）； V型接觸面；

9、重 量 ：0.5kg。

不同測斜儀的工作流程都大同小異?，F(xiàn)以南京葛南事業(yè)有限公司生產(chǎn)的GN-1A型固定式測斜儀來介紹其工作流程 。

準備工作

布置觀測點與成孔：對于一個場地或者結(jié)構(gòu)物,觀測點應(yīng)該因地制宜，合理布置。一般要求相鄰觀測點的水平距離為一個成孔深，也可根據(jù)巖土工程等級適當加密或減少觀測點。施工時盡量要求鉆孔是鉛錘的，偏差角應(yīng)小于2°。終孔直徑應(yīng)大于測斜管外徑30mm，鉆孔深度應(yīng)超過最深位移帶5m。所有鉆孔在埋設(shè)測斜管前應(yīng)該進行驗收，合格后才能埋設(shè)。

測斜管的安裝：測斜管的安裝質(zhì)量是測試效果的關(guān)鍵，應(yīng)該遵循如下步驟：1）將測斜管裝上管底蓋，用螺絲或膠固定；2）將測斜管按順序逐根放入鉆孔中，測斜管與測斜管之間用接管連接，并用螺絲固定。測斜管在安裝中應(yīng)注意導槽的方向，導槽方向必須與設(shè)計要求定準的方向一致。將組裝好的測斜管按次序逐節(jié)放入鉆孔中，直至孔口；3）當確認測斜管安裝完好后即可進行回填(一般用膨潤土球或原土沙）?；靥顣r每填至3～5m時要進行一次注水，使膨潤土球或原土沙遇水后，與孔壁結(jié)合的牢固，直至孔口；4）測斜管地表管口段澆注混凝土，做成混凝土墩臺以保護管口和管口轉(zhuǎn)角的穩(wěn)定性。墩臺上應(yīng)設(shè)置位移和沉降觀測標點；5）露在地表上的測斜管應(yīng)注意做好保護，蓋上管蓋，防止物體落入；6）安裝完成后的測斜管應(yīng)先用模擬測斜儀試放，試放時測斜管互成90°的兩個導向槽都應(yīng)從上到下試放到，保證模擬測斜儀順測斜管能順暢通過。

測斜儀的組裝：在測試之前必須對測斜儀進行檢驗校正，并做好測試前的準備工作，再進行組裝 。

測試過程

首先將測斜儀置入測斜管內(nèi)，要使導向輪完全進入導向槽內(nèi)。方向應(yīng)為導向輪的正向與被測位移坐標( X)的正向一致時測值為正，相反為負。然后根據(jù)電纜上標明的記號，每基本長度測讀一次測斜管軸線相對基準軸線的傾角。測試方式應(yīng)遵循下面兩個要點:當測斜管下部可靠固定在基巖中(埋入深度應(yīng)大于5000mm)，可認定基巖沒有位移。此時測量可至下而上測讀一次，直至管口；當測斜管底部懸掛(底部未與基巖固定)，此時測量應(yīng)由上至下進行測量。

監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與整理分析

監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與整理分析過程一般采用自動化集成處理系統(tǒng)。這種自動數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，可成倍地提高工作效率和質(zhì)量。它是根據(jù)測斜儀的參數(shù)和有關(guān)計算公式編制計算機程序，其成果以表格和圖形形式輸出 。

減少誤差措施

為提高測量精度，在測量時，當四個導向輪在某一個測量段沒有完全進入導向槽時，算術(shù)和值S會出現(xiàn)較大的變化。因此在測量時一定要使四個導向輪完全進入導向槽中，在測管的接頭處可反復多測幾次。如果某一、兩處的和值與正常值明顯偏差過大可剔除不用。這都是由于一頭導向輪不在導向槽中引起的，這種情況多發(fā)生在管接頭處。

為了消除系統(tǒng)誤差，每個方向(±X，±Y)的位移(傾角)應(yīng)逐段正、反方向各測讀一次，取其差值的一半計算各段位移量。即：F=[（ X， Y）-（-X，-Y）]/2，式中：F為傾斜儀的實時電測量值，單位為mv；± X，± Y為每個方向的測試讀數(shù)，單位為mv。

由于整個測斜管所有同段上正、反方向兩次測值和的一半的計算值，應(yīng)為測斜儀的理論鉛直狀態(tài)下的讀數(shù)值，此F應(yīng)為定值。如果測值F有離散性，可能是下面四種情況引起的:1）測斜儀前、后兩組導輪的幾何形心的連線在正、反兩次測量時不完全平行；2）導向輪與導向槽的配合不好；3）導向輪與輪架之間的間隙太大；4）測斜管與膨潤土球或原土沙固結(jié)不好 。

磁力測斜儀分單點測斜儀和多點測斜儀兩種，共同特點是都包含有羅盤。

磁力測斜儀單點測斜儀

全稱為磁力單點照相測斜儀。主要部件包括定時裝置、電源、照相機、羅盤和測角裝置等。羅盤指示方位角，測角裝置指示井斜角，照相機將反映井斜角和方位角的羅盤盤面照到底片上。單點測斜儀每次下井只能測一個點，照一張底片。單點測斜儀可用鋼絲送入井下，也可以在起鉆前投入鉆具內(nèi)。

磁力測斜儀多點測斜儀

全稱為磁力多點照相測斜儀。結(jié)構(gòu)與單點測斜儀類似，不同之處主要在于照相機。單點測斜儀每次下井只裝一個圓盤形的底片，而多點測斜儀卻裝有一卷膠片，它通過定時裝置設(shè)定每隔一定時間（例如20s）自動曝光一次并轉(zhuǎn)動膠片。每張膠片都記錄下儀器所在井深處井眼軸線的井斜角和方位角。在起鉆前先將多點測斜儀從鉆具內(nèi)下入到測斜接頭處。隨著鉆具起出，儀器自下而上每起一個立柱測斜一次。

陀螺測斜儀

英文：gyro inclinometer；gyro wellbore survey meter；gyrolevel

釋文：是對采用陀螺元件確定鉆孔傾斜方位角的測斜儀統(tǒng)稱。最經(jīng)典的是采用機械框架式陀螺元件的測斜儀，在過去的幾十年里幾乎全都是在用這類陀螺測斜儀。這種陀螺測斜儀測量的方位是相對的。儀器下到鉆孔中去之前，需要在地面確定對準一個方向，然后啟動機械陀螺，這個陀螺是安裝在有三自由度的萬向框架上，讓它達到穩(wěn)定的高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。這時陀螺就有了定向性。下井測量時，儀器自轉(zhuǎn)和鉆孔傾斜方向的偏轉(zhuǎn)在理想情況下都不能改變陀螺轉(zhuǎn)子的起始指向，測量和記錄儀器相對起始指向所轉(zhuǎn)過的角度，就能計算出鉆孔的傾向。顯然，鉆孔的傾向是在陀螺起始方向上起算的，測量結(jié)果稱作相對方位。上世紀90年代后期出現(xiàn)了硅微機械陀螺元件，這種元件沒有傳統(tǒng)機械陀螺那種保持定向性的高速轉(zhuǎn)子，實際上是一種角速度敏感元件。把它裝在測斜儀上，對角速度信號進行積分，理論上就可以計算出儀器在鉆孔中運動時，相對起始方向所轉(zhuǎn)過的角度。進一步也就可以計算出鉆孔相對起始方向的傾斜角度變化。但實際上由于靈敏度、噪聲、漂移等因素影響，還不能做到實用水平。對角速度測量有更高靈敏度和精度的光纖陀螺、動力調(diào)諧陀螺近些年來被成功應(yīng)用到測斜儀中。雖然這些元件也稱為陀螺儀，但和硅微機械陀螺儀一樣，都是角速度敏感元件。與硅微機械陀螺不同的是，它們對角速度的靈敏度高了好幾個數(shù)量級。利用它們對角速度的高靈敏度特性，我們可以用它來直接測量地球自轉(zhuǎn)的角速度矢量，再進行計算處理就能確定鉆孔的傾斜方位。這個方位是相對地球北極方向的方位，有人稱作真北方位角。這種陀螺測斜儀稱為自尋北陀螺儀，是最好水平，用途最廣的測斜儀。2100433B

磁力測斜儀是鉆井過程中用于測量井斜角、方位角以及造斜工具的工具面角的儀器。又稱羅盤測斜儀。