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。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。傾斜度可以轉換成側向位移。對比當前與初始的觀測數(shù)據(jù)，可以確定側向偏移的變化量，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自下而上逐段滑動測量時，探頭內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，應在位移的正方向及測頭調轉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；

6. 回到室內，擦干讀數(shù)儀并給電池充電；

7. 最好讓所有的接頭在室內風干。

經(jīng)過幾十年的理論研究和應用實踐，測斜儀越來越向輕便、簡易、自動化方向發(fā)展，由此產生的效果也越來越明顯。為保證巖土工程設計、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，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勘察報告表明，場地內無揭露淤泥質土之類的軟弱下臥土層。試驗區(qū)內采用強夯、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向位移。

設計布置

按照設計及規(guī)范要求，共布設3個監(jiān)測點(靠近海邊)，位置按設計方要求布設。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)生了結構和性質上的轉變：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，因此該假設一般來說是合理的。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計的測輪。

使用壽命長：探頭結構緊湊，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、報警設置：量程范圍內任意設定；

7、供電方式：內置可充電鋰電池；

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構物,觀測點應該因地制宜，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，偏差角應小于2°。終孔直徑應大于測斜管外徑30mm，鉆孔深度應超過最深位移帶5m。所有鉆孔在埋設測斜管前應該進行驗收，合格后才能埋設。

測斜管的安裝：測斜管的安裝質量是測試效果的關鍵，應該遵循如下步驟：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。測斜管在安裝中應注意導槽的方向，導槽方向必須與設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角的穩(wěn)定性。墩臺上應設置位移和沉降觀測標點；5）露在地表上的測斜管應注意做好保護，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，要使導向輪完全進入導向槽內。方向應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量。它是根據(jù)測斜儀的參數(shù)和有關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，應為測斜儀的理論鉛直狀態(tài)下的讀數(shù)值，此F應為定值。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。

磁力測斜儀多點測斜儀

全稱為磁力多點照相測斜儀。結構與單點測斜儀類似，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，它通過定時裝置設定每隔一定時間（例如20s）自動曝光一次并轉動膠片。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)定的高速旋轉狀態(tài)。這時陀螺就有了定向性。下井測量時，儀器自轉和鉆孔傾斜方向的偏轉在理想情況下都不能改變陀螺轉子的起始指向，測量和記錄儀器相對起始指向所轉過的角度，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、動力調諧陀螺近些年來被成功應用到測斜儀中。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。