地铁浅埋暗挖车站监测方案.docx
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地铁浅埋暗挖车站监测方案.docx
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地铁浅埋暗挖车站监测方案
XX地铁浅埋暗挖车站
监测方案
(初步方案)
2010年11月
1.XX地铁M3号线暗挖车站概况
1.1XX地形、地质特点
XX地铁于2009年正式开始建设,地铁线路西起自市南区的XX火车站,向东沿广西路、太平路、文登路、香港路,至五四广场(市政府)拐入南京路向北,经江西路、宁夏路、辽阳西路,后进入黑龙江路、万年泉路至李村,向西沿京口路、振华路至终点铁路XX北站。
总体呈“西—东—北—西”走向,途经市南区、市北区、四方区、李沧区,全长约24.9km,全部为地下线,设车站22座,其中换乘车站6座,平均站间距1.165km。
这其中包括7个是暗挖车站和1个半明半暗挖车站,见图1.1和表1.1。
图1.1XX地铁一期线路规划图
表1.1XX地铁车站一览表
XX火车站
K0+4.00~K0+213.40,209.40m
明挖+暗挖
人民会堂站
K1+467.3~K1+611.7,144.4m
明挖
汇泉广场站
K2+747.30~K2+996.90,249.60m
明挖
中山公园站
K3+584.2~K3+760.9,156.7m
暗挖
太平角公园站
K4+597.8m~K4+780.5m,182.7m
明挖
湛山站
K6+075.4~K6+276.8,201.4m
暗挖
五四广场站
K6+798.9~K7+076.5,277.6m
盖挖
浮山所站
中心里程K8+524.359,189.5m
暗挖
宁夏路站
中心里程K9+431.479,158.90m
明挖
敦化路站
中心里程K10+112.667,167.8m
暗挖
错埠岭站
K10+932.6~K11+112.2,179.6m
明挖
清江路站
K12+331~K12+520,189m
暗挖
双山站
中心里程K13+650.296,259.0m
明挖
保儿站
K14+362.1~K14+592.9,230.7m
明挖
河西站
中心里程K15+995,199.15m
明挖
河东站
K17+025.974~K17+187.370,161.396m
明挖
万年泉路站
中心里程K18+466.302
暗挖
李村站(3号线)
K19+709.937~K19+884.608,174.671m
明挖
君峰路站
K20+803.295~K20+982.795,179.5m
暗挖
西流庄站
K21+767.196~K21+963.496,196.3m
明挖
永平路站
K22+953.096~K23+132.896,179.8m
明挖
火车北站
K0+4.00~K0+213.40,209.40m
明挖
XX地处胶东半岛西南部,地基多为岩浆岩类硬质岩石,属于坚硬稳固的地质体,无后期沉积夹层、溶洞等不良地层。
但燕山晚期稳固的花岗岩体,在长期风化作用下形成了一定厚度的风化带,其上沉积了厚度不一的第四纪松散堆积物,是典型的“上软下硬”地质类型。
XX地铁3号线工程许多暗挖车站就位于“上软下硬”地层,即:
表覆土层厚5~8米,强风化岩层厚8~13米,中风化岩层顶面埋深约13~20米,这种地层条件下车站若完全设置于中风化岩层中,则埋深太深,出入口提升高度21~28米,非常不利于长期使用。
这种地层条件下的暗挖车站若要减小埋深,拱部必然埋藏于强风化岩层甚或土层中,下部可能位于中~微风化岩层中。
这种地层中的浅埋或超浅埋大断面暗挖工程在国内外都少见,施工难度和风险较大,目前国内大部分暗挖地铁车站均为第四系土层中、非爆破开挖,无本工程类似经验,需要对工法和断面型式进行深入的研究。
1.2研究阶段性成果概述
近十几年来,我国地铁及市政公用管线工程,越来越多的采用了“浅埋暗挖法”进行设计与施工。
浅埋暗挖法与其他方法相比,具有显著的优点;以城市地铁为例,浅埋暗挖法与明挖法(盖挖法)相比,它拆迁占地少、不扰民、不干扰交通、节省大量拆迁投资等优点;与盾构法相比,它简单易行,不需太多专用设备,灵活方便,适用不同地层、不同跨度、多种断面形式。
当然,浅埋暗挖法也存在缺点,如速度较慢、喷射混凝土粉尘较多、劳动强度大、机械化程度不高以及高水位地层结构防水比较困难等;此外施工时地表沉降较难控制,防水效果较盾构隧道差,通过软弱土层、砂层、断层破碎带时施工困难。
但若环境条件允许,辅以地面及洞内辅助措施,浅埋暗挖法可适用于各种不同的地层和复杂断面的施工。
尽管浅埋暗挖法近年来在国内得到了广泛的应用,但是多数浅埋暗挖施工都是在土层相对单一的底层条件下进行的。
对于XX特殊的“上软下硬”底层条件下的浅埋暗挖,国内外经验较少。
因此,针对这一国际难题展开了一系列的研究,并得到阶段性成果,为后续的研究提供了基础和依据。
为此,课题采用了有限元作为基本工具,针对XX市“上软下硬”地层条件下典型暗挖施工工艺车站最小埋置深度展开研究,主要包括以下四个方面
1.浅埋暗挖车站最小埋深h的主要影响因素;
2.浅埋暗挖车站埋深与地表位移的关系;
3.浅埋暗挖车站埋深与加固区土体参数的关系;
4.浅埋暗挖车站开挖稳定性研究。
本课题研究紧密结合工程实践,从工程实践和现场实测规律入手,将理论分析和计算与工程实际紧密结合,并采用现代化信息手段进行数据采集和分析,最终在具体工程实践中检验和修正研究成果的准确性和合理性。
研究中始终遵循“理论导向、经验判断、实测定量、精心监控、反馈施工”的理论和实践相结合的路线。
项目总技术路线和个专题研究技术路线如下所示:
图1.2技术路线流程图
前期设计方法研究专题以3号线典型暗埋车站为工程背景,反映了XX典型的“上软下硬”地层中的浅埋暗挖车站隧道最小埋深的影响因素,模型建立了包括衬砌、土层等在内的有限元模型,通过弹塑性分析,分别得到了不同地层中台阶法、双侧壁导坑法、CRD法施工的浅埋暗挖车站最小埋深与加固区土体参数、地表位移以及车站开挖稳定性的关系。
研究的下一个阶段主要集中在,根据设计研究,对暗挖车站的施工过程进行监控量测,并将量测结果进行反馈,进一步修正设计的相关参数及埋深。
2.浅埋暗挖车站监控量测和信息反馈
在地下工程浅埋暗挖法施工中,监测量测是检验设计参数、地面稳定性,评价施工方法的主要依据,它已作为工序要求编入工程预算和施工组织设计中。
目前,地下工程,尤其是浅埋暗挖工程,除了在施工前的预设计阶段必须进行地质勘查和试验外,还应在施工全过程中进行监控量测,即用人工观察和各种仪器测试围岩、地面的变化,支护的外观和力学变化,并将实现资料和数据加工处理成为一定的信息,及时反馈到设计和施工中去,以评定围岩的稳定程度和支护结构的可靠度,以便调整施工方法和支护参数。
本章节主要介绍浅埋暗挖车站监控量测的目的、原则,监测范围、方法及检测方案的设计原则。
2.1监控量测的目的及原则
2.1.1监控量测的目的
在地铁施工期间对地铁结构工程及施工沿线周围重要的地下、地面建(构)筑物、地面道路等实施变形、内力和爆破振动等方面的监测,为施工单位提供及时、可靠的信息用以评定地铁工程在施工期间的安全性及施工对周边环境的影响,并对可能发生的危及施工、周边环境安全的隐患或事故进行及时、准确的预报,以便及时采取有效措施消除隐患,避免事故的发生。
(1)通过监测,了解各施工阶段地层与支护结构的动态变化,及时掌握工程开动对地层的影响及可能产生失稳的环节;
(2)用现场实测的结构来弥补理论分析的不足之处,并把监控量测结果反馈到设计和施工中;
(3)对工程施工可能造成的环境影响进行全面的监控,判断浅埋暗挖法施工对周围环境的影响程度,做好预防准备;
(4)修改工程设计。
根据量测的累计记录,有助于对工程设计进行修改,并根据观测的数据,掌握设计的合理程度;
(5)积累资料,为以后的同类工程及该工法本身的发展提供借鉴,以提高地下工程的设计和施工水平。
图2-1监测信息反馈程序框图
2.1.2监控量测原则
在地下工程中进行监控量测,绝不仅仅为了获取信息,而应把它作为施工管理的一个积极有效的手段。
根据长期监控量测实践,有五条原则:
(1)可靠性原则。
这是监控量测系统设计所要考虑的最重要原则;
(2)多层次监控量测原则;
(3)重点监控量测关键区的原则。
对于容易出现事故的区段可以列为关键区进行重点监测,并尽早实施;
(4)方便实用原则;
(5)经济合理原则。
系统设计时应尽量选用适用而低价的传感器,不必过分追求一起的先进性,以降低监控量测费用。
2.2监控量测项目及仪器
2.2.1监控量测原则
根据浅埋暗挖法的施工特点,本着结构和围岩共同作用的原则,首先确定必测项目(称为A项目),这是指导施工、确保安全、防塌防沉的重要监控量测,其内容包括:
(1)目测,检查有无明显开裂和变形;
(2)初期支护拱顶下沉监控量测;
(3)拱脚、边墙中部水平净空收敛监控量测;
(4)洞顶地面沉降监控量测。
作为以后设计和科研参考的监控量测或者因特殊周边环境要求而需要增加的监控量测项目,称为B项监控量测,其内容如下:
(1)隧道边墙两侧地层地中水平位移监控量测;
(2)拱顶上部地层地中垂直多点位移监控量测;
(3)结合工程的重要性以及洞室条件、周围环境条件等,选择围岩接触压力量测;
(4)锚杆应力量测;
(5)钢拱架应力量测;
(6)爆破震动速度量测。
详见表2.1。
2.2.2监控量测设备
现场监控量测设备正向小型化、轻便化、多功能化、遥测和自动化方向发展。
所以开展新型、先进、可靠的传感器和仪器的研制,对提高隧道和地下工程监控量测与信息反馈的水平至关重要。
近年来出现了不少新型监控量测一起的设备。
见表2.2。
表2.1浅埋暗挖法施工监控量测表
类别
监控量测项目
监控量测仪器和工具
测点布置
监控量测频率
应测项目A
围岩及支护状态
地质描述和拱架支护状态观察仪器
每一开挖环
开挖后立即进行,每天一次
地面沉降
水平仪和水准仪
每50m或100m一个断面
距开挖面<2B时,每天1~2次
距开挖面<5B时,每两天1次
距开挖面>5B时,每周1次
地面建筑、地下管线和构筑物下沉
每10~50m一个断面,每断面7~11个测点
拱顶下沉
水准仪、钢尺、无尺监控量测等
每5~30m一个断面,每断面1~3个测点。
对于暗挖法施工的地下工程,每个导洞均应布设断面
距开挖面<2B时,每天1~2次
距开挖面<5B时,每两天1次
距开挖面>5B时,每周1次
周边净空收敛位移
收敛剂、无尺监控量测等
每5~100m一个断面,每断面2~3根基线。
对于暗挖法施工的地下工程,每个导洞均应布设断面
距开挖面<2B时,每天1~2次
距开挖面<5B时,每两天1次
距开挖面>5B时,每周1次
选测项目B
地中水平位移
测斜仪、测斜管等
在代表性房屋断面量测设置
距开挖面<5B时,每两天1次
地中垂直多点位移
沉降仪、垂直多点位移计
在代表性断面的拱顶布置测点
距开挖面<2B时,每天1次
距开挖面<5B时,每两天1次
围岩内部位移
地面钻孔安放位移计、测斜仪等
取代表性地面设一断面,每断面2~3孔
距开挖面<2B时,每天1~2次
距开挖面<5B时,每两天1次
距开挖面>5B时,每周1次
围岩压力及
支护间压力
压力传感器
取代表性地面设一断面,每断面15~20个测点
距开挖面<2B时,每天1~2次
距开挖面<5B时,每两天1次
距开挖面>5B时,每周1次
钢筋格栅拱架内力及外力
支柱压力计
或钢筋拉力计
每10~30榀钢拱架设一对测力计
距开挖面<2B时,每天1~2次
距开挖面<5B时,每两天1次
距开挖面>5B时,每周1次
初期支护、二次衬砌内应力和表面应力
应变计和应力计
取代表性地面设一个断面,每断面11个测点
距开挖面<2B时,每天1~2次
距开挖面<5B时,每两天1次
距开挖面>5B时,每周1次
锚杆内力、抗拔力和表面应力
锚杆测力计和拉拔器
必要时进行
距开挖面<2B时,每天1~2次
距开挖面<5B时,每两天1次
距开挖面>5B时,每周1次
衬砌间及背后空隙测试
地质雷达等物探仪器
拱部每隔5m一个环向断面,每断面5个测点,纵向沿中线每2.5m一个测点
在初期衬砌和二次衬砌完成后各做一次测定,注浆后做一次检验
钢管注混凝土应力(暗挖法施工的地下工程)
压力盒、频率接受仪
选择有代表性钢管柱进行监控量测
距开挖面<2B时,每天1~2次
距开挖面<5B时,每两天1次
距开挖面>5B时,每周1次
地下水位
水位管、地下水位仪
取代表性地面设置
每两天1次
岩体爆破地面质点震动速度和噪声
CD-1传感器、声波仪和
测震仪等
质点振速根据结构要求设点,噪声根据规定的测距设置
跟随爆破进行
表2.2现场监控量设备表
设备属性
代表性器件
原理
测读量
测量方法
自动化
程度
位置测量
各种沉降仪、倾斜仪、裂缝仪、伸长计、孔内检测器、引张仪、收敛仪、全站仪
光电式、电磁式、电压式、震弦式、机械式
电压、长度、频率、应变、角度
直接法占77%、间接法占23%
国内占27%,国外占39%
频率、应力、压力、应变、合力的测量
各种岩锚荷载仪、压力盒、钢筋计、测力计、应力计、反力计、光频计
震弦式、机械式、电阻式、电压式、应力式、光栅式
频率、应变、应力、电压、合力、应变
直接法占61%,
间接法占39%
国内无资料,国外占40%
地面沉降、拱顶下沉的测量
各类水准仪、测距仪、经纬仪等
光电式、
电子式
长度、角度
直接法占39%
国内无资料,国外占90%
动态测量
各类打桩分析仪、冲击波速度测试仪、爆速仪、地震仪、无损检测仪等
冲击式、磁电式、电压式、弹性波传输等
速度、加速度、位移、应力
间接法
国内占67%,国外占70%
地下水监控量测
各类水位计、水压计、流速仪、渗压计等
磁电式、气压式、热敏式、震弦式、差动电阻式
水位、频率、压力、压力差
直接法占46%,间接法占54%
国内占54%,国外占75%
2.3监测项目实施方法
2.3.1洞内外巡视检查
经验表明,地下工程每天进行肉眼巡视观察是不可或缺的,与其他监测技术同等重要。
主要观测项目有:
(1)支护结构
支护结构成型质量;
止水帷幕有无开裂、渗漏;
墙后土体有无沉陷、裂缝及滑移;
有无涌土、流砂、管涌。
(2)施工工况
开挖后暴露的土质情况与岩土勘察报告有无差异;
地下工程开挖分段长度及分层厚度是否与设计要求一致,有无超长、超深开挖;
场地地表水、地下水排放状况是否正常,降水、回灌设施是否运转正常;
地下工程周围地面堆载情况,有无超堆荷载。
(3)周边环境
地下管道有无破损、泄露情况;
周边建(构)筑物有无裂缝出现;
周边道路(地面)有无裂缝、沉陷;
邻近基坑及建(构)筑物的施工情况。
(4)监测设施
基准点、测点完好状况;
有无影响观测工作的障碍物;
监测元件的完好及保护情况。
(5)洞内外观察提交成果
洞内外观察要求提供的主要成果包括以下几方面:
①暗挖车站隧道、区间隧道、周边建构筑物、周边道路、地下管线以及周边邻近施工情况;②重点地段洞内外观察报告。
2.3.2拱顶沉降
(1)监测目的
拱顶沉降监测是反映地下工程结构安全和稳定的重要数据,是围岩与支护系统力学形态变化的最直接、最明显的反映。
(2)监测方法及原理
拱顶沉降监测水准仪进行观测。
监测时将长度适宜的钢尺端部挂于预先在拱顶埋设好的挂钩上通过测量钢尺刻度进行拱顶沉降监测。
(3)数据分析处理
拱顶沉降量按以下公式进行计算:
式中:
—监测点沉降量,单位();
—监测点初始高程,单位();
—实测高程,单位()。
图2.2拱顶沉降曲线示意图
图2.2拱顶沉降曲线示意图
(4)测点埋设
测点用电钻成孔,填塞水泥浆后插入弯成三角形的钢筋,埋设时钢筋轴线垂直于拱顶。
图2.3单洞双线区间拱顶沉降测点布置
拱顶沉降点埋设以能反映结构安全为原则,拱顶沉降监测点、净空变化及锚杆内力测点应布置在同一断面上,并尽量与地表沉降监测点相对应。
监控量测断面按下表的要求布置。
单线单洞的区间隧道中线拱顶布置一个拱顶下沉观测点,单洞双线区间隧道中线拱顶及其两侧2~4m处拱顶各布置一个拱顶下沉观测点。
2.3.3洞内净空收敛
(1)监测目的
地下工程开挖后,净空收敛也是反映围岩与支护结构力学形态变化的最直接、最明显的参数,通过监测可了解围岩和支护结构的稳定状态。
(2)监测方法及原理
洞内净空收敛采用收敛计进行监测。
监测前先在设计监测部位埋设收敛预埋件,监测时将收敛计两端分别连接于收敛预埋件上,张紧钢尺读数,即可得到两预埋件之间的距离,与初始距离进行比较即可得到净空变化值。
(3)数据分析处理
净空变化值可按下式计算:
式中:
——第n次测量净空变化值,单位();
——第n次测量值,单位();
——初始测量值,单位()。
图2.4洞内净空收敛曲线示意图
(4)测点埋设
净空收敛测点应与拱顶沉降测点布置于同一断面。
断面内布设若干条收敛基线,收敛预埋件埋设于收敛基线两端,冲击钻成孔,孔中填塞水泥砂浆后插入收敛预埋件,尽量使两预埋件轴线与基线重合,并使销子与孔轴线垂直。
表2.3净空收敛量测线布置原则
地段
开挖方法
一般地段
特殊地段
全断面法
一条水平测线
/
台阶法
每台阶一条水平测线
每台阶一条水平测线,两条斜测线
分部开挖法
每分部一条水平测线
CD或CRD法上部,双侧壁导坑法左右侧部,每分部一条水平测线,两条斜测线、其余分部一条水平测线
图2.5全断面开挖收敛测点、测线布置
图2.6台阶法开挖收敛测点、测线布置
图2.7分部开挖收敛测点、测线布置
2.3.4地表沉降
(1)监测目的
地表沉降是地下结构监测施工最基本监测项目,它最直接地反映基坑周边土体变化情况。
(2)监测方法及原理
地表沉降采用几何水准测量方法,使用水准仪进行观测。
采用相对高程系,建立水准测量监测网,参照Ⅱ等水准测量规范要求用水准仪引测。
历次沉降变形监测是通过高程基准点间联测一条闭合或附合水准线路,由线路的工作点来测量各监测点的高程。
各监测点高程初始值在施工前测定。
(3)数据分析处理
沉降量按以下公式进行计算:
监测点沉降量,单位(
);
监测点初始高程,单位(
);
实测高程,单位(通过监测点各期高程值计算各期阶段沉降量、阶段变形速率、累计沉降量等数据。
图2.8地表沉降曲线示意图
(4)测点埋设
监测点用冲击钻在设计位置处钻孔后直接埋入钢筋。
图2.9隧道地表沉降剖面
地表沉降测点应在隧道(暗挖车站)开挖前布设。
地表沉降测点和隧道(暗挖车站)内测点应布置在同一断面里程。
一般条件下,地表沉降测点纵向间距应按下表的要求布置。
2.3.5建筑物沉降
(1)监测目的
地下结构的施工会引起周围地表的下沉,从而导致地面建筑物的沉降,这种沉降一般都是不均匀的,因此将造成地面建筑物的倾斜,甚至开裂破坏,应进行严格控制。
(2)监测方法及原理
建筑物沉降采用几何水准测量方法,使用水准仪进行观测。
采用相对高程系,建立水准测量监测网,参照Ⅱ等水准测量规范要求用水准仪引测。
历次沉降变形监测是通过高程基准点间联测一条闭合或附合水准线路,由线路的工作点来测量各监测点的高程。
各监测点高程初始值在施工前测定。
建筑物倾斜监测采用差异沉降法进行监测,通过计算建筑物差异沉降值与建筑物宽度的比值即可得到建筑物的倾斜角度。
建筑物差异沉降值可通过同一建筑物上不同监测点的沉降值、监测点的水平距离、建筑物宽度的关系求得。
(3)数据分析处理
建筑物沉降量按以下公式进行计算:
式中:
—监测点沉降量,单位(
);
—监测点初始高程,单位(
);
—实测高程,单位(
)。
建筑物倾斜角按下式计算:
式中:
—建筑物倾斜角,单位();—建筑物差异沉降值,单位();
b—建筑物宽度。
图2.10建筑物倾斜计算示意图
(4)测点埋设
建筑物沉降监测点埋设采用冲击钻在建筑物的基础或墙上钻孔,然后置入L型钢筋,四周用水泥砂浆填实。
图2.11建筑物沉降监测点布置
2.3.5爆破振动监测
在距离地表只有数米或数十米的地下作业,爆破所产生的地震波对结构本体和地表各种不同的建筑结构将产生不同程度的振动影响,进行爆破振动的目的有:
通过现场检测,了解爆破振动的速度(加速度)大小分布规律,判断爆破振动对结构和周边建筑物的振动影响;通过振动速度监测,及时调整爆破参数,为优化爆破设计提供技术依据。
爆破振动监测的测点有两种:
一种是为了保证结构本体的安全而设置的测点,沿结构纵向布设,即在靠近工作面已开挖并支护过的结构上按照一定间距布设测点,通过监测其爆破振动速度来判定结构本体的稳定性;另一种为了保证地面建筑物的安全而设置的测点,在工程附近的建筑物的关键部位布设测点,重点监测地面与房屋上质点的振动情况。
每个测点上布置垂直、水平两个方向的传感器。
图2.12爆破振动测点布置示意图
图2.13爆破振动速度监测系统框图
(1)回归分析模型
根据我国《爆破安全规程》(GB6722-2003)及国内外的一些研究成果,在中国地区,爆破振动传播与衰减规律普遍都采用萨道夫斯基的经验公式:
式中:
V为质点振动速度(cm/s);
K为与爆破场地条件有关的参数;
Q为最大段装药量(kg);
R为爆心到测点的距离(m);
α为与岩性、地形地质等因素相关的衰减系数。
(2)爆破振动安全评价标准及结果
在评价爆破地震效应对建(构)筑物的危害时,通常采用振动速度作为爆破振动安全评价标准。
根据《爆破安全规程》(GB6722-2003)的规定,设定爆破最大允许振动速度,不允许爆破地震波引起的振动速度超过限值。
2.3.6地中多点垂直位移的监控量测
浅埋暗挖法施工的地下工程,地中多点位移监控量测主要是监测施工过程中结构上覆土层的扰动程度、波及范围与规律,以便确定围岩松动区高度,进而确定作用在结构上荷载的大小。
对设计结构支护参数和优化施工方法具有重要的参考价值。
这一监测项目对于大跨度地铁站工程具有很大的意义。
(1)测点布设
地中多点垂直位移测点一般在地下结构中线(拱部)所对应的地面提前钻孔布设,以测试施工全过程的动态变化。
根据工程的重要程度及结构跨度的大小,可选择一个测点或多个测点,并在纵向选择3~5个有代表性的断面布设测点,相互对比验证。
在每一测控内沿深度方向每间隔一定距离设置一孔内测点,监控量测不同深度的变位情况,具体间隔长度视工程需要而定。
地中多点垂直位移监控量测方法很多,常用的有钻孔多点位移计量测和分层沉降仪监控量测等。
分层沉降监控量测的主要仪器设备有钢尺、电感元件、沉降仪、波纹塑料管、不锈钢环等,见图2.14。
用分层沉降仪可以监控量测地层中不同深度处的沉降和不同深度深度处的隆起,沉降管上的钢环越密,能够测出的点也越多。
图2.14分层沉降仪结构示意图
钻孔多点位移计是测量岩体深层变位的仪器,施工中通过灌浆等方法将钻孔多点位移计的锚头与岩体发生位移时,锚头将位移传至传感器,读取与位移成比例的电压值。
与分层沉降仪相比,钻孔多点位移计的测量精度
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