地下管线变形的监测技术

地下管线变形的监测技术【摘要】本文结合工程实际，介绍了打桩施工期间间接测量地下管线变形的监测技术。重点分析了侧向位移监测的精度及配合使用孔隙水压力监测的预警效果。一、引言随着城市公共设施建设的迅猛发展，各类大型、超高层的建（构）筑物越建越多，埋设在城区地下的各类管线也大大增加。在加载预压、沉桩、强夯、降低地下水位等建（构）筑物的基础施工期都会对周围环境及地形产生一定的影响，从而会影响到地下管线的安全。特别是那些天然气（或煤气）管、水管及通讯光缆管等，一旦因变形受到破坏，常常会造成较为严重的后果。为确保地下管线的运行安全及施工的顺利进行，在进行城市改（扩）建工程施工中必须对施工区附近的埋设管线进行变形监测，特别要加强对天然气（或煤气）管、水管及通讯光缆管等的监测，以有效指导施工、控制施工速度，确保施工及管线的正常运转，避免事故的发生。传统的监测方法是采用开挖布点，直接对地下管线进行沉降位移观测，也就是常说的直接测量法。然而在实际施工中绝大部份区域是没有开挖条件的，有的施工区域即使有开挖条件，但也很难一次性较为准确地找到所要布设测点的管线；同时，制作窨井式标志周期长、费用大。因而采用直接监测的方法较难实施。总结我们多次进行管线及建筑变形观测的经验，我们对地下管线的监测提出了一种间接监测（不用开挖地面埋测点）的方法。同时，为能提高管线监测工作的预警效果，我们对地下管线附近的土体进行了孔隙水压力的观测，通过对孔隙水压力监测及沉降位移监测的双重控制与预警，收到了较好的监测效果。二、管线变形的间接监测技术2.1常规测量方法测点的布设：采用直接开挖地面的方式，找出埋设在地下需要监测的管线，清除其周围土体后利用钢箍将观测标志固定在管道上，然后制作窨井式测量标志作为直接监测的对象。测量方法：水平位移采用方向观测法进行测量；沉降观测按二、三等水准测量要求采用几何水准测量方法进行。主要特点：测量点的布设所需要的空间大、时间长，成本高，作业不是很方便，不能满足较密布设测点的要求；其测量成果的直观性强。2.2间接测量法间接测量方法不直接测量管线的变形，而是通过监测其周围土体的沉降位移情况间接反映管线的变形。监测手段：侧向水平位移位移监测、几何水准测量、孔隙水压力测量。在大型建（构）筑物的地基施工中，地下埋设管线多是单方向受拉（或受压）如图1所示，施力侧PAB地下管线地下管线受力后的位移趋势基准线图1管线侧向受力示意图横向作用力P通过推挤地下管线一侧的土体（如为深基坑开挖施工，管线表现为受拉），使地下埋设管线横向受剪切力作用。由于沿管轴线方向产生位移（纵向位移）的可能性非常小，因而它对管线造成的变形影响可忽略不计。我们主要考虑的是垂直于管轴线方向的位移：水平方向的侧向位移和垂直方向的下沉或隆起。沉降位移测点的布设：间接测量法不直接在受测管线上布点，而是根据现场施工的实际情况及地下管线的分布情况，将测点布设在地下管线的内侧土体中（距离管线约2-5m的范围内），如图1中的AB视准线附近。通过监测土体的侧向位移及沉降（或隆起）而达到对管线监测的目的。平面控制网采用三等导线国家标准，其各项技术指标如下：1）水平角观测采用方向观测法，6测回观测，方向数多于3个时应归零。方向数为2个时，应在观测总测回中以奇数测回和偶数测回分别观测导线前进方向的左角和右角，左角、右角平均值之和，与360°的差值不大于±4.88″。2）半测回归零数≤±4″；一测回中2倍照准差变动范围≤8″；同一方向各测回较差≤±4″；3）观测时为了减少望远镜调焦误差对水平角的影响，每一方向的读数正倒镜不调焦完成；4）方位角闭合差≤±2.8″*n（n为测站数）；5）测距应往返观测各两测回，并进行温度、气压、投影改正。沉降观测按二、三等水准测量要求采用几何水准测量方法进行。为提高测量精度，便于不同观测频次的测量成果相比较，水准路线一般全布设为闭合环线，水准环线闭合差要求不超过±0.3n～±1.0nmm。孔隙水压力观测：孔隙水的测定是反映土体应力变化的有效手段。通过对孔隙水的测定，可以比较迅速的反映出土体的受挤压情况，可达到及时预警的效果。孔隙水压力计一般分层埋设，各层测点间距4～5m，即分别在距离地面5m、10m、15m的地层段埋设。有钻孔埋设式、压入式和填埋式等埋设手段，由于采用钻孔式埋设的孔隙水压力计的测量效果较好，不易破坏，因而比较常用。间接测量技术的主要特点：测点的布设灵活性大，埋设简单、方便。同时，测设精度较高，预警效果显著。其中常规测量法和间接测量技术中的水平位移测量与沉降测量方法与精度都一样，所以本文就不重复再做介绍三、应用实例物贸大厦是一幢21层的高层建筑。该大厦的基础采用桩基础，打桩区东西长约88m，南北宽约68m。打桩区距2#路中心约25m，距1#路中心大约30m，共打500×500mm钢筋混凝土预制桩309套，其中JZHB-350-13，13，13，7-C型桩共272套，入土深度45m；JZHB-15，16-C共37套，入土深度30m。总排土量约3300m3。主要监测对象是埋设在1#、2#路下的煤气管及上水管。报警值为：日位移(沉降)增量不超过±3mm，沉降累积增量不超过±20mm，侧向位移累积增量不超过±15mm。孔隙水压力报警值：孔隙水压力累积值不超过40Kpa。3.1测点的布设1）测点平面布置图（见图3所示）施工区域地下管线1路2路##水准基点B2B3B4B1312456M1M2M3M4M5M6M7侧向位移监测基点图例监测点沉降位移孔隙水压力监测点视准线视准线图3测点布置示意图2）测点的埋设观测基点埋设：在距离打桩区45m以外的地方布设观测基点，将Φ50×3000mm钢管打入土中，其中露出地面约1200mm并浇筑混凝土做为观测墩，中间埋设强制对中螺丝；共设立两条基准线B1～B2、B3～B4（如图3所示）。沉降位移观测点的埋设：分别在B1、B3观测基点上架设全站仪，分别瞄准B2、B4点，然后沿视准线布设M1～M7各测点。用Φ20×1200mm的螺纹钢筋打入管线内侧的施工区土中，然后在钢筋头上焊接强制对中接头，各测点的点位偏离视准线不超过200mm。1#路侧的基准线以B3为测站点，定向点为B4点，B3～B4点间的基准线长约160m，其中最远点M5距基点B3约100m；2#路侧的基准线以B1为测站点，定向点为B2点，B1～B2点间的基准线长约180m，其中最远点M4距基点B3约120m。孔隙水压力观测点的埋设：采用钻孔埋设法，利用钻机在视准线内侧钻6个孔（如图3所示），每孔各埋三个孔隙水压力传感器探头，分别位于地面以下5m、10m、15m。其中3#、6#孔距离地下埋设的煤气管线分别为8m，6m。3.2测点监测方法沉降位移及孔隙水的观测周期为每天观测一次。①侧向位移观测1）极坐标法极坐标法是利用数学中的极坐标原理，以两个已知点为坐标轴，以其中一个点为极点建立极坐标系，测定观测点到极点的距离，测定观测点与极点连线和两个已知点连线的夹角的方法。如图：βACBA、B已知点，C、C'点为待求坐标点SC'S'β'测定待求点C坐标时，先计算已知点A、B的方位角/1800BABABAXXYY测定角度β和边长BC，根据公式计算BC方位角：BABC计算C点坐标：BCBCCOSSXXBCBCSINSYY2）小角度法小角度法主要用于基坑水平位移变形点的观测。是利用全站仪精确测出基准线与置镜点到观测点视线之间的微小角度，并按下式计算偏离值：PPPSLPABSβA、B已知观测墩，P、P1点为待求坐标点P1β'测小角度法，其前提是观测中基准点采用强制对中设备，即必须建立观测墩，另一方面，小角度法的测距是能够精确测定，且相对于测角而言容易得多，计算偏离值精度时可以忽略测距引起的误差。在基坑监测中，沿基坑方向的变化量很小，即S可以认为基本不变。②沉降观测地表沉降控制点与工作基点的联测按国家一级规定，变形点测量按国家二级规定，具体限差见下表一、二等水准观测限差等级视线长度（m）前后视距差（m）任意测站上前后视距差累计（m）视线高度（下丝读数）一级≤30≤0.5≤1.0≥0.5二级≤50≤1.0≤3.0≥0.3一、二等水准观测限差等级基辅分划读数之差(mm)基辅分划所测高差之差(mm)往返较差或闭合差(mm)单程双测站所测高差之差(mm)检测已测测段高差之差(mm)一级0.30.4二级0.40.6监测中采用精密水准仪和铟钢尺，用高程监测网的控制水准点（基准点）对监测点进行测量。基准点每月进行检测一次。监测点按国家二等水准要求观测，以附合或闭合路线在水准路线上联测各监测点，以水准控制点为基准，测算出各监测点标高。同一测点相邻两次标高差即为本次该测点沉降量，第一次沉降量累加至本次沉降量即为该测点累计沉降量。计算公式如下：1iiihhh)(21ihhhhn3.0n2.0n45.0n0.1n7.0n5.1式中：ih为本次沉降量；ih为本次标高；1ih为上次标高；h本次累计沉降量。③孔隙水压力测量测试数据处理：现场所测得的是传感器的应变或荷载频率值，与初始频率相对应，根据厂家提供的标定公式和曲线可计算出相应水压力荷载值。以下列出孔隙水压力计的计算公式，其相关的参数可根据每一个传感器的标定资料查找。孔隙水压力计算方法：KFFffP)(式中：P——荷载（MPa）f——荷载频率F——初始频率K——标定系数3.3监测成果3.3.1侧向位移监测量1）1#路侧向位移及沉降位移侧向位移最大的点为M5点，最大的位移量为-7mm；沉降位移最大的点也为M5点，最大隆起为10mm；2）2#路侧向位移及沉降位移由于连续墙区距离2#路较近，且后期打连续墙全集中于2#路一侧，因而2#路边测点的变化较大；侧向位移最大点为M1点，最大位移量为-13mm；沉降观测点中，M4点的变化最大，最大隆起为15mm。日期(7月)打桩数21653632019181788852324222187542827252646210128149868月88532930318387235410688797811121364018415161728978842219202187782625242310114828292730161431829月00103测点沉降位移曲线图(mm)沉降量01816172219202126252423282927303129月3日期(7月)162019181723242221282725261468月29303123541097811121315-4-6-80-2-12-14-16-10-18位移量(mm)M1M4M3t(d)M5M4M1M3(M5)测点侧向位移曲线图测点沉降位移曲线图t(d)图4管线监测点沉降位移曲线图3.3.2孔隙水压力成果从连续观测的结果来看：随着打桩量的增加，孔隙水压力也随之上升；如停打，孔隙水压力有所回落；离打桩区愈近，孔隙水压力变化愈明显。埋设深度不同的三个探头所测设的孔隙水压力变化表现为：埋设深度在-15m的孔隙水压力传感器所测的水压力变化规律性较强；-10m的传感器的次之；-5m的孔隙水压力传感器受地面桩机移动及地面破坏的影响，其测量值没有明显的规律性。3号孔和6号孔距地下管线最近，因而最能反映管线的变形情况。其中埋设在地下15m处的传感器220#、356#，在整个打桩期间其变化的规律性很强，其孔隙水压力变化曲线见图5所示。日期(7月)161718192120222625242327288月31302945328679131211101617151421201819302223242526272928319月2324681012141696046492874888778411810081002536388858745835887883878打入桩数1#、2#孔隙水压力变化曲线图20221826282432300P(KPa)t(d)3#孔(-15m探头)6#孔(-15m探头)图5孔隙水压力变化曲线图3.4测量