地下管線變形的監(jiān)測(cè)技術(shù)

1、地下管線變形的監(jiān)測(cè)技術(shù)【摘要】本文結(jié)合工程實(shí)際，介紹了打樁施工期間間接測(cè)量地下管線變形的監(jiān)測(cè)技術(shù)。重點(diǎn)分析了側(cè)向位移監(jiān)測(cè)的精度及配合使用孔隙水壓力監(jiān)測(cè)的預(yù)警效果。一、引言隨著城市公共設(shè)施建設(shè)的迅猛發(fā)展，各類大型、超高層的建（構(gòu)）筑物越建越多，埋設(shè)在城區(qū)地下的各類管線也大大增加。在加載預(yù)壓、沉樁、強(qiáng)夯、降低地下水位等建（構(gòu)）筑物的基礎(chǔ)施工期都會(huì)對(duì)周圍環(huán)境及地形產(chǎn)生一定的影響，從而會(huì)影響到地下管線的安全。特別是那些天然氣（或煤氣）管、水管及通訊光纜管等，一旦因變形受到破壞，常常會(huì)造成較為嚴(yán)重的后果。為確保地下管線的運(yùn)行安全及施工的順利進(jìn)行，在進(jìn)行城市改（擴(kuò)）建工程施工中必須對(duì)施工區(qū)附近的埋設(shè)管線進(jìn)

2、行變形監(jiān)測(cè)，特別要加強(qiáng)對(duì)天然氣（或煤氣）管、水管及通訊光纜管等的監(jiān)測(cè)，以有效指導(dǎo)施工、控制施工速度，確保施工及管線的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，避免事故的發(fā)生。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法是采用開(kāi)挖布點(diǎn)，直接對(duì)地下管線進(jìn)行沉降位移觀測(cè)，也就是常說(shuō)的直接測(cè)量法。然而在實(shí)際施工中絕大部份區(qū)域是沒(méi)有開(kāi)挖條件的，有的施工區(qū)域即使有開(kāi)挖條件，但也很難一次性較為準(zhǔn)確地找到所要布設(shè)測(cè)點(diǎn)的管線；同時(shí)，制作客井式標(biāo)志周期長(zhǎng)、費(fèi)用大。因而采用直接監(jiān)測(cè)的方法較難實(shí)施?？偨Y(jié)我們多次進(jìn)行管線及建筑變形觀測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，我們對(duì)地下管線的監(jiān)測(cè)提出了一種間接監(jiān)測(cè)（不用開(kāi)挖地面埋測(cè)點(diǎn)）的方法。同時(shí)，為能提高管線監(jiān)測(cè)工作的預(yù)警效果，我們對(duì)地下管線附近的土體進(jìn)行了孔隙

3、水壓力的觀測(cè)，通過(guò)對(duì)孔隙水壓力監(jiān)測(cè)及沉降位移監(jiān)測(cè)的雙重控制與預(yù)警，收到了較好的監(jiān)測(cè)效果。二、管線變形的間接監(jiān)測(cè)技術(shù)2.1 常規(guī)測(cè)量方法測(cè)點(diǎn)的布設(shè)：采用直接開(kāi)挖地面的方式，找出埋設(shè)在地下需要監(jiān)測(cè)的管線，清除其周圍土體后利用鋼箍將觀測(cè)標(biāo)志固定在管道上，然后制作客井式測(cè)量標(biāo)志作為直接監(jiān)測(cè)的對(duì)象。測(cè)量方法：水平位移采用方向觀測(cè)法進(jìn)行測(cè)量；沉降觀測(cè)按二、三等水準(zhǔn)測(cè)量要求采用幾何水準(zhǔn)測(cè)量方法進(jìn)行。主要特點(diǎn)：測(cè)量點(diǎn)的布設(shè)所需要的空間大、時(shí)間長(zhǎng)，成本高，作業(yè)不是很方便，不能滿足較密布設(shè)測(cè)點(diǎn)的要求；其測(cè)量成果的直觀性強(qiáng)。2.2 間接測(cè)量法間接測(cè)量方法不直接測(cè)量管線的變形，而是通過(guò)監(jiān)測(cè)其周圍土體的沉降位移情況間接

4、反映管線的變形。監(jiān)測(cè)手段：側(cè)向水平位移位移監(jiān)測(cè)、幾何水準(zhǔn)測(cè)量、孔隙水壓力測(cè)量。在大型建（構(gòu)）筑物的地基施工中，地下埋設(shè)管線多是單方向受拉（或受壓）如圖1所示，地下管線地下管線受力后的位移趨勢(shì)圖1管線側(cè)向受力示意圖橫向作用力P通過(guò)推擠地下管線一側(cè)的土體（如為深基坑開(kāi)挖施工，管線表現(xiàn)為受拉），使地下埋設(shè)管線橫向受剪切力作用。由于沿管軸線方向產(chǎn)生位移（縱向位移）的可能性非常小，因而它對(duì)管線造成的變形影響可忽略不計(jì)。我們主要考慮的是垂直于管軸線方向的位移：水平方向的側(cè)向位移和垂直方向的下沉或隆起。沉降位移測(cè)點(diǎn)的布設(shè)：間接測(cè)量法不直接在受測(cè)管線上布點(diǎn)，而是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際情況及地下管線的分布情況，將測(cè)

5、點(diǎn)布設(shè)在地下管線的內(nèi)側(cè)土體中（距離管線約2-5m的范圍內(nèi)），如圖1中的AB視準(zhǔn)線附近通過(guò)監(jiān)測(cè)土體的側(cè)向位移及沉降（或隆起）而達(dá)到對(duì)管線監(jiān)測(cè)的目的。平面控制網(wǎng)采用三等導(dǎo)線國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如下：1）水平角觀測(cè)采用方向觀測(cè)法，6測(cè)回觀測(cè)，方向數(shù)多于3個(gè)時(shí)應(yīng)歸零。方向數(shù)為2個(gè)時(shí)，應(yīng)在觀測(cè)總測(cè)回中以奇數(shù)測(cè)回和偶數(shù)測(cè)回分別觀測(cè)導(dǎo)線前進(jìn)方向的左角和右角,左角、右角平均值之和，與360°的差值不大于±4.882）半測(cè)回歸零數(shù)W±4；一測(cè)回中2倍照準(zhǔn)差變動(dòng)范圍08；同一方向各測(cè)回較差43）觀測(cè)時(shí)為了減少望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦誤差對(duì)水平角的影響，每一方向的讀數(shù)正倒鏡不調(diào)焦完成；4）方位角

6、閉合差&±2.8"*Vn（n為測(cè)站數(shù)）；5）測(cè)距應(yīng)往返觀測(cè)各兩測(cè)回，并進(jìn)行溫度、氣壓、投影改正。沉降觀測(cè)按二、三等水準(zhǔn)測(cè)量要求采用幾何水準(zhǔn)測(cè)量方法進(jìn)行。為提高測(cè)量精度，便于不同觀測(cè)頻次的測(cè)量成果相比較，水準(zhǔn)路線一般全布設(shè)為閉合環(huán)線，水準(zhǔn)環(huán)線閉合差要求不超過(guò)±0.3JR±1.0ynmm?？紫端畨毫τ^測(cè)：孔隙水的測(cè)定是反映土體應(yīng)力變化的有效手段。通過(guò)對(duì)孔隙水的測(cè)定，可以比較迅速的反映出土體的受擠壓情況，可達(dá)到及時(shí)預(yù)警的效果?？紫端畨毫τ?jì)一般分層埋設(shè)，各層測(cè)點(diǎn)間距45m,即分別在距離地面5m、10m、15m的地層段埋設(shè)。有鉆孔埋設(shè)式、壓入式和填埋式等埋

7、設(shè)手段，由于采用鉆孔式埋設(shè)的孔隙水壓力計(jì)的測(cè)量效果較好，不易破壞，因而比較常用。間接測(cè)量技術(shù)的主要特點(diǎn)：測(cè)點(diǎn)的布設(shè)靈活性大，埋設(shè)簡(jiǎn)單、方便。同時(shí)，測(cè)設(shè)精度較高，預(yù)警效果顯著。其中常規(guī)測(cè)量法和間接測(cè)量技術(shù)中的水平位移測(cè)量與沉降測(cè)量方法與精度都一樣，所以本文就不重復(fù)再做介紹三、應(yīng)用實(shí)例物貿(mào)大廈是一幢21層的高層建筑。該大廈的基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，打樁區(qū)東西長(zhǎng)約88m,南北寬約68mo打樁區(qū)距2#路中心約25m,距1#路中心大約30m,共打500X500mm鋼筋混凝土預(yù)制樁309套，其中JZHB-350-13,13,13,7-C型樁共272套，入土深度45m；JZHB-15,16-C共37套，入土深度30

8、m。總排土量約3300m3。主要監(jiān)測(cè)對(duì)象是埋設(shè)在1#、2#路下的煤氣管及上水管。40Kpa。報(bào)警值為：日位移（沉降）增量不超過(guò)±3mm,沉降累積增量不超過(guò)±20mm,側(cè)向位移累積增量不超過(guò)土15mmo孔隙水壓力報(bào)警值：孔隙水壓力累積值不超過(guò)3.1測(cè)點(diǎn)的布設(shè)1）測(cè)點(diǎn)平面布置圖（見(jiàn)圖3所示）B4水準(zhǔn)基點(diǎn)2#地下管線M4M3M2M1_iB1圖例口一側(cè)向位移監(jiān)測(cè)基點(diǎn)_沉降位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)一孔隙水壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)1#M54!M6M7圖3測(cè)點(diǎn)布置示意圖2）測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)觀測(cè)基點(diǎn)埋設(shè)：在距離打樁區(qū)45m以外的地方布設(shè)觀測(cè)基點(diǎn)，將50X3000mm鋼管打入土中，其中露出地面約1200mm并澆筑混凝土做為觀

9、測(cè)墩，中間埋設(shè)強(qiáng)制對(duì)中螺絲；共設(shè)立兩條基準(zhǔn)線B1B2、B3B4（如圖3所示）。沉降位移觀測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)：分別在B1、B3觀測(cè)基點(diǎn)上架設(shè)全站儀，分別瞄準(zhǔn)B2、B4點(diǎn)，然后沿視準(zhǔn)線布設(shè)M1M7各測(cè)點(diǎn)。用20X1200mm的螺紋鋼筋打入管線內(nèi)側(cè)的施工區(qū)土中，然后在鋼筋頭上焊接強(qiáng)制對(duì)中接頭，各測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位偏離視準(zhǔn)線不超過(guò)200mm。1#路側(cè)的基準(zhǔn)線以B3為測(cè)站點(diǎn)，定向點(diǎn)為B4點(diǎn)，B3B4點(diǎn)間的基準(zhǔn)線長(zhǎng)約160m,其中最遠(yuǎn)點(diǎn)M5距基點(diǎn)B3約100m；2#路側(cè)的基準(zhǔn)線以B1為測(cè)站點(diǎn)，定向點(diǎn)為B2點(diǎn)，B1B2點(diǎn)間的基準(zhǔn)線長(zhǎng)約180m,其中最遠(yuǎn)點(diǎn)M4距基點(diǎn)B3約120m?？紫端畨毫τ^測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)：采用鉆孔埋設(shè)法，利用

10、鉆機(jī)在視準(zhǔn)線內(nèi)側(cè)鉆6個(gè)孔（如圖3所示），每孔各埋三個(gè)孔隙水壓力傳感器探頭，分別位于地面以下5m、10m、15mo其中3#、6#孔距離地下埋設(shè)的煤氣管線分別為8m,6m。3.2測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法沉降位移及孔隙水的觀測(cè)周期為每天觀測(cè)一次。側(cè)向位移觀測(cè)1）極坐標(biāo)法極坐標(biāo)法是利用數(shù)學(xué)中的極坐標(biāo)原理，以兩個(gè)已知點(diǎn)為坐標(biāo)軸，以其中一個(gè)點(diǎn)為極點(diǎn)建立極坐標(biāo)系，測(cè)定觀測(cè)點(diǎn)到極點(diǎn)的距離，測(cè)定觀測(cè)點(diǎn)與極點(diǎn)連線和兩個(gè)已知點(diǎn)連線的夾角的方法。如圖：A、B已知點(diǎn)，CC'A點(diǎn)為待求坐標(biāo)點(diǎn)cB'0_C。二S工P.XS'B測(cè)定待求點(diǎn)C坐標(biāo)時(shí)，先計(jì)算已知點(diǎn)A、B的方位角=Ya-丫b1800/7：Xa-Xb測(cè)定角

11、度3和邊長(zhǎng)BC,根據(jù)公式計(jì)算BC方位角：0tBe=嘮*口計(jì)算C點(diǎn)坐標(biāo)：Xc=XbS*COS二BCYc=YbS*SIN;BC2）小角度法小角度法主要用于基坑水平位移變形點(diǎn)的觀測(cè)。是利用全站儀精確測(cè)出基準(zhǔn)線與置鏡點(diǎn)到觀測(cè)點(diǎn)視線之間的微小角度，并按下式計(jì)算偏離值：PlpT0A、B已知觀測(cè)墩，P、P1點(diǎn)為待求坐標(biāo)點(diǎn)piPA133'BS測(cè)小角度法，其前提是觀測(cè)中基準(zhǔn)點(diǎn)采用強(qiáng)制對(duì)中設(shè)備，即必須建立觀測(cè)墩，另一方面，小角度法的測(cè)距是能夠精確測(cè)定，且相對(duì)于測(cè)角而言容易得多，計(jì)算偏離值精度時(shí)可以忽略測(cè)距引起的誤差。在基坑監(jiān)測(cè)中，沿基坑方向的變化量很小，即S可以認(rèn)為基本不變。沉降觀測(cè)地表沉降控制點(diǎn)與工作基

12、點(diǎn)的聯(lián)測(cè)按國(guó)家一級(jí)規(guī)定，變形點(diǎn)測(cè)量按國(guó)家二級(jí)規(guī)定，具體限差見(jiàn)下表一、二等水準(zhǔn)觀測(cè)限差等級(jí)視線長(zhǎng)度（nj）前后視距差（m）任意測(cè)站上前后視距差累計(jì)（m視線高度（下絲讀數(shù)）一級(jí)<30<0.5<1.0>0.5二級(jí)<50<1.0<3.0>0.3二等水準(zhǔn)觀測(cè)限差等級(jí)基輔分劃讀數(shù)之差（mm）基輔分劃所測(cè)高差之差（mm）往返較差或閉合差（mm）單程雙測(cè)站所測(cè)高差之差（mm）檢測(cè)已測(cè)測(cè)段高差之差（mm）一級(jí)0.30.4M0.3篇<0.2人<0.45v'n二級(jí)0.40.6E1.0，n<0.7vnE1.50n監(jiān)測(cè)中采用精密水準(zhǔn)儀和錮鋼尺，用

13、高程監(jiān)測(cè)網(wǎng)的控制水準(zhǔn)點(diǎn)（基準(zhǔn)點(diǎn)）對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量?；鶞?zhǔn)點(diǎn)每月進(jìn)行檢測(cè)一次。監(jiān)測(cè)點(diǎn)按國(guó)家二等水準(zhǔn)要求觀測(cè)，以附合或閉合路線在水準(zhǔn)路線上聯(lián)測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以水準(zhǔn)控制點(diǎn)為基準(zhǔn)，測(cè)算出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)高。同一測(cè)點(diǎn)相鄰兩次標(biāo)高差即為本次該測(cè)點(diǎn)沉降量，第一次沉降量累加至本次沉降量即為該測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量。計(jì)算公式如下：hi=hi-兀Ihi)式中：ihj為本次沉降量；。為本次標(biāo)高；為上次標(biāo)高；Ah本次累計(jì)沉降量?？紫端畨毫y(cè)量測(cè)試數(shù)據(jù)處理：現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)得的是傳感器的應(yīng)變或荷載頻率值，與初始頻率相對(duì)應(yīng)，根據(jù)廠家提供的標(biāo)定公式和曲線可計(jì)算出相應(yīng)水壓力荷載值。以下列出孔隙水壓力計(jì)的計(jì)算公式，其相關(guān)的參數(shù)可根據(jù)每一個(gè)傳感器的標(biāo)定資料

14、查找?？紫端畨毫τ?jì)算方法：P=(ff-FF)K式中：p荷載(MPa)F初始頻率K標(biāo)定系數(shù)3.3 監(jiān)測(cè)成果3.3.1 側(cè)向位移監(jiān)測(cè)量1) 1#路側(cè)向位移及沉降位移側(cè)向位移最大的點(diǎn)為M5點(diǎn)，最大的位移量為-7mm；沉降位移最大的點(diǎn)也為M5點(diǎn)，最大隆起為10mm;2) 2#路側(cè)向位移及沉降位移由于連續(xù)墻區(qū)距離2#路較近，且后期打連續(xù)墻全集中于2#路一側(cè)，因而2#路邊測(cè)點(diǎn)的變化較大;側(cè)向位移最大點(diǎn)為M1點(diǎn)，最大位移量為-13mm；沉降觀測(cè)點(diǎn)中，M4點(diǎn)的變化最大，最大隆起為15mmo測(cè)點(diǎn)沉降位移曲線圖圖4管線監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降位移曲線圖3.3.2 孔隙水壓力成果從連續(xù)觀測(cè)的結(jié)果來(lái)看：隨著打樁量的增加，孔隙水壓力

15、也隨之上升；如停打，孔隙水壓力有所回落；離打樁區(qū)愈近，孔隙水壓力變化愈明顯。埋設(shè)深度不同的三個(gè)探頭所測(cè)設(shè)的孔隙水壓力變化表現(xiàn)為：埋設(shè)深度在-15m的孔隙水壓力傳感器所測(cè)的水壓力變化規(guī)律性較強(qiáng)；-10m的傳感器的次之；-5m的孔隙水壓力傳感器受地面樁機(jī)移動(dòng)及地面破壞的影響，其測(cè)量值沒(méi)有明顯的規(guī)律性。3號(hào)孔和6號(hào)孔距地下管線最近，因而最能反映管線的變形情況。其中埋設(shè)在地下15m處的傳感器220#、356#,在整個(gè)打樁期間其變化的規(guī)律性很強(qiáng)，其孔隙水壓力變化曲線見(jiàn)圖5所示。圖5孔隙水壓力變化曲線圖3.4 測(cè)量精度及預(yù)警3.4.1 測(cè)量精度A、側(cè)向位移測(cè)設(shè)精度：根據(jù)設(shè)點(diǎn)及觀測(cè)順序，由于M4距離測(cè)站點(diǎn)最遠(yuǎn)。由（4）式知，側(cè)向位移觀測(cè)最弱點(diǎn)觀測(cè)精度分別為：M4點(diǎn)：m,.6012°°°。=0.8mm。l5一20626530、2B、垂直位移觀測(cè)精度由于觀測(cè)路線不長(zhǎng)，水準(zhǔn)環(huán)線閉合差都不超過(guò)2mm（假設(shè)為2mm）,則每測(cè)站高差中數(shù)中誤差mw=+p-ww|*W.8mm,其每km高差全中誤差為*7mm。C、孔隙水壓力測(cè)量精度鋼弦測(cè)頻儀的測(cè)設(shè)精度為1HZ,通過(guò)率定曲線可讀至0.5KPa。3.4.2預(yù)警本次管線監(jiān)測(cè)工作共進(jìn)行了42天，對(duì)比