地下管線變形的監(jiān)測技術(shù)

1、地下管線變形的監(jiān)測技術(shù)【摘要】本文結(jié)合工程實際，介紹了打樁施工期間間接測量地下管線變形的監(jiān)測技術(shù)。重點分析了側(cè)向位移監(jiān)測的精度及配合使用孔隙水壓力監(jiān)測的預警效果。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。在加載預壓、沉樁、強夯、降低地下水位等建（構(gòu)）筑物的基礎(chǔ)施工期都會對周圍環(huán)境及地形產(chǎn)生一定的影響，從而會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，常常會造成較為嚴重的后果。為確保地下管線的運行安全及施工的順利進行，在進行城市改（擴）建工程施工中必須對施工區(qū)附近的埋設(shè)管線

2、進行變形監(jiān)測， 特別要加強對天然氣（或煤氣）管、水管及通訊光纜管等的監(jiān)測，以有效指導施工、控制施工速度，確保施工及管線的正常運轉(zhuǎn)，避免事故的發(fā)生。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法是采用開挖布點，直接對地下管線進行沉降位移觀測，也就是常說的直接測量法。然而在實際施工中絕大部份區(qū)域是沒有開挖條件的，有的施工區(qū)域即使有開挖條件，但也很難一次性較為準確地找到所要布設(shè)測點的管線；同時，制作窨井式標志周期長、費用大。因而采用直接監(jiān)測的方法較難實施。總結(jié)我們多次進行管線及建筑變形觀測的經(jīng)驗，我們對地下管線的監(jiān)測提出了一種間接監(jiān)測（不用開挖地面埋測點）的方法。同時，為能提高管線監(jiān)測工作的預警效果，我們對地下管線附近的土體進行了

3、孔隙水壓力的觀測，通過對孔隙水壓力監(jiān)測及沉降位移監(jiān)測的雙重控制與預警，收到了較好的監(jiān)測效果。 二、 管線變形的間接監(jiān)測技術(shù)2.1 常規(guī)測量方法測點的布設(shè)：采用直接開挖地面的方式，找出埋設(shè)在地下需要監(jiān)測的管線，清除其周圍土體后利用鋼箍將觀測標志固定在管道上，然后制作窨井式測量標志作為直接監(jiān)測的對象。測量方法：水平位移采用方向觀測法進行測量；沉降觀測按二、三等水準測量要求采用幾何水準測量方法進行。主要特點：測量點的布設(shè)所需要的空間大、時間長，成本高，作業(yè)不是很方便，不能滿足較密布設(shè)測點的要求；其測量成果的直觀性強。 2.2 間接測量法間接測量方法不直接測量管線的變形，而是通過監(jiān)測其周圍土體的沉降位

4、移情況間接反映管線的變形。監(jiān)測手段：側(cè)向水平位移位移監(jiān)測、幾何水準測量、孔隙水壓力測量。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，圖1 管線側(cè)向受力示意圖橫向作用力P通過推擠地下管線一側(cè)的土體（如為深基坑開挖施工，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，因而它對管線造成的變形影響可忽略不計。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。沉降位移測點的布設(shè)：間接測量法不直接在受測管線上布點，而是根據(jù)現(xiàn)場施工的實際情況及地下管線的分布情況，將測點布設(shè)在地下管線的內(nèi)

5、側(cè)土體中（距離管線約2-5m的范圍內(nèi)），如圖1中的AB視準線附近。通過監(jiān)測土體的側(cè)向位移及沉降（或隆起）而達到對管線監(jiān)測的目的。平面控制網(wǎng)采用三等導線國家標準，其各項技術(shù)指標如下： 1）水平角觀測采用方向觀測法，6測回觀測，方向數(shù)多于3個時應(yīng)歸零。方向數(shù)為2個時，應(yīng)在觀測總測回中以奇數(shù)測回和偶數(shù)測回分別觀測導線前進方向的左角和右角，左角、右角平均值之和，與360°的差值不大于±4.88。2）半測回歸零數(shù)±4；一測回中2倍照準差變動范圍8；同一方向各測回較差±4；3）觀測時為了減少望遠鏡調(diào)焦誤差對水平角的影響，每一方向的讀數(shù)正倒鏡不調(diào)焦完成；4）方位角閉合

6、差±2.8*（n為測站數(shù)）；5）測距應(yīng)往返觀測各兩測回，并進行溫度、氣壓、投影改正。沉降觀測按二、三等水準測量要求采用幾何水準測量方法進行。為提高測量精度，便于不同觀測頻次的測量成果相比較，水準路線一般全布設(shè)為閉合環(huán)線，水準環(huán)線閉合差要求不超過±0.3±1.0mm?？紫端畨毫τ^測：孔隙水的測定是反映土體應(yīng)力變化的有效手段。通過對孔隙水的測定，可以比較迅速的反映出土體的受擠壓情況，可達到及時預警的效果?？紫端畨毫τ嬕话惴謱勇裨O(shè)，各層測點間距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設(shè)手段，由于采用鉆孔式埋設(shè)的孔隙水壓力

7、計的測量效果較好，不易破壞，因而比較常用。間接測量技術(shù)的主要特點：測點的布設(shè)靈活性大，埋設(shè)簡單、方便。同時，測設(shè)精度較高，預警效果顯著。其中常規(guī)測量法和間接測量技術(shù)中的水平位移測量與沉降測量方法與精度都一樣，所以本文就不重復再做介紹三、應(yīng)用實例物貿(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)東西長約88 m，南北寬約68m。打樁區(qū)距2#路中心約25m，距1#路中心大約30m，共打500×500mm鋼筋混凝土預制樁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30m?？偱磐亮考s3300m3

8、。主要監(jiān)測對象是埋設(shè)在1#、2#路下的煤氣管及上水管。報警值為：日位移(沉降)增量不超過±3 mm，沉降累積增量不超過±20mm，側(cè)向位移累積增量不超過±15mm?？紫端畨毫缶担嚎紫端畨毫鄯e值不超過40Kpa。3.1 測點的布設(shè)1）測點平面布置圖（見圖3所示）圖3 測點布置示意圖2）測點的埋設(shè)觀測基點埋設(shè)：在距離打樁區(qū)45m 以外的地方布設(shè)觀測基點，將50×3000mm鋼管打入土中，其中露出地面約1200mm并澆筑混凝土做為觀測墩，中間埋設(shè)強制對中螺絲；共設(shè)立兩條基準線B1B2、B3B4（如圖3所示）。沉降位移觀測點的埋設(shè)：分別在B1、 B3觀測基

9、點上架設(shè)全站儀，分別瞄準B2、 B4 點，然后沿視準線布設(shè)M1M7各測點。用20×1200mm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制對中接頭，各測點的點位偏離視準線不超過200mm。1#路側(cè)的基準線以B3為測站點，定向點為B4點，B3B4點間的基準線長約160m，其中最遠點M5距基點B3約100m；2#路側(cè)的基準線以B1為測站點，定向點為B2點，B1B2點間的基準線長約180m，其中最遠點M4距基點B3約120m?？紫端畨毫τ^測點的埋設(shè)：采用鉆孔埋設(shè)法，利用鉆機在視準線內(nèi)側(cè)鉆6個孔（如圖3所示），每孔各埋三個孔隙水壓力傳感器探頭，分別位于地面以下5m、10m、15

10、m。其中3#、6#孔距離地下埋設(shè)的煤氣管線分別為8m，6m。3.2測點監(jiān)測方法沉降位移及孔隙水的觀測周期為每天觀測一次。側(cè)向位移觀測1）極坐標法 極坐標法是利用數(shù)學中的極坐標原理，以兩個已知點為坐標軸，以其中 一個點為極點建立極坐標系，測定觀測點到極點的距離，測定觀測點與極點連線和兩個已知點連線的夾角的方法。如圖： 測定待求點C坐標時，先計算已知點A、B的方位角測定角度和邊長BC，根據(jù)公式計算BC方位角： 計算C點坐標：2）小角度法小角度法主要用于基坑水平位移變形點的觀測。是利用全站儀精確測出基準線與置鏡點到觀測點視線之間的微小角度，并按下式計算偏離值：測小角度法，其前提是觀測中基準點采用強制

11、對中設(shè)備，即必須建立觀測墩，另一方面，小角度法的測距是能夠精確測定，且相對于測角而言容易得多，計算偏離值精度時可以忽略測距引起的誤差。在基坑監(jiān)測中，沿基坑方向的變化量很小，即S可以認為基本不變。沉降觀測地表沉降控制點與工作基點的聯(lián)測按國家一級規(guī)定，變形點測量按國家二級規(guī)定，具體限差見下表一、二等水準觀測限差等級視線長度（m）前后視距差（m）任意測站上前后視距差累計（m）視線高度（下絲讀數(shù)）一級300.51.00.5二級501.03.00.3一、二等水準觀測限差等級基輔分劃讀數(shù)之差(mm)基輔分劃所測高差之差(mm)往返較差或閉合差(mm)單程雙測站所測高差之差(mm)檢測已測測段高差之差(mm

12、)一級0.30.4二級0.40.6監(jiān)測中采用精密水準儀和銦鋼尺，用高程監(jiān)測網(wǎng)的控制水準點（基準點）對監(jiān)測點進行測量?；鶞庶c每月進行檢測一次。監(jiān)測點按國家二等水準要求觀測，以附合或閉合路線在水準路線上聯(lián)測各監(jiān)測點，以水準控制點為基準，測算出各監(jiān)測點標高。同一測點相鄰兩次標高差即為本次該測點沉降量，第一次沉降量累加至本次沉降量即為該測點累計沉降量。計算公式如下：式中：為本次沉降量；為本次標高；為上次標高；本次累計沉降量。孔隙水壓力測量測試數(shù)據(jù)處理：現(xiàn)場所測得的是傳感器的應(yīng)變或荷載頻率值，與初始頻率相對應(yīng)，根據(jù)廠家提供的標定公式和曲線可計算出相應(yīng)水壓力荷載值。以下列出孔隙水壓力計的計算公式，其相關(guān)的

13、參數(shù)可根據(jù)每一個傳感器的標定資料查找?？紫端畨毫τ嬎惴椒ǎ?式中： P荷載（）荷載頻率初始頻率標定系數(shù)3.3監(jiān)測成果3.3.1側(cè)向位移監(jiān)測量1） 1#路側(cè)向位移及沉降位移側(cè)向位移最大的點為M5點，最大的位移量為-7mm；沉降位移最大的點也為M5點，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#路邊測點的變化較大；側(cè)向位移最大點為M1點，最大位移量為-13mm；沉降觀測點中，M4點的變化最大，最大隆起為15mm。圖4 管線監(jiān)測點沉降位移曲線圖3.3.2 孔隙水壓力成果從連續(xù)觀測的結(jié)果來看：隨著打樁量的增加，孔隙水壓力也隨之

14、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)深度不同的三個探頭所測設(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的水壓力變化規(guī)律性較強；-10m的傳感器的次之；-5m的孔隙水壓力傳感器受地面樁機移動及地面破壞的影響，其測量值沒有明顯的規(guī)律性。3號孔和6號孔距地下管線最近，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#，在整個打樁期間其變化的規(guī)律性很強，其孔隙水壓力變化曲線見圖5所示。圖5 孔隙水壓力變化曲線圖3.4 測量精度及預警3.4.1 測量精度A、側(cè)向位移測設(shè)精度： 根據(jù)設(shè)點及觀測順序，由于M4距離測站點最遠。由（4）式知，側(cè)向位移觀測最弱點觀測精度分別為：M4點： =0.8mm。B、垂直位移觀測精度由于觀測路線不長，水準環(huán)線閉合差都不超過2mm（假設(shè)為2mm），則每測站高差中數(shù)中誤差mw=±±0.8mm，其每km高差全中誤差為±1.7mm。C、孔隙水壓力測量精度鋼弦測頻儀的測設(shè)精度為1HZ，通過率定曲線可讀至0.5KPa。3.4.2 預警本次管線監(jiān)測工作共進行了42天，對比孔隙水壓力變化曲線及位移變化曲線