地下管线变形的间接监测技术

焦永强

【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。重点分析了沉降监测的精度及配合使用孔隙水压力监测的预警效果。

关键词：间接监测   变形   侧向位移   孔隙水

一、引言

随着城市建设的迅猛发展，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：水平位移采用边角法进行测量；沉降采用几何水准的测量的方式进行。

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，

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。

侧向位移监测方法：多采用测小角法进行；当视准线不长时，可采用活动觇牌法直接读取偏移值。

侧向位移观测的精度推算：

对于测小角法与活动牌觇牌法，在对观测点采用相同观测次数时，两者具有相同的精度估算式，此处仅对测小角法进行讨论，如图2所示，测点偏离视准线的偏移值为L_i。则有：

L_i=aiρ·S_i  ……………………………………………………………………………(1)

其中：S_i为测量基点A到观测点M_i的距离， a_i为测点与观测基点连线

与视准线之间的夹角，以秒为单位。

图2 测小角法示意图

L_i为测点偏离视准线的距离，即侧向位移量，ρ″=206265″。

对（1）式进行全微分，则得侧向位移观测中误差为：

mLi2=1ρ2⋅SI2⋅mai2+1ρai2mSi2.…………………………………………………… .(2)

由于测距精度很容易达到，因而相对于测小角的精度来说， (2)式中的后一项可忽略不计。则侧向位移的观测中误差可写为：

mLi=maiρ.Si.………….…….………………………………………………………(3)

由于在侧向位移观测中多采用强制对中设备，因而在采用相同设备，相同人员操作时，对中误差已不在是位移观测的主要误差来源。同时，由于小角度的测量只需利用经纬仪的测微器即可测定，因而其测量误差的主要来源是经纬仪的照准误差（m_v），此时小角度观测一测回中误差m_a就等于m_v，而m_v=60''v(v为望远镜放大倍数)。

因此，当小角度观测采用测回法时，则（3）式可变为：

mLi=mvρn.Si=60''ρvn.Si………. …………………………………………………….(4)

其中n为小角a_i的测回数。

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。

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88 m，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±3 mm，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）

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观测基点上架设经纬仪，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*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*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

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

用J₂经纬仪按测小角法进行，其中小角观测两测回。

②沉降观测

沉观测采用S₁型（Ni004型）水准仪进行，利用水平位移监测点的金属标头作为立尺点，采用闭合水准路线按二级沉降观测的限测量。水准路线总长约400 m，共设10个测站。其限差±1.0nmm≈±2.8mm。

③孔隙水压力测量

每天用数字式钢弦测频仪（型号：SS-2）进行频率测量定，然后根据各个孔隙水压力探头的标定曲线求出相应的孔隙水压力强度（KPa）。

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**的点为M5点，**的位移量为-7mm；
   沉降位移**的点也为M5点，**隆起为10mm；

2. 2^#路侧向位移及沉降位移

由于打桩区距离2^#路较近，且后期打桩全集中于2^#路一侧，因而2^#路边测点的变化较大；

侧向位移**点为M1点，**位移量为-13mm；

沉降观测点中，M4点的变化**，**隆起为15mm。

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*近，因而*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。

图5 孔隙水压力变化曲线图

3.4 测量精度及预警

3.4.1 测量精度

A、侧向位移测设精度：

根据设点及观测顺序，由于M4距离测站点*远。由（4）式知，侧向位移观测*弱点观测精度分别为：

M4点：  ml5=60''×120000206265×30×2 =0.8mm。

B、垂直位移观测精度

由于观测路线不长，水准环线闭合差都不超过2mm（假设为2mm），则每测站高差中数中误差m_w=±1Nwwn≈±0.8mm，其每km高差全中误差为±1.7mm。

C、孔隙水压力测量精度

钢弦测频仪的测设精度为1HZ，通过率定曲线可读至0.5KPa。

3.4.2 预警

本次管线监测工作共进行了42天，对比孔隙水压力变化曲线及位移变化曲线可以看出：两者的变化趋势非常一致，测点的变化主要集中在打桩施工的中后期，其中8月6～10日、22～26日是两次快速变化期。由于孔隙水压力计距离打桩区比位移观测点要近，它所反映的土层变化趋势比位移观测成果所反映的变化趋势要提前1～2天，与每天的打桩数及总打桩量比较吻合。

在位移及孔隙水压力发生急速变化的阶段，根据曲线走势，通知打桩人员分三次间段性地停打、低速打的方法，有效地阻止了土体的扩散速度，确保了地下管线在施工过程中的变化量始终的报警线内变化，达到了较好的预警效果。

四、结束语

地下管线的间接测量法可以代替原有的管线直接测量方法。它在点位埋设、测设精度及预警效果方面具有较为明显的优势，是一种经济、可靠、实用的地下管线监测技术。

参考文献

[1]《建筑变形测量规程》JGJ/T  8-97，中国建筑工业出版社，1998；

[2]  李青岳·工程测量学·测绘出版社，1992；

[3] 《岩土工程勘察规范》DBJ08-39-94，上海市建设委员会，1996；