CN104596405B - 地下雨污管道变形接触式实时监测装置与方法 - Google Patents

Abstract

地下雨污管道变形接触式实时监测装置与方法，该监测装置包括地下部分、地上部分；其中，地下部分为大量程高精度位移传感系统，地上部分为远程实时数据采集系统及常规测量点；锚头与不锈钢杆焊接，不锈钢杆外套波纹管，锚头与雨污管道管壁外表面用水泥浆粘结，不锈钢杆与牵拉钢丝铰接，并与拉线式位移传感器连为一体。地下测点C、D的两拉线式位移传感器通过通信电缆与数据采集箱连接。当隧道开挖时，将引发地面A、B点及雨污管道管壁上表面C、D点产生沉降，在t时刻A、B、C、D点的新位置为A＇、B＇、C＇、D＇。根据地面A、B两点的高程定期用水准仪测量获取的数据和拉线式位移传感器实时传送的数据，就可实时监测雨污管线C、D点的变形情况。

Description

地下雨污管道变形接触式实时监测装置与方法

技术领域

本发明涉及一种地下雨污管道变形接触式实时监测装置与方法，属于地下工程施工监测技术领域。

背景技术

由于地下雨污管道大多深埋于城市道路地下，地铁暗挖车站或区间隧道施工，必然对上覆地层中的地下雨污管道产生影响，地下雨污管道发生变形，如沉降、差异沉降、倾斜、弯曲等，严重时将发生破坏，造成重大工程事故。因此，在地铁工程中，均将地下工程穿越的地下雨污管道作为级别较高的风险源进行监控。

目前，地下雨污管道的监测方法主要有以下3种，即

(1)在地下雨污管道的正上方地面设置测量监测点，利用水准仪进行监测，以地面监测点的变形数据推测地下管道的沉降变形情况。事实上，地面沉降变形数据不能代表地下雨污管道的变形值，有时误差极大，该方法只能作为估算方法，同时也无法实现远程实时监控。

(2)在地下雨污管道的管体上方地层内施工钻孔，孔径110-150mm，孔深至雨污管道管体顶板，在钻孔内将6-10mm的探杆一端与雨污管道顶板接触，另一端伸出地面，钻孔内填筑沙土。通过水准仪测量探杆地面伸出端的沉降，确定雨污管道的沉降量。该方法存在巨大风险，且工程费用较高。在钻孔施工时，由于开孔直径较大，且接触地下管道，容易造成地下管道的破坏，工程中使用该方法时极其慎重。

(3)在地下雨污管道的管体两侧地层内施工钻孔，孔径110-150mm，孔深至雨污管道管体底板的地基处，在钻孔内将6-10mm的探杆一端与雨污管道底板地基锚固，另一端伸出地面，钻孔内填筑沙土。通过水准仪测量探杆地面伸出端的沉降，确定雨污管道管体地基的沉降量，以此推测地下管道管体的变形情况。由于地下雨污管道与地层刚度不同，地下雨污管道地基与地下雨污管道并非变形一致，该方法存在较大误差，且工程费用较高，也无法实现远程实时监控。

此外，在地下雨污管道变形监测控制指标中，目前大多采用单一的管道沉降值作为控制指标。事实上，单一指标是不科学的，对于地下管道来说，均匀沉降值再大也不一定破坏，而应该针对管节获取并采用多控指标作为地下管道的监测控制值，如差异沉降、倾斜、转角等。

发明内容

本发明采用高精度大量程位移传感器和基于SMS(移动短信)的远程实时监控技术，以及研制的手机终端APP软件系统，解决了以下主要技术问题：

(1)使用本技术能够实现无损伤接触式测得地下管体的变形，如沉降、差异沉降、倾斜和转角。采用手持钻机和小口径钻头(25-35mm)在地下管道管体上方成孔，直至接触管体顶板，每个管节设置2个监测点。在孔底安装锚头和不锈钢杆，与管体形成联动装置。工程实例证明，由于是手持钻机和小口径钻孔，不会对雨污管道造成损伤和破坏。同时，由于测点与管体是接触式的、联动的，监测数据反映的是管体的真实变形数据，并非推测值。

(2)可实现地下管体的高精度、大位移动态实时监测。与地下雨污管道管体联动的不锈钢杆，通过牵拉钢丝与拉线式位移传感器和数据采集系统连接。其中，拉线式位移传感器埋设于地面以下，测量精度0.01mm，最大量程可达1000mm；数据采集系统位于地面之上，由太阳能电池板供电，可实现远程实时传输数据于手机终端APP软件系统中。

通过上述技术问题的解决，应用本技术能够实时准确地获得地下雨污管道管体任意点的沉降监测值，结合地面沉降观测和APP分析软件，可实时换算获得地下管线管体的差异沉降、倾斜和转角等变形参数，为该类风险源的防控预警提供可靠依据和有力保障。

本发明采用的技术方案为一种地下雨污管道变形接触式实时监测装置与方法。该监测装置包括地下部分和地上部分，其中地下部分是一套能够与地下雨污管道变形(沉降)实时精确联动的大量程高精度位移传感系统，地上部分主要是远程实时数据采集系统及常规测量点。地下测点C、D为地下雨污管道的沉降数据采集点，地上测点A、B为地上部分的数据采集点，地下测点C与地上测点A相对应，地下测点D与地上测点B相对应。通过远程实时数据采集系统，地下雨污管道的测点沉降数据传输至用户手机终端APP分析软件系统，按本发明综合数据分析处理的方法，实时获得地下雨污管道的多项控制指标(差异沉降、倾斜、转角)。

所述地下部分为高精度位移传感监测系统，主要包括雨污管道1、管道接头2、钻孔3、锚头4、不锈钢杆5、牵拉钢丝6、拉线式位移传感器7、铁质支架8、铁质盖板9、盖板内嵌测点10；地上部分的数据采集系统包括通信电缆11、数据采集箱12、箱体支座13、天线14、太阳能电池板15、立杆16、立杆底座17、电池电缆18；

雨污管道1埋在地面下方，各雨污管道1通过管道接头2连接形成雨污管道系统；

地下测点C、D分别设置在同一雨污管道1两边管道接头2的边缘处；

对于地下测点D，锚头4与不锈钢杆5焊接，不锈钢杆5外套波纹管，锚头4与雨污管道1管壁外表面用水泥浆粘结，不锈钢杆5与牵拉钢丝6铰接，并与拉线式位移传感器7连为一体。铁质支架8设置在预先开挖的坑槽中，拉线式位移传感器7通过螺栓固定于铁质支架8的上横梁处，铁质支架8四周充填混凝土，将铁质盖板9盖在铁质支架8上，盖板9上浇筑混凝土，并设置盖板内嵌测点10(即地上测点B)。

相对应的，地下测点C的设置同地下测点D，地上测点A点的设置同地上测点B。

地下测点C、D的两拉线式位移传感器7通过通信电缆11与数据采集箱12连接，数据采集箱12与箱体支座13通过螺栓连接，天线14通过磁性座吸附于数据采集箱12的顶部并与数据采集箱12内部的无线传输模块连接。

太阳能电池板15与立杆16铰接，立杆16与立杆底座17采用螺栓连接并埋置地下，太阳能电池板15通过电池电缆18与数据采集箱12中的蓄电池连接。

附图说明

图1系统组成剖面图。

图2监测点位移示意图。

图中：1、雨污管道；2、管道接头；3、钻孔；4、锚头；5、不锈钢杆；6、牵拉钢丝；7、拉线式位移传感器；8、铁质支架；9、铁质盖板；10、盖板内嵌测点；11、通信电缆；12、数据采集箱；13、箱体支座；14、天线；15、太阳能电池板；16、立杆；17、立杆底座；18、电池电缆。

具体实施方式

一种地下雨污管道变形接触式实时监测方法包括下述流程：

(1)首先选择隧道开挖可能影响的雨污管道1，然后在雨污管道1上选择监测点D(或C)；

(2)采用手持钻机和小口径钻头(25-35mm)在地下雨污管道1管体正上方形成钻孔3，直至接触管体顶板；

(3)将锚头4和不锈钢杆5连接后(外套波纹管)放入钻孔3，使锚头4接触雨污管道1管体顶板，在孔底浇筑适当水泥浆，然后向钻孔3(波纹管外)灌满中粗砂；

(4)不锈钢杆5顶端与牵拉钢丝6铰接，并将牵拉钢丝6伸出地面孔口；

(5)在孔口扩挖一个300mm×300mm×300mm的坑室，安装铁质支架8，拉线式位移传感器7安装于铁制支架8横梁上，将牵拉钢丝6与拉线式位移传感器7连接；

(6)铁质盖板9覆盖于坑室上，浇筑混凝土形成保护装置，在盖板上设置钢筋头作为盖板内嵌测点10(或测点B)；

(7)在盖板内嵌测点10(或测点B)附近，设置数据采集箱12和太阳能供电系统，将拉线式位移传感器7的通信电缆11埋于地下浅沟槽，并于数据采集箱12连接，形成实时监测系统；

(8)当隧道开挖时，将引发地面A、B点及雨污管道1管壁上表面(顶板)C、D点产生沉降，在t时刻A、B、C、D点的新位置为A'、B'、C'、D'，如图2所示。

设在初始时刻(0时刻)，A、B点的高程为h_A(0)、h_B(0)可由水准仪在地面定期测量，AC、BD间距为L_AC(0)、L_BD(0)，则C、D点高程分别为h_A(0)-L_AC(0)、h_B(0)-L_BD(0)。

经过t时刻，A、B、C、D点沉降至A'、B'、C'、D'点，其中，A'、B'点的高程为h_A'(t)、h_B'(t)，A'C'、B'D'间距为L_A'C'(t)、L_B'D'(t)，则C'、D'点高程分别为h_A'(t)-L_A'C'(t)、h_B'(t)-L_B'D'(t)。

因此，经过t时刻，雨污管道上C点移动到C'点的总沉降量为：

ΔS_C＝[h_A(0)-L_AC(0)]-[h_A′(t)-L_A′C′(t)]

＝[h_A(0)-h_A′(t)]+[L_A′C′(t)-L_AC(0)]

其中，A点位移传感器的读数设为RD_A，由实时监测系统获取，其数值就是

RD_A＝L_A′C′(t)-L_AC(0)

则

ΔS_C＝[h_A(0)-h_A′(t)]+RD_A

同理，经过t时刻，雨污管道上D点移动到D'点的总沉降量为：

ΔS_D＝[h_B(0)-L_BD(0)]-[h_B′(t)-L_B′L′(t)]

＝[h_B(0)-h_B′(t)]+[L_B′D′(t)-L_BD(0)]

其中，B点位移传感器的读数设为RD_B，由实时监测系统获取，其数值就是

RD_B＝L_B′D′(t)-L_BD(0)

则

ΔS_D＝[h_B(0)-h_B′(t)]+RD_B

由上述C、D总沉降量可知：

CD两点沉降差：

ΔS_SD＝ΔS_C-ΔS_D＝{[h_A(0)-h_A′(t)]-[h_B(0)-h_B′(t)]}+{RD_A-RD_B}

CD段的倾斜：

I＝ΔS_CD/L_CD

式中，L_CD为C、D两点的水平距离。

CD段的转角：

α＝arc tan(ΔS_CD/L_CD)

至此，根据地面A、B两点的高程定期用水准仪测量获取的数据和拉线式位移传感器7实时传送的数据，就可实时监测雨污管线C、D点的变形情况。

Claims (1)

1.一种地下雨污管道变形接触式实时监测装置，其特征在于：该监测装置包括地下部分和地上部分；其中地下部分的锚头(4)与不锈钢杆(5)焊接，不锈钢杆(5)外套波纹管，锚头(4)与雨污管道(1)管壁外表面用水泥浆粘结，不锈钢杆(5)与牵拉钢丝(6)铰接，并与拉线式位移传感器(7)连为一体，铁质支架(8)设置在预先开挖的坑槽中，拉线式位移传感器(7)通过螺栓固定于铁质支架(8)的上横梁处，铁质支架(8)四周充填混凝土，将铁质盖板(9)盖在铁质支架(8)上，盖板(9)上浇筑混凝土，并设置盖板内嵌测点(10)；拉线式位移传感器(7)通过通信电缆(11)与地上部分的数据采集箱(12)连接，数据采集箱(12)与箱体支座(13)通过螺栓连接，天线(14)通过磁性座吸附于数据采集箱(12)的顶部并与数据采集箱(12)内部的无线传输模块连接，太阳能电池板(15)与立杆(16)铰接，立杆(16)与立杆底座(17)采用螺栓连接并埋置地下，太阳能电池板(15)通过电池电缆(18)与数据采集箱(12)中的蓄电池连接；

应用该装置进行地下雨污管道变形接触式实时监测方法，该方法包括下述流程，

1)首先选择隧道开挖可能影响的雨污管道(1)，然后在雨污管道(1)上选择监测点D和C；

2)采用手持钻机和小口径钻头在地下雨污管道(1)管体正上方形成钻孔(3)，直至接触管体顶板；

3)将锚头(4)和不锈钢杆(5)连接后放入钻孔(3)，使锚头(4)接触雨污管道(1)管体顶板，在孔底适当浇筑水泥浆，然后向钻孔(3)灌满中粗砂；

4)不锈钢杆(5)顶端与牵拉钢丝(6)铰接，并将牵拉钢丝(6)伸出地面孔口；

5)在孔口扩挖一个300mm×300mm×300mm的坑室，安装铁质支架(8)，拉线式位移传感器(7)安装于铁制支架(8)横梁上，将牵拉钢丝(6)与拉线式位移传感器(7)连接；

6)铁质盖板(9)覆盖于坑室上，浇筑混凝土形成保护装置，在盖板上设置钢筋头作为盖板内嵌测点A和测点B；

7)在盖板内嵌测点A和测点B附近，设置数据采集箱(12)和太阳能供电系统，将拉线式位移传感器(7)的通信电缆(11)埋于地下浅沟槽，并于数据采集箱(12)连接，形成实时监测系统；

8)当隧道开挖时，将引发地面A、B点及雨污管道(1)管壁上表面C、D点产生沉降，根据地面A、B两点的高程定期用水准仪测量获取的数据和拉线式位移传感器(7)实时传送的数据，就可实时监测雨污管线C、D点的变形情况。