CN105318859B - 直接测量监控地下管线和建筑结构沉降变形方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种直接测量监控地下管线和建筑结构沉降变形方法及其测试装置，属于地下工程技术领域。它涉及到在其他地下建筑施工区的影响管线范围内设置本发明的变形测量装置，引入一条沉降变形测量的定位钢丝作为基准线，固定在竖井的钢结构钢丝固定结构上，在该基准线上固定了等距离的测量伸缩筒和测量伸缩触脚，还在测量伸缩筒中设置了倾角传感器和位移传感器，通过测量管线与基准线的悬垂线之间的相对位移来监测地下管线的变形曲线。本发明的测量方法及其装置可靠、实用，可以解决某些地铁隧道施工和地下建筑结构施工带来的附件区域的沉降测量困难问题，也可以连通3G网络将实时测量数据传给施工管理人员，杜绝重大安全事故发生。

Description

直接测量监控地下管线和建筑结构沉降变形方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种地铁、道路等隧道施工诱发地下管线沉降和侧向变形的测试方法及测试装置，属于地下工程技术领域。

背景技术

城市基础设施建设不可避免地会遇到地下建筑结构相互影响的沉降变形问题，如地铁及道路下穿隧道等线路一般结合城市道路网和客流流向情况沿着城市主干道方向布设，而城市中心区地铁线路一般为地下线路，且地下管线密布，因此，修建地铁和道路等城市下穿隧道时将面临邻近既有地下管线因施工引起的沉降变形问题。

由于地铁和道路等隧道工程开挖扰动会导致周围地层沉降，进而导致地层中埋设的各种地下管线也会发生相应沉降，严重的会影响到地下管线的正常使用，甚至造成重大灾难，如因沉降变形过大造成煤气泄露爆燃、水管爆裂形成水患，电缆断裂造成停电或通讯中断的等情况。因此，在地铁和道路等隧道施工过程中，采用有效方法对受施工影响的地下管线进行可靠的沉降变形监测，对地下管线的安全至关重要。

地下管线一般埋于地下一定深度内，要直接对它进行沉降监测必须将上覆土层挖开，在居民和交通密集的繁华城区，对环境和交通影响较大，甚至根本就不具备直接监测的条件。因此，地下管线沉降变形监测就显得异常困难。在实际监测中为方便起见，往往把地下管线沉降监测点直接布设在地表，用地表沉降代替地下管线沉降，如此测到的是地下管线上方对应的地表沉降而非地下管线沉降，因无法准确掌握地下管线的真实沉降，在地铁和道路等隧道施工期间很难对地下管线的安全性做出科学合理的评价。因此，选择一种简便有效的地下管线变形监测方法是非常必要的。

地下管线沉降变形的测量需要一个相对稳定的基准作为参考，利用地下管线与基准线之间的距离变化可以测出管线实际的变形。本发明的直接测量监控地下管线和建筑结构沉降变形方法在地下管线内引入一条基准线，并研发一种变形测量装置，通过此装置可以测量地下管线与基准线之间的相对位移来监测地下管线的变形，并不需要人为地各点测量。

发明内容

一种直接测量监控地下管线和建筑结构沉降变形方法及其装置，包括：在地下管线（1）影响较小的范围外取大地坐标（大地测量网）参考点，并引入到地下管线（1）内部的竖井（2）内的固定钢丝结构（21）上，作为管线变形测试的基准点，利用沉降变形测量装置（4）进行地下管线（1）的竖向与垂直于管线（1）的横向变形精确测量，再利用公共3G通信网络实时发送测量数据给相关施工管理人员；

本发明是为了解决直接测量地下管线沉降和侧向变形的问题，而提出的一种在地下管线内直接测量管线沉降和侧向变形的方法与装置，包括：在地下管线（1）影响较小的范围外取大地坐标（大地测量网）参考点，并引入到地下管线（1）内部的竖井（2）内的固定钢丝结构（21）上，作为管线变形测试的基准点，利用沉降变形测量装置（4）进行地下管线（1）的竖向与垂直于管线（1）的横向变形精确测量，再利用公共3G通信网络实时发送测量数据给相关施工管理人员；

所述沉降变形测量装置，包含在变形测量装置（4）中由：定位钢丝（42）、测量伸缩筒（44）、测量伸缩触脚（45）等组成；

所述沉降变形测量装置，还包括：在测量伸缩筒（44）中安装的倾角测量传感器（441）、位移测量传感器（442）、以及吊挂钢丝（443）和伸缩触脚套管（444）等部件，实现地下管线（1）的变形精确测量；

所述沉降变形测量装置，还包括：数据采集系统、数据综合处理（计算）系统，公共3G网路通信发射装置、以及数据传输线等。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

在地下管线影响较小的范围外取参考点，并引入到管线内部作为管线变形测试的基准点。在管线无影响的地面取一个参考点，通过全站仪等仪器确定该点位置和标高。

将参考点引入到地下管线内部作为管线变形测试的基准点，在管线两端管井处竖立一把标尺，上端延伸至地面与参考点建立联系，下端作为管线内部测试的基准点，标尺由固定装置固定，固定装置可以采用杆支架。

将管线两端的基准点连线成基准线，并固定在基准点位置处。

采用预应力的钢绞线、钢丝绳等，在管线基准点位置处放置型钢，将预应力的钢绞线、钢丝绳固定在型钢上，施加足够大的预应力，并用锚固装置锚固以保持钢绞线、钢丝绳的预应力，但还是存在由于吊挂设备重力产生的悬垂线。

在管线影响较小的范围外取参考点，并引入到管线内部作为管线变形测试的基准点，将管线两端的基准点连线成基准线，并固定在基准点位置处，在管线需要测量变形的位置处放置若干测试装置，通过测量管线与张拉钢丝的悬垂线之间的相对位移，然后计算由悬垂影响带来的偏差后的相对变形值来监测地下管线的沉降变形。

通过测量管线与基准线之间的相对位移来监测地下管线的沉降和侧向变形，可以通过测量基准线与管线底的竖向/重力方向距离变化可得到管线的沉降变形，通过测量基准线与管线底的横方向距离变化可得到管线的侧向变形。

可以通过测量相应角度的变化来换算测量侧向变形，通过测量变形前测点处基准线与管线底的垂直连线与竖直/重力方向形成夹角得到夹角α₁，测量变形后测点处基准线与管线底的垂直连线与竖直/重力方向形成夹角获得夹角α₂（夹角α₁、α₂在横断面上），结合变形前基准线与管线底的竖直距离h，利用公式△d=(tanα₂－tanα₁)×h可计算得到管线侧向变形。如图7。

对管线影响较小的参考点，将参考点引入管线作为基准点的装置，管线基准线，基准线固定、锚固、安装装置，测量管线与基准线之间位移的装置，数据采集系统。

将参考点引入管线作为基准点的装置，包括重力/竖直方向放置的标尺，标尺上端延伸至地面与参考点建立联系，下端作为管线内部测试的基准点，和标尺固定支架，固定支架可采用钢结构的钢架，也可采用磁铁支座。

测量管线与基准线之间位移的装置，包含位移传感器和倾角传感器，装置保护外壳，装置保护外壳起到保护传感器放置其受外部环境影响的作用，测试装置上部与基准线相连，下部始终与管片底部接触。

其中数据采集系统，包括位移和倾角传感器，数据采集仪，无线数据传输装置，采集系统之间的系统采用数字信号以避免管线内部电磁干扰造成的误差。

其中测量地下管线与基准线之间位移的装置在管线内传递、运输、安装方法，将测量装置与基准线的连接部分做成可转动的铰装置，测量装置上下部分都连接基准线，并结合在一起，将基准线运输安装至基准点后，释放下部基准线，将测量装置放置在正确位置。

本发明对比已有的管线测量技术有如下创新点：

（1）通过在地地下管线内进行测试，避免了地下管线沉降测试方法需要挖开管线上覆土的弊端；

（2）通过在地下管线内进行测试，精确的测得了地下管线变形，测试结果更可靠、准确，因此在地铁和道路隧道施工期间能更加可靠地评价和监控管线的安全状态；

（3）通过装置的设计，避免了人员频繁进入地下管线内进行测量的麻烦，并且能实时采取和收集数据，为施工提供建议和监控。

附图说明

图1 地下管线沉降与地铁隧道沉降的示意图

图2 布置在地下管线内的沉降变形测量装置示意图

图3 布置在竖井内的测量装置固定结构示意图

图4 沉降变形测量装置示意图

图5 伸缩筒测量装置示意图

图6 地下管线沉降变形测量原理图

图7：地下管线沉降测量换算关系图

图中标记说明：

1—地下管线；11—地下管线的沉降变形曲线；2—竖井；21—竖井内固定钢丝结构；211—固定结构的1/4弧形钢板；212—螺栓+双螺母的固定结构支撑竖井定位装置；213—固定结构中间十字支撑槽钢；214—用来固定沉降变形测量装置的中心钢柱；215—固定十字支撑槽钢与弧形钢板的螺栓+螺母；3—施工中地铁隧道；31—施工中地铁隧道沉降位置；4—本发明的变形测量装置；41—张拉定位钢丝上由于吊挂设备重力产生的悬垂线；42—沉降变形测量的定位钢丝；43—测量伸缩筒的固定把手；44—测量伸缩筒；441—倾角测量传感器；442—位移测量传感器；443—吊挂钢丝；444—伸缩触脚套管；45—测量伸缩触脚；5—施工中地铁隧道的沉降量Δ；6—大地测量全站仪；7—地平面沉降曲线。

实施方式

下面结合附图对本发明的直接测量监控地下管线沉降变形方法作进一步说明。

如图1所示，在城市基础实施建设期间，如果一条地下管线（1）横穿地铁隧道（3），当地铁隧道在施工中有Δ变形（5），将会影响到地下管线（1）的沉降变形，会形成按沉降变形曲线（11）的形状存在，由此会影响到地下管线（1）内的设施与线路的正常使用。对于这样的事实，本发明引进了地下管线（1）的沉降变形测量装置（4），直接测量监控地下管线（1）的沉降变形（沉降曲线11），为地铁隧道施工管理提供报警数据。

如图2所示，利用在竖井（2）内的固定钢丝的钢结构（21），建立地下管线变形测试基准点，首先在地下管线外（1）影响较小的范围外取大地测量网的参考坐标点，并引入到地下管线（1）内部作为地下管线（1）变形测试的基准点。实际上是通过全站仪（6）等仪器确定该点位置和标高。在地下管线（1）两端管井（2）处竖立一把标尺，上端延伸至地面与参考点建立联系，下端作为地下管线（1）内部测试的基准点，标尺由固定装置固定，固定装置采用固定钢丝结构（21）的用来固定沉降变形测量装置的中心钢柱（214）上，将参考点引入到地下管线（1）内部作为管线变形测试的基准点，即沉降变形测量的定位钢丝的悬垂线（41）。

如图3所示，建立地下管线（1）变形测试基准线（42）后，将管线两端的基准点连线成基准线，并固定在基准点位置处。基准线采用预应力的钢绞线（定位钢丝42），在管线基准点位置是固定钢丝的钢结构（21），将预应力的钢绞线、钢丝绳固定在型钢上，施加足够大的预应力，并用锚固装置锚固以保持钢绞线、钢丝绳的预应力，但还是存在由于设备吊挂重量引起的悬垂线（41）。

如图4所示，竖井内固定钢丝结构（21）是有四片弧形钢板（211）和固定结构中间十字支撑槽钢（213）以螺栓+螺母（215）固定的方式安装在地下管线（1）两端的竖井（2）中合适刚度上，经顶出固定支撑结构的螺栓+双螺母（212）牢固地固定在竖井（2）的内壁上。通过导入大地测量网的坐标参数到用来固定沉降变形测量装置的中心钢柱（214）上，便可以确定地下管线的测量基准。

如图5所示，地下管线（1）沉降和侧向变形的测量，在管线需要测量变形的位置处利用伸缩筒固定把手（43）放置若干测试装置（44），通过测量管线与基准线之间的相对位移来监测地下管线的沉降和侧向变形。可以通过测量相应角度的变化来换算测量侧向变形，通过测量变形前测点处基准线与管线底的垂直连线与竖直/重力方向形成夹角得到夹角α₁，测量变形后测点处基准线与管线底的垂直连线与竖直/重力方向形成夹角获得夹角α₂（夹角α₁、α₂在横断面上），结合变形前基准线与管线底的竖直距离h，利用公式 △d=(tanα₂－tanα₁)×h可计算得到管线侧向变形。如图7。

如图6所示，测量伸缩筒内安装有倾角测量传感器（441），位移测量传感器（442），利用吊挂钢丝443，将通过伸缩触脚套管（444）内的测量伸缩触脚连接，当触脚（45）与变形地下管线（1）底部接触时，便测出相对位移量，以及测量伸缩筒（44）与处置方向的倾角。

建立数据采集系统，包括位移和倾角传感器（441、442），数据采集仪，无线数据传输装置，传感器与采集仪之间的数据线以及电线通过钢绞线的基准线布设，数据采集仪通过3G网络将测量数据传递到计算机终端上。

Claims (8)

1.一种直接测量监控地下管线和建筑结构沉降变形装置，其特征是：包括变形测量装置(4)，所述变形测量装置(4)由定位钢丝(42)、测量伸缩筒的固定把手(43)、测量伸缩筒(44)、测量伸缩触脚(45)组成；还包括：数据采集系统、数据综合处理系统，公共3G网路通信发射装置、以及数据传输线；其中数据采集系统由位移测量传感器(442)、倾角测量传感器(441)、数据采集仪、无线数据传输装置组成，数据采集系统之间的传输采用数字信号以避免管线内部电磁干扰造成的误差；所述测量伸缩筒(44)中安装所述倾角测量传感器(441)、所述位移测量传感器(442)、以及吊挂钢丝(443)和伸缩触脚套管(444)，实现地下管线(1)的变形精确测量。

2.根据权利要求1所述的直接测量监控地下管线和建筑结构沉降变形装置，其特征是：所述公共3G网路通信发射装置是将经过计算处理后的综合沉降和侧向变形数据发送，并设有信息反馈需求。

3.根据权利要求1所述的直接测量监控地下管线和建筑结构沉降变形装置，其特征是：所述定位钢丝(42)采用预应力的钢绞线或钢丝绳，在地下管线(1)两端竖井(2)内的固定钢丝结构(21)上的基准点位置将所述定位钢丝(42)固定其上，施加足够大的预应力，并用锚固装置锚固以保持所述定位钢丝(42)的预应力。

4.一种采用如权利要求1-3任意一项所述的直接测量监控地下管线和建筑结构沉降变形装置的直接测量监控地下管线和建筑结构沉降变形方法，其特征是：在地下管线(1)外取大地坐标即大地测量网参考点，并引入到地下管线(1)内部的竖井(2)内的固定钢丝结构(21)上，作为管线变形测试的基准点，将管线两端的所述基准点连线成基准线，并固定在所述基准点位置处，利用变形测量装置(4)进行地下管线(1)的竖向与垂直于地下管线(1)的横向变形精确测量，再利用公共3G通信网络实时发送测量数据给相关施工管理人员。

5.根据权利要求4所述的直接测量监控地下管线和建筑结构沉降变形方法，其特征是：在地下管线(1)需要测量变形的位置处放置若干由所述测量伸缩筒的固定把手(43)、测量伸缩筒(44)、测量伸缩触脚(45)组成的测试装置，通过测量管线(1)与基准线之间的相对位移来监测地下管线的沉降和侧向变形；通过测量基准线与地下管线(1)底的竖向/重力方向距离变化可得到管线的沉降变形，通过测量基准线与地下管线(1)底的横方向距离变化可得到地下管线(1)的侧向变形。

6.根据权利要求4所述的直接测量监控地下管线和建筑结构沉降变形方法，其特征是：引入大地测量网的坐标系是利用大地测量全站仪(6)确定变形测量装置(4)安装在地下管线(1)中的位置和标高，作为该测量系统的基准参考。

7.根据权利要求4所述的直接测量监控地下管线和建筑结构沉降变形方法，其特征是：所述基准线的建立方法，是由定位钢丝(42)将管线两端的基准点连接，并固定在基准点位置处。

8.根据权利要求4所述的直接测量监控地下管线和建筑结构沉降变形方法，其特征是：通过测量地下管线(1)与基准线之间的相对位移来监测地下管线(1)的侧向变形，可以通过测量相应角度的变化来换算测量侧向变形，通过测量变形前测点处基准线与管线底的垂直连线与竖直/重力方向形成夹角得到夹角α₁，测量变形后测点处基准线与管线底的垂直连线与竖直/重力方向形成夹角获得夹角α₂，夹角α₁、α₂在横断面上，结合变形前基准线与管线底的竖直距离h，利用公式△d＝(tanα₂－tanα₁)×h可计算得到管线侧向变形△d。