CN105735375A - 一种黄土隧道隧底稳定性监测方法、系统及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种黄土隧道隧底稳定性监测方法、系统及施工方法，该系统包括基底与仰拱接触压力监测子系统、桩身应力监测子系统、桩间土体孔隙水压力及含水率监测子系统、桩间土体含水率监测子系统、基底变形监测子系统、数据采集模块和数据分析软件模块；本发明可以很好的掌握隧道隧底的受力、沉降以及孔隙水压力和含水率情况，为基底稳定性判别提供确实可靠的依据，也为制定基底应急处理方案提供有力的数据资料，从而填补现有规范的不足，避免了黄土隧道隧底稳定性不受控的情况，为确保黄土隧道隧底施工及运营期间基底处于安全、稳定受控状态提供了有力的分析依据。
Description
技术领域：
本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种黄土隧道隧底稳定性监测方法、系统及施工方法。
背景技术：
随着西部大开发战略决策的实施，穿越黄土地区的隧道越来越多。隧道穿越湿陷性黄土地区时，由于湿陷性黄土的水敏性等特殊力学性质，基底承载力通常较难满足结构的受力要求，建成后的隧道往往产生较大的基底变形。基底变形除压缩变形外，更大的变形是湿陷变形。在隧道使用期内如不对基底加固，随着周围水环境发生变化，必将会使隧道基础发生较大的湿陷变形，并导致衬砌结构环、纵向开裂等较为严重的病害，直接威胁到隧道的运营安全。随着高速铁路和客运专线建设的发展和公路等级的提高，为保证隧道的平顺度和长期运营安全，需要对黄土隧道隧底进行旋喷桩复合地基加固。
但是目前对于黄土隧道隧底的处理基本参照《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)(以下简称《黄土规范》)与《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)规定进行处理，即认为隧道仰拱基底与普通地基之间基本没有区别，但是通过调查发现二者有着明显不同。
此外，黄土地基上地表建筑对沉降要求与隧道支护结构对沉降敏感性也不尽相同。在《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)与《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)规范中，对地表建筑的沉降按照建筑的重要等级，提供了工后沉降的容许值及差异沉降的控制指标，为地基容许承载力的确定奠定了基础。然而，目前对于隧道衬砌结构自身沉降控制标准而言，这方面的研究几乎为空白。在《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)与《公路隧道设计细则》(JTG/TD70-2010)中，虽然规定了明洞基础的地基承载力必需满足要求，但是该部分结构对于地基沉降变形的要求没有明确说明，使得在工程建设中无法判定隧道隧底是否处于安全、稳定受控状态，给隧道隧底施工买下较大的安全隐患。
发明内容：
针对现有技术存在的不足，本发明的目的之一是提供一种黄土隧道隧底稳定性监测方法；本发明的目的之二是提供一种黄土隧道隧底稳定性监测系统，从而填补现有规范的不足，有效解决了黄土隧道隧底稳定性不受控的问题；本发明的目的之三是提供一种黄土隧道隧底稳定性监测系统的安装施工方法。
本发明的目的之一是通过如下技术方案予以实现的：
一种黄土隧道隧底稳定性监测方法，包括以下步骤：
1)数据采集：包括以下数据采集方案：
a.在砂砾垫层表面布置振弦式压力盒，监测砂砾垫层与仰拱底接触压力的测试，用于分析基底地基承载力是否超过设计值；
b.在桩身布置用于监测桩身应力的振弦式混凝土应变计，通过分析桩身受力情况，判断是否达到材料的屈服强度；
c.在基底桩间土体布置孔隙水压力计和含水率测试探头，监测基底土体的孔隙水压力含水率，用于分析隧道隧底浸水后的孔隙水压力大小及分布情况，及其地下水浸水的影响分布范围，当孔隙水压力和或含水率超过一定界限时，通过现场浸水报警系统模块发出报警信号；
d.在桩间土体布置用于监测地基变形的沉降仪，通过分析基底加固处理前后土体变形大小，判断地基加固效果，并分析基底变形是否超过容许值；
2)数据分析：通过以上数据采集方案采集到的数据，形成时间-接触压力、时间-桩身混凝土应力、时间-孔隙水压力、时间-含水率的曲线图，通过以上曲线图，判断基底的稳定性。
本发明进一步的改进在于：所述步骤1中c方案的数据采集不间断，其他各方案数据采集频率为：
30天内，1次/天；
1～3个月，1次/2天；
3个月以上，1次/周。
本发明进一步的改进在于：所述步骤1)中a、b、c方案中的数据采集通过振弦式频率仪完成，c方案中的界限值由现场浸水报警系统模块监测，d方案中的数据采集通过测尺完成。
本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的：
黄土隧道隧底稳定性监测系统，包括基底与仰拱接触压力监测子系统、桩身应力监测子系统、桩间土体孔隙水压力及含水率监测子系统、基底变形监测子系统、数据采集模块和数据分析软件模块；其中，
所述基底与仰拱接触压力监测子系统包括振弦式压力盒和振弦式频率仪，所述振弦式压力盒设置在基底顶砂砾垫层上表面，用于监测砂砾垫层与仰拱底接触压；
桩身应力监测子系统包括振弦式混凝土应变计和振弦式频率仪，所述振弦式混凝土应变计设置在桩体混凝土中，用于监测桩身混凝土应力，分析桩身混凝土的受力情况；
桩间土体孔隙水压力及含水率监测子系统包括孔隙水压力计、含水率测试探头、振弦式频率仪、现场浸水报警系统模块以及电源模块，监测基底土体的孔隙水压力和含水率，用于分析隧道隧底浸水后的孔隙水压力分布情况，及其地下水浸水的影响分布范围，当孔隙水压力和或含水率超过一定界限时，数据分析软件模块经报警系统发出报警信号；
基底变形监测子系统包括沉降仪和测尺，通过分析基底加固处理前后土体变形大小，判断地基加固效果，并分析基底变形是否超过容许值；
所述基底与仰拱接触压力监测子系统、桩身应力监测子系统、桩间土体孔隙水压力及含水率监测子系统、基底变形监测子系统测得的数据经数据采集模块处理后，输入至数据分析软件模块，所述数据分析软件模块通过分析时间与接触压力、混凝土应力、孔隙水压力、沉降值的曲线图，判别基底的稳定性。
本发明的目的之三是通过以下技术方案实现的：
黄土隧道隧底稳定性监测系统的安装施工方法，包括以下步骤：
1)旋喷桩在隧道双侧壁导坑、中导坑下台阶仰拱开挖前施作；
2)桩体成形后，在桩间土体布置三组沉降仪，每组4个测点，把数据传输电缆线牵引至数据采集箱中；
3)与沉降仪错开，在桩间土体布置三组孔隙水压力计和含水率测试探头，以隧道仰拱为中心，左右各布设一个测点，测点孔位深度为6米，每孔位埋设2个孔压探头，分别为2米与4米孔深；含水率测试探头，分别为0米与6米孔深，把数据传输电缆线牵引至数据采集箱中；
4)仰拱开挖至桩体顶部，清理并整平桩顶表面，至少包括7个测点，振弦式混凝土应变计布置在中心线及其左右两侧桩顶表面，把数据传输电缆线牵引至数据采集箱中；
5)在桩顶上面铺筑砂砾垫层，整平压实后布置至少7个测点，振弦式压力盒布置在中心线及其左右两侧砂砾垫层表面，把数据传输电缆线牵引至数据采集箱中。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
本发明通过对基底与仰拱接触压力、桩身应力、桩间土体孔隙水压力及含水率、基底变形的监测和分析，可以很好的掌握基底的受力和变形情况，为基底稳定性判别提供确实可靠的依据，也为制定基底应急处理方案提供有力的数据资料，从而填补现有规范的不足，避免了黄土隧道隧底稳定性不受控的情况，为确保黄土隧道隧底施工及运营期间基底处于安全、稳定受控状态提供了有力的分析依据。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者从本发明的实践中得到指导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求来实现和获得。
附图说明：
图1是为实施例各监测子系统测点布置正面示意图；
图2是为实施例各监测子系统测点布置侧面示意图；
图3是本发明的监测系统组成结构图。
图中：1-砂砾垫层，2-孔隙水压力计，3-桩体，4-沉降仪，5-含水率测试探头，6-振弦式压力盒，7-振弦式频率仪。
具体实施方式：
以下结合附图与具体实施方式对发明作进一步的详细说明。
本发明的黄土隧道隧底稳定性监测方法，包括以下步骤：
1)数据采集：包括以下数据采集方案：
a.在砂砾垫层1表面布置振弦式压力盒6，监测砂砾垫层1与仰拱底接触压力的测试，用于分析基底地基承载力是否超过设计值。
b.在桩身布置用于监测桩身应力的振弦式混凝土应变计，通过分析桩身受力情况，判断是否达到材料的屈服强度。
c.在基底桩间土体布置孔隙水压力计2和含水率测试探头5，监测基底土体的孔隙水压力和含水率，用于分析隧道隧底浸水后的孔隙水压力分布情况，及其地下水浸水的影响分布范围，当孔隙水压力和或含水率超过一定界限时，通过现场浸水报警系统模块发出报警信号。
d.在桩间土体布置用于监测地基变形的沉降仪2，通过分析基底加固处理前后土体变形大小，判断地基加固效果，并分析基底变形是否超过容许值。
2)数据分析：通过以上数据采集方案采集到的数据，形成时间-接触压力、时间-桩身混凝土应力、时间-孔隙水压力、时间-含水率的曲线图、时间-沉降值的曲线图，通过以上曲线图，判断基底的稳定性。
如图1所示，根据以上方法的设计思路研制出的黄土隧道隧底稳定性监测系统，包括基底与仰拱接触压力监测子系统、桩身应力监测子系统、桩间土体孔隙水压力及含水率监测子系统、基底变形监测子系统、数据采集模块和数据分析软件模块；其中：
基底与仰拱接触压力监测子系统包括振弦式压力盒6和振弦式频率仪7，所述振弦式压力盒6设置在基底顶砂砾垫层1上表面，用于监测砂砾垫层1与仰拱底接触压。
桩身应力监测子系统包括振弦式混凝土应变计和振弦式频率仪7，所述振弦式混凝土应变计设置在桩体3混凝土中，用于监测桩身混凝土应力，分析桩身混凝土的受力情况。
桩间土体孔隙水压力及含水率监测子系统包括孔隙水压力计2、含水率测试探头和振弦频率仪，监测基底土体的孔隙水压力和含水率，用于分析隧道隧底浸水后的孔隙水压力分布情况，及其地下水浸水的影响分布范围。
基底变形监测子系统包括沉降仪2和测尺，通过分析基底加固处理前后土体变形大小，判断地基加固效果，并分析基底变形是否超过容许值。
基底与仰拱接触压力监测子系统、桩身应力监测子系统、桩间土体孔隙水压力及含水率监测子系统、桩间土体含水率监测子系统、基底变形监测子系统测得的数据经数据采集模块处理后，输入至数据分析软件模块，所述数据分析软件模块通过分析时间与接触压力、混凝土应力、孔隙水压力、沉降值的曲线图，判别基底的稳定性。
实施例
如图1、2所示，本实施例为一座黄土隧道隧底，图中，振弦式混凝土应变计、振弦式压力盒6、孔隙水压力计2、含水率测试探头5、沉降仪2。
旋喷桩在隧道双侧壁导坑、中导坑下台阶仰拱开挖前施作。水泥粉喷桩施工结束后，在其上铺筑砂砾垫层1。桩体3成形后，在桩间土体布置三组沉降仪4，每组4个测点，把数据传输电缆线牵引至数据采集箱中。与沉降仪4错开，在桩间土体布置三组孔隙水压力计和含水率测试探头，以隧道仰拱为中心，左右各布设一个测点，测点孔位深度为6米，每孔位埋设2个孔压探头，分别为2米与4米孔深；含水率测试探头，分别为0米与6米孔深。把数据传输电缆线牵引至数据采集箱中。仰拱开挖至桩体3顶部，清理并整平桩顶表面，至少包括7个测点，振弦式混凝土应变计布置在中心线及其左右两侧桩顶表面，把数据传输电缆线牵引至数据采集箱中。在桩顶上面铺筑砂砾垫层1，整平压实后布置至少7个测点，振弦式压力盒6布置在中心线及其左右两侧砂砾垫层1表面，把数据传输电缆线牵引至数据采集箱中。用振弦式频率仪7量测各布置为的传感器的出师频率；用测尺量测测点的相对于不动点的初始读数。以后按照表1量测频率进行量测。
表1各量测项目量测频率
将各传感器量测的频率值乘以标定系数，相应的转换成压力或应力值。在直角坐标上绘出时间与接触压力的曲线图，时间与桩身混凝土应力曲线图、时间与孔隙水压力的曲线图，分析基底受力情况，并判断基底应力是否超过容许值[σ]。
同理绘出时间与含水率的曲线图，同时将基底测点的沉降值在直角坐标上绘出时间与沉降值的曲线图，分析基底的变形情况，并分析基底应变是否超过容许值[ε]。
实验证明，本发明通过对基底与仰拱接触压力、桩身应力、桩间土体孔隙水压力及含水率、基底变形的监测和分析，可以很好的掌握基底的受力和变形情况，为基底稳定性判别提供确实可靠的依据，也为制定基底应急处理方案提供有力的数据资料。
Claims (5)
1.一种黄土隧道隧底稳定性监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)数据采集：包括以下数据采集方案：
a.在砂砾垫层表面布置振弦式压力盒，监测砂砾垫层与仰拱底接触压力的测试，用于分析基底地基承载力是否超过设计值；
b.在桩身布置用于监测桩身应力的振弦式混凝土应变计，通过分析桩身受力情况，判断是否达到材料的屈服强度；
c.在基底桩间土体布置孔隙水压力计和含水率测试探头，监测基底土体的孔隙水压力含水率，用于分析隧道隧底浸水后的孔隙水压力大小及分布情况，及其地下水浸水的影响分布范围，当孔隙水压力和或含水率超过一定界限时，通过现场浸水报警系统模块发出报警信号；
d.在桩间土体布置用于监测地基变形的沉降仪，通过分析基底加固处理前后土体变形大小，判断地基加固效果，并分析基底变形是否超过容许值；
2)数据分析：通过以上数据采集方案采集到的数据，形成时间-接触压力、时间-桩身混凝土应力、时间-孔隙水压力、时间-含水率的曲线图，通过以上曲线图，判断基底的稳定性。
2.根据权利要求1所述的黄土隧道隧底稳定性监测方法，其特征在于：所述步骤1中c方案的数据采集不间断，其他各方案数据采集频率为：
30天内，1次/天；
1～3个月，1次/2天；
3个月以上，1次/周。
3.根据权利要求2所述的黄土隧道隧底稳定性监测方法，其特征在于：所述步骤1)中a、b、c方案中的数据采集通过振弦式频率仪完成，c方案中的界限值由现场浸水报警系统模块监测，d方案中的数据采集通过测尺完成。
4.黄土隧道隧底稳定性监测系统，其特征在于：包括基底与仰拱接触压力监测子系统、桩身应力监测子系统、桩间土体孔隙水压力及含水率监测子系统、基底变形监测子系统、数据采集模块和数据分析软件模块；其中，
所述基底与仰拱接触压力监测子系统包括振弦式压力盒和振弦式频率仪，所述振弦式压力盒设置在基底顶砂砾垫层上表面，用于监测砂砾垫层与仰拱底接触压；
桩身应力监测子系统包括振弦式混凝土应变计和振弦式频率仪，所述振弦式混凝土应变计设置在桩体混凝土中，用于监测桩身混凝土应力，分析桩身混凝土的受力情况；
桩间土体孔隙水压力及含水率监测子系统包括孔隙水压力计、含水率测试探头、振弦式频率仪、现场浸水报警系统模块以及电源模块，监测基底土体的孔隙水压力和含水率，用于分析隧道隧底浸水后的孔隙水压力分布情况，及其地下水浸水的影响分布范围，当孔隙水压力和或含水率超过一定界限时，数据分析软件模块经报警系统发出报警信号；
基底变形监测子系统包括沉降仪和测尺，通过分析基底加固处理前后土体变形大小，判断地基加固效果，并分析基底变形是否超过容许值；
所述基底与仰拱接触压力监测子系统、桩身应力监测子系统、桩间土体孔隙水压力及含水率监测子系统、基底变形监测子系统测得的数据经数据采集模块处理后，输入至数据分析软件模块，所述数据分析软件模块通过分析时间与接触压力、混凝土应力、孔隙水压力、沉降值的曲线图，判别基底的稳定性。
5.权利要求4所述的黄土隧道隧底稳定性监测系统的安装施工方法，包括以下步骤：
1)旋喷桩在隧道双侧壁导坑、中导坑下台阶仰拱开挖前施作；
2)桩体成形后，在桩间土体布置三组沉降仪，每组4个测点，把数据传输电缆线牵引至数据采集箱中；
3)与沉降仪错开，在桩间土体布置三组孔隙水压力计和含水率测试探头，以隧道仰拱为中心，左右各布设一个测点，测点孔位深度为6米，每孔位埋设2个孔压探头，分别为2米与4米孔深；含水率测试探头，分别为0米与6米孔深，把数据传输电缆线牵引至数据采集箱中；
4)仰拱开挖至桩体顶部，清理并整平桩顶表面，至少包括7个测点，振弦式混凝土应变计布置在中心线及其左右两侧桩顶表面，把数据传输电缆线牵引至数据采集箱中；
5)在桩顶上面铺筑砂砾垫层，整平压实后布置至少7个测点，振弦式压力盒布置在中心线及其左右两侧砂砾垫层表面，把数据传输电缆线牵引至数据采集箱中。
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