CN110529184B - 一种管幕-结构法施工地层变位和结构受力变形监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管幕‑结构法施工地层变位和结构受力变形监测系统，包括：地层变位测量单元，用于测量地表沉降变形和地层内部变形；结构受力测量单元，用于测量围岩压力，支撑柱轴力，主体结构的钢筋应力，主体结构的混凝土应力；结构变形测量单元，用于测量钢管收敛变形和主体结构收敛变形；通过手动与自动采集相结合的测量方法，可实现管幕‑结构法施工时地层变形、结构受力和变形的动态监测。本发明的监测系统主要用于管幕‑结构法施工时地层和结构变形、受力的监测，该系统可全面测量管幕‑结构法施工过程围岩和结构受力和变形的动态变化，具有测量项目齐全、测量项目之间可互相印证、测试准确度高、效率高等优点。

Description

一种管幕-结构法施工地层变位和结构受力变形监测系统

技术领域

本发明涉及岩土体测试技术领域，具体涉及一种管幕-结构法施工地层变位和结构受力变形监测系统。

背景技术

管幕-结构法，也称NTR法或支护-结构一体化施工方法；由于其具有对地层扰动小、施工安全性高等特点，一般应用于临近敏感性建(构)筑物时的地下工程施工，但是其也存在施工工序多、施工技术难度大、施工组织复杂等难点。管幕-结构法施工包括钢管顶进、钢管切割、管间土体开挖、钢板焊接与支撑柱施作、主体结构钢筋编织、主体结构混凝土浇筑、土体大开挖等工序，在诸多工序逐步推进过程中，会对周围岩土体产生多次扰动，使得围岩应力场、位移场呈现复杂的演化过程；因此对管幕-结构法施工时的周围地层变形与支护结构受力变形进行监测，及时反馈信息，对施工有重要的指导意义。

在变形监测方面，包括管幕-结构法施工时地表和地层内部土体的竖向、水平变形，钢管切割、管间土体开挖引起的钢管收敛变形(钢管失圆变形)，管幕结构内部的土体大开挖引起的主体钢筋混凝土结构(主体结构)的收敛变形；结构受力监测方面，包括结构的围岩压力、支撑柱轴力、主体钢筋混凝土的钢筋应力和混凝土应力。

管幕-结构法施工监测项目多、测点多，建立合理的变形和受力监测系统有助于及时、准确收集第一手施工资料，为进一步在我国推广管幕-结构法施工积累工程经验，具有重要意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种管幕-结构法施工地层变位和结构受力变形监测系统，以获取全面的施工监测数据。

本发明公开了一种管幕-结构法施工地层变位和结构受力变形监测系统，

包括：

地层变位测量单元，用于测量地表沉降变形和地层内部变形；

结构受力测量单元，用于测量围岩压力，支撑柱轴力，主体结构的钢筋应力，主体结构的混凝土应力；

结构变形测量单元，用于测量钢管收敛变形和主体结构收敛变形。

作为本发明的进一步改进，

所述地表沉降变形包括地表横向沉降变形和地表纵向沉降变形；

所述地表横向沉降变形的测量方式为：

采用精密水准仪测量地表横向沉降变形；其中：

横向测线的布置为：根据工程的纵向长度布置不少于三条且相互平行的横向测线，所述横向测线与管幕长度方向正交；

横向测线长度：大于管幕结构横截面底部外缘两侧45°地层滑移线与地表交点之间的连线长度；

横向测点的布置为：沿所述横向测线的方向上布置有多个沉降变形测点；

所述地表纵向沉降变形的测量方式为：

采用精密水准仪测量地表纵向沉降变形；其中：

纵向测线的布置为：根据管幕结构的断面尺寸布置不少于三条且相互平行的纵向测线，所述纵向测线与管幕长度方向平行；

纵向测点的布置为：沿所述纵向测线的方向上布置有多个沉降测点。

作为本发明的进一步改进，

当所述横向测线的数量为三条时，在纵向长度的中间位置处设一条横向测线，在距中间横向测线四分之一工程纵向长度的位置处各设一条横向测线；

相邻两所述横向测点的间距为2～5m；

当所述纵向测线的数量为三条时，在管幕结构中心正上方处设一条纵向测线，在距中间纵向测线左右管幕结构跨度四分之一的位置处各设一条纵向测线；

相邻两所述纵向测点的间距为2～5m。

作为本发明的进一步改进，

所述地层内部变形包括管幕上方土体内部沉降变形和管幕两侧土体水平变形；

所述管幕上方土体内部沉降变形的测量方式为：

采用多点位移计测量管幕上方土体内部沉降变形；其中：

测孔的布置为：在管幕上方土体内设有沉降测孔；

测点的布置为：在沉降测孔内布置多个不同埋深测点；

所述管幕两侧土体水平变形的测量方式为：

采用测斜仪测量幕两侧土体水平变形；其中：

测孔的布置为：在管幕两侧土体设有水平变形测孔，所述水平变形测孔与沉降测孔在同一断面上；

测点的布置为：在水平变形测孔内布置多个不同埋深测点。

作为本发明的进一步改进，

所述围岩压力的测量方式为：

采用土压力盒和频率自动接收仪测量围岩压力；其中：

测试断面的布置为：根据管幕结构长度和需求布置3～5个测试断面；

测点的布置为：根据管幕结构横断面尺寸确定每个测试断面的测点数量；测点布置在相邻钢管间连接钢板的外侧，其在顶部、底部各布置3～5个测点，在左、右两侧的中间位置各布置1个测点。

作为本发明的进一步改进，

所述支撑柱轴力的测量方式为：

采用表面应变计和手持频率接收仪测量支撑柱轴力，所述表面应变计对称布置在支撑柱两侧；其中：

测试断面的布置为：根据管幕结构长度和需求布置3～5个测试断面；

测点的布置为：根据管幕结构断面尺寸确定每个测试断面的测点数量；在顶部、底部各布置3～5个测点，在左、右两侧的中间位置各布置1个测点。

作为本发明的进一步改进，

所述主体结构的钢筋应力的测量方式为：

采用钢筋计和频率自动接收仪测量主体结构的钢筋应力；其中：

测试断面的布置为：根据主体结构长度和需求布置3～5个测试断面；

测点的布置为：测点分别设置在主体结构顶板和底板的中间位置、两侧四分之一结构跨度处以及两边侧墙中间位置，钢筋应力测点为内外侧对称布设。

作为本发明的进一步改进，

所述主体结构的混凝土应力的测量方式为：

采用混凝土应变计和频率自动接收仪测量主体结构的混凝土应力；其中：

测试断面的布置为：根据主体结构长度和需求布置3～5个测试断面；

测点的布置为：测点分别设置在主体结构顶板和底板的中间位置、两侧四分之一结构跨度处以及两边侧墙中间位置，钢筋应力测点为内外侧对称布设。

作为本发明的进一步改进，

所述钢管收敛变形的测量方式为：

采用收敛计测量钢管收敛变形。

作为本发明的进一步改进，

所述主体结构收敛变形包括主体结构顶板沉降变形和两侧墙水平变形；

所述主体结构顶板沉降变形的测量方式为：

采用精密水准仪测量主体结构顶板沉降变形；其中：

测试断面的布置为：根据主体结构长度和需求布置3～5个测试断面；

测点的布置为：每个测试断面上设有三个测点，即中间一个、两侧跨度四分之一处各一个；

所述两侧墙水平变形的测量方式为：

采用全站仪测量两侧墙水平变形。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的监测系统可全面测量管幕-结构法施工过程上覆土体地表及内部沉降变形、两侧土体水平位移，可揭示管幕施工过程中群管顶进、切割、管间土体开挖以及主体结构施作、土体大开挖等关键工序对地层变位影响规律；通过对钢管切割后钢管变形、支撑轴力测量，以评价钢管一次切割长度、支撑间距及刚度等关键技术参数的合理性；通过测量管幕结构周围围岩压力、主体结构受力变形情况，以评价结构设计合理性与安全性。本发明对管幕-结构法施工过程土体变形、结构受力进行全面测量，构成新管幕施工综合监测体系，可保证安全施工、积累管幕-结构法施工经验，为管幕-结构法在我国进一步推广奠定基础。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的管幕-结构法施工地层变位和结构受力变形监测系统的框架图；

图2为本发明一种实施例公开的地表沉降变形的测线、测点布置示意图；

图3为本发明一种实施例公开的地层内部变形的测线、测点布置示意图；

图4为本发明一种实施例公开的钢管收敛变形的测点布置示意图；

图5为本发明一种实施例公开的支撑柱轴力的测点布置示意图；

图6为本发明一种实施例公开的围岩压力、主体结构的钢筋应力、主体结构的混凝土应力及主体结构收敛变形的测点布置图。

图中：

1、地层变位测量单元；2、结构变形测量单元；3、结构受力测量单元；

31、钻孔；32、测斜孔；33、测斜管；34、测斜仪；35、测头；

51、钢管；52、连接钢板；53、支撑柱；54、表面应力计；

61、压力盒；62、钢筋计；63、混凝土应变计。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图1所示，本发明提供一种管幕-结构法施工地层变位和结构受力变形监测系统，包括：地层变位测量单元1、结构受力测量单元2和结构变形测量单元3；其中：

地层变位测量单元1，用于测量地表沉降变形和地层内部变形；其中：地表沉降变形包括地表横向沉降变形和地表纵向沉降变形，地层内部变形包括管幕上方土体内部沉降变形和管幕两侧土体水平变形；

结构受力测量单元2，用于测量围岩压力，支撑柱轴力，主体结构的钢筋应力，主体结构的混凝土应力；

结构变形测量单元3，用于测量钢管收敛变形和主体结构收敛变形；其中：主体结构收敛变形包括主体结构顶板沉降变形和两侧墙水平变形。

进一步，实现上述测试的测试设备是根据测试项目选用测试部件构成的，测试部件包括精密水准仪、全站仪、多点位移计、测斜仪、收敛计、土压力盒、表面应变计、钢筋计、混凝土应变计、手持频率接收仪和频率自动接收仪。

具体的：

如图2所示，图2中B表示左右管幕结构跨度；

本发明的地表横向沉降变形的测量方式为：

采用精密水准仪测量地表横向沉降变形。其中：

横向测线的布置为：

根据工程的纵向长度布置不少于三条且相互平行的横向测线，横向测线与管幕长度方向正交；具体为：测线数量根据工程的纵向长度来确定，一般布置不少于三条与管幕方向正交平行测线，即纵向长度中间位置一条测线、距中间测线四分之一工程纵向长度位置处各设一条测线，亦可根据工程需求增加测线数量。

横向测点的布置为：

沿横向测线的方向上布置有多个沉降测点；具体为：测点间距2～5m，工程附近位置测点加密，远离工程位置测点较疏。

本发明的地表纵向沉降变形的测量方式为：

采用精密水准仪测量地表纵向沉降变形；其中：

纵向测线的布置为：根据管幕结构的断面尺寸布置不少于三条且相互平行的纵向测线，纵向测线与管幕长度方向平行；具体为：纵向沉降测线位置与数量，可根据管幕结构断面尺寸大小来定，一般为三条与管幕方向一致平行测线，管幕结构中心正上方一条、左右管幕结构跨度四分之一处各一条。

纵向测点的布置为：沿纵向测线的方向上布置有多个纵向测点；具体为：测点间距2～5m，工程附近位置测点加密，远离工程位置测点较疏。

进一步，测点的布置方法为：

测点一般采用螺纹钢，如表层有路面，需要用电锤等工具破开路面，见土后将准备好的测点竖直打入土中，把多余部分切除，钢筋头距原地面约50mm；然后埋入护桶，在护桶内填入细砂，细砂距离钢筋头顶面约15mm，将护桶盖盖好，然后用水泥砂浆将护桶与原路面之间的缝隙填平。

如图3所示，

本发明的管幕上方土体内部沉降变形的测量方式为：

采用多点位移计和精密水准仪测量管幕上方土体内部沉降变形；具体为：土体不同埋深处沉降，采用多点位移计、辅以精密水准仪进行测量。水准仪用来测量测孔处地表沉降，即不动点与参考点沉降差值；多点位移计采用正向布置，用来测量各测点相对于测孔孔口地表相对沉降量。其中：

测孔的布置为：

在管幕上方土体内设有沉降测孔；具体为：上方土体内部沉降测量钻孔31可设置在通道中间位置，测孔大小根据多点位移计测点数量来确定，测点一般为3～4个。

测点的布置为：

在沉降测孔内布置多个用于测点；具体为：多点位移计测量土体内部沉降时需设置不动点(O点)，不动点布置在土体滑移角范围之外，一般与结构外侧水平距离应大于底部埋深，使其处于施工扰动范围外；在紧邻测孔处设置一参考点，以测量测孔位置地表沉降值；不同土层埋深处多点位移计各测点读数加上不动点与参考点沉降差即为各测点绝对沉降量。

本发明的管幕两侧土体水平变形的测量方式为：

采用测斜仪34测量幕两侧土体水平变形；具体为：将测斜仪34的测头35置于测斜孔32的测斜管33内，进行管幕两侧土体水平变形的测量；其中：

测孔的布置为：在管幕两侧土体设有水平变形测孔(测斜孔32)，水平变形测孔与沉降测孔在同一断面上；

测点的布置为：在水平变形测孔内布置3～6个测点。

如图6所示，

本发明的围岩压力的测量方式为：

采用土压力盒61和频率自动接收仪测量围岩压力；具体为：测试元件可采用双模土压力盒或单模土压力盒，使用单模土压力盒时要使压力盒受压面朝向围岩一侧。土压力盒量程根据埋深来确定，一般可选用0.5MPa量程。通过频率自动接收仪进行数据采集。其中：

测试断面的布置为：

根据管幕结构长度和需求布置多个测试断面；具体为：围岩压力为管幕施工过程中围岩压力变化，测试断面数量根据管幕结构长度和需求来确定，一般布置3～5个。

测点的布置为：根据管幕结构横断面尺寸确定每个测试断面的测点数量；具体为：每个测试断面测点数量根据管幕结构横断面尺寸确定，测点布置在相邻钢管间连接钢板的外侧(朝向外部围岩侧)，顶部、底部各布置3～5个测点，左、右两侧在中间位置各布置1个测点。

如图5所示，

本发明的支撑柱轴力的测量方式为：

采用表面应变计54和手持频率接收仪测量支撑柱轴力，表面应变计和手持频率接收仪对称布置在支撑柱两侧；具体的，支撑柱轴力为监测钢管切割后设置在管间上下连接钢板之间的临时支撑柱的轴力；表面应变计54置于钢管支护53上，钢管51与钢管51之间通过连接钢板52相连；其中：

测试断面的布置为：

测试断面数量与围岩压力一致。

测点的布置为：

支撑柱轴力测点布设位置宜与围岩压力测试位置相一致。

如图6所示，

本发明的主体结构的钢筋应力的测量方式为：

采用钢筋计62和频率自动接收仪测量主体结构的钢筋应力；具体的，钢筋应力为管幕主体钢筋混凝土结构主筋(环向筋)的应力值；钢筋应力监测采用钢筋计进行量测，其直径尽量与主筋直径一致。钢筋计通过割断主筋、采用焊接手段与两端主筋对接(避免帮焊，钢筋计替换割断部分的主筋)。其中：

测试断面的布置为：

钢筋应力测试断面数量与围岩压力一致。

测点的布置为：

钢筋应力测点分别设置在主体结构顶板和底板的中间位置、两侧约四分之一结构跨度处以及两边侧墙中间位置，钢筋应力测点为内外侧对称布设。

如图6所示，

本发明的主体结构的混凝土应力的测量方式为：

采用混凝土应变计63和频率自动接收仪测量主体结构的混凝土应力；具体的，混凝土应力为管幕主体结构混凝土应力值，混凝土应力监测采用混凝土应变计和频率自动接收仪量测。根据选择的测试位置和要求的测试方向布置埋入式混凝土应变计，埋入位置应靠近结构表面，沿结构环向主筋与最外侧、最内侧钢筋绑扎牢固(对称布置)，混凝土施作时直接浇筑到混凝土内部即可。其中：

混凝土应力测试断面、测点位置及数量与钢筋应力一致。

如图4所示，

本发明的钢管收敛变形的测量方式为：

采用收敛计测量钢管收敛变形。

测线、测点的布置如图4所示。

如图6所示，

本发明的结构变形测试断面数量与钢筋应力一致。每个测试断面顶板沉降为三个测点，即中间一个，两侧跨度四分之一处各一个，采用精密水准仪测量。水平变形在两侧墙中间位置设置一条水平测线，采用全站仪测量。在管幕结构内土体开挖到监测断面后立即布设测点，读取初读数。

进一步：本发明的监测系统可全面、系统性地对管幕-结构法施工过程地层变位、结构受力及变形进行实施监测，各测试项目之间可以相互印证。

进一步：本发明可对管幕-结构法施工过程地表横向与纵向沉降变形、上覆土层内部沉降变形以及管幕两侧土体水平变形进行全面的监测，揭示了法管幕法施工过程周围地层的变位特征。

进一步：本发明对钢管切割、管间土体开挖、连接钢板焊接、施做支撑柱过程中钢管的收敛变形、支撑柱轴力进行监测，以评价这一关键工序钢管一次切割长度，支撑柱刚度、截面尺寸与间距等设计参数的合理性以及支护结构稳定性。

进一步：本发明通过在管间连接钢板背后布置土压力盒，对管幕-结构法施工时结构体系上部、侧部及底部围岩压力进行全面测试，掌握结构荷载特征，为结构设计与安全评估提供主要依据。

进一步：本发明对主体钢筋混凝土结构中钢筋、混凝土应力和结构变形进行测量，可评价土体大开挖时主体结构的安全性。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种管幕-结构法施工地层变位和结构受力变形监测系统，其特征在于，

包括：

地层变位测量单元，用于测量地表沉降变形和地层内部变形；

所述地表沉降变形包括地表横向沉降变形和地表纵向沉降变形；

所述地表横向沉降变形的测量方式为：

采用精密水准仪测量地表横向沉降变形；其中：

横向测线的布置为：根据工程的纵向长度布置不少于三条且相互平行的横向测线，所述横向测线与管幕长度方向正交；

横向测线长度：大于管幕结构横截面底部外缘两侧45°地层滑移线与地表交点之间的连线长度；

横向测点的布置为：沿所述横向测线的方向上布置有多个沉降变形测点；

所述地表纵向沉降变形的测量方式为：

采用精密水准仪测量地表纵向沉降变形；其中：

纵向测线的布置为：根据管幕结构的断面尺寸布置不少于三条且相互平行的纵向测线，所述纵向测线与管幕长度方向平行；

纵向测点的布置为：沿所述纵向测线的方向上布置有多个沉降变形测点；

所述地层内部变形包括管幕上方土体内部沉降变形和管幕两侧土体水平变形；

所述管幕上方土体内部沉降变形的测量方式为：

采用多点位移计测量管幕上方土体内部沉降变形；其中：

测孔的布置为：在管幕上方土体内设有沉降测孔；

测点的布置为：在沉降测孔内布置多个不同埋深的测点；

所述管幕两侧土体水平变形的测量方式为：

采用测斜仪测量管幕两侧土体水平变形；其中：

测孔的布置为：在管幕两侧土体设有水平变形测孔，所述水平变形测孔与沉降测孔在同一断面上；

测点的布置为：在水平变形测孔内布置多个不同埋深的测点；

结构受力测量单元，用于测量围岩压力，支撑柱轴力，主体结构的钢筋应力，主体结构的混凝土应力；

所述支撑柱轴力的测量方式为：

采用表面应变计和手持频率接收仪测量支撑柱轴力，所述表面应变计对称布置在支撑柱两侧；其中：

测试断面的布置为：根据管幕结构长度和需求布置3～5个测试断面；

测点的布置为：根据支撑柱数量确定每个测试断面的测点数量；在顶部、底部各布置3～5个测点，在左、右两侧的中间位置各布置1个测点；

结构变形测量单元，用于测量钢管收敛变形和主体结构收敛变形；

所述主体结构收敛变形包括主体结构顶板沉降变形和两侧墙水平变形；

所述主体结构顶板沉降变形的测量方式为：

采用精密水准仪测量主体结构顶板沉降变形；其中：

测试断面的布置为：根据主体结构长度和需求布置3～5个测试断面；

测点的布置为：每个测试断面上设有三个测点，即中间一个、两侧跨度四分之一处各一个；

所述两侧墙水平变形的测量方式为：

采用全站仪测量两侧墙水平变形；

所述钢管收敛变形的测量方式为：

采用收敛计测量钢管收敛变形。

2.如权利要求1所述的监测系统，其特征在于，

当所述横向测线的数量为三条时，在纵向长度的中间位置处设一条横向测线，在距中间横向测线四分之一工程纵向长度的位置处各设一条横向测线；

相邻两所述横向测点的间距为2～5m；

当所述纵向测线的数量为三条时，在管幕结构中心正上方处设一条纵向测线，在距中间纵向测线左右管幕结构跨度四分之一的位置处各设一条纵向测线；

相邻两所述纵向测点的间距为2～5m。

3.如权利要求1所述的监测系统，其特征在于，

所述围岩压力的测量方式为：

采用土压力盒和频率自动接收仪测量围岩压力；其中：

测试断面的布置为：根据管幕结构长度和需求布置3～5个测试断面；

测点的布置为：根据管幕结构横断面尺寸确定每个测试断面的测点数量；测点布置在相邻钢管间连接钢板的外侧，其在顶部、底部各布置3～5个测点，在左、右两侧的中间位置各布置1个测点。

4.如权利要求1所述的监测系统，其特征在于，

所述主体结构的钢筋应力的测量方式为：

采用钢筋计和频率自动接收仪测量主体结构的钢筋应力；其中：

测试断面的布置为：根据主体结构长度和需求布置3～5个测试断面；

测点的布置为：测点分别设置在主体结构顶板和底板的中间位置、两侧四分之一结构跨度处以及两边侧墙中间位置，钢筋应力测点为内外侧对称布设。

5.如权利要求1所述的监测系统，其特征在于，

所述主体结构的混凝土应力的测量方式为：

采用混凝土应变计和频率自动接收仪测量主体结构的混凝土应力；其中：

测试断面的布置为：根据主体结构长度和需求布置3～5个测试断面；

测点的布置为：测点分别设置在主体结构顶板和底板的中间位置、两侧四分之一结构跨度处以及两边侧墙中间位置，钢筋应力测点为内外侧对称布设。

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