CN111364971B - 一种用于监测隧道开挖地表脱空的装置及安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于监测隧道开挖地表脱空的装置及安装方法，该装置包括设置在钻孔孔壁二中的PVC波纹管二和钻孔孔壁一中的PVC双壁波纹管一，在PVC双壁波纹管一和PVC波纹管二中心部位设有一根镀锌钢管由上至下贯通两根波纹管并与PVC双壁波纹管一底部齐平，在镀锌钢管和PVC双壁波纹管一共同的底面设有一个圆形铁饼，在PVC双壁波纹管一中上下间隔设有多道圆形泡沫圈；在前述的镀锌钢管顶部设有指针。本发明可以即时检测出隧道开挖施工过程中，隧道拱顶上部与地表硬壳层之间出现脱空的问题。隧道施工降排水过程中引起的水土流失，在拱顶上部形成空腔并逐渐扩大的过程中，通本装置均可进行监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于监测隧道开挖地表脱空的装置及安装方法，属于水利水电工程技术领域。
背景技术
在岩溶地区地铁修建过程中，一般隧道埋深不大，地下水丰富且水位埋深浅。地表砼面层下分布少量碎块石等回填层，且地表下有雨污水管等管网存在，砼面层及下部碎块石层构成地表“硬壳层”。隧道拱顶岩体与地表硬壳层之间为红黏土层，红黏土层一般具有孔隙比大、黏粒含量多、上硬下软、遇水极易变软等特点。岩溶地区隧道施工遇到的典型地层结构如图1所示。隧道暗挖施工过程中，洞内渗水或涌水往往引起岩土交界面处水土流失并形成空腔，随着时间增加可能形成漏斗型岩溶塌陷。但城区地表一般为厚度较大的砼路面层，其支承强度越大，突发性的塌陷对地表交通构成的威胁就越大。
目前岩溶地区地铁修建过程中，针对地表脱空的监测方法主要有两种。一种是直接对地表的监测点进行测量的方法，主要采取在隧道结构轮廓线对应的地表范围内埋设测点(监测杆一般长0.2～2m)，通过对该地表测点的观测值大小来反映地表下沉的大小，间接反映下部是否存在脱空沉降问题。该方法存在的问题是地表硬壳层往往难以快速反应下部脱空的事实，在下部已形成较大空腔的情况下，监测杆与砼面层形成的整体往往呈“稳定”状态，其监测时滞性缺陷很大，容易造成误判。第二种是通过物探手段直接查明下部是否存在空腔，如地震映像法、面波法等，通过测试的物性、电性参数来反映下部地质体的缺陷性，物探法具有经济、高效的特点，但其测试结果的多解性、测试深度的有效性等弊端明显，且通常需要结合钻探手段综合判断，难以快速直接反映问题。
因此，针对岩溶地区地铁修建过程中出现的地表脱空问题，需根据其产生机理进行研究，以采用新的方法来解决该问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于监测隧道开挖地表脱空的装置及安装方法，以克服现有技术的不足。
本发明的技术方案如下：
一种用于监测隧道开挖地表脱空的装置，设置在钻孔中，钻孔顶部为钻孔孔壁二，下部为内径收缩后的钻孔孔壁一，该装置包括设置在钻孔孔壁二中的PVC波纹管二和钻孔孔壁一中的PVC双壁波纹管一，在PVC双壁波纹管一和PVC波纹管二中心部位设有一根镀锌钢管由上至下贯通两根波纹管并与PVC双壁波纹管一底部齐平，在镀锌钢管和PVC双壁波纹管一共同的底面设有一个圆形铁饼，在PVC双壁波纹管一中上下间隔设有多道圆形泡沫圈；在前述的镀锌钢管顶部设有指针。
本发明用新的手段或装置即时检测出隧道开挖施工过程中，隧道拱顶上部与地表硬壳层之间出现脱空的问题。隧道施工降排水过程中引起的水土流失，在拱顶上部形成空腔并逐渐扩大的过程中(纵向发展为主、横向发展次至)，通本装置均可进行监测，并可根据监测值的大小判断空腔的规模，进而指导工程处理。因此，通过本装置监测是否已产生脱空层以及脱空层的大小，对脱空层治理具有较强的指导作用，对保障隧道施工安全以及上部地表交通安全具有重要意义。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明装置制作及安装简单、制作成本低，操作方便。对施工期隧道开挖因地下水土流失引起的脱空可起到准确的适时监测作用，并可对脱空情况进行适时预判并指导施工处理。该发明装置提供了一种用较低的投入，通过适时监测，保证了施工安全和周边环境的安全，效果良好。
附图说明
图1是岩溶隧洞开挖地层结构示意图；
图2是本发明的监测装置组成示意图；
图3是图2中A部分大样图；
图4是图2中B部位大样图；
图5是本发明的监测装置安装效果图。
附图中的标记为：1-镀锌钢管，2-PVC双壁波纹管一，3-钻孔孔壁一，4-粗砂，5-圆形泡沫圈，6-圆形铁饼，7-钻孔孔壁二，8-PVC双壁波纹管二，9-刻度尺，10-指针，11-孔口钢盖板，12-波纹管接手，13-水泥浆。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
实施例1：
1.基本原理及基本要求：
在该实施例中，面临的地质情况如图1所示，本发明的装置结构如图2-4所示，安装效果如图5所示。本发明通过将装置底部圆形铁饼6紧贴在岩土界线或拱顶以上一定距离的土体中，在拱顶上部出现水土流失的初期，由于圆形铁饼6和上部镀锌钢管1具有极大的自重(整体收尾两头均为开孔结构以消除地下水的浮力作用)，二者整体可适时根据下部土体脱空情况在重力作用下自行下移，并带动地表指针10适时下移量测，此时PVC双壁波纹管一2由于受到土体向上的侧阻力而处于平衡静止状态。
如在拱顶上部出现水土流失的初期，圆形铁饼6被外侧孔壁或土体中碎块石卡住而处于“失效”状态，则随着时间的延长，下部空腔逐渐增大并不断向上发展，引起上部土体脱落，孔壁外侧脱落或下沉的土体将通过粗砂4将负摩阻力传递至PVC双壁波纹管一2，其外壁凸纹的数量和凸起大小又决定向下传递的负摩阻力的大小。在PVC双壁波纹管一2自重及负摩阻力的叠加作用下，将触发PVC双壁波纹管一2之间脱开，又由于PVC双壁波纹管一2底端位于圆形铁饼6上部且直径相对小，重力及负摩阻力将最终施加在圆形铁饼6。随着作用力的增加将最终引起圆形铁饼6克服阻力产生下移，并在地表指针10也得到反应。
圆形铁饼6与岩土界线或拱顶以上的距离越大，其测量范围越大。但需要考虑水土流失初期地表是否有得到快速反应的需要，即需要考虑测量的灵敏性问题。
如下部脱空区较大，指针10已接近刻度尺9最下端量程范围(即量程有限)，此时可通过卸下指针10，继续连接短节的镀锌钢管1后，再在顶端连接指针10，即可增大量程。
2.操作步骤如下：
步骤一，选监测点布设位置。通过前期勘察成果，在隧道结构轮廓线对应的地表范围选定代表性地质薄弱点作为监测点，该点下部地层具有隧道拱顶以上至地表硬壳层之间全为红黏土层或为深溶槽槽谷最低点的地质特征。在图1和图5中，圆圈中的罗马数字分别代表：I-砼路面层，II-碎石基层，III-可塑状红黏土，IV-软塑状红黏土，V-岩体，VI-裂隙发育带，VII-掌子面前进方向，VIII-架空区，IX-土体脱空区，X-地下水潜蚀区，XI-地下水位线，XII-塌陷漏斗。
步骤二：钻预埋孔。从地表钻孔，拱顶上部如全为红黏土层可终孔至拱顶以上1～2m，拱顶上部如为深溶槽槽谷最低点则终孔至槽谷最低点以上0.5～1m。硬壳层采用φ150mm形成钻孔孔壁二7，红黏土层采用φ130mm形成钻孔孔壁一3。红黏土层中采取干钻方式以保证孔壁稳定，并清除孔底沉渣。
步骤三，连接镀锌钢管1和圆形铁饼6，分节连接并下入至孔底，保重垂直度良好。
步骤四，PVC双壁波纹管一2下端口从中穿过镀锌钢管1并分节下入至孔底。其搭接方式如图3所示，搭接过程中波纹管接手12位置粘涂少量胶水，保证下放过程中PVC双壁波纹管一2既不会脱开，也能保证后期使用时土体负摩阻力可将其分节断开。
步骤五，在PVC双壁波纹管一2外壁及钻孔孔壁一3之间回填粗砂4。主要作用是将孔壁外侧土体下沉过程中产生的负摩阻力传递至PVC双壁波纹管一2。
步骤六，连接PVC双壁波纹管一2及PVC双壁波纹管二8，PVC双壁波纹管二8内侧带有刻度尺9。PVC双壁波纹管二8埋深为地表下0.5～1m位置，下端部应主要位于砼面层中或承载力较好的路基层中，其变径处可刚好被卡住，以使PVC双壁波纹管二8与硬壳层保持整体性，二者不发生相对位移。
步骤七，在PVC双壁波纹管二8与钻孔孔壁二7之间回填水泥浆13，主要用于保证双壁波纹管二8与硬壳层的整体连接性。
步骤八，将多个中空圆形泡沫圈5对中穿过镀锌钢管1，并保证在孔内均匀间隔5m左右。其作用主要是保证镀锌钢管1在PVC双壁波纹管一2中呈竖直状，以保证测量结果的准确性。
步骤九，将指针10通过丝扣连接镀锌钢管1，通过指针两端的指向可与刻度尺9配合读数。
步骤十，用孔口钢盖板11盖好孔口，并保证较好的嵌于路面上。该盖板主要用于保护孔口。
步骤十一，安装好后施工期进行定期读数即可，并根据数值大小情况进行判断以指导施工处理。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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 (6)
1.一种用于监测隧道开挖地表脱空的装置，设置在钻孔中，钻孔顶部为钻孔孔壁二（7），下部为内径收缩后的钻孔孔壁一（3），其特征在于：该装置包括设置在钻孔孔壁二（7）中的PVC双壁波纹管二（8）和钻孔孔壁一（3）中的PVC双壁波纹管一（2），在PVC双壁波纹管一（2）和PVC双壁波纹管二（8）中心部位设有一根镀锌钢管（1）由上至下贯通两根波纹管并与PVC双壁波纹管一（2）底部齐平，在镀锌钢管（1）和PVC双壁波纹管一（2）共同的底面设有一个圆形铁饼（6），在PVC双壁波纹管一（2）中上下间隔设有多道圆形泡沫圈（5）；在所述镀锌钢管（1）顶部设有指针（10）；圆形泡沫圈（5）为中心带孔的圆盘结构横嵌在PVC双壁波纹管一（2）中，所述镀锌钢管（1）从圆形泡沫圈（5）的孔中穿过；在所述PVC双壁波纹管一（2）与所述钻孔孔壁一（3）之间充填有粗砂（4）；所述PVC双壁波纹管一（2）通过波纹管接手（12）将多根波纹管搭接上下贯通，波纹管接手（12）位置粘涂少量胶水，在PVC双壁波纹管一（2）自重及负摩阻力的叠加作用下，将触发PVC双壁波纹管一（2）之间脱开。
2.根据权利要求1所述的用于监测隧道开挖地表脱空的装置，其特征在于：在所述PVC双壁波纹管二（8）与钻孔孔壁二（7）之间回填有水泥浆（13）。
3.根据权利要求1所述的用于监测隧道开挖地表脱空的装置，其特征在于：在PVC双壁波纹管二（8）内侧带有刻度尺（9）。
4.根据权利要求3所述的用于监测隧道开挖地表脱空的装置，其特征在于：所述指针（10）通过丝扣连接在镀锌钢管（1）顶部，指针两端的指向与刻度尺（9）配合读数。
5.根据权利要求1所述的用于监测隧道开挖地表脱空的装置，其特征在于：在所述指针（10）上方设有孔口钢盖板（11）用于将孔口盖合。
6.一种如权利要求1-5中任意一项所述的用于监测隧道开挖地表脱空的装置的安装方法，其特征在于包括如下步骤：
S1，选监测点布设位置；
S2，钻预埋孔，形成钻孔孔壁一（3）和钻孔孔壁二（7）；
S3，连接镀锌钢管（1）和圆形铁饼（6），分节连接并下入至孔底；
S4，将PVC双壁波纹管一（2）下端口从中穿过镀锌钢管（1）并分节下入至孔底；
S5，在PVC双壁波纹管一（2）外壁及钻孔孔壁一（3）之间回填粗砂（4）；
S6，连接PVC双壁波纹管一（2）及PVC双壁波纹管二（8），PVC双壁波纹管二（8）内侧带有刻度尺（9）；
S7，在PVC双壁波纹管二（8）与钻孔孔壁二（7）之间回填水泥浆（13）；
S8，将多个中空圆形泡沫圈（5）对中穿过镀锌钢管（1）；
S9，将指针（10）通过丝扣连接镀锌钢管（1），通过指针（10）两端的指向与刻度尺（9）配合读数；
S10，用孔口钢盖板（11）盖好孔口，并嵌于路面上；
S11，安装好后施工期进行定期读数，并根据数值大小情况进行判断以指导施工处理。
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