CN115096223A - 一种隧道下穿河道施工时河床沉降的监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道下穿河道施工时河床沉降的监测方法，包括以下步骤：在隧道正上方的河床上埋设水位检测装置作为监测点，在监测点的上游和/或下游施工影响范围外的河床上埋设水位检测装置作为基准点；水位检测装置包括水位计和通信模块，水位计实时监测水位检测装置的水位深度，通信模块定时读取并向外传输水位数据；计算同一检测时刻的监测点与基准点的水位高差值，将后期水位高差值与初始水位高差值进行比较得到监测点的变形量，判断监测点是发生了沉降或是发生了隆起。本发明的监测方法具有高精度、高稳定性、高可靠性的优点，可有效地降低监测成本并可为施工提供科学积极的参考依据。

Description

一种隧道下穿河道施工时河床沉降的监测方法

[技术领域]

本发明涉及工程监测，尤其涉及一种隧道下穿河道施工时河床沉降的监测方法。

[背景技术]

在城市轨道交通盾构隧道掘进过程中往往会对周围土体造成扰动，为及时获取盾构掘进过程中地面及土体的变形情况，在实际施工过程中一般采用地面人工观测的方法，即利用全站仪和水准仪来进行变形监测。但当盾构下穿河道时传统的监测手段无法直接实施，一般做法是采用水下扫描地形，然后将多次扫描得到的地形数据进行叠加分析等手段达到沉降的监测的部分目的。

目前业内针对工程隧道下穿江河湖泊，碍于技术、成本等原因，无有效监测手段，业内多为水面巡视(观察有无气泡产生等)为主，其巡视方法比较原始，无法做到定量分析工程隧道造成河床沉降多少。

某些隧道下穿江河湖泊高风险项目使用无人船进行水下地形图测量，并将多次测得的地形数据进行比对，但其费用高昂，且其精度、频率远远无法满足高频实时沉降监测的要求。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种精度高、成本低的隧道下穿河道施工时河床沉降的监测方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种水下隧道施工河床沉降的监测方法，包括以下步骤：

101)在隧道正上方的河床上埋设水位检测装置作为监测点，在监测点的上游和/或下游施工影响范围外的河床上埋设至少一个水位检测装置作为基准点；

102)水位检测装置包括水位计和通信模块，水位计实时监测水位检测装置的水位深度，通信模块定时读取并向外传输水位数据；

103)计算同一检测时刻的监测点与基准点的水位高差值，将后期水位高差值与初始水位高差值进行比较得到监测点的变形量，判断监测点是发生了沉降或是发生了隆起。

以上所述的监测方法，水位检测装置包括作为配重块的砼预制件，砼预制件的底部包括多根向下伸出的钢筋，作为插入河床中固定水位检测装置的金属支架；砼预制件的顶部包括绑扎固定水位计的金属支架，金属支架连接钢缆用于水位检测装置的点位布设和回收。

以上所述的监测方法，水位检测装置的通信模块通过通信线缆与岸上对应的数据采集终端连接，数据采集终端与控制中心无线通信连接，向控制中心发送数据；通信线缆与钢索绑扎在一起，每隔设定的距离用扎带绑扎，并绑扎重块，沉入水底。

以上所述的监测方法，在监测点的上游和下游的河床上各埋设一个水位检测装置作为基准点；监测点的变形量h为：h＝((△h1-△h01)+(△h2-△h02))/2；其中，△h1为监测点与第一基准点的后期水位高差值，△h01为监测点与第一基准点的初始水位高差值；△h2为监测点与第二基准点的后期水位高差值，△h02为监测点与第二基准点的初始水位高差值。

以上所述的监测方法，在步骤101中，沿沿隧道走向，按设定的间隔布置复数个所述的监测点，在监测点的上游和/或下游施工影响范围外的河床上埋设水位检测装置作为基准点，基准点与监测点之间布置水文流速仪。

以上所述的监测方法，某监测点a的累计沉降量通过下式得到：

ΔH_a＝(H_a-H_基)-H_a0

其中，ΔH_a：监测点a的水位变化量，即监测点a的沉降量；H_a0：监测点a的初始水位差；H_基：考虑流速将基准点时刻与监测点时刻同步后的基准点水位值；H_a：监测点a的水位值。

以上所述的监测方法，基准点时刻与监测点时刻同步后的基准点水位值H_基通过下式得到：

H_基＝H_基1+(H_基2-H_基1)*(t_基-t_基1)/(t_基2-t_基1)

其中，H_基1：同测段开始采集数据时基准点瞬时水位值；H_基2：同测段结束采集数据时基准点瞬时水位值；t_基：基准点的时间基准；t_基1：同测段基准点起始采集数据时刻；t_基2：同测段基准点结束采集数据时刻。

以上所述的监测方法，监测点a的水位值H_a通过下式得到：

H_a＝H_a1+(H_a2-H_a1)*(t-t_a1)/(t_a2-t_a1)

其中H_a1：监测点a在同测段采集数据开始时的瞬时水位值；H_a2：监测点a在同测段采集数据结束时的瞬时水位值；t_a1:监测点a的同测段采集数据起始时刻；t_a2：监测点a的同测段采集数据结束时刻。

以上所述的监测方法，基准点的时间基准t_基通过下式得到：

t_基＝t-Δt

上式中，监测点的时间基准t＝t1_max+(t2_min-t1_max)/2

其中，t1_max为同测段中监测点最迟开始采集的时刻；t2_min为同测段中监测点最早结束采集的时刻；

时间差

上式中，s为基准点与监测点间的距离，单位米；v：水文流速仪测到的水流速度，单位米/秒。

本发明的监测方法具有高精度、高稳定性、高可靠性的优点，可有效地降低监测成本并可为施工提供科学积极的参考依据。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例监测系统的示意图。

图2是本发明实施例水位检测装置配重块的示意图。

图3是本发明实施例监测点平面布置示意图。

图4是本发明实施例沉降量计算示意图。

[具体实施方式]

本发明的水下隧道施工河床沉降的监测方法，如图1至图4所示，在隧道正上方的河床上埋设水位检测装置作为监测点，在监测点的上游和/或下游施工影响范围外的河床上埋设水位检测装置作为基准点；水位检测装置包括水位计、水文流速仪和通信模块，水位计实时监测水位检测装置的水位深度，水文流速仪实时监测水流速度，通信模块定时读取并向外传输水位和水文数据；计算同一检测时刻的监测点与基准点的水位高差值，将后期水位高差值与初始水位高差值进行比较得到监测点的变形量，判断监测点是发生了沉降或是发生了隆起。具体实施方法如下：

一、测点布置

因承压式水位计质量较小，沉入水下则会受水流影响导致其空间位移，从而造成监测数据失真，因此需制作配重装置保证其位置稳定。该配重块采用20Kg梯形砼预制件，下部预留20cm钢筋支架插入淤泥中固定，上部预留绑扎固定水位计的金属支架，顶部连接钢缆便于点位布设和回收，砼构件的结构如图2所示。

将安装有水位计的砼构件通过沉降埋设在江底，砼构件上面预埋钢筋拉环，在岸上设置全站仪，放样出每个测点位置后，通过钢索控制方向将其沿隧道方向每间隔30米沉降到指定位置，在上下游施工影响范围外各埋设一水位计作为基准点，监测点平面布置如图3所示，监测点立面布置如图4所示。

二、监测模块整合

由于江水对信号的屏蔽作用，水位计无法将信号从水底传出来，只能通过线路与数字采集终端连接，拟将线路与钢索绑扎在一起，每隔1米用扎带绑扎，钢索每隔一米绑扎约1kg的吊块，沉入江底，并沿隧道上方河床进行布设，最后固定在江岸的固定装置上。每个水位计配一个监测一体机(电源供给、数据读取、数据传输)，通过实时监测江底水位计的水位深度，并通过定时测量江面水位高程，计算出水位计的实际高程，通过其高程变化情况来反应江底的沉降变化。

三、数据采集及成果处理

监测点布设完成后，待配重砼构件自然沉降稳定24小时后，所有监测元器件调试完成保持开机正常通讯状态，每间隔15分钟读取一次水位数据，持续48小时，剔除船舶通航水位不平衡等不合理数据后，取监测点和基准点的水位高差平均值作为初始值△h0。监测点与两个基准点的水位高差的初始值分别为△h01和△h02。

数字采集终端实时读取水位计的水位深度，该深度为当时的水位计至江面水位的高程差，假定初始状态下基准点与监测点与江面的初始高度分别为H基0和h0，正常情况下，H基0与h0的差值，即△h0应为一常数，且这一常数不受江面水位升降的影响。当某一监测点发生沉降或隆起时，这一数值应会发生变化。假定某一时刻测的基准点与监测点与江面的初始高度分别为H基1和h1，这时两者之间的高差△h1发生变化，假设△h1＞△h0，说明基准点与监测点间的高差变大，即监测点发生了沉降，反之则监测点发生了隆起。同时可以计算监测点变形量h为：h＝((△h1-△h01)+(△h2-△h02))/2。

其中，△h1为监测点与第一基准点的后期水位高差值，△h01为监测点与第一基准点的初始水位高差值；△h2为监测点与第二基准点的后期水位高差值，△h02为监测点与第二基准点的初始水位高差值。四、监测数据多维时间基准归化及数据精化

监测点与基准点的时间基准t＝(t1_max-t2_min)/2 ①

(式1中，t1_max为同测段中监测点最迟开始采集的时刻；t2_min为同测段中监测点最早结束采集的时刻。上述二值均在内业整理后绘制的以监测时间为横轴X、以水位为纵轴Y的变形曲线图中获取)。

时间差

(式2中，s为基准点与监测点间的距离，单位米；v：水文流速仪测到的水流速度，单位米/秒)

4.1解决监测基准点与监测点的时间基准同步问题由下式计算：

基准点时刻t_基＝t-Δt ③

考虑流速将基准点时刻与监测点时刻同步后的基准点水位：

H_基＝H_基1+(H_基2-H_基1)*(t_基-t_基1)/(t_基2-t_基1) ④

(式4中，H_基1：同测段开始采集数据时基准点瞬时水位值；H_基2：同测段结束采集数据时基准点瞬时水位值；t_基：基准点的时间基准；t_基1：同测段基准点起始采集数据时刻；t_基2：同测段基准点结束采集数据时刻；上述四值均在内业整理后绘制的以监测时间为横轴X、以水位为纵轴Y的变形曲线图中获取)。

4.2解决监测点间的时间基准同步问题由下式计算：

监测点水位值

H_a＝H_a1+(H_a2-H_a1)*(t-t_a1)/(t_a2-t_a1) ⑤

(式中，H_a1：监测点a在同测段采集数据开始时的瞬时水位值；H_a2：监测点a在同测段采集数据结束时的瞬时水位值；t_a1:监测点a的同测段采集数据起始时刻；t_a2：监测点a的同测段采集数据结束时刻；上述四值均在内业整理后绘制的以监测时间为横轴X、以水位为纵轴Y的变形曲线图中获取。)

4.3解决同一时间基准下的沉降量数据精化

ΔH_α＝(H_α-H_基)-H_a0 ⑥

(式6中，ΔH_a：监测点a的水位变化量，即监测点a的沉降量；H_a0：监测点a的初始水位差；H_基：考虑流速将基准点时刻与监测点时刻同步后的基准点水位值；H_a：监测点a的水位值)

五、测点回收

监测工作结束后，利用小型船只进行测点人工回收，经简单清理维护后可重复利用。

实施例：

一、元器件的选择：具有温度补偿功能的承压式水位计，量程：0～100m,精度等级：0.25％，长期稳定性：≤±0.1％FS/年；数据采集终端：内置锂电池，采用物联卡单点通讯传输，可定时采集通讯模式、透传模式、实时在线采集模式等多种通讯方式；水文流速仪：量程：0.06～15.00m/s，测量误差≤1.5％。

二、测点布置：沿隧道走向，间隔30米布置经配重后的承压式水位计作为监测点；在监测点上游大于3倍隧道埋深处布置经配重后的承压式水位计作为基准点；基准点与监测点之间布置水文流速仪。

三、供电方式及数据传输：采用12v单晶太阳能电池板对各监测元器件供电；采用移动物联网进行数据传输，最小采样传输间隔15分钟。

以广州某隧道下穿珠江为例，说明本发明的检测方法：

根据勘察结果，某区间珠江次航道水深约8～12米，考虑到航道及江水的影响，本项目只是两侧近岸浅水区进行实验，分别在距南北两岸左线隧道正上方30m、60m、90m处各通过沉降埋设一个承压式水位计，同时在上下游距岸边约30m处各埋设一水位计作为基准点，每个水位计配一个监测一体机(电源供给、数据读取、数据传输)，通过实时监测江底水位计的水位深度，并通过定时测量江面水位高程，计算出水位计的实际高程，通过其高程变化情况来反应江底的沉降变化。

珠江水位监测频率每15分钟一次，进行数据同步后计算出1小时内4次的沉降值，最后按照4次沉降值剔除船舶经过时出现的不规律数据等不合理因素后取平均值。最后经过连续1个月的观测，采用本方法可以获得精度优于5mm的河床沉降数据。

表1：地铁某区间下穿珠江江底沉降监测(单位：cm)

表2：时间基准归化后监测数据精化案例

本发明以上实施例的方法监测方法实现了实时测量河床沉降，最高频率可达到1分钟/次，经实际应用，利用潮汐同步算法可以达到优于5mm的测量精度，能够满足工程隧道下穿水体的河床沉降，可以有效地指导水下工程掘进施工。

本发明以上实施例的水下隧道施工河床沉降的监测方法具有高精度、高稳定性、高可靠性等优点。通过潮汐同步算法测得基准点与监测点之间的水位差，有效的控制了变量。可实现全天候实时大范围自动化水下沉降监测，测点可回收重复利用，可有效地降低监测成本并可为施工提供科学积极的参考依据。

Claims (9)

1.一种隧道下穿河道施工时河床沉降的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

101)在隧道正上方的河床上埋设水位检测装置作为监测点，在监测点的上游和/或下游施工影响范围外的河床上埋设至少一个水位检测装置作为基准点；

102)水位检测装置包括水位计和通信模块，水位计实时监测水位检测装置的水位深度，通信模块定时读取并向外传输水位数据；

103)计算同一检测时刻的监测点与基准点的水位高差值，将后期水位高差值与初始水位高差值进行比较得到监测点的变形量，判断监测点是发生了沉降或是发生了隆起。

2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，水位检测装置包括作为配重块的砼预制件，砼预制件的底部包括多根向下伸出的钢筋，作为插入河床中固定水位检测装置的金属支架；砼预制件的顶部包括绑扎固定水位计的金属支架，金属支架连接钢缆用于水位检测装置的点位布设和回收。

3.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，水位检测装置的通信模块通过通信线缆与岸上对应的数据采集终端连接，数据采集终端与控制中心无线通信连接，向控制中心发送数据；通信线缆与钢索绑扎在一起，每隔设定的距离用扎带绑扎，并绑扎重块，沉入水底。

4.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，在监测点的上游和下游的河床上各埋设一个水位检测装置作为基准点；监测点的变形量h为：h＝((Δh1-Δh01)+(Δh2-Δh02))/2；其中，Δh1为监测点与第一基准点的后期水位高差值，Δh01为监测点与第一基准点的初始水位高差值；Δh2为监测点与第二基准点的后期水位高差值，Δh02为监测点与第二基准点的初始水位高差值。

5.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，在步骤101中，沿沿隧道走向，按设定的间隔布置复数个所述的监测点，在监测点的上游和/或下游施工影响范围外的河床上埋设水位检测装置作为基准点，基准点与监测点之间布置水文流速仪。

6.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于，某监测点a的累计沉降量通过下式得到：

ΔH_a＝(H_a-H_基)-H_a0

其中，ΔH_a：监测点a的水位变化量，即监测点a的沉降量；H_a0：监测点a的初始水位差；H_基：考虑流速将基准点时刻与监测点时刻同步后的基准点水位值；H_a：监测点a的水位值。

7.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于，基准点时刻与监测点时刻同步后的基准点水位值H_基通过下式得到：

H_基＝H_基1+(H_基2-H_基1)*(t_基-t_基1)/(t_基2-t_基1)

其中，H_基1：同测段开始采集数据时基准点瞬时水位值；H_基2：同测段结束采集数据时基准点瞬时水位值；t_基：基准点的时间基准；t_基1：同测段基准点起始采集数据时刻；t_基2：同测段基准点结束采集数据时刻。

8.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于，监测点a的水位值H_a通过下式得到：

H_a＝H_a1+(H_a2-H_a1)*(t-t_a1)/(t_a2-t_a1)

其中H_a1：监测点a在同测段采集数据开始时的瞬时水位值；H_a2：监测点a在同测段采集数据结束时的瞬时水位值；t_a1：监测点a的同测段采集数据起始时刻；t_a2：监测点a的同测段采集数据结束时刻。

9.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于，基准点的时间基准t_基通过下式得到：

t_基＝t-Δt

上式中，监测点的时间基准t＝t1_max+(t2_min-t1_max)/2

其中，t1_max为同测段中监测点最迟开始采集的时刻；t2_min为同测段中监测点最早结束采集的时刻；

时间差

上式中，s为基准点与监测点间的距离，单位米；v：水文流速仪测到的水流速度，单位米/秒。

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