一种衬砌外水压力的监测方法与流程

本发明涉及隧道衬砌外水压力监测领域，尤其是涉及一种衬砌外水压力的监测方法。

背景技术：

在现有的隧道衬砌外水压力监测方案(中国专利cn201920168328.2)中，隧道渗压计安装主要通过隧道施工期预埋渗压计的方法，基本步骤如下：

(1)预埋渗压计安装管道：隧道仰拱衬砌施工之前，预埋渗压计u型安装管道，管道一端与衬砌背后的纵向盲管连通，中部位于排水边沟及电缆槽下方另一端高出仰拱衬砌，然后依次浇筑仰拱衬砌混凝土和仰拱填充混凝土，实现管道预埋；

(2)安装渗压计：渗压计带有一体设置的六棱角螺帽和外螺纹，六棱角螺帽中空，内部安装渗压计其余各部件，安装管道伸出仰拱的一端设置有和渗压计外螺纹相匹配的内螺纹，螺帽和管道之间设置密封垫圈，安装时，先向管道中注水直至管道内水位与管道口平齐，再通过螺纹将渗压计拧到预埋的管道中；

(3)连接采集仪：将渗压计与安装在隧道内的采集仪相互连接，将所检测到的水压信号传递至采集仪。

现有方法的主要缺点在于：渗压计安装管道在施工期仰拱浇筑之前预埋，延误隧道施工工期，增加施工成本；而在隧道设计与施工过程中，无法预测隧道运营期可能面临的各种状况，预埋方法具有局限性，仅能监测预先设定的个别监测点的外水压力，无法根据运营期隧道结构安全状态分析的需要，灵活布置监测点。而常规运营期钻孔监测的方法会影响隧道衬砌承载力和隧道防水性能，对隧道运营安全产生不利影响。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种衬砌外水压力的监测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种衬砌外水压力的监测方法，用以监测运营期隧道衬砌外水压力，该方法包括以下步骤：

1)根据运营隧道渗漏水情况以及施工期的地下水分布情况，确定水压力监测区域和断面；

2)确定水压力数值较大的位置、测点布设位置以及光纤光栅渗压计装置的尺寸；

3)采用钻孔装置在测点布设位置处钻孔，根据衬砌厚度与钻杆尺寸，控制钻头没入到衬砌外部的岩土体中；

4)安装光纤光栅渗压计装置，并将渗压计光纤引线与采集仪连接，当采集到的外水压力值稳定后，记录外水压力值，完成衬砌外水压力的监测。

所述的步骤2)具体为：

利用全站仪、激光扫描仪或收敛计检测隧道变形，并与隧道运营初期的变形数据进行对比，通过反分析方法确定衬砌背后水压力分布特征和数值大小，初步确定水压力数值较大的位置，通过建立数值模型，考虑钻孔尺寸与各钻孔位置对监测断面衬砌结构承载力的影响，同时考虑开孔和渗压计装置安装便捷性，确定对监测断面衬砌结构承载力无影响且安装方便的测点布设位置以及光纤光栅渗压计装置的尺寸。

所述的步骤3)中，钻孔装置为可拆卸的两节式钻杆结构，包括钻头、第一钻杆和第二钻杆，所述的第一钻杆前端与钻头一体成型，尾端设有l型接头，并且通过齿轮结构接头与第二钻杆头部传动连接，所述的第一钻杆为中空结构，其内壁上开设用以安装光纤光栅渗压计装置的内螺纹，其外表面还开设有外螺纹，所述的第二钻杆为光滑的中空圆杆。

所述的第一钻杆前端开设小孔，并在小孔内填充第一透水石。

所述的步骤2)中，光纤光栅渗压计装置包括带有外螺纹的圆形中空螺杆、与螺杆尾部一体成型的圆形螺帽以及安装在螺杆内部的由光纤光栅和压力膜构成的光纤光栅渗压计，在螺杆内部的头端填充有与第一透水石接触的第二透水石，并在其余空隙处填充用以保护光纤光栅渗压计的柔性材料，所述的光纤光栅通过光纤引线穿过圆形螺帽的出线口引出，所述的螺杆外螺纹与第一钻杆的内螺纹相配合，所述的光纤光栅渗压计依次通过第二透水石和第一透水石与外部水环境连通。

所述的圆形螺帽与l型接头的接触处设有橡胶密封垫，用以避免注浆封孔时浆液渗入。

所述的步骤4)中，安装光纤光栅渗压计装置具体包括以下步骤：

41)将带有外螺纹和圆形螺帽的光纤光栅渗压计装置穿过第二钻杆，拧入第一钻杆中，使圆形螺帽与第一钻杆的l型接头紧密接触；

42)拆除第二钻杆，使钻头与第一钻杆留在钻孔内，并在钻孔内注射浆液，封堵钻孔，连接渗压计光纤引线与采集仪。

所述的步骤3)中，在打孔过程中，先将第一钻杆与钻孔机相连接，将第一钻杆钻入隧道衬砌内，在第一钻杆的尾端即将没入衬砌时，拆下钻孔机，将第二钻杆与第一钻杆的齿轮结构接头相连接，第二钻杆的尾端与钻孔机连接，继续向衬砌内部钻孔，根据衬砌厚度和钻杆长度，在确定钻头已经进入衬砌外部的岩土体中时，停止钻孔。

所述的安装光纤光栅渗压计的量程选择为反分析法推测的水压力数据的2～3倍。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明依据隧道变形数据，通过反分析方法得到外水压力的分布和数值大小，结合不同钻孔位置、尺寸对结构承载的影响分析，据此确定监测点的位置和钻孔大小、选择仪器量程，与现有技术相比，本发明能够监测到水压力较大的危险断面，监测点布设更合理、更有针对性，打破了现有方法对监测布点的局限性，有利于及时、全面了解隧道衬砌的外水压力分布状况，对富水断面及时采取应对措施，且不需预埋仪器，对施工工期无影响，降低施工成本。

二、采用分布式光纤光栅渗压计，可以对不同测点进行串联，减少采集仪布设数量，使外水压力监测设备安装更省时省力，数据采集更便捷。

三、通过分析衬砌变形监测数据，确定外水压力监测断面，通过数值模拟，确定监测断面的测点布设位置，不影响衬砌结构的承载性能。

四、本发明在渗压计装置内的空隙里填充柔性材料，对渗压计各部件进行保护，有效的延长了渗压计装置的寿命。

五、采用嵌套的两节式钻杆钻孔，将钻头和第一钻杆留在钻孔中，可与孔壁紧密接触，避免装置取出时对衬砌进一步破坏，引发封孔不严密，并且钻杆内带有内螺纹，渗压计安装更便捷，并且方便钻杆拆卸和监测设备安装。

六、渗压计装置与第一钻杆l型接头处设置有橡胶密封垫，渗压计安装完成后采用注浆封孔，不影响隧道的防水性能，并且密封垫阻挡了外部水通过渗压计装置渗漏到隧道内，又能阻止封孔注浆时浆液渗透到渗压计中，将渗压计与外部水环境隔离开，避免外水压力测量数值不准确。

七、渗压计量程为通过反分析法推测的水压力数据的2～3倍，监测精度更高。

附图说明

图1为钻孔装置的结构示意图。

图2为光纤光栅渗压计装置的结构示意图。

图3为光纤光栅渗压计装置的安装示意图。

图4为注浆封孔示意图。

图5为本发明的方法流程图。

图中标记说明：

101、钻头，102、第一钻杆，103、第二钻杆，104、内螺纹，105、第一透水石，106、齿轮结构接头，107、l型接头，201、圆形螺帽，202、螺杆，203、橡胶密封垫，204、光纤光栅，205、压力膜，206、光纤引线，207、第二透水石，208、柔性材料，301、浆液，302、衬砌表面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图5所示，本发明通过在运营期隧道衬砌内钻孔安装渗压计的方法，实现运营期隧道的外水压力监测，包括下列步骤：

1)利用人工或车载检测技术检测运营隧道渗漏水情况，并搜集施工期揭示的地下水分布资料，确定水压力监测区域和断面；

2)利用全站仪、激光扫描仪或收敛计等检测隧道变形，并与隧道运营初期的变形数据进行对比，通过反分析方法确定衬砌背后水压力分布特征和数值大小，初步确定水压力数值较大的位置，并按外水压力数据的2～3倍确定仪器量程；通过建立数值模型，考虑钻孔尺寸与不同钻孔位置(拱顶、拱腰、边墙、拱脚)对监测断面衬砌结构承载力的影响，同时考虑开孔和渗压计装置安装便捷性，确定对监测断面衬砌结构承载力无影响且安装方便的测点布设位置以及光纤光栅渗压计装置的尺寸；

3)通过包含钻头、第一钻杆、第二钻杆、钻孔机的钻孔设备，在布设点位置处钻孔，根据衬砌厚度与钻杆尺寸，控制钻头没入到衬砌外部的岩土体中；

4)将带有外螺纹和螺帽的渗压计装置穿过第二钻杆，拧到第一钻杆中，渗压计装置的螺帽与第一钻杆的l接头紧密接触；

5)拆除第二钻杆，钻头与第一钻杆留在钻孔中，在钻孔内注射浆液，封堵钻孔；

6)将渗压计光纤引线与采集仪连接，采集到的外水压力值稳定后，记录外水压力值。

在步骤3)中，钻头101和第一钻杆102为一体式结构，第一钻杆102靠近钻头的一端设置多个小孔，并填充第一透水石105，第一钻杆102另一端设置l型接头107，与第二钻杆103通过齿轮结构接头106连接，第一钻杆102为中空结构，带有内螺纹104和外螺纹，第二钻杆103为光滑的中空圆杆。钻头和钻杆结构形式如图1所示。

在步骤4)中，如图2所示，光纤光栅渗压计装置的外壳设置一体式圆形螺帽201和带外螺纹的螺杆202，圆形螺帽201与第一钻杆102的l型接头107相匹配，并且设置橡胶密封垫203，螺杆202的外螺纹与第一钻杆102的内螺纹104相匹配，圆形螺帽201及螺杆202设置为中空结构，用于安装光纤光栅渗压计的光纤光栅204、压力膜205和光纤引线206，螺杆端部填充第二透水石207，圆形螺帽201预留出线口，用于引出渗压计光纤引线206，螺杆202内的空隙填充用以保护光纤光栅渗压计各部件的柔性材料208。

光纤光栅渗压计装置与第一钻杆102在l型接头107处的位置连接如图3所示，光纤光栅渗压计装置的第二透水石207与第一钻杆内部的第一透水石105相接触，第一钻杆的l型接头与光纤光栅渗压计装置的螺帽相匹配，设计橡胶密封垫203，第一钻杆的内螺纹与光纤光栅渗压计装置螺杆的外螺纹相匹配。

步骤4)中，安装渗压计装置时，也可以将钻头、钻杆全部拆除后，直接将渗压计装置插到岩土体中，但是，由于渗压计传感器较灵敏，强制插入渗压计装置可能会对渗压计造成一定程度的破坏，影响渗压计的准确性和寿命，而且该种情况下，如果不设置橡胶密封垫止水，会对衬砌的防水性能产生不利影响。

在步骤5)中，注浆封孔的示意图如图4所示，光纤光栅渗压计装置安装完成后，拆除第二钻杆103，钻头101与第一钻杆102留在钻孔中，在第一钻杆102之后的位置注射浆液301，封堵钻孔至衬砌表面302，第一钻杆102的l型接头107与光纤光栅渗压计装置的圆形螺帽201相接触的位置处设置橡胶密封垫203，避免注浆封孔时浆液渗到光纤光栅渗压计仪器中将渗压计与水隔离开导致的监测数据不准确。

本发明采用了三重密封措施，具体包括：

(1)采用两节式钻杆钻孔，将钻头和第一节钻杆留在钻孔中，可与孔壁紧密接触，避免装置取出时对衬砌进一步破坏，引发封孔不严密，并且钻杆内带有内螺纹，渗压计安装更便捷；

(2)渗压计装置与第一节钻杆l型接头处设置有橡胶密封垫，即阻挡了外部水通过渗压计装置渗漏到隧道内，又能阻止封孔注浆时浆液渗透到渗压计中，将渗压计与外部水环境隔离开，引起的外水压力测量数值不准确；

(3)渗压计安装完成后，在第一节钻杆后方注射浆液封堵钻孔。

相比现有技术措施，本发明的三重密封措施更有效，不会影响隧道衬砌的防水性能。

综上，本发明提供的隧道衬砌外水压力监测方法，在隧道施工完成投入运营后，进行钻孔安装渗压计装置，对隧道工期不产生影响，有利于降低施工成本，并且可根据运营期外水压力监测的需要，灵活布置监测钻孔，采用小尺寸的分布式光纤光栅渗压计，减小打孔的尺寸，通过计算确定对隧道安全性不产生影响的安装位置，钻孔时采用带内螺纹的可分离式两节式钻杆，钻孔完成后将与钻杆内螺纹相匹配的带外螺纹及螺帽的渗压计安装装置将渗压计拧到钻杆内，其中，渗压计螺帽与钻杆间配，橡胶密封垫，在渗压计安装完成后，对钻孔进行注浆封堵，不影响隧道衬砌的防水性能。