一种顶管隧道的扰动施工监测方法
【专利摘要】本发明涉及一种顶管隧道的扰动施工监测方法，利用隧道远程监测系统对顶管施工过程中产生的扰动情况进行监测，包括：根据现场施工环境，选取区段进行自动化监测断面布设；布设分层水平位移测点、分层沉降测点、地下水位测点、孔隙水压力测点及土压力测点；从顶管施工距离监测断面100m到顶管出洞，选取同层面不同深度，分别对分层水平位移、分层沉降、地下水位、孔隙水压力及土压力进行监测；监测数据自动传输到远程数据库中，并通过数字化平台进行分析处理。与现有技术相比，本发明有利于工作者掌握顶管顶进施工过程中对周围建筑物及土体的扰动影响，及时了解施工中出现的问题，保证施工安全、有效的进行。
【专利说明】一种顶管隧道的扰动施工监测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及隧道远程自动化监测领域，尤其是涉及一种顶管隧道扰动施工的远程自动化监测方法。
【背景技术】
[0002]随着我国国民经济持续高速的发展，城市对用电的需求日益增加，在城市当中将修建越多的电力电缆隧道。城市中新建电力电缆隧道工程的一个特点是需要穿越大量的既有建(构)筑物。随着地下穿越工程的发展，电力隧道上穿和下穿既有结构的扰动影响越来越受到重视，特别是在城市繁华地段的隧道施工，对电力隧道地下穿越工程的规划、设计、施工进行全方面的研究，分析和解决在各个过程中出现的问题和难点，已成为隧道建设的迫切要求。
[0003]在地下工程领域，监控量测技术不仅对计算理论，而且对整个工程施工技术水平产生了巨大和深刻的影响。早在60年代初期，工程界就开展了以地下洞室开挖支护过程中，洞壁围岩收敛-位移量测为基础、以反分析为导向的新奥法隧道施工新技术的研究和实践，在公路、铁道、水利水电、煤炭、采矿等领域取得了成功。新奥法以局部的和实时的量测信息作为依据，通过力学分析计算确定结构和岩土介质的物理参数以及所满足的本构方程，以及地层初始地应力分布，在此基础上对全局的和后期的变形及受力进行预测和估算。来自施工现场的量测数据中包含了结构与土层、甚至施工影响等复杂因素，对于认识和把握地下结构这样特殊和复杂的工程的规律性是很必要的。同时，工程的顺利开展对现场量测的准确性和精确度提出更高的要求。在此意义上，现场量测已经远远超出原来一般工程勘察的涵义和覆盖范围，而成为工程设计和施工的一部分。
[0004]目前，隧道结构的计算理论仍很不完善，为了了解在施工过程中，隧道结构的受力情况和土体的应力和变形，测试与监控技术就显得十分重要。
[0005]远程网络监控技术，即通过有线或无线网络的传输方式，建立集中式的远程网络监控系统，实现通过Internet随时随地掌握各施工标段的施工状况以及地表沉降、地下管线、地下水、周边环境影响等监测状况。通过远程网络监控技术，可以实现不在施工现场就可以了解监测数据，从而根据监测数据及时掌握施工状况，做出应对措施。大多隧道工程穿越条件复杂，其问有很多地上地下建(构)筑物，尤其是近距离穿越地铁、高架和高层建筑等，施工难度较大，为了减小顶管穿越对临近建(构)筑物的扰动影响，准确及时地记录和掌握结构情况，确保隧道的正常和稳定，有必要在施工和运营期间对施工扰动情况进行实时的监测。
【发明内容】
[0006]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顶管隧道的扰动施工监测方法。
[0007]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:一种顶管隧道的扰动施工监测方法，利用隧道远程监测技术对顶管施工过程中产生的扰动情况进行监测，其特征在于，该方法包括以下步骤:
[0008]I)根据现场施工及环境概况，选取区段进行自动化监测断面布设；
[0009]2)布设分层水平位移测点、分层沉降测点、地下水位测点、孔隙水压力测点及土压力测点；
[0010]3)从顶管施工距离监测断面IOOm到顶管出洞，选取同层面不同深度，分别对分层水平位移、分层沉降、地下水位、孔隙水压力及土压力进行监测；
[0011]4)监测数据自动传输到远程数据库中，并通过数字化平台进行分析处理。
[0012]步骤2)所述的布设分层水平位移测点具体为:先将分层位移感应环套在塑料管夕卜，再将塑料管埋设在顶管轴线位置周围的土层中，并引出地表，通过分层位移感应装置读取深层位移。
[0013]步骤2)所述的布设孔隙水压力测点具体为:在顶管轴线位置周围的土层中埋设钢弦式水压力计，通过频率仪读数，然后利用水压力计参数得到孔隙水压力。
[0014]步骤2)所述的布设土压力测点具体为:在顶管轴线位置周围的土层中埋设钢弦式土压力计，通过频率仪读数，然后利用土压力计参数得到土层压力。
[0015]步骤3)所述的监测分层沉降具体为:先向下放分层沉降测试计的测试头，依次测试所有的分层沉降测点，然后将测试头向上提，再对所有的分层沉降测点进行测试，两次测试均以响声刚发生时刻的刻度为准，当响声快响的时候注意放慢测试速度，待响声一响立刻按下分层沉降测试计，读数并精确到毫米。
[0016]步骤3)所述的监测水位具体为:采用水位测试计对每个水位测点测量两次，在第一次测量之后将水位测试计的测试头往上提一段距离，然后再放下去进行测量。
[0017]与现有技术相比，本发明利用远程监测技术对隧道工程顶管区间段进行实时监控量测，对孔隙水压力、土压力、分层沉降、水平位移和水位进行了远程自动监测，有利于工作者掌握顶管顶进施工过程中对周围建筑物及土体的扰动影响，及时了解施工中出现的问题，保证施工安全、有效的进行。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1本发明的流程框图。
[0019]图2为本发明实施例电力隧道监测点布设的平面图。
[0020]图3为本发明实施例电力隧道监测点布设的剖面图。
[0021]图4为本发明实施例各深度土压力变化曲线图((a) 3.25米深度；(b)6.25米深度；(c) 9.25米深度；(d) 12.25米深度；(e) 15.25米深度)。
[0022]图5为本发明实施例各深度孔隙水压力变化曲线图((a) 3.25米深度；(b)6.25米深度；(c) 9.25米深度；(d) 12.25米深度；(e) 15.25米深度)。
[0023]图6为本发明实施例分层沉降曲线图((a) 1#测孔；(b) 6#测孔；(C) 7#测孔)。
[0024]图7为本发明实施例水平位移图((a) 6#垂直顶管方向水平位移；(b) 6#平行顶管方向水平位移)。
[0025]图8为本发明实施例地下水位变化曲线图。【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0027]如图1所示，一种顶管隧道的扰动施工监测方法，利用隧道远程监测技术对顶管施工过程中产生的扰动情况进行监测，其特征在于，该方法包括以下步骤:
[0028]I)根据现场施工及环境概况，选取区段进行自动化监测断面布设；
[0029]2)布设分层水平位移测点、分层沉降测点、地下水位测点、孔隙水压力测点及土压力测点；
[0030]3)从顶管施工距离监测断面IOOm到顶管出洞，选取同层面不同深度，分别对分层水平位移、分层沉降、地下水位、孔隙水压力及土压力进行监测；
[0031]4)监测数据自动传输到远程数据库中，并通过数字化平台进行分析处理。
[0032]如图2-3所示，本发明以上海世博电力隧道三标段顶管机施工为例，根据现场施工情况以及环境概况，选取12#?13#区间段进行自动化监测断面的布设，该断面距离13号工作井约145米，地面环境为一片小树林，共布设9个监测点。
[0033]实施例一:本实施例采用本发明一种顶管隧道的扰动施工监测方法，对土压力和孔隙水压力进行监测，并分别对3.25m、6.25m、9.25m、12.25m、15.25m五个深度的土压力和孔隙水压力变化曲线进行整理和分析。
[0034]如图4所示，土压力在顶管施工对各深度层面的影响有所不同。在顶管顶进阶段，土压力随顶管机接近，土体受到挤压各深度层面土压力不同程度的增加。其中T2-4测点最大日变化量达到7kPa，而T3-4测点由于顶管机头的背土效应，土体受到剪切挤压作用有所增加。各深度层面的土压力在泥浆套形成以及顶管进洞补浆阶段中，顶管埋深上部的测点(3.25米、6.25米深度)由于扰动后土体重塑而降低，低于埋深的测点(12.25米、15.25米深度)土压力有所增加，后期趋于稳定。而平行顶管埋深层面的测点挤压增大后基本维持在一个稳定值。
[0035]如图5所示，孔隙水压力变化和土压力变化趋势相似。其中3.25米深度测点在顶管通过后，孔隙水压力受挤压作用逐渐消散，基本回落到初始值。而平行隧道埋深的测点K2-4在顶管通过略微增长后基本维持在一个稳定值。底端测点K2-5在顶管经过时仅增加
2.5kPa，而随着泥浆套的不断形成以及后期注浆等的影响，孔隙水压力值出现了明显增加，增幅达到7kPa。
[0036]根据顶管顶进全过程的水土压力实测数据的变化情况，选取房屋为参考对象，将超大直径顶管顶进施工按不同的扰动特性变化规律划分为以下五个阶段:
[0037](I)顶管顶进前期SI
[0038]顶管在出洞到达房屋保护区域前，土层在房屋荷载以及初始地应力的长期作用下，达到了平衡状态，地层应力、应变均处于稳定状态。
[0039](2)顶进阶段S2
[0040]该阶段为顶管施工扰动的主要阶段，包括顶管接近、顶管通过以及机头脱离三个基本影响过程。在顶管机头切削面临近建筑物，由于土仓压力一般均大于开挖面土压，土体受到挤压作用，土体应力增加，并出现超孔隙水压力，较为显著的如图4 (b)、图5 (b)，曲线明显出现峰值。顶管通过时，顶管机头不可避免的带动周围土体特别是顶部以及底部土体移动，形成背土效应，地层不断受到扰动。顶管机头脱出时，机头上方土体在注浆来不及填充支承条件下，发生卸载和松动，且松动范围内的水土压力有所下降、地表变形日变化量达到最大，地面发生沉降变形的一大部分均源于此。其中水土压力曲线尤其是顶管上部的
6.25m深度测点由于处在扰动影响最大的区域内，曲线达到峰值后均有所回落。
[0041](3)泥浆套形成阶段S3
[0042]随着泥浆的不断注入以及新的泥浆套不断和原有泥浆套的聚合，延缓并阻止了上部土体的塌陷和松动扩散，扰动后的土体逐渐趋于稳定。而底部挤密土体在自身平衡恢复过程中，变化较为缓慢。影响最为显著的如图4 (c)、图5 (c)，水土压力达到峰值来不及消散而继续维持在较大值。
[0043](4)顶管进洞后补浆阶段S4
[0044]由于顶进阶段的泥浆套主要有水、CMC以及膨润土组成。随着顶管进洞，短期内泥浆套逐渐稳定并开始固化，体积缩小容易引起地层再次沉降，因此必须采取二次或三次补浆，才能确保工后土体不会再次出现较大沉降。部分浆液也将不断填充到土体孔隙中，不断改良周围土性，开挖界限处也将产生泥浆-土混合物，同时该部分土的加入使得原位的水土压力均有所上升，如图4(e)、图5(e)曲线后半段。
[0045](5)长期固结阶段S5
[0046]该阶段主要是受扰动以及注浆影响的泥浆-土混合物不断固结和调整。土层也将在长期作用下逐渐恢复平衡，时间将持续几个月甚至几年。
[0047]实施例二:本实施例对编号为处的分层沉降测点进行监测，并分别对不同深度处的沉降随着不同时间顶管推进的关系曲线进行整理和分析。
[0048]如图6所示，负的分层沉降值代表沉降，正的分层沉降值代表隆起。从图中可以看出，不同深度处的分层沉降在顶管施工过程中是随时间不断发生变化的。总体而言，在顶管推进过程中，不同土层的位移表现为先隆起，后沉降。这个现象可以从理论上作如下解释:顶管靠近测点时，除了推进时正面压力导致前期的地层隆起以外，盾壳与土体之间的摩擦力也是导致地层隆起的重要因素之一。由于上海地区软粘土的强度低、灵敏度高，工程特性很差，土体在顶管推进扰动后自立性很差，必然粘附在顶管壁士，因而产生较大的摩擦力，导致地层隆起。随着机头的向前推进，远离测点，该点逐渐由隆起变为沉降，并且随着顶管的顶进沉降逐渐变大。这主要是因为管壁与土体的摩擦带走了部分土体，造成土体损失所致。
[0049]从不同深度处的沉降值来看，位于12.25m深度处的沉降值改变最为明显，因为此深度最为靠近顶管的顶进埋深，故对土体的扰动影响最大。从沿着顶管轴线的垂直剖面方向来看，在离轴线4m处的6#测孔，土层扰动很明显，土层沉降值最大可达到4cm，而对离轴线9m处的7#测孔而言，扰动的影响已经非常微弱，施工扰动产生的最大沉降值远小于lcm，由此可以认为，顶管对垂直轴线方向的影响在9米左右的范围内，9米以外影响较小。
[0050]实施例三:本实施例对6#测孔处垂直顶管方向水平位移和平行顶管方向水平位移进行监测，并分别对不同深度处的水平位移随着不同时间顶管推进的关系曲线进行整理和分析。
[0051]如图7(a)所示，开挖面前方的土体受顶管的挤压作用发生水平向和竖直向的移动，随顶管的接近，垂直顶管方向水平位移逐渐增大。顶管轴线埋深为10.5m，监测孔深14m，随深度增加水平位移也增大，从图中可以看到，8月17日的水平位移达到最大值6mm，发生在深度最大处。当顶管通过监测断面后，水平位移开始减小，甚至发生向顶管一侧的位移，随着泥浆套的发挥作用，水平位移趋于稳定，只是出现小的波动。
[0052]如图7(b)所示，顶管轴线方向水平位移变化情况复杂，受多种因素的共同影响。顶管施工接近监测断面时，开挖面的挤压作用引起前方土体水平位移增加，8月18日达到最大值4_，顶管机头通过断面后，水平位移减小，此时顶管刚通过断面，管道推进带动周围土体向前移动，机头后面管道周围的土体受剪切力还较小，后续土体的移动会产生挤压，管道周围的空隙会引起土体向管节移动，同时刀盘的切削、震动、超(欠)挖等也会引起土体水平位移的变化。
[0053]实施例四:本实施例对编号为处的地下水位测点进行监测，并分别对水位随着不同时间顶管推进的关系曲线进行整理和分析。
[0054]如图8所示，随顶管机头的接近，刀盘的震动、切削、搅拌等作用引起土体中的一部分水和气体发生流动而被排出，同时泥浆中的水分渗入周围土体中，引起地下水位升高。顶管机头通过监测断面后，土体受剪切作用扰动较大，一部分水份由于渗流作用进入土体孔隙中，地下水位下降，同时土体的固结使得超孔隙水压力消散，地下水位上升。在这两种因素影响下，地下水位出现波动，整体变化不大。
【权利要求】
1.一种顶管隧道的扰动施工监测方法，利用隧道远程监测技术对顶管施工过程中产生的扰动情况进行监测，其特征在于，该方法包括以下步骤: 1)根据现场施工及环境概况，选取区段进行自动化监测断面布设； 2)布设分层水平位移测点、分层沉降测点、地下水位测点、孔隙水压力测点及土压力测占.3)从顶管施工距离监测断面IOOm到顶管出洞，选取同层面不同深度，分别对分层水平位移、分层沉降、地下水位、孔隙水压力及土压力进行监测； 4)监测数据自动传输到远程数据库中，并通过数字化平台进行分析处理。
2.根据权利要求1所述的一种顶管隧道的扰动施工监测方法，其特征在于，步骤2)所述的布设分层水平位移测点具体为:先将分层位移感应环套在塑料管外，再将塑料管埋设在顶管轴线位置周围的土层中，并引出地表，通过分层位移感应装置读取深层位移。
3.根据权利要求1所述的一种顶管隧道的扰动施工监测方法，其特征在于，步骤2)所述的布设孔隙水压力测点具体为:在顶管轴线位置周围的土层中埋设钢弦式水压力计，通过频率仪读数，然后利用水压力计参数得到孔隙水压力。
4.根据权利要求1所述的一种顶管隧道的扰动施工监测方法，其特征在于，步骤2)所述的布设土压力测点具体为:在顶管轴线位置周围的土层中埋设钢弦式土压力计，通过频率仪读数，然后利用土压力计参数得到土层压力。
5.根据权利要求1所述的一种顶管隧道的扰动施工监测方法，其特征在于，步骤3)所述的监测分层沉降具体为:先向下放分层沉降测试计的测试头，依次测试所有的分层沉降测点，然后将测试头向上提，再对所有的分层沉降测点进行测试，两次测试均以响声刚发生时刻的刻度为准，当响声快响的时候注意放慢测试速度，待响声一响立刻按下分层沉降测试计，读数并精确到毫米。
6.根据权利要求1所述的一种顶管隧道的扰动施工监测方法，其特征在于，步骤3)所述的监测水位具体为:采用水位测试计对每个水位测点测量两次，在第一次测量之后将水位测试计的测试头往上提一段距离，然后再放下去进行测量。
【文档编号】G01D21/02GK103471648SQ201310365796
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年8月21日 优先权日:2013年8月21日
【发明者】陆小龙, 杨文威, 何真珍 申请人:国家电网公司, 国网上海市电力公司