一种大直径顶管施工中始发井变形监测装置及方法与流程

本发明属于地下管道工程，具体为一种大直径顶管施工中始发井变形监测装置及方法。

背景技术：

1、现有的顶管工程，一般都采用始发井+接收井的方式进行施工，即在顶管轴线的一定位置上，设置一口一定深度的顶管始发井，并在另一方设置一口接收井，从始发井出发顶进至接收井后，将顶管机头取出，即可完成整个地下工程的施工。根据gb 50268-2008《给水排水管道工程施工及验收规范》、cecs 246-2008《给水排水工程顶管技术规程》等现有的技术标准要求，顶管施工过程中，需要对顶管施工引起的地面沉降和地面建筑物的沉降、位移和损坏进行监测。如cecs 246-2008《给水排水工程顶管技术规程》的规定为：

2、1、施工监测的范围应包括地面以上和地面以下两部分。地面以上应监测地面沉降和地面建筑物的沉降、位移和损坏。地面以下应监测在顶管扰动范围内的地下构筑物、各种地下管线的沉降、水平位移及漏水、漏气。

3、2、施工监测的重点应放在邻近建筑物（构筑物）、堤岸及可能引起严重后果的地下管线及其他重要设施。

4、3、在设置监测点时，应避开各种可能对其产生影响的因素，以确保不被损坏。

5、4、观察裂缝应记录地面和结构裂缝的生产时间、裂缝的长度及宽度发展情况。

6、5、所有监测点必须在顶管施工开始前进行埋设、布置。

7、6、观测点应定时测定，测定数据应保持连续、真实、可靠。

8、关于顶管的监测，中铁二十局集团第一工程有限公司提出了“综合管廊大断面矩形顶管施工受力监测体系”（zl 2018 2 1025731），该专利公开了一种综合管廊大断面矩形顶管施工受力监测体系，包括受力监控系统和安装在对综合管廊进行顶管施工的矩形顶管管节上的多个土压监测装置，多个土压监测装置沿矩形顶管管节的长度方向由前至后进行布设；每个土压监测装置均包括多个布设于矩形顶管管节的同一个横断面上的可调式土压力检测装置，可调式土压力检测装置包括外基座、同轴套装在外基座内且能进行上下移动的内基座和安装在内基座内的土压力计。能对大断面矩形顶管管节受力进行监测。

9、专利号为zl 2020 1 1450153的技术，提出了“一种综合管廊大断面矩形顶管施工受力监测体系”，该发明公开了一种综合管廊大断面矩形顶管施工受力监测体系，涉及顶管施工技术领域，包括矩形顶管管节、压力检测机构、气压控制机构，所述矩形顶管管节的内部设置有矩形舱，所述气压控制机构位于矩形舱内部，所述矩形顶管管节的顶端设置有压缩舱。本发明实现土压力计的上下升降运动，并可有效保护土压力计。

10、根据现有的工程经验，并检索公开发表的文献、专利及专著等，对于始发井受力及变形的监测，则未有专门的监测技术方案和监测体系。

11、对于顶管始发井的监测，目前工程上仍只针对井施工过程中，即将其作为一种地下工程或者是基坑工程，根据gb 50497-2019《建筑基坑工程监测技术标准》的要求，开展基坑工程的应测项目的监测。当基坑内的内衬墙浇筑完成后，则不再进行监测。尤其是顶管施工过程中，几乎不再考虑对井结构的受力进行监测。

12、参考某dn3000顶管始发井的监测方案，其布置主要考虑井施工的过程需求，监测的主要是井周边的土体、地下水和周边地层的变形，对于井体结构则未能涉及。

13、图1、图2分别是采用沉井法施工和采用明挖顺作法施工的顶管始发井监测方案的平面布置图，从图上可以看出，井的监测主要是围护桩或者周边土体的安全。此外，也未涉及顶管顶进施工过程的监测。

14、对于顶管顶进过程的安全，则多通过cecs 137 2015《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》第6.3.6条的规定，通过静力平衡的方式来计算确定。

15、现有的顶管始发井的监测，注重的是井施工对周边环境的影响，包括了邻近土体的变形、地下水位的变化乃至井周围护桩的变形等。

16、对于大口径顶管，其管道周长较长，随着顶进区间的增大，常常会超过顶管后座墙及其后背土体所能提供的最大抗力，目前工程上常见的顶力多超过了20000kn，常常后座墙的土体稳定所能提供的抗力成为了制约长距离、大口径顶管施工作业的控制因素。

17、考虑到土体的离散型，同时在大顶力的反复加载、卸载作用下，顶管后座墙土体的强度可能小于勘察阶段原状土的物理力学性能，进而造成井结构超载或者后座土体的变形超过设计允许值而造成的结构使用状态超限，影响大口径顶管工程的科学使用。

18、另一方面，采用现有的基坑监测技术，在顶管顶进施工阶段对始发井进行监测，仍然存在一定的不足，如无法确知作用在后座墙上的反力大小、无法反映顶管顶进过程、止退下管过程、重新加载过程的土体变形。

19、地下工程施工过程应采用动态设计的方法，即通过现场监测反馈土体及地下建构筑物工程在施工过程中的实际状态，来反馈指导施工。在大口径顶管中，对于始发井开挖作业施工、管道顶进施工都做到了动态设计，但唯独在顶管施工过程中，对始发井及其周边土体的状态监测成为一个盲区，使得工程建设存在安全隐患。

20、所以，大直径的顶管多具有顶进距离长、管周与土体接触面积大、顶管机迎面面积大等特点，与现有的管网工程顶管相比，存在以下几个问题：

21、（1）大直径顶管在顶进的过程中，其克服顶管机迎面阻力和管周侧摩阻力的顶进力往往较大，顶力作用下的井后座土体存在失稳的可能。

22、（2）顶进施工过程往后座墙土体加载，当下管节时，则千斤顶回收，顶管始发井后座墙的土体存在循环加载、卸载，使得即使在不发生土体失稳，也存在土体强度降低，进而造成后座土体变形过大的问题。

23、（3）目前的顶管施工工艺中，考虑了顶管井施工过程、顶管顶进过程的地面沉降和隧道内的收敛监测，唯独缺乏顶管顶进施工过程中，对顶管始发井结构及其后座土体的监测体系，在工程建设的过程中存在安全盲区。

技术实现思路

1、本发明克服了现有技术的不足，提出一种大直径顶管施工中始发井变形监测装置及方法，针对现有大口径顶管顶进施工对周边环境影响存在的盲区，在顶管顶进施工过程中，监测顶管始发井结构及其后座墙土体的变形。

2、为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。

3、一种大直径顶管施工中始发井变形监测装置，顶管始发井内设置的用于推进顶管管节的千斤顶上连接有压力监测装置，用于监测千斤顶的压力，进而得到在施工过程中顶管管节上作用的总顶力；

4、在顶管始发井顶部布置多个监测点，在所述监测点布置位移监测装置，用于在施工过程中监测顶管始发井墙顶多点处的x方向、y方向的水平位移；

5、在始发井后座土体内且紧贴顶管始发井井外壁设置深层土体位移监测孔，在深层土体位移监测孔内设置位移监测装置，来实时监测施工过程中工井后座土体的变形；

6、在始发井后座土体内设置后座孔隙水压力监测孔，后座孔隙水压力监测孔内布置压力检测装置，用于监测始发井后座土体内的水压力。

7、进一步的，在顶管始发井顶部布置八个监测点，八个监测点分别位于井口的四个顶角处以及井口四个边的中心处。

8、更进一步，每个监测点的一侧设置有沉降观测点。

9、进一步的，共设置有三个深层土体位移监测孔，三个深层土体位移监测孔的分别设置在井壁中心和井的两侧壁边缘对应的位置。

10、更进一步，深层土体位移监测孔的底部超过工井支护结构的下端。

11、进一步的，在顶管始发井后的影响范围内并位于始发井后座土体内设置1～2个后座孔隙水压力监测孔。

12、基于一种大直径顶管施工中始发井变形监测装置的始发井变形监测方法，包括对在施工过程中对顶进力的监测、工井前后侧墙体变形监测、工井后座土体变形监测、地下孔隙水压力监测；

13、所述的顶进力的监测：实时记录顶管始发井内千斤顶油缸的压力，得到顶管顶进施工的顶力；

14、所述的工井前后侧墙体变形监测：在施工过程中监测各个监测点的水平位移和沉降情况，即监测点处的x方向、y方向的位移；

15、所述的工井后座土体变形监测：测量深层土体位移监测孔的位置处的工井后座土体的变形，通过在施工过程中不同阶段的测量，来确定始发井后座土体的水平变形量的大小和深层土体变形规律；

16、所述的地下孔隙水压力监测：检测后座孔隙水压力监测孔内的水压力，用于监测后座内的水压力。

17、优选的，采用光纤测量方式，来监测顶管施工过程中后座土体的实时变形情况，进而推导始发井的受力状态。

18、本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：

19、（1）本发明监测顶管顶进施工过程中井结构受力、变形及其始发井后座墙土体的变形，适用于大口径顶管始发井在施工过程中的监控，填补了现有工程技术领域的空白。

20、（2）本发明通过顶进力的监测、工井前后侧墙体变形监测、工井后座土体变形监测、地下孔隙水压力监测四个部分进行系统的监测；且都基于现有的工程条件，不增加过多的设备和监测难度。

21、（3）本发明监测数据用于评估工井整体变形、工井后座土体的变形、孔隙水压力的变化等方面，准确度高。