大跨度天然气管道横穿深基坑条件下管道测量及监测技术研究.docx
《大跨度天然气管道横穿深基坑条件下管道测量及监测技术研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大跨度天然气管道横穿深基坑条件下管道测量及监测技术研究.docx（19页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
大跨度天然气管道横穿深基坑条件下管道测量及监测技术研究
大跨度天然气管道横穿深基坑条件下管道保护及基坑施工技术研究
施工测量、监测与分析研究报告
中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司
二零一三年十月
1前言
目前多个城市进行地铁施工，地下工程方兴未艾，而城市建设中地下存在繁杂的管网，这些管道许多由于多种原因无法进行改迁，管网的存在必然影响地下工程施工，导致许多地下工程无法实施或者改项，给工程施工造成极大的困难。
同时，管道的存在对地下工程施工存在极大的安全隐患，尤其是深基坑工程中，不采取有效安全的保护方案，会导致严重的安全事故。
武汉地铁4号线六标工业四路车站南侧，距车站中心线约20m存在一已经使用的高压天然气管道，管道直径711mm，沿车站方向与车站1、2号出入口及1、2号风亭等附属工程垂直相交，管线横跨车站附属工程三处，最大跨度在1号风亭与2号出入口合建的基坑上方，管道最大悬空跨度43m，2号风亭上方净跨度为29.7m；在1号出入口段上方净跨度为6m。
车站范围内管线埋深约3.5m（管顶标高东端18.251m，西端17.969m）。
基坑采用钻孔灌注桩加桩间止水的围护结构形式，土层为淤泥质地层。
基坑开挖后管道悬空变形控制要求高，管道已经运营使用，一旦出现问题，社会负面影响大。
2编制依据和编制原则
2.1编制依据
1《武汉轨道交通四号线工程详细勘察岩土工程勘察报告》；
2《武汉轨道交通四号线六标工业四路站附属围护结构施工图》；
3工业四路站南侧天然气管线保护方案讨论会会议纪要；
4《地下铁道，轻轨交通工程测量规范》（GB50308-1999）；
5《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）；
6《钢结构设计规范》（GB50017-2003）；
7《建筑变形测量规范》（JGJ8-2007）；
8《城市轨道交通工程测量规范》GB50308-2008；
9《建筑基坑工程监测技术规范》GB50497-2009；
10《工程测量规范》GB50026-2007
其它国家及湖北省、武汉市有关规范、规程和规定
2.2编制原则
2.2.1按监测方案在现场布设监测点，考虑管道的安全情况，在燃气管道基坑一侧距离管道5米处埋设观测点。
2.2.2地表测点的布置既要考虑反映地表的变形，又要便于采用仪器观测，还要有利于测点的保护。
2.2.3各类监测点埋置时要在时间和空间上有机结合，力求同一监测位置可以反映不同的物理变化，以便找出内在联系和变化规律。
2.2.4监测点的埋置应提前一定时间，以便早进行初始数据的量测。
2.2.5测点在施工中一旦破坏，应尽快在原来位置或者靠近原位置补设监测点，以保证该测点数据的连续性。
3监测频率及要求
3.1大跨度天然气管道横穿基坑施工监测频率
项目
次数
备注
燃气管道沉降
基坑开挖前每天1次。
坑开挖时每天2次（数据变化大时加强监测次数）。
主体结构完后每2-3天1次
燃气管道水平位移
基坑开挖前每天1次。
坑开挖时每天2次（数据变化大时加强监测次数）。
主体结构完后每2-3天1次
地表沉降
开挖和底板施工中，1次/天；变形异常时2～3次/天；底板施工完7天后，逐渐减少频率至3～7天/次，趋于稳定后10～15天/次至稳定时止。
水平位移监测（测斜）
开挖和底板施工中，1次/天；变形异常时2～3次/天；底板施工完7天后，逐渐减少频率至3～7天/次，趋于稳定后10～15天/次至稳定时止。
支撑钢筋应力监测
开挖初期，1次/天；开挖至基底、倒撑或变形异常时2～3次/天，观测至拆除时止。
3.2数据筛选原则与方法
原则：
测量人员要保证数据的真实、准确。
数据采集过程中严格按照方案实施执行。
在筛选过程中本着认真、负责的态度。
方法：
数据采集后进行筛选，按照监测的不同项目，将不同的监测资料汇总分页装订。
交由指定人统一管理。
3.3数据分析原则
采集数据后及时整理、对照、分析。
发现不符或超过控制标准的严格检查。
如不能确定，现场实际测量。
若变化超出允许值，及时通知监理，项目经理，采取果断措施处理。
数据分析后将原始资料及时归档并做电子档一份。
备案及方便领导的检查审阅。
3.4监测控制标准和预警值
表6-1监测的控制指标
序号
量测项目
确定依据
控制值
1
管线水平位移
《建筑基坑工程监测技术规范》GB50497-2009
10mm，1mm/d
2
管线沉降
《建筑基坑工程监测技术规范》GB50497-2009
10mm，1mm/d
3
深层水平位移（测斜）
《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120－99）
《建筑基坑工程监测技术规范》GB50497-2009
20mm，3mm/d
4
支撑钢筋应力
设计计算确定
设计允许值80%
5
地表沉降
《建筑基坑工程监测技术规范》GB50497-2009
15mm,3mm/d
4监测过程管理
在信息化施工中，监测后应及时对各种监测数据进行整理分析，判断监测对象的稳定性，并及时反馈到施工中去指导施工。
根据以往经验以《铁路隧道喷锚构筑法技术规则》（TBJ108-92）的Ⅲ级管理制度作为监测管理方式，如表4-1所示。
表4-1监测管理表
管理等级
管理位移
施工状态
Ⅲ
U0＜Un/3
可正常施工
Ⅱ
Un/3≤U0≤2Un/3
应注意，并加强监测
Ⅰ
U0＞2Un/3
应采取加强支护等措施
注：
U0—实测位移值；Un—允许位移值；Un的取值，即监测控制标准。
根据上述监测管理基准选择监测频率：
在Ⅲ级阶段监测频率适当放大；在Ⅱ级阶段适当加密监测频率；在Ⅰ级阶则必须增加监测频率。
监测管理程序见下图4-1：
图4-1监测管理程序图
5大跨度天然气管道保护方案
我公司委托武汉市政工程设计研究院有限责任公司设计该处天然气管道保护措施：
采用三跨钢桁架，分别对3个基坑上的天然气管道，进行悬挂与支撑的方法。
在地下通道开挖前，在1号基坑（42米跨）以外，基坑支护桩外两边各1.4米处，布置钢桁架支座承台，主跨长44.80米，钢桁架主体3.00*1.20米双架，采用悬挂槽钢梁支撑天然气管道。
2号基坑（30米跨用32.5米钢桁架），同1号基坑布置。
3号基坑（6米跨）采用8.8米长单排钢桁架。
在主跨支座在天然气管道两侧，基坑两端各布置4个800mm钻孔灌注桩基础。
采用钻孔灌注桩，桩径800mm，桩长约16.5m（在施工基坑支护桩时同步进行）。
1、2号基坑桩上浇注长4.80*宽1.10*厚1.00米的承台。
3号基坑两端各布置和一个长3.92*宽1.10*厚0.80米的承台。
三副钢桁架作为主要受力杆件，安装于桩承台上。
1、2号基坑钢桁架在天然气管道下面，按间距2.2米，用槽钢梁连接。
槽钢梁上设可调顶撑杆和水平支撑，支撑点和吊点分别沿纵向长度方向，按间距2.20至2.49米设置。
所有支撑点与管道的接触处均采用10mm厚橡胶垫缓冲保护。
钢桁架支撑及吊杆的所有连接，均采用高强螺栓连接。
（参见插图5-1）
图5-1管道固定横断面示意图
钢桁架保护支撑安装完成后，即可提供地下通道的施工作业面。
6大跨度天然气管道横穿基坑施工监测规划
6.1监测目的
6.1.1通过监测可以了解支护结构内部及周边土体的实际变形和应力分布，用于验证设计方案与实际情况的吻合程度，并根据变形和应力分布情况来调整设计和施工，为施工提供有价值的指导性意见。
为甲方提供可靠的数据和信息，同时综合各方信息进行预警和报警，提出合理可行的施工建议，使有关各方有时间作出及时有效反应，保障工程和周边环境安全。
6.1.2以信息化施工、动态管理为目的，通过监控量测了解施工方法和施工手段的科学性和合理性，以便及时调整施工方法，保证施工安全。
6.1.3根据监测对象的重要性确定监测规模和内容、监测项目和测点布置，较全面地反映实际工作状态。
6.1.4为确保提供可靠、连续的监测资料，各监测项目间相互校验，以利数值计算、故障分析和状态研究。
6.1.5当基坑或者隧道开挖时，对于管线的沉降和水平位移必须进行监测，随时掌握其变形情况，防止管线断裂，同时根据监测数据指导施工或对管线采取有效的保护措施等。
6.2监测方案
根据武汉轨道交通4号线一期工程土建六标工业四路站附属结构施工方法，在施工时做了以下监测：
1垂直位移监测
2水平位移监测
对基坑段天然气管线主要共做了八个断面（每5米一断面）。
对基坑周边燃气管线地表点采用0.2H、0.5H、1.5H（H为基坑深度）的原则进行布点。
基坑周边共布设六个断面（垂直位移监测点）。
6.3监测点的埋设
6.3.1、管道地表沉降监测采用100型钻机钻入管道上方约500mm后，保证燃气管道的安全采用洛阳铲挖至燃气管道上方，将直径30mm的PVC管垂直插入孔中，再将直径12mm的钢筋插入PVC管中（钢筋及PVC管应底于地面10-20mm），在PVC管中用黄沙填充，在PVC管外侧用土回填夯实，见下图所示。
图4-1地表点管线监测点布点示意图
6.3.2、对于裸露出地面管线，将钢筋标志用机械或其它合适的方法固定在管道保护架上，另一端垂直向上至地面，钢筋标志顶部磨成凸球面并高出1-2cm（共布设5个监测点）。
6.3.3、水平位移点位在燃气管道侧方布设反射棱镜，位置与垂直位移监测点位相对应（共布设5个监测点）。
所布设的监测点在旁边用红色油漆标注点号，点号需与平面布置图中点号一一对应。
图6-2管线监测点布置平面图
6.4监测方法
沉降（垂直位移监测）观测选用精密水准仪配合铟钢尺测量，仪器标准精度小于±0.4mm/km。
在观测前对所用的水准仪和水准尺按照有关规定进行检定，在使用过程中不得随意更换。
根据《工程测量规范》GB50026-2007、《建筑变形测量规范》JGJ8-2007等有关规范的要求，结合本工程的相关要求，采用二等水准测量，观测点测站高程中误差≤0.5mm。
水准观测具体要求如下：
表4-1二等水准观测要求一览表
要求项目
基辅分划读数差
基辅分划读数较差
往返较差及附合或环线闭合差
具体观测时，视线长度
前后视距差
前后视距累积差
视线高度（下丝读数）
具体要求
≤0.4mm
≤0.3mm
≤0.3√nmm（n为测站数）
≤50m
≤1.0m
≤3.0m
≥0.3m
为了保证变形观测成果的可靠性，必须定期或不定期的对基准网进行复测。
控制网复测周期根据控制点稳定情况和变形观测的精度需要来确定。
建设期将对基准点和基准网进行联测和校对（建网初期一月一次三个月后一季度一次），建网初期可根据现场情况酌情增加观测次数确保基准点的稳定可靠。
水平位移的观测方法很多，可以根据现场情况和工程要求灵活应用。
本工程采用小角度法和极坐标法结合进行监测。
（1）极坐标法
使用极坐标法直接在工作基点上观测变形点到测站的距离和该方向与某一基准方向的夹角，直接计算变形点的坐标。
通过坐标变化量来反映监测点的位移量。
（2）小角法
该方法适用于观测点零乱、不在同一直线上的情况，如下图5-3所示。
在离基坑2倍开挖深度距离的地方，选设测站A，若测站至观测点T的距离为S，则在不小于2S的范围之外，选设后方向点A’。
用经纬仪/全站仪观测β角，一般测2测回（根据仪器设备精度等级作调整），并测量测站点A到观测点T的距离。
为保证β角初始值的正确性，要2次测定。
以后每次测定β角的变化量，按下式计算观测点T的位移量：
式中：
Δβ——β角的变化量（”）；
ρ——换算常数，ρ=3600*180/π=206265；
S——测站至观测点的距离（mm）。
如按β角测定中误差为±2”，S为100m，则位移中误差约为±1mm。
6.5监测数据分析
现场量测数据处理，即及时绘制位移—时间曲线散点图，位移（u）—时间（t）关系曲线的时间横坐标下应注明掘进工作面距离量测断面的距离。
将现场量测数据绘制成u—t时态曲线散点图和空间关系曲线。
6.5.1当位移—时间关系趋于平缓时，进行数据处理和回归分析，以推算最终位移和掌握位移变化规律；
6.5.2当位移—时间关系曲线出现反弯点时，则表明地层和支护已呈不稳定状态，此时应密切监视地层动态，并加强支护，必要时应立即暂停开挖，采取停工加固并进行支护处理；
6.5.3根据位移—时间曲线的形态来判断地层稳定性的标准岩体变形曲线分三个区段。
1基本稳定区段：
主要标志是变形速率不断下降，即d2u/d2t＜0，为一次蠕变区，表示地层趋于稳定，其支护结构是安全的；
2过渡区段：
变形速率较长时间保持不变，即即d2u/d2t=0，为二次蠕变区，应发出警告，及时调整施工程序，加强支护系统的刚度和强度；
3破坏区段：
变形速率逐渐增加，即d2u/d2t＞0，为三次蠕变区，曲线出现反弯点，表示地层已达到危险状态，必须立即停工加固。
地层稳定性判别标准比较复杂，在评定地层稳定程度时根据工程的具体情况，采用上述三种标准综合分析法，反馈于设计与施工应用。
6.6管线沉降、水平位移监测
图6-3基坑开挖前燃气管线沉降、位移观测曲线图
图6-4基坑开挖至基底时燃气管线沉降、位移观测曲线图
图6-5主体结构顶板封顶时燃气管线沉降、位移观测曲线图
由图6-4中可以看出，在基坑开挖时，管线沉降点及位移点略有些变化，当基坑开挖至底时沉降点及管线位移变化量最大，随着主体结构的施工，管线沉降及管线位移逐渐变小，证明在基坑开挖及主体结构施工中对燃气管道沉降及位移影响较小。
7基坑施工监测规划
7.1监测方案
根据车站附属结构基坑施工方法，在基坑开挖以及主体结构施工中做了以下监测：
序号
监测项目
监测对象
监测布点
1
地表沉降监测
地表
共计布点21个，详见监测布点图
2
水平位移监测
地下墙
根据底下墙的受力情况，共计布点7个点位
3
混凝土支撑监测
混凝土支撑应力监测
每道支撑布点6个，两道支撑共计布点12个
7.2地表沉降监测
沉降监测细则适用于地表、支护顶部、支撑立柱、底部隆起、构筑物等。
沉降监测是地下工程监测中最重要的监测项目之一。
地下工程开挖后，地层原始应力状况发生变化，周围土体力学形态的变化造成地表、构筑物沉降，土方开挖卸荷与支撑自身荷载工作作用下支撑立柱产生变形。
地表沉降可以反映基坑降水、开挖和结构施工过程中周围土体和结构变形的全过程
7.2.1沉降监测点的布置和埋设
沉降监测所布设的监测点分为基准点和变形监测点两种类型。
（1）沉降基准点
监测控制网高程系统采用施工高程系统，高程控制网布设原则如下：
a、所布设控制点组成控制网，观测点与所联测的控制点组成扩展网；b、控制网与扩展网应布设为闭合环、节点网附合高程路线；c、每一测区的水准基点不应少于三个；d、水准基点选用施工控制点；e、标志应达到稳定后方可进行初始值的观测，稳定期不少于15天。
本工程采用的引测基准点点号和高程由甲方提供。
图7-1沉降基准点埋设
（2）沉降监测点
布设原则：
a、变形监测点应设在变形体上能反映变形特征的位置；b、点位应稳固，点位应避开障碍物，便于观测和长期保存；c、变形监测点布设的位置以能够准确全面反映沉降特征和便于分析，同时要求布设的监测点能够突出反映地表或结构控制部位的变形情况；d、各类标志的立尺部位应加工成半球型或有明显的突出点，并涂上防腐剂。
监测点布置与埋设：
①地表沉降监测点：
地表观测的标志，可根据不同的地表结构类型和结构材料，采用钻孔式（见图5-2）。
构筑物沉降监测点：
a、构筑物沉降观测的标志，根据围墙的构筑结构类型和建筑材料，采用墙（柱）标志，打设膨胀螺丝；b、标志的埋设应避开有碍埋设标与观测的障碍物，并应视立尺需要离开墙（柱）面和地面一定距离；
图7-2地表沉降监测点埋设（钻孔式）
7.2.2沉降监测作业、计算
（1）沉降观测遵循先控制后加密的原则，在观测前要检查维护监测控制网的可靠性。
沉降监测严格按照国家二等水准测量要求进行作业，在作业过程中采用相同的观测路线和观测方法，使用同一仪器，并尽量长期固定司镜人员。
（2）沉降计算方法如下：
本次沉降=本次高程-上次高程
累积沉降=上次累积沉降+本次沉降
当日沉降量绝对值大于1mm（包括1mm）时，则认为沉降监测点发生了变形或存在变形趋势；当累计沉降量绝对值大于2mm（包括2mm）时，则认为沉降监测点发生了沉降变形
（3）填写沉降变形表格，绘制时间沉降变形曲线，进行变形分析。
图7-3地表沉降监测曲线图（单位：
mm）
从图7-3中可知，在基坑开挖后对周边地表有一定的影响，地表沉降逐渐增大，随着主体结构的施工，地表沉降量逐渐稳定，从基坑开挖至主体结构施工的监测数据分析，沉降量较小，不影响基坑开挖及主体结构的施工。
7.3基坑测斜监测
测斜监测方法适用于支护结构变形、土体深层位移。
桩体或土体的深层位移监测，一般通过活动式测斜仪进行。
在需要进行测斜监测的部位埋设与活动式测斜仪配套的测斜管，测斜管内部有两对互成90°的导向滑槽。
把测斜仪的一组导向轮沿测斜管导向滑槽放入管中，一直滑到管底，每隔一定距离（500mm）向上拉线（标有刻度的信号线）读数。
由于测斜仪能反应出测管与重力线之间的倾角，因而能测出测斜仪所在位置测管的倾斜度为θi，换算成该位置测斜仪上下导轮间（或分段长度）的位置偏差△d=Lsinθi（L为量测点的分段长度），自下而上相加可知各点处的水平位置d=∑Lsinθi。
如图7-4所示。
图7-4深层位移（测斜）示意图
7.3.1测斜管的布置和埋设
a.采用测斜仪在埋设于围护结构内的测斜管内进行测试。
测点宜选在变形大（或危险）的典型位置。
b.测斜管底宜与围护桩底部持平，管顶高出基准面150～200mm，在测斜管管口段用混凝土墩子固定，保证管口段转角的稳定性。
c.测斜管的上下管间应对接良好，无缝隙，接头处牢固固定、密封。
d.测斜管绑扎时应调正方向，使管内的一对测槽垂直于测量面（即平行于位移方向）。
e.封好底部和顶部，保持测斜管得干净、通畅和平直。
f.测斜管的埋设应该固定在工字钢或者钢筋笼上，并随之一起埋设。
g.做好清晰的标示和可靠的保护措施。
h.对于已经施工围护结构情况，如需要采用钻孔埋设的方法，参照土体侧向变形测斜管埋设要求实施。
7.3.2测斜的方法、步骤
（1）仪器连接；
（2）仪器检查；（3）测量：
1）将测头导轮卡置在预埋测斜导管的滑槽内，轻轻将测头放入测斜导管中，放松电缆使测头滑止孔底，记下深度标志。
当触及孔底时，应避免过分冲击。
将测头在孔底停置约5分钟，使测斜仪与管内温度基本一致。
2）将测头拉起至最近深度标志作为测读起点，每0.5m测读一个数，利用电缆标志测读测头至测斜管顶端为止。
每次测读时都应将电缆对准标志并拉紧，以防止读数不稳。
3）将测头调转180°重新放入测斜导管中，将测头滑到孔底，重复上述步骤在相同的深度标志测读，以保证测量精度。
通常采用正反测量的目的是为了提高精度，导轮在正反向滑槽内的读数将抵消或减小传感器的零偏和轴对称所造成的误差。
5.3.3记录与计算
测斜仪直接自动记录测试数据，导入计算机后用专用软件生成深层位移曲线，直接输出报表。
计算时根据情况采用底部约束计算，顶部约束计算校核调整。
图7-5测斜监测曲线图（单位：
mm）
从图7-5可知，在基坑开挖前至基坑开挖后墙体深层位移数据变化较大，随着主体结构的施工墙体深层位移逐渐恢复，但两者影响较小，不影响基坑的开挖以及主体结构的施工。
7.4支撑轴力监测
支护结构的支撑体系根据支撑构件材料的不同可分为钢筋混凝土支撑和钢支撑两大类。
这两类支撑在进行支撑轴力监测时，应根据各自的受力特点和构件的构造情况，选取适当的测试变量，埋设与测试变量相应的钢弦式传感器进行变量测试。
混凝土支撑构件一般选择钢筋应力计进行测试，钢支撑轴力监测通过轴力计（亦称反力计）进行测试（特殊情况采用应变计）。
5.5.1监测目的
通过支撑轴力的监测掌握支护结构的支撑受力情况及趋势，判断其是否在设计允许和安全范围内。
图7-8支撑轴力监测曲线图（单位：
KN）
从图7-8可知，在及基坑开挖前至基坑开挖至基坑底支撑轴力变化较小，随着主体结构的施工，先行轴力监测数值逐渐变小，当主体结构施工至顶板时，受力基本恢复到原来的状态，不影响基坑的开挖以及主体结构的施工。
8结论
本次对大跨度天然气管道横穿基坑施工监测经过周密计划和精心组织，对监控量测工作进行了细致的安排，获得了大量的数据。
经上述分析，我们可以得出如下基本结论：
1本次监测过程中对地面燃气管道分类进行监测，根据燃气管道沉降变化规律，有效的指导了附属结构主体施工对大跨度燃气管道的控制，使得在后续的施工中对燃气管道沉降变化在可控范围之内，使得基坑施工中对大跨度横穿基坑取得了成功，管道横穿施工的经验值得参考。
2从各种监测数据来看，变化差异不大。
总体看来，基坑施工对大跨度天然气管道的影响较为明显。
加强对天然气管道加固保护可以有效地改善结果，使大直径天然气管道处于一个较为安全的范围内，确保车站的施工安全是可能的。
升级会员 