地下管線變形的間接監測技術
焦永強
【摘要】本文結合工程實際，介紹了打樁施工期間間接測量地下管線變形的監測技術。重點分析了沉降監測的精度及配合使用孔隙水壓力監測的預警效果。
關鍵詞：間接監測 變形 側向位移 孔隙水
一、引言
隨著城市建設的迅猛發展，各類大型、超高層的建（構）筑物越建越多，埋設在城區地下的各類管線也大大增加。在加載預壓、沉樁、強夯、降低地下水位等建（構）筑物的基礎施工期都會對周圍環境及地形產生一定的影響，從而會影響到地下管線的安全。特別是那些天然氣（或煤氣）管、水管及通訊光纜管等，一旦因變形受到破壞，常常會造成較為嚴重的后果。為確保地下管線的運行安全及施工的順利進行，在進行城市改（擴）建工程施工中必須對施工區附近的埋設管線進行變形監測， 特別要加強對天然氣（或煤氣）管、水管及通訊光纜管等的監測，以有效指導施工、控制施工速度，確保施工及管線的正常運轉，避免事故的發生。傳統的監測方法是采用開挖布點，直接對地下管線進行沉降位移觀測，也就是常說的直接測量法。然而在實際施工中絕大部份區域是沒有開挖條件的，有的施工區域即使有開挖條件，但也很難一次性較為準確地找到所要布設測點的管線；同時，制作窨井式標志周期長、費用大。因而采用直接監測的方法較難實施。
總結我們多次進行管線及建筑變形觀測的經驗，我們對地下管線的監測提出了一種間接監測（不用開挖地面埋測點）的方法。同時，為能提高管線監測工作的預警效果，我們對地下管線附近的土體進行了孔隙水壓力的觀測，通過對孔隙水壓力監測及沉降位移監測的雙重控制與預警，收到了較好的監測效果。
二、管線變形的間接監測技術
2.1 常規測量方法
測點的布設：采用直接開挖地面的方式，找出埋設在地下需要監測的管線，清除其周圍土體后利用鋼箍將觀測標志固定在管道上，然后制作窨井式測量標志作為直接監測的對象。
測量方法：水平位移采用邊角法進行測量；沉降采用幾何水準的測量的方式進行。
主要特點：測量點的布設所需要的空間大、時間長，成本高，作業不是很方便，不能滿足較密布設測點的要求；其測量成果的直觀性強。
2.2 間接測量法
間接測量方法不直接測量管線的變形，而是通過監測其周圍土體的沉降位移情況間接反映管線的變形。
監測手段：側向位移監測、幾何水準測量、孔隙水壓力測量。
在大型建（構）筑物的地基施工中，地下埋設管線多是單方向受拉（或受壓）如圖1所示，
圖1 管線側向受力示意圖
橫向作用力P通過推擠地下管線一側的土體（如為深基坑開挖施工，管線表現為受拉），使地下埋設管線橫向受剪切力作用。由于沿管軸線方向產生位移（縱向位移）的可能性非常小，因而它對管線造成的變形影響可忽略不計。我們主要考慮的是垂直于管軸線方向的位移：水平方向的側向位移和垂直方向的下沉或隆起。
沉降位移測點的布設：間接測量法不直接在受測管線上布點，而是根據現場施工的實際情況及地下管線的分布情況，將測點布設在地下管線的內側土體中（距離管線約2-5m的范圍內），如圖1中的AB視準線附近。通過監測土體的側向位移及沉降（或隆起）而達到對管線監測的目的。
側向位移監測方法：多采用測小角法進行；當視準線不長時，可采用活動覘牌法直接讀取偏移值。
側向位移觀測的精度推算：
對于測小角法與活動牌覘牌法，在對觀測點采用相同觀測次數時，兩者具有相同的精度估算式，此處僅對測小角法進行討論，如圖2所示，測點偏離視準線的偏移值為Li。則有：
Li=aiρ·Si ……………………………………………………………………………(1)
其中：Si為測量基點A到觀測點Mi的距離， ai為測點與觀測基點連線
與視準線之間的夾角，以秒為單位。
圖2 測小角法示意圖
Li為測點偏離視準線的距離，即側向位移量，ρ″=206265″。
對（1）式進行全微分，則得側向位移觀測中誤差為：
mLi2=1ρ2?SI2?mai2+1ρai2mSi2.…………………………………………………… .(2)
由于測距精度很容易達到，因而相對于測小角的精度來說， (2)式中的后一項可忽略不計。則側向位移的觀測中誤差可寫為：
mLi=maiρ.Si.………….…….………………………………………………………(3)
由于在側向位移觀測中多采用強制對中設備，因而在采用相同設備，相同人員操作時，對中誤差已不在是位移觀測的主要誤差來源。同時，由于小角度的測量只需利用經緯儀的測微器即可測定，因而其測量誤差的主要來源是經緯儀的照準誤差（mv），此時小角度觀測一測回中誤差ma就等于mv，而mv=60''v(v為望遠鏡放大倍數)。
因此，當小角度觀測采用測回法時，則（3）式可變為：
mLi=mvρn.Si=60''ρvn.Si………. …………………………………………………….(4)
其中n為小角ai的測回數。
沉降觀測按二、三等水準測量要求采用幾何水準測量方法進行。為提高測量精度，便于不同觀測頻次的測量成果相比較，水準路線一般全布設為閉合環線，水準環線閉合差要求不超過±0.3n～±1.0nmm。
孔隙水壓力觀測：孔隙水的測定是反映土體應力變化的有效手段。通過對孔隙水的測定，可以比較迅速的反映出土體的受擠壓情況，可達到及時預警的效果?？紫端畨毫τ嬕话惴謱勇裨O，各層測點間距4～5m，即分別在距離地面5m、10m、15m的地層段埋設。有鉆孔埋設式、壓入式和填埋式等埋設手段，由于采用鉆孔式埋設的孔隙水壓力計的測量效果較好，不易破壞，因而比較常用。
間接測量技術的主要特點：測點的布設靈活性大，埋設簡單、方便。同時，測設精度較高，預警效果顯著。
三、應用實例
物貿大廈是一幢21層的高層建筑。該大廈的基礎采用樁基礎，打樁區東西長約88 m，南北寬約68m。打樁區距2#路中心約25m，距1#路中心大約30m，共打500×500mm鋼筋混凝土預制樁309套，其中JZHB-350-13，13，13，7-C型樁共272套，入土深度45m；JZHB-15，16-C共37套，入土深度30m?？偱磐亮考s3300m3。
主要監測對象是埋設在1#、2#路下的煤氣管及上水管。
報警值為：日位移(沉降)增量不超過±3 mm，沉降累積增量不超過±20mm，側向位移累積增量不超過±15mm?？紫端畨毫缶担嚎紫端畨毫鄯e值不超過40Kpa。
3.1 測點的布設
1）測點平面布置圖（見圖3所示）
圖3 測點布置示意圖
2）測點的埋設
觀測基點埋設：在距離打樁區45m 以外的地方布設觀測基點，將Φ50×3000mm鋼管打入土中，其中露出地面約1200mm并澆筑混凝土做為觀測墩，中間埋設強制對中螺絲；共設立兩條基準線B1～B2、B3～B4（如圖3所示）。
沉降位移觀測點的埋設：分別在B1、 B3觀測基點上架設經緯儀，分別瞄準B2、 B4 點，然后沿視準線布設M1～M7各測點。用Φ20×1200mm的螺紋鋼筋打入管線內側的施工區土中，然后在鋼筋頭上焊接強制對中接頭，各測點的點位偏離視準線不超過200mm。1#路側的基準線以B3為測站點，定向點為B4點，B3～B4點間的基準線長約160m，其中*遠點M5距基點B3約100m；2#路側的基準線以B1為測站點，定向點為B2點，B1～B2點間的基準線長約180m，其中*遠點M4距基點B3約120m。
孔隙水壓力觀測點的埋設：采用鉆孔埋設法，利用鉆機在視準線內側鉆6個孔（如圖3所示），每孔各埋三個孔隙水壓力傳感器探頭，分別位于地面以下5m、10m、15m。其中3#、6#孔距離地下埋設的煤氣管線分別為8m，6m。
3.2 測點監測
沉降位移及孔隙水的觀測周期為每天觀測一次。
①側向位移觀測
用J2經緯儀按測小角法進行，其中小角觀測兩測回。
②沉降觀測
沉觀測采用S1型（Ni004型）水準儀進行，利用水平位移監測點的金屬標頭作為立尺點，采用閉合水準路線按二級沉降觀測的限測量。水準路線總長約400 m，共設10個測站。其限差±1.0nmm≈±2.8mm。
③孔隙水壓力測量
每天用數字式鋼弦測頻儀（型號：SS-2）進行頻率測量定，然后根據各個孔隙水壓力探頭的標定曲線求出相應的孔隙水壓力強度（KPa）。
3.3監測成果
3.3.1側向位移監測量
1#路側向位移及沉降位移
側向位移**的點為M5點，**的位移量為-7mm；
沉降位移**的點也為M5點，**隆起為10mm；
2#路側向位移及沉降位移
由于打樁區距離2#路較近，且后期打樁全集中于2#路一側，因而2#路邊測點的變化較大；
側向位移**點為M1點，**位移量為-13mm；
沉降觀測點中，M4點的變化**，**隆起為15mm。
圖4 管線監測點沉降位移曲線圖
3.3.2 孔隙水壓力成果
從連續觀測的結果來看：
隨著打樁量的增加，孔隙水壓力也隨之上升；如停打，孔隙水壓力有所回落；離打樁區愈近，孔隙水壓力變化愈明顯。埋設深度不同的三個探頭所測設的孔隙水壓力變化表現為：埋設深度在-15m的孔隙水壓力傳感器所測的水壓力變化規律性較強；-10m的傳感器的次之；-5m的孔隙水壓力傳感器受地面樁機移動及地面破壞的影響，其測量值沒有明顯的規律性。
3號孔和6號孔距地下管線*近，因而*能反映管線的變形情況。其中埋設在地下15m處的傳感器220#、356#，在整個打樁期間其變化的規律性很強，其孔隙水壓力變化曲線見圖5所示。
圖5 孔隙水壓力變化曲線圖
3.4 測量精度及預警
3.4.1 測量精度
A、側向位移測設精度：
根據設點及觀測順序，由于M4距離測站點*遠。由（4）式知，側向位移觀測*弱點觀測精度分別為：
M4點： ml5=60''×120000206265×30×2 =0.8mm。
B、垂直位移觀測精度
由于觀測路線不長，水準環線閉合差都不超過2mm（假設為2mm），則每測站高差中數中誤差mw=±1Nwwn≈±0.8mm，其每km高差全中誤差為±1.7mm。
C、孔隙水壓力測量精度
鋼弦測頻儀的測設精度為1HZ，通過率定曲線可讀至0.5KPa。
3.4.2 預警
本次管線監測工作共進行了42天，對比孔隙水壓力變化曲線及位移變化曲線可以看出：兩者的變化趨勢非常一致，測點的變化主要集中在打樁施工的中后期，其中8月6～10日、22～26日是兩次快速變化期。由于孔隙水壓力計距離打樁區比位移觀測點要近，它所反映的土層變化趨勢比位移觀測成果所反映的變化趨勢要提前1～2天，與每天的打樁數及總打樁量比較吻合。
在位移及孔隙水壓力發生急速變化的階段，根據曲線走勢，通知打樁人員分三次間段性地停打、低速打的方法，有效地阻止了土體的擴散速度，確保了地下管線在施工過程中的變化量始終的報警線內變化，達到了較好的預警效果。
四、結束語
地下管線的間接測量法可以代替原有的管線直接測量方法。它在點位埋設、測設精度及預警效果方面具有較為明顯的優勢，是一種經濟、可靠、實用的地下管線監測技術。
參考文獻
[1]《建筑變形測量規程》JGJ/T 8-97，中國建筑工業出版社，1998；
[2] 李青岳·工程測量學·測繪出版社，1992；
[3] 《巖土工程勘察規范》DBJ08-39-94，上海市建設委員會，1996；
