李 莉 李支彬

（1.安徽省勘查技術(shù)院，安徽 合肥 230031；2.天津市地質(zhì)工程勘察院，天津 300191）

0.引言

受基坑開挖、降水等施工影響，鄰近地下管線周圍土體，會發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致地下管線本身也發(fā)生不同程度沉降。在基坑開挖施工過程中需對鄰近周邊地下管線進(jìn)行沉降監(jiān)測，及時(shí)掌握基坑施工對管線沉降產(chǎn)生的影響，采取有效安全措施，確保施工中周邊管線的安全。

目前地下管線沉降監(jiān)測點(diǎn)通常有兩種布設(shè)方式：間接監(jiān)測點(diǎn)和直接監(jiān)測點(diǎn)。間接監(jiān)測點(diǎn)是在管線上方或側(cè)方通過鉆孔埋設(shè)鋼筋作為管線監(jiān)測點(diǎn)，但存在監(jiān)測數(shù)據(jù)不能完全反映管線沉降狀態(tài)的問題[1，2]；直接監(jiān)測點(diǎn)通過抱箍方式將監(jiān)測點(diǎn)直接與管線連接，但目前常規(guī)直接監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)方法在管線后期回填施工過程中常遭到破壞，成活率低，嚴(yán)重影響管線安全監(jiān)測質(zhì)量。

針對上述問題，研制了一種地下管線沉降監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)裝置（已申請實(shí)用新型專利[3）]。本文主要闡述地下管線沉降監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)與使用。

1.設(shè)計(jì)

地下管線沉降監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)（如圖1所示），包括監(jiān)測點(diǎn)預(yù)埋裝置、地表監(jiān)測連接桿，其中監(jiān)測點(diǎn)預(yù)埋裝置由抱箍、固定螺母、鎖緊銷軸組成，其特征在于：每片抱箍中間焊接固定1個(gè)螺母，螺母與地表監(jiān)測連接桿匹配，地表監(jiān)測連接桿螺緊在螺母內(nèi)，抱箍上有鎖緊銷軸，抱箍卡包在地下管線外表面，用鎖緊銷軸鎖緊。

圖1 地下管線沉降監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)

所述的地表監(jiān)測連接桿為鋼制材質(zhì)，一端帶有螺紋，并與監(jiān)測點(diǎn)預(yù)埋裝置上的螺母相匹配，另一端為光滑球面，便于放置水準(zhǔn)尺。

2.安裝

2.1 安裝步驟

在地下管線安裝結(jié)束、回填前，應(yīng)根據(jù)地下管線尺寸，安裝監(jiān)測點(diǎn)預(yù)埋裝置，并測得固定螺母坐標(biāo)和高程；地下管線覆土回填后，根據(jù)預(yù)埋裝置初始坐標(biāo)進(jìn)行測點(diǎn)放樣[4]，并測量放樣點(diǎn)的高程，計(jì)算出預(yù)埋件埋深；在放樣點(diǎn)位置處鉆孔，確認(rèn)監(jiān)測點(diǎn)預(yù)埋裝置，在預(yù)埋裝置固定螺母上安裝地表監(jiān)測連接桿。具體安裝步驟如下：

（1）在地下管線施工期間，將監(jiān)測點(diǎn)預(yù)埋裝置安置在地下管線上，用鎖緊銷軸鎖緊，使固定螺母位置朝上；

（2）采用全站儀坐標(biāo)法測量監(jiān)測點(diǎn)預(yù)埋裝置上的螺母位置坐標(biāo)及高程（XP1，YP1，HP1）；

（3）地下管線覆土回填后，根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)預(yù)埋裝置上螺母初始坐標(biāo)（XP1，YP1）進(jìn)行測點(diǎn)放樣，并測量放樣點(diǎn)坐標(biāo)（XP2，YP2，HP2），計(jì)算出預(yù)埋件埋深h＝HP2－HP1；

（4）以放樣點(diǎn)（XP2，YP2）為中心采用水鉆鉆孔，鉆孔直徑為0.13m、深度為h－0.1m，剩余0.1m經(jīng)過高壓水沖洗，確定監(jiān)測點(diǎn)預(yù)埋裝置；

（5）在監(jiān)測點(diǎn)預(yù)埋裝置螺母上連接地表監(jiān)測連接桿，地表監(jiān)測連接桿長度為h－0.05m，在鉆孔中放置外徑13cm的PVC護(hù)筒，護(hù)筒中回填細(xì)砂，深度為h－0.07m，隨后配套保護(hù)蓋，地表監(jiān)測連接桿頂部空間需滿足可放置水準(zhǔn)尺的標(biāo)準(zhǔn)，完成管線直接測點(diǎn)布設(shè)。

2.2 安裝精度分析

已知控制點(diǎn)A、B坐標(biāo)分別為（XA，YA）、（XB，YB），P（XP，YP）為放樣點(diǎn)（如圖2所示）。極坐標(biāo)法[5]測量P點(diǎn)流程為：

圖2 極坐標(biāo)法測量原理

（1）在控制點(diǎn)A架設(shè)全站儀，觀測AP與AB水平角β及AP兩點(diǎn)間平距；

（2）控制點(diǎn)AB坐標(biāo)方位角αAB為式（1）所示：

（3）推算AP的坐標(biāo)方位角αAP為式（2）所示：

（4）計(jì)算P點(diǎn)坐標(biāo)為式（3）、式（4）所示：

極坐標(biāo)測量（XP1，YP1）及放樣點(diǎn)坐標(biāo)（XP2，YP2）采用相同儀器及相同控制點(diǎn)A、B，同時(shí)固定人員觀測，故忽略控制點(diǎn)、儀器架設(shè)、人為觀測等誤差；誤差主要為測角誤差和測距誤差，根據(jù)誤差傳播定律，極坐標(biāo)法測量P點(diǎn)坐標(biāo)中誤差為式（5）所示：

式（5）中，mx、my分別為X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)中誤差；ma、mD分別為測角和測距中誤差。

測距誤差和測角誤差主要受儀器測量精度限制。通常狀況下，測距精度測量較穩(wěn)定，但在某些特殊情況下（強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、大霧等惡劣條件），測量精度受影響，因此，在觀測過程中應(yīng)選擇良好的期限和外部條件，目前使用較多儀器測距精度為2mm+2×10-6D。水平測角誤差受外界條件、儀器誤差和測量過程影響，是坐標(biāo)放樣的主要影響因素。外界條件影響包括大氣密度和大氣透明度對成像質(zhì)量影響、照準(zhǔn)目標(biāo)相位差，因此，應(yīng)選擇有利的觀測時(shí)間。測量過程誤差主要為照準(zhǔn)誤差。儀器誤差則包括水平度盤位移、照準(zhǔn)誤差等。因此，選擇合適的觀測時(shí)間、固定的技術(shù)人員、精度可靠的儀器設(shè)備，可有效提高測量放樣精度。以徠卡T02全站儀為例（測角精度2″、測距精度2mm+2×10-6D），按假設(shè)A、P兩點(diǎn)間距100m考慮，根據(jù)式（5）計(jì)算，極坐標(biāo)法放樣P點(diǎn)坐標(biāo)中誤差為4.45mm。

全站儀三角高程測量以其不受地形起伏影響、作業(yè)效率高等優(yōu)勢，在地形圖測繪、道路工程等測量項(xiàng)目中應(yīng)用廣泛。三角高程測量存在問題包括：受儀器豎直角精度影響較大；儀器高棱鏡高量取誤差對精度影響較大；觀測距離越長，受限于地球曲率、折光系數(shù)等影響，高程測量誤差越大。根據(jù)周明等[6]表明：常規(guī)條件下使用全站儀中間法測量時(shí)可以達(dá)到三、四等水準(zhǔn)測量的精度。

全站儀測量監(jiān)測點(diǎn)高程，反算管線監(jiān)測裝置預(yù)埋件埋深，用以確定鉆孔深度，固定全站儀架設(shè)位置，且不涉及轉(zhuǎn)站等影響高程測量精度的其他因素，高程精度僅受距離與豎直角觀測精度影響，完全能夠滿足四等水準(zhǔn)精度要求。為避免鉆孔過程中破壞管線，設(shè)置0.1m緩沖區(qū)，采用高壓水沖洗查找監(jiān)測點(diǎn)預(yù)埋裝置的方式，能充分保障監(jiān)測裝置安裝過程中管線安全。

由此可知：預(yù)埋裝置放樣測量定位誤差較小，對于鉆孔直徑0.13m而言，全站儀放樣測量精度完全能滿足安裝需要，預(yù)埋裝置定位成功與否主要與鉆孔垂直度、管線回填土土質(zhì)等情況有關(guān)。

3.工程案例分析

3.1 布設(shè)成活率

某市地鐵10號線一期工程，其建設(shè)規(guī)模21.22km，總投資220.68億元。南起梨園頭站，北至嶼東城站，途徑麗江道、珠江道、沙柳南路、沙柳北路、沙柳路，共設(shè)置21座車站，均為地下站。

以一期工程北段10個(gè)車站深基坑開挖鄰近管線監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)為例，其含2個(gè)三層換乘站及8個(gè)二層標(biāo)準(zhǔn)站，三層換乘站基坑深度達(dá)28.4m，二層標(biāo)準(zhǔn)站基坑深度達(dá)19.8m。

根據(jù)上述10個(gè)車站涉及遷改的燃?xì)狻崃敖o水管線布設(shè)的地下管線沉降監(jiān)測裝置安裝點(diǎn)位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：共布設(shè)地下管線沉降監(jiān)測裝置649個(gè)，成活正常使用個(gè)數(shù)為630個(gè)，安裝成活率為97.1%，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明該地下管線沉降監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)方法整體可行，成活率高（如表1所示）：

表1 地下管線沉降監(jiān)測裝置安裝數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.2 監(jiān)測效果

為驗(yàn)證檢測裝置使用效果，以10號線嶼東城站為例進(jìn)行分析。嶼東城站位于衛(wèi)國道與賀蘭路交口北側(cè)，車站主體呈南北走向，布置于賀蘭路下，與既有2號線嶼東城站換乘，為地下三層島式站臺車站。車站主體結(jié)構(gòu)長316.3m，標(biāo)準(zhǔn)段寬21.9m，深約26.7m，盾構(gòu)井寬26.5m，深約28.4m。車站主體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1m厚地下連續(xù)墻，標(biāo)準(zhǔn)段地連墻墻長51m（為截?cái)喑袎核?墻底5m范圍內(nèi)為素混凝土），從上至下采用5道支撐+2道倒撐，其中，第1、4道為混凝土支撐，其余3道與倒撐為鋼支撐；盾構(gòu)井連墻墻長51m，小里程盾構(gòu)井從上至下采用6道混凝土支撐+1道換撐；大里程盾構(gòu)井從上至下采用6道支撐+2道倒撐，其中第1、4、5道為混凝土支撐，其余3道與倒撐為鋼支撐。

嶼東城站涉及遷改管線主要包括：（1）天然氣管線，直徑300mm，鋼材質(zhì)，埋深1.19m，距基坑西側(cè)地連墻11.9m；（2）熱力管線，直徑400mm，鋼材質(zhì)，埋深1.67m，距基坑西側(cè)地連墻最近6.3m；（3）給水管線，直徑400mm，鑄鐵材質(zhì)，埋深1.08m，距基坑西側(cè)地連墻5.1m；（4）給水管線，直徑600mm，鑄鐵材質(zhì)，埋深1.08m，距基坑?xùn)|側(cè)地連墻13.1m；上述管線均為平行于基坑布置，基坑與鄰近管線位置關(guān)系（如圖3所示）：

圖3 嶼東城站基坑與鄰近管線位置關(guān)系

上述4條管線共布設(shè)沉降監(jiān)測裝置直接測點(diǎn)102個(gè)。選取具備條件的測點(diǎn)位置，同步布設(shè)同點(diǎn)位置的間接監(jiān)測點(diǎn)40個(gè)，其中，燃?xì)夤芫€15個(gè)、熱力管線10個(gè)、輸配管線15個(gè)?；娱_挖施工過程中，對監(jiān)測裝置102個(gè)直接測點(diǎn)及40個(gè)同點(diǎn)間接監(jiān)測點(diǎn)同步觀測，對貫穿基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、降水、開挖施工、結(jié)構(gòu)施工等全過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)累計(jì)值進(jìn)行對比統(tǒng)計(jì)分析（如表2所示）：

表2 同位置布設(shè)監(jiān)測裝置與間接監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)值對比 單位：mm

由表2監(jiān)測數(shù)據(jù)累計(jì)值對比分析可知：監(jiān)測裝置與間接監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)值差值為-20.7~26.5mm；其中，（-3mm，3mm）區(qū)間的測點(diǎn)19個(gè)，占比47.5%；差值小于-3mm的測點(diǎn)10個(gè)，占比25%；差值大于3mm的測點(diǎn)11個(gè)，占比27.5%；差值絕對值大于10mm的測點(diǎn)11個(gè)，占比27.5%；最大差值為燃?xì)夤芫€20#測點(diǎn)（26.5mm），遠(yuǎn)超控制值10mm。

累計(jì)值差值結(jié)合測點(diǎn)位置、距基坑距離及施工現(xiàn)場等因素分析，差值大小與測點(diǎn)距基坑距離無直接相關(guān)性且呈發(fā)散性，差值大小影響因素包括：管線管徑、管線切改回填質(zhì)量、降水、上部堆載情況、基坑開挖深度、管線距基坑距離等。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析可知：（1）受基坑開挖、降水等施工影響，鄰近基坑的管線變形與其周邊土體變形不完全同步；（2）監(jiān)測裝置為直接監(jiān)測點(diǎn)，能真實(shí)反映管線變形情況，為指導(dǎo)現(xiàn)場施工提供可靠數(shù)據(jù)；（3）間接監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)無法真實(shí)反映管線變形狀態(tài)，對管線現(xiàn)場變形情況誤判可能導(dǎo)致管道破壞等安全問題，建議減少管線間接測點(diǎn)的使用；（4）施工過程中，管線沉降變化情況除受基坑開挖土力卸載及降水等工況影響，還與上部臨時(shí)荷載、管線切改回填土密實(shí)情況、管線材質(zhì)強(qiáng)度等因素相關(guān)。

4.結(jié)束語

綜上所述，地下管線沉降監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)提供了一種施工切改管線沉降直接監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)思路，可為同類工程提供參考。其使用效果總結(jié)如下：

（1）地下管線沉降監(jiān)測裝置布設(shè)方式簡單、高效、成活率高，可有效降低直接監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)成本；

（2）監(jiān)測裝置能真實(shí)反映管線變形情況，可為指導(dǎo)現(xiàn)場施工、驗(yàn)證設(shè)計(jì)提供可靠數(shù)據(jù)支撐，為管線安全提供保障；

（3）通過對比驗(yàn)證，在基坑施工過程中，基坑鄰近管線變形與其周邊土體變形情況不一致，管線間接監(jiān)測點(diǎn)或鄰近地表監(jiān)測點(diǎn)不能代表管線變形情況；

（4）管線切改施工注重回填質(zhì)量，基坑開挖施工期間減少管線上方臨時(shí)堆載情況，可有效控制管線變形，有效保護(hù)管線運(yùn)營安全。