一种地下管线沉降监测装置的设计与使用

李 莉 李支彬

（1.安徽省勘查技术院，安徽 合肥 230031；2.天津市地质工程勘察院，天津 300191）

0.引言

受基坑开挖、降水等施工影响，邻近地下管线周围土体，会发生不均匀沉降，导致地下管线本身也发生不同程度沉降。在基坑开挖施工过程中需对邻近周边地下管线进行沉降监测，及时掌握基坑施工对管线沉降产生的影响，采取有效安全措施，确保施工中周边管线的安全。

目前地下管线沉降监测点通常有两种布设方式：间接监测点和直接监测点。间接监测点是在管线上方或侧方通过钻孔埋设钢筋作为管线监测点，但存在监测数据不能完全反映管线沉降状态的问题[1，2]；直接监测点通过抱箍方式将监测点直接与管线连接，但目前常规直接监测点布设方法在管线后期回填施工过程中常遭到破坏，成活率低，严重影响管线安全监测质量。

针对上述问题，研制了一种地下管线沉降监测点布设装置（已申请实用新型专利[3）]。本文主要阐述地下管线沉降监测装置的设计与使用。

1.设计

地下管线沉降监测装置设计（如图1所示），包括监测点预埋装置、地表监测连接杆，其中监测点预埋装置由抱箍、固定螺母、锁紧销轴组成，其特征在于：每片抱箍中间焊接固定1个螺母，螺母与地表监测连接杆匹配，地表监测连接杆螺紧在螺母内，抱箍上有锁紧销轴，抱箍卡包在地下管线外表面，用锁紧销轴锁紧。

图1 地下管线沉降监测装置设计

所述的地表监测连接杆为钢制材质，一端带有螺纹，并与监测点预埋装置上的螺母相匹配，另一端为光滑球面，便于放置水准尺。

2.安装

2.1 安装步骤

在地下管线安装结束、回填前，应根据地下管线尺寸，安装监测点预埋装置，并测得固定螺母坐标和高程；地下管线覆土回填后，根据预埋装置初始坐标进行测点放样[4]，并测量放样点的高程，计算出预埋件埋深；在放样点位置处钻孔，确认监测点预埋装置，在预埋装置固定螺母上安装地表监测连接杆。具体安装步骤如下：

（1）在地下管线施工期间，将监测点预埋装置安置在地下管线上，用锁紧销轴锁紧，使固定螺母位置朝上；

（2）采用全站仪坐标法测量监测点预埋装置上的螺母位置坐标及高程（XP1，YP1，HP1）；

（3）地下管线覆土回填后，根据监测点预埋装置上螺母初始坐标（XP1，YP1）进行测点放样，并测量放样点坐标（XP2，YP2，HP2），计算出预埋件埋深h＝HP2－HP1；

（4）以放样点（XP2，YP2）为中心采用水钻钻孔，钻孔直径为0.13m、深度为h－0.1m，剩余0.1m经过高压水冲洗，确定监测点预埋装置；

（5）在监测点预埋装置螺母上连接地表监测连接杆，地表监测连接杆长度为h－0.05m，在钻孔中放置外径13cm的PVC护筒，护筒中回填细砂，深度为h－0.07m，随后配套保护盖，地表监测连接杆顶部空间需满足可放置水准尺的标准，完成管线直接测点布设。

2.2 安装精度分析

已知控制点A、B坐标分别为（XA，YA）、（XB，YB），P（XP，YP）为放样点（如图2所示）。极坐标法[5]测量P点流程为：

图2 极坐标法测量原理

（1）在控制点A架设全站仪，观测AP与AB水平角β及AP两点间平距；

（2）控制点AB坐标方位角αAB为式（1）所示：

（3）推算AP的坐标方位角αAP为式（2）所示：

（4）计算P点坐标为式（3）、式（4）所示：

极坐标测量（XP1，YP1）及放样点坐标（XP2，YP2）采用相同仪器及相同控制点A、B，同时固定人员观测，故忽略控制点、仪器架设、人为观测等误差；误差主要为测角误差和测距误差，根据误差传播定律，极坐标法测量P点坐标中误差为式（5）所示：

式（5）中，mx、my分别为X坐标和Y坐标中误差；ma、mD分别为测角和测距中误差。

测距误差和测角误差主要受仪器测量精度限制。通常状况下，测距精度测量较稳定，但在某些特殊情况下（强磁、强辐射、大雾等恶劣条件），测量精度受影响，因此，在观测过程中应选择良好的期限和外部条件，目前使用较多仪器测距精度为2mm+2×10-6D。水平测角误差受外界条件、仪器误差和测量过程影响，是坐标放样的主要影响因素。外界条件影响包括大气密度和大气透明度对成像质量影响、照准目标相位差，因此，应选择有利的观测时间。测量过程误差主要为照准误差。仪器误差则包括水平度盘位移、照准误差等。因此，选择合适的观测时间、固定的技术人员、精度可靠的仪器设备，可有效提高测量放样精度。以徕卡T02全站仪为例（测角精度2″、测距精度2mm+2×10-6D），按假设A、P两点间距100m考虑，根据式（5）计算，极坐标法放样P点坐标中误差为4.45mm。

全站仪三角高程测量以其不受地形起伏影响、作业效率高等优势，在地形图测绘、道路工程等测量项目中应用广泛。三角高程测量存在问题包括：受仪器竖直角精度影响较大；仪器高棱镜高量取误差对精度影响较大；观测距离越长，受限于地球曲率、折光系数等影响，高程测量误差越大。根据周明等[6]表明：常规条件下使用全站仪中间法测量时可以达到三、四等水准测量的精度。

全站仪测量监测点高程，反算管线监测装置预埋件埋深，用以确定钻孔深度，固定全站仪架设位置，且不涉及转站等影响高程测量精度的其他因素，高程精度仅受距离与竖直角观测精度影响，完全能够满足四等水准精度要求。为避免钻孔过程中破坏管线，设置0.1m缓冲区，采用高压水冲洗查找监测点预埋装置的方式，能充分保障监测装置安装过程中管线安全。

由此可知：预埋装置放样测量定位误差较小，对于钻孔直径0.13m而言，全站仪放样测量精度完全能满足安装需要，预埋装置定位成功与否主要与钻孔垂直度、管线回填土土质等情况有关。

3.工程案例分析

3.1 布设成活率

某市地铁10号线一期工程，其建设规模21.22km，总投资220.68亿元。南起梨园头站，北至屿东城站，途径丽江道、珠江道、沙柳南路、沙柳北路、沙柳路，共设置21座车站，均为地下站。

以一期工程北段10个车站深基坑开挖邻近管线监测点布设为例，其含2个三层换乘站及8个二层标准站，三层换乘站基坑深度达28.4m，二层标准站基坑深度达19.8m。

根据上述10个车站涉及迁改的燃气、热力及给水管线布设的地下管线沉降监测装置安装点位进行统计：共布设地下管线沉降监测装置649个，成活正常使用个数为630个，安装成活率为97.1%，统计数据表明该地下管线沉降监测点布设方法整体可行，成活率高（如表1所示）：

表1 地下管线沉降监测装置安装数据统计

3.2 监测效果

为验证检测装置使用效果，以10号线屿东城站为例进行分析。屿东城站位于卫国道与贺兰路交口北侧，车站主体呈南北走向，布置于贺兰路下，与既有2号线屿东城站换乘，为地下三层岛式站台车站。车站主体结构长316.3m，标准段宽21.9m，深约26.7m，盾构井宽26.5m，深约28.4m。车站主体基坑围护结构采用1m厚地下连续墙，标准段地连墙墙长51m（为截断承压水,墙底5m范围内为素混凝土），从上至下采用5道支撑+2道倒撑，其中，第1、4道为混凝土支撑，其余3道与倒撑为钢支撑；盾构井连墙墙长51m，小里程盾构井从上至下采用6道混凝土支撑+1道换撑；大里程盾构井从上至下采用6道支撑+2道倒撑，其中第1、4、5道为混凝土支撑，其余3道与倒撑为钢支撑。

屿东城站涉及迁改管线主要包括：（1）天然气管线，直径300mm，钢材质，埋深1.19m，距基坑西侧地连墙11.9m；（2）热力管线，直径400mm，钢材质，埋深1.67m，距基坑西侧地连墙最近6.3m；（3）给水管线，直径400mm，铸铁材质，埋深1.08m，距基坑西侧地连墙5.1m；（4）给水管线，直径600mm，铸铁材质，埋深1.08m，距基坑东侧地连墙13.1m；上述管线均为平行于基坑布置，基坑与邻近管线位置关系（如图3所示）：

图3 屿东城站基坑与邻近管线位置关系

上述4条管线共布设沉降监测装置直接测点102个。选取具备条件的测点位置，同步布设同点位置的间接监测点40个，其中，燃气管线15个、热力管线10个、输配管线15个。基坑开挖施工过程中，对监测装置102个直接测点及40个同点间接监测点同步观测，对贯穿基坑围护结构施工、降水、开挖施工、结构施工等全过程的监测数据累计值进行对比统计分析（如表2所示）：

表2 同位置布设监测装置与间接监测点累计值对比 单位：mm

由表2监测数据累计值对比分析可知：监测装置与间接监测点累计值差值为-20.7~26.5mm；其中，（-3mm，3mm）区间的测点19个，占比47.5%；差值小于-3mm的测点10个，占比25%；差值大于3mm的测点11个，占比27.5%；差值绝对值大于10mm的测点11个，占比27.5%；最大差值为燃气管线20#测点（26.5mm），远超控制值10mm。

累计值差值结合测点位置、距基坑距离及施工现场等因素分析，差值大小与测点距基坑距离无直接相关性且呈发散性，差值大小影响因素包括：管线管径、管线切改回填质量、降水、上部堆载情况、基坑开挖深度、管线距基坑距离等。

根据统计结果分析可知：（1）受基坑开挖、降水等施工影响，邻近基坑的管线变形与其周边土体变形不完全同步；（2）监测装置为直接监测点，能真实反映管线变形情况，为指导现场施工提供可靠数据；（3）间接监测点监测数据无法真实反映管线变形状态，对管线现场变形情况误判可能导致管道破坏等安全问题，建议减少管线间接测点的使用；（4）施工过程中，管线沉降变化情况除受基坑开挖土力卸载及降水等工况影响，还与上部临时荷载、管线切改回填土密实情况、管线材质强度等因素相关。

4.结束语

综上所述，地下管线沉降监测装置的设计提供了一种施工切改管线沉降直接监测点布设思路，可为同类工程提供参考。其使用效果总结如下：

（1）地下管线沉降监测装置布设方式简单、高效、成活率高，可有效降低直接监测点布设成本；

（2）监测装置能真实反映管线变形情况，可为指导现场施工、验证设计提供可靠数据支撑，为管线安全提供保障；

（3）通过对比验证，在基坑施工过程中，基坑邻近管线变形与其周边土体变形情况不一致，管线间接监测点或邻近地表监测点不能代表管线变形情况；

（4）管线切改施工注重回填质量，基坑开挖施工期间减少管线上方临时堆载情况，可有效控制管线变形，有效保护管线运营安全。