深埋雨水管道變位的剛性內(nèi)撐基準(zhǔn)法測試方法研究*

上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114

隨著城市地下空間開發(fā)日益趨于立體化和網(wǎng)絡(luò)化，新建地下工程穿越既有地下設(shè)施的現(xiàn)象日漸普遍。地下工程的穿越施工，除面臨著常規(guī)地下工程建設(shè)所面臨的安全風(fēng)險外，尚需面臨穿越節(jié)點(diǎn)既有設(shè)施的安全管控風(fēng)險。如對既有設(shè)施的安全性態(tài)管控不力，很可能導(dǎo)致巨大的損失或者災(zāi)難性的事故。尤其對于大型地下雨水管網(wǎng)而言，其分布具有普遍性和深埋性，且一般大型的雨水主管線多分布于交通主干道，地下空間網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)下穿既有雨水管網(wǎng)的概率極高。從土力學(xué)特性而言，節(jié)點(diǎn)的下穿越，勢必導(dǎo)致原狀土體的應(yīng)力場、滲流場發(fā)生改變，進(jìn)而引發(fā)土體的位移場產(chǎn)生隨動響應(yīng)變化，最終造成深埋于土體中的既有地下雨水管網(wǎng)的被動變位，導(dǎo)致穿越施工存在巨大的安全隱患。因此，下穿既有雨水管網(wǎng)施工，運(yùn)行中的管線穩(wěn)定性、安全性的控制至關(guān)重要，稍有不慎就可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。

1 現(xiàn)有量測方法的不足

目前，下穿節(jié)點(diǎn)施工，對隱蔽性的深埋既有雨水管網(wǎng)的安全狀態(tài)掌控，均采用人工間接法進(jìn)行監(jiān)測，通過布置于地表的深埋間接點(diǎn)的變形來間接表征雨水管線的變形，并進(jìn)而評價既有雨水管道的安全性態(tài)。人工間接點(diǎn)監(jiān)測法，雖然對地下工程穿越施工的安全監(jiān)控具有一定參考性，但也存在諸多不足：

1）地表間接點(diǎn)，受路面結(jié)構(gòu)層的承載特性影響，難以直接、如實(shí)反映深層土體、深埋管線的實(shí)際變位及發(fā)展趨勢；

2）深埋雨水管線的間接點(diǎn)布置，需在既有交通干道上鉆孔、澆筑混凝土設(shè)點(diǎn)，受干道交通的影響較大；

3）深埋雨水管的變位，經(jīng)過上覆土體反映至間接監(jiān)測點(diǎn)時，受土體變形滯后效應(yīng)影響，難以及時得到測量；

4）地表間接點(diǎn)受管線上覆土體塑性變形影響，不足以如實(shí)反映運(yùn)行管線的變位；

5）人工測試間隔時間長，測試受既有交通、天氣等條件的影響較大，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、高頻率監(jiān)測，對管線的安全評價存在時間盲區(qū)。間接點(diǎn)監(jiān)測方法存在的不足，為雨水管網(wǎng)的安全評估埋下了極大隱患，迫切需要開發(fā)新型、連續(xù)、直接測量深埋地下管線變位的測試方法。

2 方法原理[1,2]

深埋運(yùn)行雨水管道變位的剛性內(nèi)撐基準(zhǔn)法測試方法，通過在雨水管道內(nèi)部設(shè)置水下節(jié)段組合式內(nèi)撐基準(zhǔn)架，并通過機(jī)械螺旋式頂撐緊固機(jī)構(gòu)使得內(nèi)撐基準(zhǔn)架牢靠安裝于管道內(nèi)壁，與雨水管節(jié)形成剛性體同步變形。然后在內(nèi)撐基準(zhǔn)架上安裝豎向位移傳感器，量測雨水管道的豎向變形；通過在監(jiān)測雨水管網(wǎng)范圍的兩端部內(nèi)撐基準(zhǔn)架間安裝、張拉、緊固縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線，形成穩(wěn)定的水平位移基準(zhǔn)，在各內(nèi)撐基準(zhǔn)架與預(yù)應(yīng)力鋼絞線水平位移基準(zhǔn)間安裝水平位移傳感器，測量深埋雨水管道相對于水平位移基準(zhǔn)的相對水平位移；安裝、緊固水平位移基準(zhǔn)的內(nèi)撐基準(zhǔn)架設(shè)置穿心液壓張緊機(jī)構(gòu)，適時進(jìn)行張緊預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償，確保水平位移基準(zhǔn)的穩(wěn)定性。測試原理見圖1。

圖1 測試原理

3 內(nèi)撐基準(zhǔn)架設(shè)計[3,4]

內(nèi)撐基準(zhǔn)架要在監(jiān)測的雨水管道內(nèi)部形成測試基準(zhǔn)，其穩(wěn)定性、可靠性、安裝便捷性是關(guān)鍵。整體內(nèi)撐基準(zhǔn)架由基準(zhǔn)架架體、頂升緊固機(jī)構(gòu)、傳感器安裝平臺等組成。

3.1 內(nèi)撐基準(zhǔn)架架體設(shè)計

內(nèi)撐基準(zhǔn)架采用四立桿設(shè)計，保障在水流沖刷作用下架體的整體穩(wěn)定性。由于內(nèi)徑1 800 mm的原狀雨水管在埋設(shè)完成承受覆土荷載后，豎向會產(chǎn)生扁曲變形，為保證基準(zhǔn)架可順利豎起安裝，架體的總高度設(shè)計為1 556 mm；4 根立桿分別在距底部活絡(luò)壓板栓接孔156 mm、1 400 mm位置通過水平平面剛架栓接，形成整體穩(wěn)定體系，如圖2所示?？紤]到人工搬運(yùn)、水下安裝的便捷性，豎向立桿設(shè)計為節(jié)段式的構(gòu)造，每根立桿分割為3 段，通過螺紋間隙配合插接予以連接。

3.2 內(nèi)撐基準(zhǔn)架頂升緊固機(jī)構(gòu)設(shè)計

綜合考量內(nèi)撐基準(zhǔn)架的安裝快捷性、機(jī)構(gòu)的簡易性、水下工作的可靠性，頂升緊固機(jī)構(gòu)設(shè)計為機(jī)械螺旋式。螺旋長度為250 mm，有效旋出長度125 mm。安裝時，拼接后的立桿人工旋出增高，通過活絡(luò)壓板、橡膠止滑墊牢靠固定于管道內(nèi)壁。頂升緊固機(jī)構(gòu)見圖3。

3.3 內(nèi)撐基準(zhǔn)架傳感器安裝平臺設(shè)計

傳感器安裝平臺與內(nèi)撐基準(zhǔn)架的水平穩(wěn)定剛架同步設(shè)計，而安裝平臺同時兼做穩(wěn)定平面剛架。通常，非汛期雨水管管內(nèi)水位約為1/3～1/2高度，為便于管內(nèi)的安裝操作，傳感器安裝平臺設(shè)置于距底部活絡(luò)壓板栓接孔846 mm高度位置，這樣傳感器的安裝、調(diào)試均在水位以上完成。豎向位移傳感器安裝于傳感器安裝平臺，水平位移傳感器通過抱箍安裝于內(nèi)撐基準(zhǔn)架立桿，距底部活絡(luò)壓板栓接孔1 300 mm高度位置。

圖2 內(nèi)撐基準(zhǔn)架架體設(shè)計

圖3 頂升緊固機(jī)構(gòu)示意

4 自動測試系統(tǒng)設(shè)計

雨水管常年處于有水狀態(tài)，測試人員無法頻繁出入雨水管內(nèi)部進(jìn)行測試和數(shù)據(jù)采集。因此，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集采用自動采集模式，各傳感器的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊，后經(jīng)無線傳輸模塊發(fā)射至數(shù)據(jù)終端進(jìn)行后臺處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意

5 預(yù)期效果

深埋運(yùn)行雨水管道變位的剛性內(nèi)撐基準(zhǔn)法測試方法，可實(shí)現(xiàn)新建地下工程穿越既有雨水管網(wǎng)過程中，對深埋地下管道結(jié)構(gòu)變形的內(nèi)部進(jìn)行直接、連續(xù)量測，監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集，測試數(shù)據(jù)無線傳輸至數(shù)據(jù)終端，為運(yùn)行管道安全性態(tài)的后臺快速評估提供了及時、翔實(shí)、可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，可克服人工間接量測法測試數(shù)據(jù)量少、數(shù)據(jù)間隔時間長、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性低、測試受外部干擾大等缺陷，為工程實(shí)踐中穿越節(jié)點(diǎn)的安全風(fēng)險管控提供了可靠的管控手段。