一种电力隧道结构问题的监测方法

摘要

本发明涉及一种电力隧道结构问题的监测方法，包括:根据隧道状况设定监测项目；根据隧道全程各处监测重要性等级不同将监测断面的类型分为I、II、III三类，I类断面为重点监测断面;II类断面为普通监测断面;III类断面则是针对施工沉降记录增加监测项目的断面;根据不同的监测断面类型设定相应的监测项目；根据隧道状况，对监测项目布设相应的监测元件;将监测元件的监测数据传输到数字处理平台进行分析处理。与现有技术相比，本发明不仅设计布设了监测断面，还根据沉降监测数据，在危险处追加了控制沉降和收敛变形的监测断面，可动态监测隧道结构问题，实时提供精确的健康状态数据，直观清晰地为运营维护提供服务。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道远程自动化监测领域，尤其是涉及一种电力隧道结构问题的 监测方法。

背景技术

电力隧道是为了发展城区内电力电缆隧道网络规模而进行的电力隧道工程。 大多隧道工程全程需要实现多次对重要结构的穿越。由于地下空间关系复杂，结构 安全性受到周围环境影响极大，并且由于电力隧道本身结构特点的影响，因此在制 定监测方案以及养护系统之前，需要将这些特点分析清楚。

对于电力隧道长期运营情况进行分析，可预见的将面临的问题有如下几点:

(1)线路里程长，地下空间关系复杂，不同结构的相互影响是长期和复杂的;

(2)根据现有工程统计，软土隧道可能在长期运营条件下出现不均匀沉降、 管片张开、管片错动、螺栓脱落、材质劣化等危害结构安全的病害，威胁运营的安 全和稳定;

(3)电力隧道的穿越不仅包括对现有其他隧道线路的穿越，也包括对规划拟 建线路的穿越，可预见的是，在电力隧道投入运行之后，未来其周边仍要进行其他 工程的施工，而土体开挖、结构的施作势必对电力周边环境产生土体扰动等影响， 威胁结构的安全运营;

(4)鉴于电力系统在城市运转中起到的支柱作用，电力隧道其安全可靠与否 不仅影响生产和与生活，还常关系到整个城市所有部分正常运转，甚至可能造成城 市的整体瘫痪，所谓“牵一发而动全身”。因此保证其安全有效运行，避免安全事 故造成恶劣的社会负面影响，需要比一般软土隧道更加严格的管理和维护措施。

基于工程实践和理论分析，影响隧道运营期安全不利因素分为以下几类;

(1)水土压力过大或过小

作为直接作用于隧道结构的外部荷载，水土压力，决定了隧道主体结构的受 力状态。任何环境荷载的变化(附近施工造成的加卸荷、突发性灾害等)，都会通 过水土压力的变化来表现。当水土压力过大时，可能导致隧道结构不均匀沉降的发 生甚至结构的破坏，当水土压力过小，浮力过大时，隧道上浮也将严重影响其安全 性、适用性和耐久性。目前工程中可以运用土压力盒埋入来量测水土压力。

(2)结构内力过大

由于长期荷载的作用，将出现应力松弛的疲劳效应，当受荷不均时，部分构 件受力不利导致局部破坏，从而威胁隧道运营的安全。目前工程中可以运用钢筋应 力计的埋入来量测结构内力。

(3)管片错位

管片沿纵缝、环缝共有6个方向的位移，致病原因包括断面变形导致封顶块 张开(纵缝)、不均匀沉降引起环缝张开、施工时的拼装误差、千斤顶挤压和外界 荷载变化(地震、施工等)，一般错位过大的位置会伴有接头失效的情况发生，导 致渗漏水的发病几率大大增加。现有的监测手段有测量接缝张开的单向位移计以及 测量管片三维位移的三向位移计系统。

(4)断面变形

引起断面收敛变形的因素一般认为有荷载因素和不均匀沉降因素两类。荷载 因素包括施工时引起的变形(千斤顶挤压、注浆压力过大等)，以及运营期的外荷 载因素(既有荷载的长期作用以及地震、外界施工等突发性加载)。不均匀沉降则 会使隧道纵向受力不均，在原有约束限制的情况下，部分位置会出现断面被压扁的 情况。目前工程中评价断面收敛变形的方法是量测水平直径处管片位移。

(5)纵线沉降

一般性沉降的原因主要为土体的固结沉降和次固结沉降，而不均匀沉降的原 因则可以分为荷载的不均匀、土性的不均匀以及结构刚度的不均匀三种。不均匀沉 降将导致断面变形、管片错位、螺栓变形等数种病害的发生，当纵向变形过大时， 不仅仅会影响结构的适用性，其耐久性和安全性也会受到影响。可以从结构自身进 行沉降量的监测，有条件的位置可以进行分层土体沉降的监测。

因此，电力隧道的长期监测方案应当满足以下几个基本要求:监测的参数对 反映隧道真实情况具有指标意义;监测的项目应该尽量自动化采集数据;结合工程 实际进度情况;具有工程上和经济上的可行性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种电力隧道结 构问题的监测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:一种电力隧道结构问题的监测方 法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)根据隧道状况确定监测项目;

2)根据隧道全程各处监测重要性等级不同将监测断面的类型分为I、II、III 三类，I类断面为重点监测断面;II类断面为普通监测断面;III类断面则是针对施 工沉降记录增加监测项目的断面;

3)根据不同的监测断面类型选择相应的监测项目;

4)根据隧道状况，对监测项目布设相应的监测元件;

5)将监测元件的监测数据传输到数字处理平台进行分析处理。

步骤1)所述的监测项目包括管片接缝张开量、隧道外部土压力、管片接头螺 栓内力、隧道内部收敛变形、隧道纵线的沉降、土层分层水平位移、地层分层沉降、 隧道结构环向应变、隧道平面位移。

步骤2)所述的I类断面为地下空间关系复杂的穿越段与预计穿越段，此处结 构受外界荷载影响最为强烈和敏感，需要重点监测;所述的II类断面为纵向沿线 曲率半径最小处，此处变形更加明显，属于节点位置;所述的III类断面指针对施 工沉降记录，在沉降和差异沉降较为严重的区段，增加沉降和断面收敛变形两类监 测项目。

步骤3)所述的根据不同的监测断面类型设定相应的监测项目指I类断面的监 测项目包括管片接缝张开量、隧道外部土压力、管片接头螺栓内力、隧道内部收敛 变形、隧道纵线的沉降、土层分层水平位移、地层分层沉降、隧道结构环向应变、 隧道平面位移;II类断面的监测项目包括管片接缝张开量、管片接头螺栓内力、隧 道纵线的沉降、隧道结构环向应变、隧道平面位移;III类断面的监测项目包括隧 道内部收敛变形、隧道纵线的沉降。

步骤4)所述根据监测项目布设相应的监测元件包括监测管片接缝张开量布设 测缝计;监测隧道外部土压力布设土压力盒;监测管片接头螺栓内力布设螺栓应力 测试仪;监测隧道内部收敛变形布设挂钩和收敛尺;监测隧道纵线的沉降布设全站 仪;监测上覆土分层水平位移布设自动测斜仪;监测地层分层沉降布设分层沉降仪; 监测隧道结构环向应变布设应变计;监测隧道平面位移采用全站仪。

所述的布设测缝计指在隧道圆周的0、90、180、270度上共安装环向测缝计四 支，在六个接缝处共安装轴向测缝计六支;

布设压力盒指在每个监测断面上一共布设三个压力盒，分别设在隧道外正上方 顶部、左边水平处和右边水平处;

布设螺栓应力测试仪指在监测断面接头处的螺栓上布设螺栓应力测试仪;

布设收敛尺指在首尾相接沿断面圆周长布设收敛测点;

布设自动测斜仪指在隧道外部一侧布设，埋深要求达到隧道底部;

布设分层沉降仪指在隧道外部一侧布设，埋深要求达到隧道底部;

布设应变计指环向布置在隧道内测0、90、180、270度四个点上，每个监测断 面一共布设四个应变计;

布设电子全站仪指按照规范选取基准点，布设在工作井即风井附近，测站布设 在隧道内，而且每个测站在隧道内至少必须能看到一个其他的测站，隧道全线均应 布设测站，测点处设置反光片，反光片安装在隧道内侧0、90、180、270度位置上 一共四个，测点沿全线均布，每十米设置一个测点。

与现有技术相比，本发明针对电力隧道所处的工程环境可能将面临的病害情况 提出了运营监测方法，设计布设了监测断面不同监测项目的监测点，并根据施工完 成期的沉降监测数据，在危险处追加了控制沉降和收敛变形的监测断面。本发明方 法可动态监测隧道结构问题，实时提供健康状态综合评价以及预警，直观清晰地为 运营维护提供服务。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

一种电力隧道结构问题的监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:

1)根据隧道状况确定监测项目;

2)根据隧道全程各处监测重要性等级不同将监测断面的类型分为I、II、III 三类，I类断面为重点监测断面;II类断面为普通监测断面;III类断面则是针对施 工沉降记录增加监测项目的断面;

3)根据不同的监测断面类型选择相应的监测项目;

4)根据隧道状况，对监测项目布设相应的监测元件;

5)将监测元件的监测数据传输到数字处理平台进行分析处理。

步骤1)所述的监测项目包括管片接缝张开量、隧道外部土压力、管片接头螺 栓内力、隧道内部收敛变形、隧道纵线的沉降、土层分层水平位移、地层分层沉降、 隧道结构环向应变、隧道平面位移。

步骤2)所述的I类断面为地下空间关系复杂的穿越段与预计穿越段，此处结 构受外界荷载影响最为强烈和敏感，需要重点监测;所述的II类断面为纵向沿线 曲率半径最小处，此处变形更加明显，属于节点位置;所述的III类断面指针对施 工沉降记录，在沉降和差异沉降较为严重的区段，增加沉降和断面收敛变形两类监 测项目。

步骤3)所述的根据不同的监测断面类型设定相应的监测项目指I类断面的监 测项目包括管片接缝张开量、隧道外部土压力、管片接头螺栓内力、隧道内部收敛 变形、隧道纵线的沉降、土层分层水平位移、地层分层沉降、隧道结构环向应变、 隧道平面位移;II类断面的监测项目包括管片接缝张开量、管片接头螺栓内力、隧 道纵线的沉降、隧道结构环向应变、隧道平面位移;III类断面的监测项目包括隧 道内部收敛变形、隧道纵线的沉降。

步骤4)所述根据监测项目布设相应的监测元件包括监测管片接缝张开量布设 测缝计;监测隧道外部土压力布设土压力盒;监测管片接头螺栓内力布设螺栓应力 测试仪;监测隧道内部收敛变形布设挂钩和收敛尺;监测隧道纵线的沉降布设全站 仪;监测上覆土分层水平位移布设自动测斜仪;监测地层分层沉降布设分层沉降仪; 监测隧道结构环向应变布设应变计;监测隧道平面位移采用全站仪。

所述的布设测缝计指在隧道圆周的0、90、180、270度上共安装环向测缝计四 支，在六个接缝处共安装轴向测缝计六支;

布设压力盒指在每个监测断面上一共布设三个压力盒，分别设在隧道外正上方 顶部、左边水平处和右边水平处;

布设螺栓应力测试仪指在监测断面接头处的螺栓上布设螺栓应力测试仪;

布设收敛尺指在首尾相接沿断面圆周长布设收敛测点;

布设自动测斜仪指在隧道外部一侧布设，埋深要求达到隧道底部;

布设分层沉降仪指在隧道外部一侧布设，埋深要求达到隧道底部;

布设应变计指环向布置在隧道内测0、90、180、270度四个点上，每个监测断 面一共布设四个应变计;

布设电子全站仪指按照规范选取基准点，布设在工作井即风井附近，测站布设 在隧道内，而且每个测站在隧道内至少必须能看到一个其他的测站，隧道全线均应 布设测站，测点处设置反光片，反光片安装在隧道内侧0、90、180、270度位置上 一共四个，测点沿全线均布，每十米设置一个测点。

每种监测项目的测试方法如下:

1)管片接缝张开量

将测缝仪跨接在接缝处，仪器的第一次频率的测试值作为初始频率，以后每次 传感器接收到的频率作为当次的频率测试值，通过频率测试值与初始值的比较并按 照相关的公式计算出接缝的张开量，“+”表示接缝张开，“-”表示接缝闭合。

2)隧道外部土压力

隧道外部的土压力作为直接作用于隧道结构，是隧道结构产生病害的直接原 因，外部土压力的变化是隧道结构产生病害的前兆，因此对隧道外部的土压力进行 监测能够提前对隧道结构的安全性能及隧道结构的变形作出预判。

选取稳定的土压力盒，将压力盒贴放在管片外侧和管片拼装时一起布设或者钻 孔布设，仪器安装完成后频率仪第一次测得的频率记为初始频率，以后每次测试得 到的频率为当次的测试值，通过与初始频率的对比按相应的换算公式就可以得到每 次测量是土压力的变化大小了。

3)管片接头螺栓内力

管片接头是隧道结构相对薄弱的环节，因此接头螺栓的内力也应该是隧道长期 监测的项目之一，本方案通过测定螺栓的应变来确定螺栓的受力。

螺栓应力测试仪采用超声波反射技术，依据螺栓在不同受力情况下长度和应力 与其声速传播的相对关系，精确、快速地测量出螺栓紧固后的应力和应变。应用时， 将探头放在螺栓两端测试他的声波从而换算出螺栓的应变，计算出螺栓的应力。安 装好后每次测得的频率作为测量值，通过比较测量值与初始值就可以得出螺栓内应 力的变化趋势了。

4)隧道内部收敛变形

隧道内部的收敛变形很大程度上反映了结构的受力，而且过大的收敛变形会影 响结构的使用功能，因此有必要对隧道内部的收敛变形进行监测。

通过挂钩量测隧道某位置的距离变化，进而根据仪器安装位置进行几何分析算 出隧道横断面的收敛变形。

5)隧道的纵线沉降

软土隧道中隧道的沉降是造成隧道病害的主要原因，过大的沉降量或者不均匀 沉降都会造成隧道结构的变形、裂缝和接头张开等病害。

测试系统由基准点测端和一系列测点端共同组成，比较测点的监测值和基准点 的监测值就可以换算得到测点相对于基准点的高程差值，进而得到隧道的整体沉降 和不均匀沉降量。

6)上覆土层分层水平位移

钻孔布设好测斜管，安装好测斜仪和自动检测装置，每次的测量值可以根据测 斜管顶的坐标为参考得出地层的水平位置，进而得出隧道上覆土层的分层水平位 移。

7)土体分层沉降

钻孔布设好沉降管，用细沙回填密实，用水准仪测出管口标高，同时第一次的 刚环位置测量值作为初始值，以后每次的测试值作为当次的测量结果，然后与初始 值做对比即可得出地层的分层沉降量。

8)顶管段环向应变

管片拼装前安装好应变计，测得的频率作为初始值，拼装好后测量得到的频率 作为测量值，通过与初始值的对比可以得到管片相应位置的应变大小。

9)隧道平面位移

按要求在工作井或中继站附近选取基准点，并沿隧道设置多个测站，测站的位 置可以通过基准点测得，然后在隧道内每隔一定距离设置监测断面，监测断面上安 装反光片，测点的位置通过相应测站确定。