深埋雨水管道變位的剛性內撐基準法測試方法研究*

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

隨著城市地下空間開發日益趨于立體化和網絡化，新建地下工程穿越既有地下設施的現象日漸普遍。地下工程的穿越施工，除面臨著常規地下工程建設所面臨的安全風險外，尚需面臨穿越節點既有設施的安全管控風險。如對既有設施的安全性態管控不力，很可能導致巨大的損失或者災難性的事故。尤其對于大型地下雨水管網而言，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，地下空間網絡化建設下穿既有雨水管網的概率極高。從土力學特性而言，節點的下穿越，勢必導致原狀土體的應力場、滲流場發生改變，進而引發土體的位移場產生隨動響應變化，最終造成深埋于土體中的既有地下雨水管網的被動變位，導致穿越施工存在巨大的安全隱患。因此，下穿既有雨水管網施工，運行中的管線穩定性、安全性的控制至關重要，稍有不慎就可能導致嚴重的安全事故。

1 現有量測方法的不足

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

1）地表間接點，受路面結構層的承載特性影響，難以直接、如實反映深層土體、深埋管線的實際變位及發展趨勢；

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

3）深埋雨水管的變位，經過上覆土體反映至間接監測點時，受土體變形滯后效應影響，難以及時得到測量；

4）地表間接點受管線上覆土體塑性變形影響，不足以如實反映運行管線的變位；

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，難以實現連續、高頻率監測，對管線的安全評價存在時間盲區。間接點監測方法存在的不足，為雨水管網的安全評估埋下了極大隱患，迫切需要開發新型、連續、直接測量深埋地下管線變位的測試方法。

2 方法原理[1,2]

深埋運行雨水管道變位的剛性內撐基準法測試方法，通過在雨水管道內部設置水下節段組合式內撐基準架，并通過機械螺旋式頂撐緊固機構使得內撐基準架牢靠安裝于管道內壁，與雨水管節形成剛性體同步變形。然后在內撐基準架上安裝豎向位移傳感器，量測雨水管道的豎向變形；通過在監測雨水管網范圍的兩端部內撐基準架間安裝、張拉、緊固縱向預應力鋼絞線，形成穩定的水平位移基準，在各內撐基準架與預應力鋼絞線水平位移基準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的相對水平位移；安裝、緊固水平位移基準的內撐基準架設置穿心液壓張緊機構，適時進行張緊預應力補償，確保水平位移基準的穩定性。測試原理見圖1。

圖1 測試原理

3 內撐基準架設計[3,4]

內撐基準架要在監測的雨水管道內部形成測試基準，其穩定性、可靠性、安裝便捷性是關鍵。整體內撐基準架由基準架架體、頂升緊固機構、傳感器安裝平臺等組成。

3.1 內撐基準架架體設計

內撐基準架采用四立桿設計，保障在水流沖刷作用下架體的整體穩定性。由于內徑1 800 mm的原狀雨水管在埋設完成承受覆土荷載后，豎向會產生扁曲變形，為保證基準架可順利豎起安裝，架體的總高度設計為1 556 mm；4 根立桿分別在距底部活絡壓板栓接孔156 mm、1 400 mm位置通過水平平面剛架栓接，形成整體穩定體系，如圖2所示。考慮到人工搬運、水下安裝的便捷性，豎向立桿設計為節段式的構造，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 內撐基準架頂升緊固機構設計

綜合考量內撐基準架的安裝快捷性、機構的簡易性、水下工作的可靠性，頂升緊固機構設計為機械螺旋式。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，通過活絡壓板、橡膠止滑墊牢靠固定于管道內壁。頂升緊固機構見圖3。

3.3 內撐基準架傳感器安裝平臺設計

傳感器安裝平臺與內撐基準架的水平穩定剛架同步設計，而安裝平臺同時兼做穩定平面剛架。通常，非汛期雨水管管內水位約為1/3～1/2高度，為便于管內的安裝操作，傳感器安裝平臺設置于距底部活絡壓板栓接孔846 mm高度位置，這樣傳感器的安裝、調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撐基準架立桿，距底部活絡壓板栓接孔1 300 mm高度位置。

圖2 內撐基準架架體設計

圖3 頂升緊固機構示意

4 自動測試系統設計

雨水管常年處于有水狀態，測試人員無法頻繁出入雨水管內部進行測試和數據采集。因此，本系統數據采集采用自動采集模式，各傳感器的數據通過數據線進入數據采集模塊，后經無線傳輸模塊發射至數據終端進行后臺處理。數據采集系統見圖4。

圖4 數據采集系統示意

5 預期效果

深埋運行雨水管道變位的剛性內撐基準法測試方法，可實現新建地下工程穿越既有雨水管網過程中，對深埋地下管道結構變形的內部進行直接、連續量測，監測數據自動采集，測試數據無線傳輸至數據終端，為運行管道安全性態的后臺快速評估提供了及時、翔實、可靠的數據依據，可克服人工間接量測法測試數據量少、數據間隔時間長、數據準確性低、測試受外部干擾大等缺陷，為工程實踐中穿越節點的安全風險管控提供了可靠的管控手段。