一種電力隧道結構問題的監測方法
【專利摘要】本發明涉及一種電力隧道結構問題的監測方法，包括:根據隧道狀況設定監測項目；根據隧道全程各處監測重要性等級不同將監測斷面的類型分為I、II、III三類，I類斷面為重點監測斷面;II類斷面為普通監測斷面;III類斷面則是針對施工沉降記錄增加監測項目的斷面;根據不同的監測斷面類型設定相應的監測項目；根據隧道狀況，對監測項目布設相應的監測元件;將監測元件的監測數據傳輸到數字處理平臺進行分析處理。與現有技術相比，本發明不僅設計布設了監測斷面，還根據沉降監測數據，在危險處追加了控制沉降和收斂變形的監測斷面，可動態監測隧道結構問題，實時提供精確的健康狀態數據，直觀清晰地為運營維護提供服務。
【專利說明】一種電力隧道結構問題的監測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及隧道遠程自動化監測領域，尤其是涉及一種電力隧道結構問題的監測方法。
【背景技術】
[0002]電力隧道是為了發展城區內電力電纜隧道網絡規模而進行的電力隧道工程。大多隧道工程全程需要實現多次對重要結構的穿越。由于地下空間關系復雜，結構安全性受到周圍環境影響極大，并且由于電力隧道本身結構特點的影響，因此在制定監測方案以及養護系統之前，需要將這些特點分析清楚。
[0003]對于電力隧道長期運營情況進行分析，可預見的將面臨的問題有如下幾點:
[0004](I)線路里程長，地下空間關系復雜，不同結構的相互影響是長期和復雜的；
[0005](2)根據現有工程統計，軟土隧道可能在長期運營條件下出現不均勻沉降、管片張開、管片錯動、螺栓脫落、材質劣化等危害結構安全的病害，威脅運營的安全和穩定；
[0006](3)電力隧道的穿越不僅包括對現有其他隧道線路的穿越，也包括對規劃擬建線路的穿越，可預見的是，在電力隧道投入運行之后，未來其周邊仍要進行其他工程的施工，而土體開挖、結構的施作勢必對電力周邊環境產生土體擾動等影響，威脅結構的安全運營；
[0007](4)鑒于電力系統在城市運轉中起到的支柱作用，電力隧道其安全可靠與否不僅影響生產和與生活，還常關系到整個城市所有部分正常運轉，甚至可能造成城市的整體癱瘓，所謂“牽一發而動全身”。因此保證其安全有效運行，避免安全事故造成惡劣的社會負面影響，需要比一般軟土隧道更加嚴格的管理和維護措施。
[0008]基于工程實踐和理論分析，影響隧道運營期安全不利因素分為以下幾類；
[0009](I)水土壓力過大或過小
[0010]作為直接作用于隧道結構的外部荷載，水土壓力，決定了隧道主體結構的受力狀態。任何環境荷載的變化(附近施工造成的加卸荷、突發性災害等)，都會通過水土壓力的變化來表現。當水土壓力過大時，可能導致隧道結構不均勻沉降的發生甚至結構的破壞，當水土壓力過小，浮力過大時，隧道上浮也將嚴重影響其安全性、適用性和耐久性。目前工程中可以運用土壓力盒埋入來量測水土壓力。
[0011](2)結構內力過大
[0012]由于長期荷載的作用，將出現應力松弛的疲勞效應，當受荷不均時，部分構件受力不利導致局部破壞，從而威脅隧道運營的安全。目前工程中可以運用鋼筋應力計的埋入來量測結構內力。
[0013](3)管片錯位
[0014]管片沿縱縫、環縫共有6個方向的位移，致病原因包括斷面變形導致封頂塊張開(縱縫)、不均勻沉降引起環縫張開、施工時的拼裝誤差、千斤頂擠壓和外界荷載變化(地震、施工等)，一般錯位過大的位置會伴有接頭失效的情況發生，導致滲漏水的發病幾率大大增加。現有的監測手段有測量接縫張開的單向位移計以及測量管片三維位移的三向位移計系統。
[0015](4)斷面變形
[0016]引起斷面收斂變形的因素一般認為有荷載因素和不均勻沉降因素兩類。荷載因素包括施工時引起的變形(千斤頂擠壓、注漿壓力過大等)，以及運營期的外荷載因素(既有荷載的長期作用以及地震、外界施工等突發性加載)。不均勻沉降則會使隧道縱向受力不均，在原有約束限制的情況下，部分位置會出現斷面被壓扁的情況。目前工程中評價斷面收斂變形的方法是量測水平直徑處管片位移。
[0017](5)縱線沉降
[0018]一般性沉降的原因主要為土體的固結沉降和次固結沉降，而不均勻沉降的原因則可以分為荷載的不均勻、土性的不均勻以及結構剛度的不均勻三種。不均勻沉降將導致斷面變形、管片錯位、螺栓變形等數種病害的發生，當縱向變形過大時，不僅僅會影響結構的適用性，其耐久性和安全性也會受到影響。可以從結構自身進行沉降量的監測，有條件的位置可以進行分層土體沉降的監測。
[0019]因此，電力隧道的長期監測方案應當滿足以下幾個基本要求:監測的參數對反映隧道真實情況具有指標意義；監測的項目應該盡量自動化采集數據；結合工程實際進度情況；具有工程上和經濟上的可行性。
【發明內容】
[0020]本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種電力隧道結構問題的監測方法。
[0021]本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:一種電力隧道結構問題的監測方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0022]I)根據隧道狀況確定監測項目；
[0023]2)根據隧道全程各處監測重要性等級不同將監測斷面的類型分為1、I1、III三類，I類斷面為重點監測斷面；II類斷面為普通監測斷面；III類斷面則是針對施工沉降記錄增加監測項目的斷面；
[0024]3)根據不同的監測斷面類型選擇相應的監測項目；
[0025]4)根據隧道狀況，對監測項目布設相應的監測元件；
[0026]5)將監測元件的監測數據傳輸到數字處理平臺進行分析處理。
[0027]步驟I)所述的監測項目包括管片接縫張開量、隧道外部土壓力、管片接頭螺栓內力、隧道內部收斂變形、隧道縱線的沉降、土層分層水平位移、地層分層沉降、隧道結構環向應變、隧道平面位移。
[0028]步驟2)所述的I類斷面為地下空間關系復雜的穿越段與預計穿越段，此處結構受外界荷載影響最為強烈和敏感，需要重點監測；所述的II類斷面為縱向沿線曲率半徑最小處，此處變形更加明顯，屬于節點位置；所述的III類斷面指針對施工沉降記錄，在沉降和差異沉降較為嚴重的區段，增加沉降和斷面收斂變形兩類監測項目。
[0029]步驟3)所述的根據不同的監測斷面類型設定相應的監測項目指I類斷面的監測項目包括管片接縫張開量、隧道外部土壓力、管片接頭螺栓內力、隧道內部收斂變形、隧道縱線的沉降、土層分層水平位移、地層分層沉降、隧道結構環向應變、隧道平面位移；11類斷面的監測項目包括管片接縫張開量、管片接頭螺栓內力、隧道縱線的沉降、隧道結構環向應變、隧道平面位移；111類斷面的監測項目包括隧道內部收斂變形、隧道縱線的沉降。
[0030]步驟4)所述根據監測項目布設相應的監測元件包括監測管片接縫張開量布設測縫計；監測隧道外部土壓力布設土壓力盒；監測管片接頭螺栓內力布設螺栓應力測試儀；監測隧道內部收斂變形布設掛鉤和收斂尺；監測隧道縱線的沉降布設全站儀；監測上覆土分層水平位移布設自動測斜儀；監測地層分層沉降布設分層沉降儀；監測隧道結構環向應變布設應變計；監測隧道平面位移采用全站儀。
[0031]所述的布設測縫計指在隧道圓周的0、90、180、270度上共安裝環向測縫計四支，在六個接縫處共安裝軸向測縫計六支；
[0032]布設壓力盒指在每個監測斷面上一共布設三個壓力盒，分別設在隧道外正上方頂部、左邊水平處和右邊水平處；
[0033]布設螺栓應力測試儀指在監測斷面接頭處的螺栓上布設螺栓應力測試儀；
[0034]布設收斂尺指在首尾相接沿斷面圓周長布設收斂測點；
[0035]布設自動測斜儀指在隧道外部一側布設，埋深要求達到隧道底部；
[0036]布設分層沉降儀指在隧道外部一側布設，埋深要求達到隧道底部；
[0037]布設應變計指環向布置在隧道內測0、90、180、270度四個點上，每個監測斷面一共布設四個應變計；
[0038]布設電子全站儀指按照規范選取基準點，布設在工作井即風井附近，測站布設在隧道內，而且每個測站在隧道內至少必須能看到一個其他的測站，隧道全線均應布設測站，測點處設置反光片，反光片安裝在隧道內側0、90、180、270度位置上一共四個，測點沿全線均布，每十米設置一個測點。
[0039]與現有技術相比，本發明針對電力隧道所處的工程環境可能將面臨的病害情況提出了運營監測方法，設計布設了監測斷面不同監測項目的監測點，并根據施工完成期的沉降監測數據，在危險處追加了控制沉降和收斂變形的監測斷面。本發明方法可動態監測隧道結構問題，實時提供健康狀態綜合評價以及預警，直觀清晰地為運營維護提供服務。
【具體實施方式】
[0040]下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0041]一種電力隧道結構問題的監測方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0042]I)根據隧道狀況確定監測項目；
[0043]2)根據隧道全程各處監測重要性等級不同將監測斷面的類型分為1、I1、III三類，I類斷面為重點監測斷面；II類斷面為普通監測斷面；III類斷面則是針對施工沉降記錄增加監測項目的斷面；
[0044]3)根據不同的監測斷面類型選擇相應的監測項目；
[0045]4)根據隧道狀況，對監測項目布設相應的監測元件；
[0046]5)將監測元件的監測數據傳輸到數字處理平臺進行分析處理。
[0047]步驟I)所述的監測項目包括管片接縫張開量、隧道外部土壓力、管片接頭螺栓內力、隧道內部收斂變形、隧道縱線的沉降、土層分層水平位移、地層分層沉降、隧道結構環向應變、隧道平面位移。[0048]步驟2)所述的I類斷面為地下空間關系復雜的穿越段與預計穿越段，此處結構受外界荷載影響最為強烈和敏感，需要重點監測；所述的II類斷面為縱向沿線曲率半徑最小處，此處變形更加明顯，屬于節點位置；所述的III類斷面指針對施工沉降記錄，在沉降和差異沉降較為嚴重的區段，增加沉降和斷面收斂變形兩類監測項目。
[0049]步驟3)所述的根據不同的監測斷面類型設定相應的監測項目指I類斷面的監測項目包括管片接縫張開量、隧道外部土壓力、管片接頭螺栓內力、隧道內部收斂變形、隧道縱線的沉降、土層分層水平位移、地層分層沉降、隧道結構環向應變、隧道平面位移；11類斷面的監測項目包括管片接縫張開量、管片接頭螺栓內力、隧道縱線的沉降、隧道結構環向應變、隧道平面位移；111類斷面的監測項目包括隧道內部收斂變形、隧道縱線的沉降。
[0050]步驟4)所述根據監測項目布設相應的監測元件包括監測管片接縫張開量布設測縫計；監測隧道外部土壓力布設土壓力盒；監測管片接頭螺栓內力布設螺栓應力測試儀；監測隧道內部收斂變形布設掛鉤和收斂尺；監測隧道縱線的沉降布設全站儀；監測上覆土分層水平位移布設自動測斜儀；監測地層分層沉降布設分層沉降儀；監測隧道結構環向應變布設應變計；監測隧道平面位移采用全站儀。
[0051]所述的布設測縫計指在隧道圓周的0、90、180、270度上共安裝環向測縫計四支，在六個接縫處共安裝軸向測縫計六支；
[0052]布設壓力盒指在每個監測斷面上一共布設三個壓力盒，分別設在隧道外正上方頂部、左邊水平處和右邊水平處；
[0053]布設螺栓應力測試儀指在監測斷面接頭處的螺栓上布設螺栓應力測試儀；
[0054]布設收斂尺指在首尾相接沿斷面圓周長布設收斂測點；
[0055]布設自動測斜儀指在隧道外部一側布設，埋深要求達到隧道底部；
[0056]布設分層沉降儀指在隧道外部一側布設，埋深要求達到隧道底部；
[0057]布設應變計指環向布置在隧道內測0、90、180、270度四個點上，每個監測斷面一共布設四個應變計；
[0058]布設電子全站儀指按照規范選取基準點，布設在工作井即風井附近，測站布設在隧道內，而且每個測站在隧道內至少必須能看到一個其他的測站，隧道全線均應布設測站，測點處設置反光片，反光片安裝在隧道內側0、90、180、270度位置上一共四個，測點沿全線均布，每十米設置一個測點。
[0059]每種監測項目的測試方法如下:
[0060]I)管片接縫張開量
[0061]將測縫儀跨接在接縫處，儀器的第一次頻率的測試值作為初始頻率，以后每次傳感器接收到的頻率作為當次的頻率測試值，通過頻率測試值與初始值的比較并按照相關的公式計算出接縫的張開量，“ + ”表示接縫張開，表示接縫閉合。
[0062]2)隧道外部土壓力
[0063]隧道外部的土壓力作為直接作用于隧道結構，是隧道結構產生病害的直接原因，外部土壓力的變化是隧道結構產生病害的前兆，因此對隧道外部的土壓力進行監測能夠提前對隧道結構的安全性能及隧道結構的變形作出預判。
[0064]選取穩定的土壓力盒，將壓力盒貼放在管片外側和管片拼裝時一起布設或者鉆孔布設，儀器安裝完成后頻率儀第一次測得的頻率記為初始頻率，以后每次測試得到的頻率為當次的測試值，通過與初始頻率的對比按相應的換算公式就可以得到每次測量是土壓力的變化大小了。
[0065]3)管片接頭螺栓內力
[0066]管片接頭是隧道結構相對薄弱的環節，因此接頭螺栓的內力也應該是隧道長期監測的項目之一，本方案通過測定螺栓的應變來確定螺栓的受力。
[0067]螺栓應力測試儀采用超聲波反射技術，依據螺栓在不同受力情況下長度和應力與其聲速傳播的相對關系，精確、快速地測量出螺栓緊固后的應力和應變。應用時，將探頭放在螺栓兩端測試他的聲波從而換算出螺栓的應變，計算出螺栓的應力。安裝好后每次測得的頻率作為測量值，通過比較測量值與初始值就可以得出螺栓內應力的變化趨勢了。
[0068]4)隧道內部收斂變形
[0069]隧道內部的收斂變形很大程度上反映了結構的受力，而且過大的收斂變形會影響結構的使用功能，因此有必要對隧道內部的收斂變形進行監測。
[0070]通過掛鉤量測隧道某位置的距離變化，進而根據儀器安裝位置進行幾何分析算出隧道橫斷面的收斂變形。
[0071]5)隧道的縱線沉降
[0072]軟土隧道中隧道的沉降是造成隧道病害的主要原因，過大的沉降量或者不均勻沉降都會造成隧道結構的變形、裂縫和接頭張開等病害。
[0073]測試系統由基準點測端和一系列測點端共同組成，比較測點的監測值和基準點的監測值就可以換算得到測點相對于基準點的高程差值，進而得到隧道的整體沉降和不均勻沉降量。
[0074]6)上覆土層分層水平位移
[0075]鉆孔布設好測斜管，安裝好測斜儀和自動檢測裝置，每次的測量值可以根據測斜管頂的坐標為參考得出地層的水平位置，進而得出隧道上覆土層的分層水平位移。
[0076]7) 土體分層沉降
[0077]鉆孔布設好沉降管，用細沙回填密實，用水準儀測出管口標高，同時第一次的剛環位置測量值作為初始值，以后每次的測試值作為當次的測量結果，然后與初始值做對比即可得出地層的分層沉降量。
[0078]8)頂管段環向應變
[0079]管片拼裝前安裝好應變計，測得的頻率作為初始值，拼裝好后測量得到的頻率作為測量值，通過與初始值的對比可以得到管片相應位置的應變大小。
[0080]9)隧道平面位移
[0081]按要求在工作井或中繼站附近選取基準點，并沿隧道設置多個測站，測站的位置可以通過基準點測得，然后在隧道內每隔一定距離設置監測斷面，監測斷面上安裝反光片，測點的位置通過相應測站確定。
【權利要求】
1.一種電力隧道結構問題的監測方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 1)根據隧道狀況確定監測項目； 2)根據隧道全程各處監測重要性等級不同將監測斷面的類型分為1、I1、III三類，I類斷面為重點監測斷面；II類斷面為普通監測斷面；III類斷面則是針對施工沉降記錄增加監測項目的斷面； 3)根據不同的監測斷面類型選擇相應的監測項目； 4)根據隧道狀況，對監測項目布設相應的監測元件； 5)將監測元件的監測數據傳輸到數字處理平臺進行分析處理。
2.根據權利要求1所述的一種電力隧道結構問題的監測方法，其特征在于，步驟I)所述的監測項目包括管片接縫張開量、隧道外部土壓力、管片接頭螺栓內力、隧道內部收斂變形、隧道縱線的沉降、土層分層水平位移、地層分層沉降、隧道結構環向應變、隧道平面位移。
3.根據權利要求2所述的一種電力隧道結構問題的監測方法，其特征在于，步驟2)所述的I類斷面為地下空間關系復雜的穿越段與預計穿越段，此處結構受外界荷載影響最為強烈和敏感，需要重點監測；所述的II類斷面為縱向沿線曲率半徑最小處，此處變形更加明顯，屬于節點位置；所述的III類斷面指針對施工沉降記錄，在沉降和差異沉降較為嚴重的區段，增加沉降和斷面收斂變形兩類監測項目。
4.根據權利要求2所述的一種電力隧道結構問題的監測方法，其特征在于，步驟3)所述的根據不同的監測斷面類型 設定相應的監測項目指I類斷面的監測項目包括管片接縫張開量、隧道外部土壓力、管片接頭螺栓內力、隧道內部收斂變形、隧道縱線的沉降、土層分層水平位移、地層分層沉降、隧道結構環向應變、隧道平面位移；II類斷面的監測項目包括管片接縫張開量、管片接頭螺栓內力、隧道縱線的沉降、隧道結構環向應變、隧道平面位移；111類斷面的監測項目包括隧道內部收斂變形、隧道縱線的沉降。
5.根據權利要求2所述的一種電力隧道結構問題的監測方法，其特征在于，步驟4)所述根據監測項目布設相應的監測元件包括監測管片接縫張開量布設測縫計；監測隧道外部土壓力布設土壓力盒；監測管片接頭螺栓內力布設螺栓應力測試儀；監測隧道內部收斂變形布設掛鉤和收斂尺；監測隧道縱線的沉降布設全站儀:監測上覆土分層水平位移布設自動測斜儀；監測地層分層沉降布設分層沉降儀；監測隧道結構環向應變布設應變計；監測隧道平面位移采用全站儀。
6.根據權利要求5所述的一種電力隧道結構問題的監測方法，其特征在于，所述的布設測縫計指在隧道圓周的0、90、180、270度上共安裝環向測縫計四支，在六個接縫處共安裝軸向測縫計六支； 布設壓力盒指在每個監測斷面上一共布設三個壓力盒，分別設在隧道外正上方頂部、左邊水平處和右邊水平處； 布設螺栓應力測試儀指在監測斷面接頭處的螺栓上布設螺栓應力測試儀； 布設收斂尺指在首尾相接沿斷面圓周長布設收斂測點； 布設自動測斜儀指在隧道外部一側布設，埋深要求達到隧道底部； 布設分層沉降儀指在隧道外部一側布設，埋深要求達到隧道底部； 布設應變計指環向布置在隧道內測0、90、180、270度四個點上，每個監測斷面一共布設四個應變計； 布設電子全站儀指按照規范選取基準點，布設在工作井即風井附近，測站布設在隧道內，而且每個測站在隧道內至少必須能看到一個其他的測站，隧道全線均應布設測站，測點處設置反光片，反光片安裝在隧道內側0、90、180、270度位置上一共四個，測點沿全線均布，每十米設置一個測點。·
【文檔編號】G01D21/02GK103591982SQ201310367073
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年8月21日 優先權日:2013年8月21日
【發明者】高小慶, 陸小龍, 楊文威, 何真珍 申請人:國家電網公司, 國網上海市電力公司