一种越江隧道施工河床沉降静力水准测量系统及测量方法与流程

1.本发明属于土木工程施工监测技术领域，涉及越江隧道施工河床沉降静力水准测量系统及测量方法，主要用于盾构隧道下穿河流施工引起的河床沉降变形监测工程。


背景技术：

2.我国沿海地区水系发达，江河密集交错，河势复杂，轨道交通线路规划不可避免地要穿江过河。因城市交通规划需求，地铁建设会不可避免地出现下穿江、河、湖或海等情况，现阶段越江隧道施工最安全的方法还是盾构法施工，但施工受到地质、水文、河势、航道、桥梁、防汛设施、码头等多重因素影响，仍会突发工程险情，是个十分复杂的工程课题，一旦发生工程事故将给社会造成巨大的影响，带来人身伤害及财产损失。
3.在城市地铁盾构隧道开挖过程中，往往会由于开挖过程对隧道周围土体造成扰动，或由于底层损失的原因使土体向临空面产生蠕动变形，为了及时获得盾构开挖过程中地面的变形情况，必须采用适当的监测方案，在地铁盾构掘进过程中，对周围土体的扰动必然会引起地面发生沉降变形，通常做法是在盾构线路上方地面上布设地表沉降监测点，通过水准测量的方式获得地面的沉降变化量，然后根据地面沉降变化情况，调整盾构掘进参数，科学地指导施工。但是当盾构下穿河流时，一般情况下无法通过在河床上直接布设监测点，传统精密水准测量无法直接进行，常用的方法是在隧道内测量管片变形，同时对河流水面进行现场巡查。受盾构机后方台车的影响，在隧道内测量管片变形通常比较滞后，并且现场巡查对监测人员的专业技术水平也要求较高，因此这种方法无法直观的获得盾构上方土体的沉降变化情况，不利于控制施工风险。
4.针对河床沉降变形，申请号为201810363830.9的专利公开了一种针对河床沉降变形的gps定位架结构及监测方法，该结构包括锚块、斜撑、主套管、连接套管、户外电箱、太阳能电池、顶部套管和gps定位天线。该技术容易受外界因素变化影响，造成监测结果误差大、监测精度不高，并无法如实地反映出江底的实际变化情况,同时不能将实时监测得到监测信号，实时转换为直观描述江底的各个测点的水压力和沉降的变化情况；申请号为200410051122.x的专利公开了一种隧道过江施工中用于监测河床沉降的装置及其方法，包括由至少二个沉入江底固定的水压传感装置组成的水压传感采集机构及设置于江边的信号接收处理分析装置，该技术无法测定河床起伏较大时的沉降变化。此外，无人船测量技术采用单波束测深系统，配合gnss(全球导航卫星系统)定位产品和采集、导航等进行水下地形测量，相较于传统测量方法，具有高效、安全的特点，目前主要应用于水下地形测绘项目，在隧道开挖引起水下地形变形方面的应用较少。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种越江隧道施工河床沉降静力水准测量系统及测量方法，实时对河床的变化情况进行连续监测，直观描述出河床变化数据，用于解决或部分解决越江隧道施工时河床沉降测量的技术难题，确保隧道施工安全，控制
施工风险。
6.这种越江隧道施工河床沉降静力水准测量系统，包括磁致伸缩式静力水准仪、读数仪、安装支架和密封装置；河床范围设有若干级测试平面，每级测试平面设有若干个测点，测点上设置安装支架，安装支架上固定磁致伸缩式静力水准仪，磁致伸缩式静力水准仪外部设置密封装置，每级测试平面的磁致伸缩式静力水准仪之间相互连接，并且连接于读数仪。
7.作为优选：在相邻两个测试平面之间的同一个竖向测点设有一个安装支架，安装支架上对应设有两个磁致伸缩式静力水准仪。
8.作为优选：磁致伸缩式静力水准仪主要由磁致伸缩液位计、贮液筒、通液管、通气管和观测电缆组成；贮液筒上设置磁致伸缩液位计，磁致伸缩液位计上设有观测电缆，测杆和浮子位于贮液筒内；贮液筒上部设有通气管和水平气泡，贮液筒下部设有通液管，通液管与贮液筒通过通液管接头和通液管阀门连通；每一级测试平面中，各磁致伸缩式静力水准仪的通液管之间相互连接，通液管内部填充sg溶液；每一级测试平面中，各磁致伸缩式静力水准仪的通气管之间相互连接，各磁致伸缩式静力水准仪的观测电缆之间相互连接。
9.作为优选：安装支架包括支脚和基座，支脚由若干根钢管组成，基座上布设有若干个螺栓孔，磁致伸缩式静力水准仪底座与基座通过固定螺栓连接固定。
10.作为优选：安装支架的基座的尺寸为200
‑
300mm，螺栓孔的孔径为6mm
‑
10mm；安装支架的支脚为直径40mm
‑
60mm的钢管，其插入河床的长度不小于2m。
11.作为优选：密封装置为空心圆柱玻璃罩，其上预留有供通液管、通气管和观测电缆引出的小孔，密封装置底座与安装支架的基座连接密封。
12.作为优选：密封装置底座直径小于基座的尺寸，密封装置底座直径为180
‑
280mm。
13.作为优选：读数仪的输出量为4000ua
‑
20000ua。
14.这种越江隧道施工河床沉降静力水准测量系统的测量方法，包括以下步骤：
15.s1、水下地形测量：
16.采用超声波测深仪配备全球定位系统组成一个水下地形测量系统，并通过水位数据来推算各测点相应的高程，绘制出河床断面图或水下地形图；
17.s2、确定整个河床范围分级：
18.根据断面图上整个河床的高差，将测量范围内的河床分成若干级测试平面，共计n级测试平面；
19.s3、测点布设：
20.在每个水平范围内，在盾构隧道轴线正上方，每隔一段距离布设一个沉降测点；在隶属相邻两级测试平面的同一测点，安装支架安装布设上、下两个磁致伸缩式静力水准仪，用于相邻两级测试平面的沉降传递；
21.s4、系统安装：
22.在河岸地表沉降影响范围外，设置一测墩为基准点，其上安装一台磁致伸缩式静力水准仪；根据河床的分级和测点的布设，在每一级测试平面，水下作业，将安装支架的支脚压入河床，并使每一级测试平面上的安装支架的高程在同一平面上；将密封装置套在磁致伸缩式静力水准仪外部，并通过固定螺栓紧固密封，再将其安装固定在安装支架的基座上；
23.将第一级测试平面的各沉降测点上的磁致伸缩式静力水准仪及基准点上的磁致伸缩式静力水准仪用通气管和通液管串联，并在通液管内充入sg溶液，其他各级测点上的磁致伸缩式静力水准仪也利用通气管和通液管串联，并在通液管内充入sg溶液；利用观测电缆将所有各级测试平面上的磁致伸缩式静力水准仪连接到读数仪；
24.s5、河床沉降计算。
25.作为优选：所述步骤s5中，河床沉降计算包括：
26.①
静力水准仪基准点液位变化量
△
h按下列公式计算：
27.△
h0＝k0(f0－f
01
)
28.式中：k0—静力水准仪基准点传感器系数；
29.f0—静力水准仪基准点的当前读数；
30.f
01
—静力水准仪基准点的初始读数；
31.②
第一级静力水准仪各观测点液位变化量
△
h
1i
按下列公式计算：
32.△
h
1i
＝k
1i
(f
1i
－f
10i
)
33.式中：k
1i
—第一级静力水准仪观测点传感器系数，i＝1，2，
…
，n；
34.f
10i
—第一级静力水准仪观测点的初始读数；
35.f
1i
—第一级静力水准仪观测点的当前读数；
36.③
第一级各观测点沉降或抬高的变化量
△
h
1i
按下列公式计算：
37.△
h
1i
＝
△
h0－
△
h
1i
＝k0(f0－f
01
)－k
1i
(f
1i
－f
10i
)
38.④
隶属相邻两级测试平面上的同一测点上、下两个磁致伸缩式静力水准仪沉降传递，第一与第二级测试平面的同一测点
△
h
1n
与
△
h
21
按下列公式计算：
39.第一级最后一个静力水准仪观测点沉降或抬高的变化量
△
h
1n
按下列公式计算：
40.△
h
1n
＝
△
h0－
△
h
1n
＝k0(f0－f
01
)－k
1n
(f
1n
－f
10n
)
41.式中：k
1n
—第一级最后一个静力水准仪观测点传感器系数；
42.f
10n
—第一级最后一个静力水准仪观测点的初始读数；
43.f
1n
—第一级最后一个静力水准仪观测点的当前读数；
44.△
h
1n
—第一级最后一个静力水准仪观测点液位变化量；
45.第二级第一个静力水准仪液位变化量
△
h
21
按下列公式计算：
46.△
h
21
＝k
21
(f
21
－f
201
)
47.式中：k
21
—第二级第一个静力水准仪基准点传感器系数；
48.f
21
—第二级第一个静力水准仪基准点的当前读数；
49.f
201
—第二级第一个静力水准仪基准点的初始读数；
50.第二级第二个以上静力水准仪各观测点液位变化量
△
h
2i
，i≥2按下列公式计算：
51.△
h
2i
＝k
2i
(f
2i
－f
20i
)
52.式中：k
2i
—第二级第二个以上静力水准仪观测点传感器系数；
53.f
20i
—第二级第二个以上静力水准仪观测点的初始读数；
54.f
2i
—第二级第二个以上静力水准仪观测点的当前读数；
55.第二级第一个观测点沉降或抬高的变化量
△
h
21
按下列公式计算：
56.△
h
21
＝
△
h
1n
57.第二级第二个以上观测点沉降或抬高的变化量
△
h
2i
，i≥2按下列公式计算：
58.△
h
2i
＝
△
h
2i
‑△
h
21
+
△
h
1n
59.其他各级依次类推。
60.本发明的有益效果是：
61.1、本发明采用大量程的磁致伸缩式静力水准仪，同时根据河床地形的差异，将水准仪分级串联，解决了地形起伏较大情况下河床沉降的测量难题。
62.2、本发明针对越江隧道施工河床沉降采用自动化测量，不用人工测量，可以自动得到相对基准点的竖向位移和沉降，测量的精度比人工测量更高，稳定性更强、不受低温影响。
63.3、本发明所提供的河床沉降静力水准测量系统能将监测得到的监测信号实时转换为直观描述江底的各个测点的水压力和沉降变化情况，其量程大，可适用于大范围、起伏高差大的河床沉降测量，解决了越江隧道施工河床沉降测量技术难题。
附图说明
64.图1为越江隧道施工河床沉降静力水准测量系统示意图；
65.图2为磁致伸缩式静力水准仪结构示意图；
66.图3为安装支架示意图。
67.附图标记说明：1
‑
磁致伸缩式静力水准仪；2
‑
读数仪；3
‑
观测电缆；4
‑
安装支架；5
‑
基准点；6
‑
河岸；7
‑
密封装置；8
‑
通气管；9
‑
测杆；10
‑
浮子；11
‑
水平气泡；12
‑
通液管接头；13
‑
通液管阀门；14
‑
通液管；15
‑
密封装置底座；16
‑
固定螺栓；17
‑
贮液筒；18
‑
基座；19
‑
螺栓孔；20
‑
支脚；21
‑
磁致伸缩液位计；22
‑
sg溶液。
具体实施方式
68.下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
69.实施例一
70.本技术实施例一提供一种越江隧道施工河床沉降静力水准测量系统，如图1
‑
3所示，包括磁致伸缩式静力水准仪1、读数仪2、安装支架4和密封装置7。河床范围设有若干级测试平面，每级测试平面设有若干个测点，每个测点上设置安装支架4，安装支架4上部固定磁致伸缩式静力水准仪1，磁致伸缩式静力水准仪1外部设置密封装置7，每级测试平面的磁致伸缩式静力水准仪1之间相互连接，并且与读数仪2连接。多级磁致伸缩式静力水准仪加之基准水位点，再与采集系统配合，就可组成一套完整的河床沉降静力水准测量系统。
71.在此具体实施例中，在整个河床范围根据其高差划分为若干个测试平面，每个测试平面为一级，在该级测试平面上根据规程按一定间距布设有若干个测点，每个测点上设置磁致伸缩式静力水准仪1。在两个测试平面之间的同一个竖向测点采用两个磁致伸缩式静力水准仪进行沉降的传递。
72.在此具体实施例中，磁致伸缩式静力水准仪1由磁致伸缩液位计21、贮液筒17、通液管14、通气管8、观测电缆3等部件组成；贮液筒17上设置磁致伸缩液位计21，磁致伸缩液
位计21上设有观测电缆3，测杆9和浮子10位于贮液筒17内；贮液筒17上部设有通气管8和水平气泡11，贮液筒17下部设有通液管14，通液管14与贮液筒17通过通液管接头12和通液管阀门13连通；每一级中，磁致伸缩式静力水准仪1的通液管14之间相互连接，内部填sg溶液22；每一级中，磁致伸缩式静力水准仪1的通气管8之间相互连接，磁致伸缩式静力水准仪1的观测电缆3之间相互连接。
73.在此具体实施例中，读数仪2的红﹢、黑﹣为供电电源，绿﹣、白﹢为信号线。
74.在此具体实施例中，安装支架4包括支脚20和基座18，支脚20由4根钢管组成，其长度应根据每一级测试平面与河床的距离确定。基座18上布设有4个螺栓孔19，螺栓孔孔位应与磁致伸缩式静力水准仪底座相对应，安装时由固定螺栓16将磁致伸缩式静力水准仪底座与安装支架4的基座18连接固定。
75.在此具体实施例中，密封装置7为空心圆柱玻璃罩，其上预留有小孔供通液管14、通气管8、观测电缆3引出，密封装置底座15与安装支架4的基座18连接密封，防磁致伸缩式静力水准仪破坏。
76.在此具体实施例中，磁致伸缩液位计21量程为0
‑
3000mm，分辨率0.005
‑
0.015mm/ua，重复精度<0.05％f.s.，综合误差<0.1％f.s.。河床沉降静力水准测量系统的工作环境温度
‑
15℃～+70℃。
77.在此具体实施例中，读数仪2的输出量为4000ua
‑
20000ua。
78.在此具体实施例中，观测电缆3为四芯电缆型号为yspt
‑
4，四芯色线定义分别为红(dc24v+)、黑(
‑
或gnd)为电源线，绿(信号
‑
或rs485b)、白(信号+或rs485a)为信号线。
79.在此具体实施例中，安装支架的基座18的尺寸为200
‑
300mm，螺栓孔19孔径为6mm
‑
10mm。
80.在此具体实施例中，安装支架的支脚20为直径为40mm
‑
60mm的钢管，其插入河床的长度不应小于2m。
81.在此具体实施例中，密封装置7的底部直径略小于基座18的尺寸，为180
‑
280mm。
82.实施例二
83.本技术实施例二提供一种越江隧道施工河床沉降静力水准测量方法，包括以下步骤：
84.s1、水下地形测量
85.采用超声波测深仪配备rtk gps全球定位系统组成一个水下地形测量系统，并通过水位等数据来推算各测点相应的高程，绘制出河床断面图或水下地形图。
86.s2、确定整个河床范围分级
87.根据断面图上整个河床的高差，将测量范围内的河床分成若干个水平级，共计n个水平级(即测试平面)。
88.s3、测点布设
89.在每个水平范围内，根据沉降测量规范，在盾构隧道轴线正上方，每20m布设一个沉降测点。在隶属相邻两水平级上的同一测点，安装支架要求能安装布设上、下两个磁致伸缩式静力水准仪，用于相邻两水平级的沉降传递。
90.s4、系统安装
91.在河岸地表沉降影响范围外，设置一测墩为基准点，其上安装一台磁致伸缩式静
力水准仪。根据河床的分级和测点的布设，在每一个水平级，水下作业，将安装支架的支脚压入河床，并确保每一水平级上的安装支架的高程在同一平面上。将密封装置套在磁致伸缩式静力水准仪外部，并通过固定螺栓紧固密封，再将其安装在安装支架的基座上，作好紧固。
92.将第一个水平级的各沉降测点上的磁致伸缩式静力水准仪及基准点上的磁致伸缩式静力水准仪用通气管、通液管串联，并在通液管内充入导压液体(sg溶液)，其他各级测点上的磁致伸缩式静力水准仪也利用通气管、通液管串联，并在通液管内充入导压液体(sg溶液)。相邻两个水平级上的磁致伸缩式静力水准仪不联通。最后，利用观测电缆，将所有各水平级上的磁致伸缩式静力水准仪连接到采集系统(读数仪)，就可组成一套完整的磁致伸缩式静力水准沉降监测系统。
93.s5、河床沉降计算
94.①
静力水准仪基准点液位变化量
△
h0(mm)可按下列公式计算：
95.△
h0＝k0(f0－f
01
)
96.式中：k0—静力水准仪基准点传感器系数(mm/f)；
97.f0—静力水准仪基准点的当前读数(f)；
98.f
01
—静力水准仪基准点的初始读数(f)。
99.②
第一级静力水准仪各观测点液位变化量
△
h
1i
(mm)可按下列公式计算：
100.△
h
1i
＝k
1i
(f
1i
－f
10i
)
101.式中：k
1i
—第一级静力水准仪观测点传感器系数(mm/f)，i＝1，2，
····
，n；
102.f
10i
—第一级静力水准仪观测点的初始读数(f)；
103.f
1i
—第一级静力水准仪观测点的当前读数(f)。
104.③
第一级各观测点沉降或抬高的变化量
△
h
1i
(mm)可按下列公式计算：
105.△
h
1i
＝
△
h0－
△
h
1i
＝k0(f0－f
01
)－k
1i
(f
1i
－f
10i
)
106.④
隶属相邻两个水平级上的同一测点上、下两个磁致伸缩式静力水准仪沉降传递
△
h
ji
(mm)可按下列公式计算(以第一与第二水平级的同一测点
△
h
1n
与
△
h
21
为例)：
107.第一级最后一个静力水准仪(第一级，第n个测点)观测点沉降或抬高的变化量
△
h
1n
(mm)可按下列公式计算：
108.△
h
1n
＝
△
h0－
△
h
1n
＝k0(f0－f
01
)－k
1n
(f
1n
－f
10n
)
109.式中：k
1n
—第一级最后一个静力水准仪观测点传感器系数(mm/f)；
110.f
10n
—第一级最后一个静力水准仪观测点的初始读数(f)；
111.f
1n
—第一级最后一个静力水准仪观测点的当前读数(f)；
112.△
h
1n
—第一级最后一个静力水准仪观测点(第一级，第n个测点)液位变化量。第二级第一个静力水准仪(第二级，第1个)液位变化量
△
h
21
(mm)可按下列公式计算：
113.△
h
21
＝k
21
(f
21
－f
201
)
114.式中：k
21
—第二级第一个静力水准仪基准点传感器系数(mm/f)；
115.f
21
—第二级第一个静力水准仪基准点的当前读数(f)；
116.f
201
—第二级第一个静力水准仪基准点的初始读数(f)。
117.第二级第二个以上静力水准仪各观测点液位变化量
△
h
2i
(mm)(i≥2)可按下列公式计算：
118.△
h
2i
＝k
2i
(f
2i
－f
20i
)
119.式中：k
2i
—第二级第二个以上静力水准仪观测点传感器系数(mm/f)；
120.f
20i
—第二级第二个以上静力水准仪观测点的初始读数(f)；
121.f
2i
—第二级第二个以上静力水准仪观测点的当前读数(f)。
122.第二级第一个观测点沉降或抬高的变化量
△
h
21
(mm)可按下列公式计算：
123.△
h
21
＝
△
h
1n
124.第二级第二个及以上观测点沉降或抬高的变化量
△
h
2i
(mm)(i≥2)可按下列公式计算：
125.△
h
2i
＝
△
h
2i
‑△
h
21
+
△
h
1n
(i≥2)
126.其他各级依次类推。
127.相较于传统的电感式、电容式或振弦式静力水准仪量程小、精度低，同时对环境要求较高，本发明提出的越江隧道施工河床沉降静力水准测量系统及测量方法采用大量程的磁致伸缩式静力水准仪，同时根据河床地形的差异，将测试装置分级串联，解决了河床地形起伏较大情况下河床沉降的测量。本发明所提出的河床沉降静力水准测量系统能将监测得到的监测信号实时转换为直观描述江底的各个测点的水压力和沉降变化情况，其精度高、量程大，可适用于大范围、起伏高差大的河床沉降测量，解决了越江隧道施工河床沉降测量技术难题。