深基坑邻近天然气长输管道垂直位移监测方法

邓 贺 鑫

(中铁十八局集团建筑安装工程有限公司, 天津 300350)

随着基坑天然气管道的开挖,将会产生相应的垂直位移现象,不均匀的垂直位移将会导致地下基坑开裂,造成较为严重的破坏,处于异常变化状态的垂直位移在较大程度上暗示着综合破坏现象的发展.而垂直位移监测主要是利用观测装置对基坑中具有代表性的点进行位移量的测量,分析测量的数据能够有效预测开裂等基坑险情,进而采取一定的措施避免险情的发生及进一步扩大.目前的研究对于位移点的测量精准度较低,无法进行同步监测操作.

文献[1]采用B/S结构开发监测平台,提升整体监测的运行效率,综合管理与分析监测数据,及时预警风险信息,有效监测位移潜在风险.文献[2]设计不同的光线布设方法监测位移数据,根据开挖面的双轴线应变进行相应的计算,但计算精准程度较差.由此,传统方法研究无法同时在较长位移距离的不同位置进行监测,同步监测效果较差.为此,针对以上问题,本文构建出一种新式深基坑邻近天然气长输管道垂直位移监测方法.

本文在有效布置监测点位置后进行数据监测处理,提升整体监测的效率,精准获取相应的监测数据,构建数值模拟分析模型,能够同时进行位移监测操作,在不同的基坑环境下实现有效监测,应用范围较广.

1 工程概况

本文研究区域主要位于黄土高原丘陵沟壑区黄土塬,地形较开阔、平坦,场地内高差小于1.0 m,中部和西侧为挖方区,除西侧外其他区域填土较厚,最大达8.80 m,无断层构造,整体稳定性较好,且未发现大规模不良地质现象,有利于进行位移监测研究.场地内黄土层厚度分布不均,马兰黄土为自重湿陷性黄土黄土地基湿陷等级为中等级,进出站阀组区一共设置4个勘察点及两个剖面,该区域局部为填方区,填方深度在5～7 m,地基承载力特征值不小于140 kPa[3-4].管道结构如图1所示.

图1 工程管道结构Figure 1 Engineering pipeline structure

2 深基坑开挖下位移监测

2.1 监测位置布置

深基坑开挖下邻近天然气长输管道垂直位移主要分为三个不同的层次区域,在几何水准布局系统中分析基坑的具体结构,并将结构图像绘制在监测图中.在静力水准布局系统中,按照基坑内部管道连接的方向判断监测位置点的确定条件,在不同的水平压力测量线中分别设置相应的水压监测装置,时刻监测管道周围的水流状态.测量不同管道间的高度与相隔距离,将测量的数据作为监测基准点存储在监测系统中,通过基准点对比分析监测点的位移数据,附加处理基坑内部埋设管道的分布范围[5-6].以监测的基坑开挖深度情况为数据对比条件,构建水准测线空间,将需进行对比的数据收录至测线空间中,调配测量准则,设置测量准则参数方程式:

(1)

其中:s(t)为测量准则参数;E为开挖深度;Wr为监测系统基准点存储数据;r为监测点位置确定条件数值.

根据测量准则精准布置监测的区域,在基坑内部纵向廊道中设置7个监测点,控制监测点间的距离相同,标记监测位置,同时完善测线空间[7-8].

2.2 垂直位移监测分析

集中分析渗透性较强的基坑周围的垂直位移数据,根据基坑周围土体的应力参数判断不同基坑开挖深度对位移距离的影响,将影响参数录入位移分析系统中,检测影响参数与位移距离之间的关系,在基坑中心结构处监测的位移为28.17 mm,该数值与分析标准差距较大,需进一步处理位移数据收集空间的收集参数,当开挖进程与管道铺设工程进度不一致时,将会产生较大的位移变化,在具体分析的过程中需管理进度数据,确保两者处于大致相同的区间内,并构建相应的数据管理方程:

(2)

其中:Rs表示为管理进度参数;fn表示为位移与影响参数关系数值;L表示为监测位移数值;Kl为开挖进度;Ks为管道铺设进度.垂直位移监测计算过程如图2所示.

图2 垂直位移监测计算过程Figure 2 Calculation process of vertical displacement monitoring

根据图2可知,共布置了7个监测点,在垂直地区设定角度偏移值,根据偏移角度得到偏移量,实现监测[9-10].

3 天然气长输管道异常监测数据检测

3.1 天然气长输管道异常数据定性检测

在实现位移监测后,针对异常监测数据进行分析,根据深基坑内部不同结构判断垂直位移监测点的变化位置,通过变化位置分析测量数值的稳定性范围.由于深基坑位于透水性较强的岩层中,当岩层倾向于下游时,倾斜角处于固定的数值区间内,分析此时的基坑岩层顶托力,设置相应的水流上升线,控制基坑内部水体上升处于可控范围内.从深基坑的内部静力水准测量数值分析出基坑内部存在沉降变形现象,需设置相应的形变控制参数对该现象加以调整,构建形变控制方程式:

(3)

其中:D为形变控制参数;J为沉降变形数值;c为形变曲线[11].

按照控制后的深基坑结构进行定性分析处理,调整管道间的铺设距离,由于深基坑的左侧区域相对较深,在相同的开挖深度截断面上,管道自然承重力较弱,基坑内部压力增大,管道位移现象较为明显.通过对比不同开挖深度的位移数据,推测施工区域的垂直位移成因,根据成因进一步分析位移过程中所受的弹性形变程度,减少对基坑的结构破坏,有效完善定性分析研究[12].

3.2 天然气长输管道异常数据定量检测

为有效实现异常监测数据分析,进行定量分析研究.基坑内部混凝土的压缩量处于8.17～11.26 mm之间,根据该数值判断基坑混凝土状态是否处于可监测范围内,在确定监测标准后执行定量分析指令[13-14].控制基坑内部的混凝土竖直向下应变数值处于平稳变化中,管道垂直位移与混凝土变化量趋势相同,需同步化处理趋势数据,构建统计模型分析管道位移所受的不同因素的影响程度.充分考虑基坑内部岩层受水压及温度等因素影响的程度大小,总结因素影响规律,将规律数值录入主导因子调节系统中.选取基坑监测中心点进行管道垂直位移的模型分析操作,构建定量分析模型:

(4)

其中:Fr(qr)为定量分析参数;I(l)为基坑内部环境数据;l为模型内管道位移距离参数;ϑ为影响程度数值;lK为应变数值.匹配定量分析的数值,研究不同影响因素下的管道垂直位移距离,完成定量分析.

4 天然气长输管道垂直位移数值模拟

4.1 数值分析模拟

根据数据检测分析结果构建数值分析模拟平台,首先对深基坑开挖阶段的管道垂直位移数据进行有限元计算分析,其次分析基坑内部的稳定性参数,进行数值模拟计算.深基坑开挖下邻近天然气长输管道有限元模型如图3所示.

图3 深基坑开挖下天然气长输管道支护结构有限元模型Figure 3 Finite element model of supporting structure of natural gas long transmission pipeline under deep foundation pit excavation

为有效减少计算过程中的边界效应影响,通常情况下,数值分析构建的基坑土体模型的截断面的长度为实际长度的4倍,选用混凝土支撑装置加固基坑结构,固定数值模拟模型的边界,将收集的异常与正常监测数据录入数值模拟系统中等待平台响应.分析模拟后的数据,统一输出模拟参数,设置数据参数输出公式:

(5)

其中:Gw(n)为输出的参数数据;vs为数值模拟平台响应速率;vd为固定数值参数;n为输出数据代表量.深基坑开挖下天然气长输管道渗流结构有限元模型如图4所示.

图4 深基坑开挖下天然气长输管道渗流结构有限元模型Figure 4 Finite element model of seepage structure of long natural gas transmission pipeline under deep foundation pit excavation

根据计算的模拟数值分析得出,该研究区域的地层渗透性较强,管道垂直位移监测数据能够在不同的环境下实现转换,有效提升数值模拟的精准度,为了确保模拟的数值与实际施工中的数据保持一致,在数值模拟的过程中交替进行开挖操作,调整施工程序,进一步强化基坑开挖操作,挖掘更深层次的位移数据,提升数值模拟分析的可靠性[15].

4.2 基坑渗透和沉降模拟

由于基坑开挖时的土体卸荷将会影响土体水压平衡,本文根据模拟的数值结果进一步分析基坑渗透程度以及沉降状态,并进行基坑沉降模拟,确保基坑内部土体的孔隙水压处于相同的平衡区间内.深基坑在开挖后会生成渗透场,测量此时的矢量数据,对比渗透场内外侧的孔隙水压,分析得出基坑两侧的渗透主要呈现为水平方向趋势,随基坑开挖深度的不断加深,渗透的力度逐渐减小,模拟的土体模型边界与实际开挖边界一致,能够有效处理分布在中心区域的位移数据.天然气初始孔隙水压力云图如图5所示.

图5 天然气初始孔隙水压力云图Figure 5 Cloud diagram of the initial pore water pressure of natural gas

选择沉降监测最大值参数,模拟不同施工状态下的基坑环境,绘制基坑内部沉降图像,分析沉降参数与设置的监测数据之间的差异,对比分析在渗透作用较强的条件下的沉降位移散点分布范围,分析可知,渗透条件下的模拟模型沉降数值大于实际测量的沉降数值,设置对比参数调整差异数值,并构建参数调整公式:

Ta=Tb+Tc-e2

(6)

其中:Ta表示为参数调整数值;Tb表示差异参数;Tc表示为位移散点分布范围参数.根据上述调整参数完成基坑渗透与沉降模拟研究.

5 实例研究

为验证本文提出的深基坑开挖下邻近天然气长输管道垂直位移监测方法的实际应用效果,选用黄土高原丘陵沟壑区黄土塬长输管道进行实例研究.该区域深基坑挖掘共花费3个月,采用的施工方法为明挖顺做法施工,在挖掘的过程中启用监测设备,时刻监测施工设备现场状况,确定深基坑开挖过程中周边土体产生的形变参数和支护结构参数.深基坑开挖施工步骤如下:在基坑挖掘至1.2 m时,引入第一道钢筋混凝土,支撑基坑周边结构;挖掘至8.0 m,浇筑第二道混凝土;挖掘至15.0m,浇筑第三道混凝土;挖掘至20 m后,进行底板施工.根据使用管道结构布置监控点,如图6所示.

图6 管道结构布置监控点Figure 6 Monitoring points of pipe structure layout

在布置监测位置后,进一步分析监测的垂直位移数据,选择基坑中靠近西北侧的5个监测点作为位移监测分析的任务点,根据位移的时间变化规律获取相应的位移距离参数,在位移较大的区域设置混凝土支护作为保护装置,由于基坑北侧的位移距离明显大于北侧的位移距离,为此,在进行分析的同时需充分考虑不同区域的地形特征,避免因无关参数对整体分析的影响.根据上述监控结果分析垂直位移如图7所示.

图7 垂直位移监测结果Figure 7 Results of vertical displacement monitoring

观察图7可知,监测点5的垂直位移最低,沉降值最大,由此证明深基坑底部的位置很容易出现超载,支护结构也十分复杂,对土体两侧变化会产生影响,监测点1的垂直位移量最小,由此证明在混凝土结构内部不易出现垂直沉降.分析衬砌收敛云图、竖向位移云图和形变云图可知,显示结果与监控结果基本一致,因此,本文提出的监测方法具有较高的可靠性.

为进一步验证本文提出的监测方法实际应用效果,选用本文提出的方法与传统的基于光纤传感技术的桩体位移监测方法和基于遥感技术的管道位移监测方法进行实验对比,得到的结果如表1所示.

表1 监测结果对比Table 1 Comparison of the monitoring results

根据表1可知,传统的光纤传感技术和遥感技术采用的监测方法多为“点监测”,因此只能根据天然气管道局部变化情况进行监测,监测能力较差,且在监测过程中需要安装多个监测点.而本文提出的检测方法能够通过“面监测”实现区域分析,监测技术更加先进,应用更为广泛.

6 结 论

本文深入分析深基坑邻近天然气长输管道垂直位移监测方法,并得出如下结论:

1)本文模拟的数值结果数据与实际开挖工程测量的数据大致相同,能够在相应位移距离的不同位置进行同时监测操作,有效提升监测效率,避免监测数值差异,较大程度上增强监测结果的可靠性.

2)集中分析不同开挖状态下的管道垂直位移情况,能够实现数据间的有效流通,控制土体模型提取参数处于可操作范围内,强化监测系统的数值分析能力,提高监测安全性.

综上,本文研究的监测效果较佳,但在实际操作的过程中仍存在着一些不足:

1)深基坑沉降的结果与位移结果的对比操作需在相同的挖掘场景下同时进行,为此,在后续操作的过程中需保持挖掘程序的一致,有效确保监测的精准度.

2)在分析的同时充分考虑土体状态对监测结果的影响,避免干扰数据的侵入.