顶管工作井下沉监测与调控系统及其施工方法

文献发布时间：2023-06-19 19:30:30

技术领域

本发明涉及顶管工作井施工技术领域，具体的是一种顶管工作井下沉监测与调控系统及其施工方法。

背景技术

顶管工作井是顶管施工前在始发端和接收端开挖的基坑，为顶管施工提供操作空间，是顶管设计、施工中相当主要的一个环节。沉井法是顶管工作井施工的一种常用方法，其先在地表预制井壁，然后在井内挖土，通过自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高。下沉过程中，工作井的姿态及受力情况十分复杂。现有监测方法通常只能监测顶管工作井井身变形，但其下沉姿态和力学特性监测很难实现。为保证工作井下沉过程中结构的安全性，建立一种下沉姿态及受力特性监测系统是必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种顶管工作井下沉监测与调控系统及其施工方法，能够实时查看沉井姿态及受力数据，并及时调整下沉姿态及井壁摩阻力，确保沉井结构的安全性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种顶管工作井下沉监测与调控系统，包括设置在工作井钢筋笼上的监测系统以及设置在工作井外部的调控系统，所述的监测系统由钢筋应变计、土压力计、倾角传感器、采集箱和计算机组成；

所述的调控系统由注浆管路、注浆泵、注浆泵控制器、液压千斤顶和千斤顶控制器组成；

所述的钢筋笼中部的纵向主筋截断并形成断口，钢筋应变计焊接于纵向主筋断口处，在相邻两层环向主筋之间焊设有注浆管，注浆管下方的两层环向主筋之间穿过设有土压力计基座，且土压力计基座与钢筋笼之间焊接固定；

所述的土压力计基座上安装有土压力计，工作井内壁上安装有倾角传感器和采集箱；

所述的注浆管上连接有注浆管路，工作井外部四周设置有硬化基础，硬化基础上通过高强螺栓设置千斤顶支架，调控系统中的液压千斤顶安装于千斤顶支架上，液压千斤顶与千斤顶控制器连接实现控制。

优选的方案中，相邻两层所述的环向主筋之间间距不小于土压力计基座端部直径。

优选的方案中，所述的注浆管及土压力计基座的两端分别与工作井内外壁平齐。

优选的方案中，所述的采集箱内设有采集模块和无线传输模块，采集模块与钢筋应变计、土压力计及倾角传感器连接，无线传输模块与计算机之间形成无线信号传输。

优选的方案中，所述的采集箱内还设有用于供电的电源，采集箱顶部设有太阳能电池板，太阳能电池板与电源连接并实现对电源的充电。

优选的方案中，所述的注浆管路上设有注浆泵，注浆泵与注浆泵控制器连接。

优选的方案中，所述的工作井为矩形沉井，钢筋应变计和土压力计均为四个，并分别安装在工作井四个侧壁上，倾角传感器为两个并安装在相邻的两个工作井侧壁上。

基于上述顶管工作井下沉监测与调控系统的施工方法，具体包括以下步骤：

1)将监测系统及调控系统安装于工作井上；

2)开挖下沉，利用监测系统开始采集数据，并通过采集箱中的无线传输模块将数据传输至计算机，计算机根据预定程序对数据进行处理与分析；

3)计算机根据倾角传感器的数据判断工作井倾斜方向，并将测试倾角与预设极限倾角进行对比；

4)若测试倾角大于预设极限倾角时，计算机向倾斜侧井壁的千斤顶控制器发出指令，启用对应的液压千斤顶；

5)当液压千斤顶的顶力达到井壁混凝土承受上限或井壁垂直时，液压千斤顶的顶力停止上升并保持不变；

6)计算机根据钢筋应变计和土压力计的测试数据计算井壁与土体接触面摩擦系数，并对后续沉井下沉摩阻力进行预测；

7)当摩阻力大于沉井重力时，计算机向注浆泵控制器发出指令，开启注浆泵进行注浆减阻，使井壁与土体接触面摩擦系数降低；

8)继续开挖下沉，重复步骤2)至步骤7)，直至下沉到设计标高。

9、根据权利要求8所述的一种顶管工作井下沉监测与调控系统的施工方法，其特征在于：所述的步骤5)中，液压千斤顶22最大顶力计算如下：

式中：

A为液压千斤顶与井壁接触面积。

优选的方案中，所述的步骤6)中，井壁与土体接触面摩擦系数计算如下：

式中：

εan为当前工况中最顶层监测断面四个钢筋应变计测试值的平均值；

As为沉井横截面钢筋面积；

Es为钢筋弹性模量；

Ac为沉井横截面混凝土面积；

Ec为混凝土弹性模量；

Pa1为当前工况中最底层监测断面四个土压力计测试值的平均值；

Pan为当前工况中最顶层监测断面四个土压力计测试值的平均值；

a和b分别为沉井的长和宽；

h为当前工况中最底层监测断面和最顶层监测断面之间的垂直距离；

后续下沉摩阻力预测计算如下：

式中：H为沉井下沉总长度。

本发明所提供的一种软弱地层顶管失稳受力监测系统及失稳受力计算处理方法，通过采用上述结构及方法，具有以下有益效果：

(1)可实时对顶管工作井下沉过程中的姿态及受力情况进行监测与查看，掌控工作井下沉状态。同时，计算机可根据测试数据分析沉井下沉姿态与受力情况，及时做出相应调控措施，确保顶管工作井安全、快速下沉，提高施工质量；

(2)采用太阳能电池板为采集箱供电，避免了外接电缆，实现了监测系统的长时间不间断工作，提高了监测的安全性；

(3)实现数据的无线实时传输，避免了现场人工采集的不便，提高了采集效率，降低了对施工的影响。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明土压力基座与钢筋应变计安装图。

图2为本发明监测系统布置图。

图3为本发明采集箱内部布置图。

图4为本发明调控系统布置图。

图5为本发明监测与调控系统平面布置图。

图6为本发明监测断面设置图。

图7为本发明调控方法流程示意图。

图中：钢筋笼1，环向主筋2，纵向主筋3，注浆管4，土压力计基座5，钢筋应变计6，土压力计7，倾角传感器8，采集箱9，太阳能电池板10，采集模块11，无线传输模块12，电源13，计算机14，过滤板15，注浆管路16，注浆泵17，注浆泵控制器18，硬化基础19，千斤顶支架20，高强螺栓21，液压千斤顶22，千斤顶控制器23。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，一种顶管工作井下沉监测与调控系统，包括设置在工作井钢筋笼1上的监测系统以及设置在工作井外部的调控系统，所述的监测系统由钢筋应变计6、土压力计7、倾角传感器8、采集箱9和计算机14组成；

所述的调控系统由注浆管路16、注浆泵17、注浆泵控制器18、液压千斤顶22和千斤顶控制器23组成；

所述的钢筋笼1中部的纵向主筋3截断并形成断口，钢筋应变计6焊接于纵向主筋3断口处，在相邻两层环向主筋2之间焊设有注浆管4，注浆管4下方的两层环向主筋2之间穿过设有土压力计基座5，且土压力计基座5与钢筋笼1之间焊接固定；

所述的土压力计基座5上安装有土压力计7，工作井内壁上安装有倾角传感器8和采集箱9；

所述的注浆管4上连接有注浆管路16，工作井外部四周设置有硬化基础19，硬化基础19上通过高强螺栓21设置千斤顶支架20，调控系统中的液压千斤顶22安装于千斤顶支架20上，液压千斤顶22与千斤顶控制器23连接实现控制。

优选的方案中，相邻两层所述的环向主筋2之间间距不小于土压力计基座5端部直径，当环向主筋2之间的间距小于土压力计基座4尾部直径时，应将土压力计基座5穿越上部的环向主筋2截断。

优选的方案中，所述的注浆管4及土压力计基座5的两端分别与工作井内外壁平齐，在浇筑混凝土时，需对注浆管4和土压力计基座5的前后端进行封堵，防止混凝土进入其中。

优选的方案如图2、3、5中，所述的采集箱9内设有采集模块11和无线传输模块12，采集模块11与钢筋应变计6、土压力计7及倾角传感器8连接，无线传输模块12与计算机14之间形成无线信号传输。

优选的方案中，所述的采集箱9内还设有用于供电的电源13，采集箱9顶部设有太阳能电池板10，太阳能电池板10与电源13连接并实现对电源13的充电。

优选的方案如图4、5中，所述的注浆管路16上设有注浆泵17，注浆泵17与注浆泵控制器18连接。

优选的方案如图6中，所述的工作井为矩形沉井，钢筋应变计6和土压力计7均为四个，并分别安装在工作井四个侧壁上，倾角传感器8为两个并安装在相邻的两个工作井侧壁上。

实施例2：

如图7，在实施例1的基础上，所述顶管工作井下沉监测与调控系统的施工方法具体包括以下步骤：

1)将监测系统及调控系统安装于工作井上；

2)开挖下沉，利用监测系统开始采集数据，并通过采集箱9中的无线传输模块(12)将数据传输至计算机14，计算机14根据预定程序对数据进行处理与分析；

3)计算机14根据倾角传感器8的数据判断工作井倾斜方向，并将测试倾角与预设极限倾角进行对比(预设极限倾角的大小根据实际工程条件确定)；

4)若测试倾角大于预设极限倾角时，计算机14向倾斜侧井壁的千斤顶控制器23发出指令，启用对应的液压千斤顶22；

5)当液压千斤顶22的顶力达到井壁混凝土承受上限或井壁垂直时，液压千斤顶22的顶力停止上升并保持不变，当测试倾角小于预设极限倾角时，液压千斤顶22回退；

6)计算机14根据钢筋应变计6和土压力计7的测试数据计算井壁与土体接触面摩擦系数，并对后续沉井下沉摩阻力进行预测；

7)当摩阻力大于沉井重力时，计算机14向注浆泵控制器18发出指令，开启注浆泵(17)进行注浆减阻，使井壁与土体接触面摩擦系数降低，当井壁摩阻力满足下沉要求时，停止注浆；