一种软土地层中冻结壁应力和温度的监测方法与流程

1.本发明涉及隧道冻结法施工监测技术领域，尤其涉及一种软土地层中冻结壁应力和温度的监测方法。


背景技术：

2.冻结法技术使地层中的水结冰，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行地下工程施工。冻结法因其具有止水性、较高冻土强度和对复杂地层适应性等特点，已成为地铁联络通道的主要施工方法。
3.冻土帷幕的温度发展规律和冻结帷幕形成状况关系到冻结法施工的安全，冻结法监测技术不仅对施工安全提供保障，而且为深入研究冻结壁的物理力学性质、受力分析提供了可靠数据。目前冻结法施工的监测主要包括温度监测和冻胀力监测，温度监测一般采用测温电缆作为传感器，冻胀力监测则采用埋入土压力盒的方式。然而目前常规监测技术仅仅满足了对温度监测的需求，较少有对冻结壁的应力同时监测的技术。


技术实现要素：

4.本发明旨在解决现有技术的不足，而提供一种软土地层中冻结壁应力和温度的监测方法。
5.本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：
6.一种软土地层中冻结壁应力和温度的监测方法，具体步骤为：
7.s1、制作应力监测管
8.应力监测管包括环氧树脂圆筒，环氧树脂圆筒两端设有内螺纹金属环，内螺纹金属环与环氧树脂圆筒外浇注有环氧树脂外包层，环氧树脂圆筒内部设有内衬环，内衬环一端面上设有焊接有圆环且圆环上绑扎有钢丝绳；
9.环氧树脂圆筒侧壁内部圆周浇注有三组应变花，三组应变花之间的夹角为120
°
，每组应变花均有四支应变片组成，四个应变片互相间隔45
°
，应变片的应变监测导线由环氧树脂圆筒侧壁引出；
10.s2、制作温度监测管
11.温度监测管包括金属管，金属管一端部内壁上设有内螺纹且另外一端部外壁上设有外螺纹，金属管的外螺纹端与应力监测管的内螺纹金属环连接，金属管内壁上在靠近应力监测管的一端焊接有三块钢板，形成安装槽，温度传感器封装在金属圆杆内放置在安装槽内，温度传感器的导线由金属管管口引出；
12.s3、测温孔测量放样及开孔
13.按冻结孔孔口与基准十字线的设计距离用钢卷尺丈量确定孔口孔位中心点，并用红油漆标出孔位中心十字线，然后用开孔钻机对隧道管片进行开孔，安装孔口管后连接控制阀门；
14.s4、首段测温管顶进
15.顶杆与冻结管头部的导向头相连，导向头一端为锥形头且另外一端连接有首段测温管，顶管机活塞与顶杆尾端相连，启动液压泵，液压缸的活塞伸长时，对顶杆施加顶力，顶力通过顶杆传到冻结管头部的导向头并带动首段测温管进入地层；
16.s5、监测管段顶进
17.将温度监测管一端与首段测温管连接、另外一端与应力监测管连接，在顶管机顶杆与顶帽之间加入加尺杆，将应力监测管和温度监测管顶进土层；
18.s6、继续顶进
19.将应力监测管另外一端连接后续测温管，继续接长顶管机顶杆，顶进后续测温管，顶进达到设计深度后移走顶管机，拉出顶杆，将内衬环钢丝绳引出，将温度监测管的导线引出连接温度测量模块、转换器后传输到计算机，将应变监测导线引出连接应变仪；
20.s7、监测
21.冻结壁形成后，用钢丝绳将内衬环的局部结构拉出，释放内衬环对环氧树脂圆筒的约束，开始应力监测和温度监测，监测冻结壁进一步发展和开挖过程中的温度和应力发展；
22.s8、对冻结壁应力监测进行温度校准
23.应力监测管中应变片及应变监测导线将受到温度的影响，根据监测的冻结壁温度，将同规格应力监测管连接同长度应变监测导线，将其放到相同温度的冷冻箱中，监测应力，作为对冻结壁应力监测的温度补偿。
24.步骤s1中，环氧树脂圆筒的外径为106mm，壁厚为7mm；内螺纹金属环的外径为106mm，壁厚为7mm，内壁上设有内螺纹；环氧树脂外包层的外径为108mm，壁厚为1mm。
25.步骤s1中，内衬环的外径为92mm，壁厚为8mm，内衬环的长度与环氧树脂圆筒的长度相同，内衬环由无缝钢管切割为三块内衬环片，其中一块为封顶块且另外两块为邻接块，绑扎钢丝绳的圆环焊接在封顶块的端部，一块为封顶块和两块为邻接块拼装于环氧树脂圆筒内部。
26.步骤s2中，金属管采用直径为108mm，厚度为8mm的无缝钢管制作而成。
27.步骤s2中，温度传感器采用数字温度传感器ds18b20。
28.步骤s4中，导向头的端面直径比首段测温管的外径大4mm，以便降低管侧阻力。
29.步骤s6中，温度监测管的导线连接的是ltm
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8303温度测量模块和ltm
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8520转换器。
30.本发明的有益效果是：本发明采用应力监测管和温度监测管监测冻结壁中一点的三向应力和温度，可以跟踪冻结壁形成后以及冻结壁内开挖过程中冻结壁应力和温度的变化，达到监控开挖过程安全状态的目的；施工时，采用内衬环约束应力监测管的变形，冻结壁形成后，通过拆除内衬环的封顶块的方式达到应力释放，测量得到冻结壁中应力；温度传感器紧邻应力监测管，测量得到应力监测点的温度。
附图说明
31.图1为本发明中首段测温管的结构示意图；
32.图2为本发明中应力监测管的结构示意图；
33.图3为本发明中应力监测管中内衬环的结构示意图；
34.图4为本发明中应力监测管中应变片的布置示意图；
35.图5为本发明中温度监测管的结构示意图；
36.图6为本发明中后续测温管的结构示意图；
37.图中：1-导向头；2-首段测温管；3-应力监测管；4-温度监测管；5-后续测温管；
38.31-内衬环；32-内螺纹金属环；33-环氧树脂外包层；34-邻接块；35-钢丝绳；36-封顶块；37-环氧树脂圆筒；38-应变花；
39.41-温度传感器；42-金属管；43-安装槽；44-导线；
40.以下将结合本发明的实施例参照附图进行详细叙述。
具体实施方式
41.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
42.需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
43.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
44.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
45.一种软土地层中冻结壁应力和温度的监测方法，如图1至图6所示，具体步骤为：
46.s1、制作应力监测管3
47.应力监测管3包括环氧树脂圆筒37，环氧树脂圆筒37两端设有内螺纹金属环32，内螺纹金属环32与环氧树脂圆筒37外浇注有环氧树脂外包层33，环氧树脂圆筒37内部设有内衬环31，内衬环31一端面上设有焊接有圆环且圆环上绑扎有钢丝绳35；
48.环氧树脂圆筒37的外径为106mm，壁厚为7mm；内螺纹金属环32的外径为106mm，壁厚为7mm，内壁上设有内螺纹；环氧树脂外包层33的外径为108mm，壁厚为1mm；
49.内衬环31的外径为92mm，壁厚为8mm，内衬环31的长度与环氧树脂圆筒37的长度相同，内衬环31由无缝钢管切割为三块内衬环片，其中一块为封顶块36且另外两块为邻接块34，绑扎钢丝绳35的圆环焊接在封顶块36的端部，一块为封顶块36和两块为邻接块34拼装于环氧树脂圆筒37内部；
50.环氧树脂圆筒37侧壁内部圆周浇注有三组应变花38，三组应变花38之间的夹角为120
°
，每组应变花38均有四支应变片组成，四个应变片互相间隔45
°
，应变片的应变监测导线由环氧树脂圆筒37侧壁引出；
51.s2、制作温度监测管4
52.温度监测管4包括金属管42，金属管42采用直径为108mm，厚度为8mm的无缝钢管制作而成，金属管42一端部内壁上设有内螺纹且另外一端部外壁上设有外螺纹，金属管42的外螺纹端与应力监测管3的内螺纹金属环32连接，金属管42内壁上在靠近应力监测管3的一端焊接有三块钢板，形成安装槽43，温度传感器41封装在金属圆杆内放置在安装槽43内，温度传感器41采用数字温度传感器ds18b20，温度传感器41的导线44由金属管42管口引出；
53.s3、测温孔测量放样及开孔
54.按冻结孔孔口与基准十字线的设计距离用钢卷尺丈量确定孔口孔位中心点，并用红油漆标出孔位中心十字线，然后用开孔钻机对隧道管片进行开孔，安装孔口管后连接控制阀门；
55.s4、首段测温管2顶进
56.顶杆与冻结管头部的导向头1相连，导向头1一端为锥形头且另外一端连接有首段测温管2，导向头1的端面直径比首段测温管2的外径大4mm，以便降低管侧阻力，顶管机活塞与顶杆尾端相连，启动液压泵，液压缸的活塞伸长时，对顶杆施加顶力，顶力通过顶杆传到冻结管头部的导向头1并带动首段测温管2进入地层；
57.s5、监测管段顶进
58.将温度监测管4一端与首段测温管2连接、另外一端与应力监测管3连接，在顶管机顶杆与顶帽之间加入加尺杆，将应力监测管3和温度监测管4顶进土层；
59.s6、继续顶进
60.将应力监测管3另外一端连接后续测温管5，继续接长顶管机顶杆，顶进后续测温管5，顶进达到设计深度后移走顶管机，拉出顶杆，将内衬环钢丝绳35引出，将温度监测管4的导线44引出连接ltm
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8303温度测量模块、ltm
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8520转换器后传输到计算机，将应变监测导线引出连接应变仪；
61.s7、监测
62.冻结壁形成后，用钢丝绳35将内衬环31的封顶块36拉出，释放内衬环31对环氧树脂圆筒37的约束，开始应力监测和温度监测，监测冻结壁进一步发展和开挖过程中的温度和应力发展；
63.s8、对冻结壁应力监测进行温度校准
64.应力监测管3中应变片及应变监测导线将受到温度的影响，根据监测的冻结壁温度，将同规格应力监测管3连接同长度应变监测导线，将其放到相同温度的冷冻箱中，监测应力，作为对冻结壁应力监测的温度补偿。
65.本发明的设计要点及优势在于：
66.本发明采用应力监测管3和温度监测管4监测冻结壁的三向应力和温度，解决了目前常规技术中只能获得温度监测数据的问题，为掌握冻结壁应力情况提供了可能；
67.本发明施工时，采用内衬环31约束应力监测管3的变形，冻结壁形成后，通过拆除内衬环31的方式达到应力释放，测量得到冻结壁中应力；
68.本发明中温度传感器41紧邻应力监测管3，测量得到应力监测点的温度；
69.本发明可以跟踪冻结壁形成后以及冻结壁内开挖过程中冻结壁应力和温度的变化，达到监控开挖过程安全状态的目的。
70.上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式
的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种软土地层中冻结壁应力和温度的监测方法，其特征在于，具体步骤为：s1、制作应力监测管（3）应力监测管（3）包括环氧树脂圆筒（37），环氧树脂圆筒（37）两端设有内螺纹金属环（32），内螺纹金属环（32）与环氧树脂圆筒（37）外浇注有环氧树脂外包层（33），环氧树脂圆筒（37）内部设有内衬环（31），内衬环（31）一端面上设有焊接有圆环且圆环上绑扎有钢丝绳（35）；环氧树脂圆筒（37）侧壁内部圆周浇注有三组应变花（38），三组应变花（38）之间的夹角为120
°
，每组应变花（38）均有四支应变片组成，四个应变片互相间隔45
°
，应变片的应变监测导线由环氧树脂圆筒（37）侧壁引出；s2、制作温度监测管（4）温度监测管（4）包括金属管（42），金属管（42）一端部内壁上设有内螺纹且另外一端部外壁上设有外螺纹，金属管（42）的外螺纹端与应力监测管（3）的内螺纹金属环（32）连接，金属管（42）内壁上在靠近应力监测管（3）的一端焊接有三块钢板，形成安装槽（43），温度传感器（41）封装在金属圆杆内放置在安装槽（43）内，温度传感器（41）的导线（44）由金属管（42）管口引出；s3、测温孔测量放样及开孔按冻结孔孔口与基准十字线的设计距离用钢卷尺丈量确定孔口孔位中心点，并用红油漆标出孔位中心十字线，然后用开孔钻机对隧道管片进行开孔，安装孔口管后连接控制阀门；s4、首段测温管（2）顶进顶杆与冻结管头部的导向头（1）相连，导向头（1）一端为锥形头且另外一端连接有首段测温管（2），顶管机活塞与顶杆尾端相连，启动液压泵，液压缸的活塞伸长时，对顶杆施加顶力，顶力通过顶杆传到冻结管头部的导向头（1）并带动首段测温管（2）进入地层；s5、监测管段顶进将温度监测管（4）一端与首段测温管（2）连接、另外一端与应力监测管（3）连接，在顶管机顶杆与顶帽之间加入加尺杆，将应力监测管（3）和温度监测管（4）顶进土层；s6、继续顶进将应力监测管（3）另外一端连接后续测温管（5），继续接长顶管机顶杆，顶进后续测温管（5），顶进达到设计深度后移走顶管机，拉出顶杆，将内衬环钢丝绳（35）引出，将温度监测管（4）的导线（44）引出连接温度测量模块、转换器后传输到计算机，将应变监测导线引出连接应变仪；s7、监测冻结壁形成后，用钢丝绳（35）将内衬环（31）的局部结构拉出，释放内衬环（31）对环氧树脂圆筒（37）的约束，开始应力监测和温度监测，监测冻结壁进一步发展和开挖过程中的温度和应力发展；s8、对冻结壁应力监测进行温度校准应力监测管（3）中应变片及应变监测导线将受到温度的影响，根据监测的冻结壁温度，将同规格应力监测管（3）连接同长度应变监测导线，将其放到相同温度的冷冻箱中，监测应力，作为对冻结壁应力监测的温度补偿。
2.根据权利要求1所述的一种软土地层中冻结壁应力和温度的监测方法，其特征在于，步骤s1中，环氧树脂圆筒（37）的外径为106mm，壁厚为7mm；内螺纹金属环（32）的外径为106mm，壁厚为7mm，内壁上设有内螺纹；环氧树脂外包层（33）的外径为108mm，壁厚为1mm。3.根据权利要求2所述的一种软土地层中冻结壁应力和温度的监测方法，其特征在于，步骤s1中，内衬环（31）的外径为92mm，壁厚为8mm，内衬环（31）的长度与环氧树脂圆筒（37）的长度相同，内衬环（31）由无缝钢管切割为三块内衬环片，其中一块为封顶块（36）且另外两块为邻接块（34），绑扎钢丝绳（35）的圆环焊接在封顶块（36）的端部，一块为封顶块（36）和两块为邻接块（34）拼装于环氧树脂圆筒（37）内部。4.根据权利要求3所述的一种软土地层中冻结壁应力和温度的监测方法，其特征在于，步骤s2中，金属管（42）采用直径为108mm，厚度为8mm的无缝钢管制作而成。5.根据权利要求4所述的一种软土地层中冻结壁应力和温度的监测方法，其特征在于，步骤s2中，温度传感器（41）采用数字温度传感器ds18b20。6.根据权利要求5所述的一种软土地层中冻结壁应力和温度的监测方法，其特征在于，步骤s4中，导向头（1）的端面直径比首段测温管（2）的外径大4mm，以便降低管侧阻力。7.根据权利要求6所述的一种软土地层中冻结壁应力和温度的监测方法，其特征在于，步骤s6中，温度监测管（4）的导线（44）连接的是ltm
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8303温度测量模块和ltm
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8520转换器。

技术总结
本发明是一种软土地层中冻结壁应力和温度的监测方法，具体为：制作应力监测管，应力监测管包括环氧树脂圆筒、内螺纹金属环、环氧树脂外包层、内衬环；制作温度监测管，温度监测管包括温度传感器和金属管；测温孔测量放样及开孔；首段测温管顶进；监测管段顶进，将连接好的应力监测管和温度监测管顶进土层；顶进后续测温管；冻结壁形成后，用钢丝绳将内衬环封顶块拉出，开始应力监测和温度监测；对冻结壁应力监测进行温度校准。本发明可以实现施工过程中对冻结壁同一点位进行三向应力和温度的监测，有利于冻结壁受力状态的掌握，为冻结壁温度场和应力场研究提供依据。和应力场研究提供依据。和应力场研究提供依据。


技术研发人员：宋子文 刘晓敏 王世友 宋立伟 葛隆博
受保护的技术使用者：天津中建国际工程设计有限公司
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/8/9