静力水平监测系统在沈阳地铁一号线怀中区间第三方监测中的应用

张春哲，王井利

(沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁沈阳110168)

一、引 言

静力水平系统，是利用相连的容器中液体总是具有相同势能的原理，测量和监测所选参照物彼此之间垂直高度的差异和变化量的一种测量系统。通常采用MCU-32分布式模块化自动化测量单元采集数据，并通过有线或无线通信与计算机连接，从而实现自动化观测，因此精度很高，近年来在测量领域得到广泛应用。

沈阳地铁一号线怀中区间(怀远门站—中街站)采用盾构式施工，盾构区间右线全长1 165．867m，左线全长1 172．248 m，设有3段半径分别为350 m、400m和1500m的曲线，盾构区间需穿越约700m的建筑群，最大埋深19．41m，并且途经沈阳最为繁华地段之一：中街及古建筑怀远门、沈阳故宫。因此，保证地铁监测能够准确并且及时反映地铁当前工作状态显得尤为重要。地铁目前运营状况，传统的监测方法无法在高密度的行车区间内实施作业，也不能满足大量采集数据、分析数据并及时准确反馈的要求。为此，该区间采用静力水平系统进行实时监测，解决了传统监测方法的种种弊端，很好地满足了工程监测的要求。

二、静力水平测量原理

静力水平系统又称连通管水准仪，该系统至少由两个观测点组成，每个观测点安装一套静力水准仪。静力水准仪的后贮液容器互相用通液管完全连通，后贮液容器内注入液体(水)，当液体液面完全静止后系统中所有连通容器内的液面应同在一个大地水平面上∀0，此时每一容器的液位由传感器测出，即初始液位值分别为：H10、H20、H30、H40、…、Hi0，如图1所示。

假设监测点1为基准点，监测点2的地基下沉，测点3的地基上升，测点4的地基不变等，当系统内液面达到平衡静止后形成新的水平面∀1，则各点连通容器内新液位值分别为：H1、H2、H3、H4、…、Hi，如图2所示。

系统各测点的液位由静力水准仪传感器测得，各测点液位变化量分别计算为其中，计算结果Δhi为正值时表示该测点贮液容器内的液面升高;Δhi为负值时表示该测点贮液容器内的液面降低，如图2所示。

在此，选定监测点1为基准点，则其他各监测点相对基准点的垂直位移(沉降量)为其中，计算结果ΔHi为正值时表示该测点地基抬高;ΔHi为负值时表示该测点地基沉降，如图2所示。

图1 静力水平系统工作原理示意图

图2 静力水平系统工作原理示意图

通常基准点是相对恒定的或者是可用其他方式准确测定的点，因此精确计算各点的绝对垂直位移，必须核定基准点地基的沉降变化量。

对于多测点的静力水平测量系统，每个测点的静力水准仪均需加接三通接头，使各测点贮液容器用水管连接，各点容器上部与大气连通，且各点安装高程应基本相同，基准点必须稳固。

三、静力水平系统在一号线怀中区间的应用

1．监测点的布设

本工程根据地铁内实际情况，在地铁左右线分别布设监测点，其中基准点(JD1—JD4)4个，左右线监测点各20个，具体布设如图3所示。

图3 地铁一号线怀中区间自动化监测布点示意图

2．静力水准仪的安装

(1)安装预埋底板组件或仪器支架

因为地铁内实际情况不便搭建混凝土仪器墩，所以采用角钢制作的悬臂式三脚支架与被测点位刚性耦合，由悬臂三脚支架提供仪器安装平面，而各测点所提供的仪器安装平面高差也应控制在±5 mm范围内。

(2)安装仪器底板和钵体

将组装好3根不锈钢螺杆的仪器底座放入仪器墩预埋组件的螺杆中，调整好高度并固定，然后放置钵体。

(3)安装连通管

按各测点之间的管线路径长度顺序铺放连通管，并与各钵体串接起来。连通管材料为纤维增强型PVC软管，用热水泡涨后接入钵体液嘴，冷却后即可保证不漏液。

(4)加 液

连通管内液体工作介质采用蒸馏水配甲醛溶液，达到防腐效果。如果在高寒地区工作，则应按当地工作环境下的最低温度配入防冻液。加液时应从一端顺序操作，完全排除气泡。每个钵体内的液位高度可根据钵体内的标尺刻度统一控制，并通过调整仪器底座高度找平。

(5)安装检测仪器

将组装好的仪器浮子单元和 CCD传感器单元的仪器板装在钵体上，并用3根不锈钢螺杆固定。

(6)安装电源线、通讯线和MCU

按各测点之间的管线路径顺序铺放电源线和通信线。电源线和通信线通过各自的涵道接入测点仪器和MCU内。MCU的电源线和通信线则连接到观测机房。

(7)加硅油

为防止钵体内液体蒸发，需要在液体内加入硅油，其入口在仪器安装板上，平时应用橡胶塞堵住。可采用注射器与导管与硅油。

(8)管线保护和测点仪器的保护

安装仪器的扫尾工作是将连通管和电缆线加以包装保护后放入沟槽或桥架中。包装方式最好采用1米一段的聚氯乙烯保温材料包裹，既可以起到保护作用，也能达到隔热效果，在坝顶面安装时更为必要。最后用专用金属保护箱逐个将仪器罩起来。专用保护箱需专门定做，并且用于坝顶面的保护箱最好采用不锈钢制作，箱体内壁则用发泡材料作成隔热层[2]。

3．沉降监测数据分析

剔除奇异值并进行相应的插补后，根据监测数据绘制各监测点随时间变化的累计沉降折线图，如图4、图5所示。

图4 左线监测点累计沉降变化折线图

图5 右线监测点累计沉降变化折线图

由图4可以看出，左线监测点自4月20日开始监测以来，变化趋势为总体缓慢下降。其中，4月20日至5月10日期间，出现部分监测点上升趋势，L16上升幅度最大，上升至0．3 mm，随后又恢复下降，L11沉降最大，沉降至-0．7mm;5月10日至6月9日期间，监测点沉降较大，而且在5月10日至5月20期间，出现上升现象，L13上升最大，升至0．1mm，而后缓慢下降到5月30日，沉降最大的为L03，降至-0．8mm，随后出现较大沉降至6月10日左右，L03沉降最大，下降至-1．9mm，到6月15日，又出现缓慢上升，随后缓慢沉降，趋于稳定。

由图5可以看出，自4月20日开始监测以来，右线沉降变化总体为缓慢下降。其中，4月20日至5月15日期间，R08沉降最大，变化量为-0．8mm;5月15日至6月15日，R08沉降最大，累计沉降 -1．2mm;6月10日后，各监测点平稳沉降，逐步趋于稳定。

为了检验静力水平系统监测精度，怀中区间还采用天宝Dini03电子水准仪进行同步监测，根据中误差计算公式对每一台静力水准仪观测数据的中误差进行计算。计算结果如表1所示。

表1 mm

由表1中数据可知，各监测点传感器中误差变化范围总体为0．1～0．3 mm，小于天宝Dini03电子水准仪的中误差0．3mm。

图6 静力水平与Dini03电子水平对监测点L10(上)测量值对比

由图6可以看出，对同一监测点L10(上)，静力水平系统与电子水准仪Dini03测量值总体变化趋势基本一致，对每天测量值进行统计计算，得到差值变化范围为 ±0．01mm ～ ±0．27mm，平均值为 ±0．11mm[4]。

四、结束语

对沈阳地铁一号线怀中区间的自动化监测，是在一号线已经运行通车的情况下进行的，此时主体建筑已经结束，地铁运行通畅良好，整个区间均已进入运营阶段，故沉降量较小，总体趋于平稳。由静力水平系统与Dini03监测数据对比可得出结论：用静力水平代替人工电子水准仪监测是可行的。另外，排除仪器自身误差，沉降的主要原因为地铁隧道本身自重以及列车运行时，对轨道的向下的压力。此外，雨水也是沉降的另外一个主要原因，沈阳地下水系丰富，随着夏季来临，降水逐渐增多，尤其在5月10日和6月10日之前2至3天，沈阳降水频繁，导致地铁主体下方含水量增大，使土壤膨胀，部分监测点出现上升现象，而后土壤中水分逐渐向下渗透，监测点逐渐恢复沉降[3]。

[1]顾孝烈，鲍峰，程效军．测量学[M]．3版．上海：同济大学出版社，2006．

[2]张建坤，徐俊峰，徐国双．静力水准测量系统在地铁8号线第三方监测中的应用[J]．现代城市轨道交通，2011(8)：144-147．

[3]邹积婷，江恒彪．北京地铁沉降检测方法及数据处理[J]．工程勘察，2006(1)：43-45．

[4]付和宽．地铁隧道内静力水准观测的精度分析[J]．现代测绘．20012，34(1)：43-46．