压差沉降监测系统在地铁开挖中的应用

邢建军潘同斌刘文峰郭兴玲易世勇

（1.青岛地铁集团建设分公司，266071，青岛；2.中国铁建十六局集团，266199，青岛；3.江西飞尚科技有限公司，330052，南昌∥第一作者，工程师）

压差沉降监测系统在地铁开挖中的应用

邢建军1潘同斌2刘文峰3郭兴玲3易世勇3

（1.青岛地铁集团建设分公司，266071，青岛；2.中国铁建十六局集团，266199，青岛；3.江西飞尚科技有限公司，330052，南昌∥第一作者，工程师）

压差沉降监测系统用于地铁施工期间对结构物进行沉降监测。介绍了压差沉降监测系统的组成及工作原理，从部件选型、安装工艺、验收标准等三方面阐述了系统的应用原则。该监测系统在青岛地铁的应用效果表明，只要保证合理的部件选型，实施正确的安装，严格进行重点项的验收，系统就能有效监测地铁施工期间的结构物沉降。

地铁施工；压差沉降监测；部件选型；安装工艺；验收标准

First-author's addressConstruction of the Metro Group Branches in Qingdao，266071，Qingdao，China

地铁项目投资大、工程地质复杂、开挖深度主要为地下的中浅层，且地铁多在城市核心商业区穿行，施工技术复杂，不可预见的风险因素众多［1］。在地铁施工中通常需要监测地表沉降、地下水位、水平位移、临建建筑物倾斜、隧道断面变形、地铁支护锚杆应力、支护混凝土变形、地铁上部土体土压力等。对于地面建筑物，沉降量的大小直接关系到建筑物的整体稳定性，因此建筑沉降监测对建筑物的安全具有重要的现实意义。压差沉降在线监测系统用于地铁施工期间对结构物进行沉降监测，其设备选型、监测布点安装工艺、系统验收原则等对能否达到预期的监测效果起着关键的作用。

1 压差沉降监测系统介绍

1.1 系统组成

该系统由一系列含有液位传感器的容器组成，容器之间由充液管相互连通。系统主要组件包含压差式变形测量传感器、综合采集仪（采集箱）、无线传输模块（DTU）、连接水管、连接气管、储液容器等，其它辅材根据项目现场进行配置。

1.2 系统工作原理

压差沉降监测系统基于连通器原理来工作。系统内各压差式变形测量传感器和基准容器通过水管连接，保证相通。基准容器位于一个稳定的基准点，并与测点处压差式变形测量传感器形成液位差，任何一个容器与基准容器之间的高程变化都将引起相应容器内的液位变化。每个监测点安装一个液位传感器，任何一个监测点的垂直位移都会使环路中的液体重新分配。通过安装在该位置的液位传感器，可感测到相应的液位变化值。

1.3 系统特点

相比目前大多数的压差沉降监测系统，本压差沉降监测系统的特点是：储液容器不是每个监测点都有，但每个监测点都有一个液位传感器；沉降量是通过液位传感器测量得到的压力变化值获得；系统成本低，但对连通水管中气泡的排净有较高的要求。因此，该系统在部件选型、安装与验收方面有一定的要求。

2 系统应用原则

2.1 系统部件选型原则

在整个监测系统中，传感器的灵敏度、线性度、重复性、漂移等技术指标对系统整体性能有较大影响［2］。因此，传感器选型应遵循以下原则：

（1）精度高。传感器必须满足实际项目监测的精度要求，准确反映所监测量的微小变化。

（2）大量程。依据工程经验以及相关的工程规范，对所监测的物理量在工程实际中应有清晰的了解，传感器的量程需大于工程危险临界值，以满足对建筑物的相关监测。

（3）环境适应性强。长期的高温、高压、高湿度等恶劣环境以及不确定因素的干扰，常使传感器的输出失真，影响测量系统的准确性、稳定性和可靠性［3］，因此要求传感器的抗电信号和抗电磁波的干扰性好。

（4）稳定一致性好。在一组传感器中，各监测信号之间具有一定的关系，在设备故障状态下各信号均有相应的变化［3］。对于同一监测子系统，为尽可能反映监测量的真实变化，要求所选用的传感器稳定性好、线性度好，各个传感器之间波动的幅度尽可能小。

（5）安装及校准方便。实际使用时，由于传感器多安装在各层房顶的夹层中，因此为减少安装和调试工作，应选择校准简易、安装方便的传感器作为监测设备。传感器的安装支架应有足够范围的调节空间，传感器配套使用的固定装置具有微调和便于维修的功能。

（6）无延迟性，寿命长。为及时反应所监测结构的细微变化，要求传感器的响应速度快、无延迟性；并且要求传感器的使用寿命长，耐久性好。

（7）安全性高。对于所监测的数据，要求传感器的保存和保密能力好，便于信息工程管理。

（8）可靠性好。能够持续可靠地完成监测任务。

（9）尺寸合适。尽可能选择尺寸小、质量轻、高强度的传感器。

（10）降低系统的投入成本。在满足工程监测需求的前提下，尽可能选择有利于降低监测系统成本的传感器。

（11）选择适合的连接水管。连接水管的直径与水管中气泡的排除有密切关系：细的水管不利于气泡的排除；而粗的水管在管中充满水后质量会增加，时间久了水管会变形。

（12）避免储液容器中水的蒸发导致的水位变化。

（13）注意储液容器的体积大小与加水量设计。

2.2 系统安装工艺

（1）传感器属于精密仪器，在安装时应注意机械用力强度，避免过大外力使传感器发生变形甚至损坏。

（2）对于需要焊接固定的传感器，需注意在高温中保护传感器。

（3）需依据传感器的工作原理和一些具体影响因素来综合考虑传感器的外形固定、预留传输线长度，以及需要避开的干扰地点。

（4）传感器的安装面与安装底座应保持水平、不偏斜。

（5）传感器的安装面需保持平整、光洁。

（6）须选择合适的工具安装传感器，并通过工具将力矩调整至符合传感器的要求。

（7）选用规定等级的高强度螺栓固定传感器。需要安装垫圈的传感器，在螺栓上套好垫圈方可安装。

（8）在紧固螺栓前，需在螺栓上涂抹少许黄油，防止螺栓生锈，方便拆装。

（9）严禁在安装传感器时漏装固定螺栓。

（10）传感器固定安装支架在初始安装时尽量和设计高度保持一致。

（11）储液容器注水前要进行气泡排除。

（12）储液容器充足水后需加入防冻液，并在水面上加入硅油。

（13）室外的储液容器需要进行温度处理。

2.3 系统验收原则

（1）检查传感器位置是否固定，不松动。

（2）检查电缆线是否破损或接线不良、接线处是否牢固和是否有绝缘保护。

（3）检查供电电源是否稳定以及是否达到标准电压值。

（4）检查传感器连接件周围及底部是否有杂物，传感器连接件处是否满足相应的安装要求。

（5）检查接线盒内部或周围是否受潮或有异物存在，以及接线盒是否密封、各种线是否连接牢固。

（6）检查各个传感器是否安装于近同一高程，记录传感器现有的初始值，判断传感器是否超量程工作。

（7）检查安装部位是否存在干扰源，并需做好相应的记录和应对方案。

（8）测试传感器的绝缘电阻是否满足监测要求。

（9）测试传感器监测的精度和预期量程。

（10）测试传感器是否能够正常工作，以及数据之间的一致稳定性。

3 青岛地铁项目应用举例

3.1 青岛地铁项目介绍

万隆商厦位于青岛市李沧区京口路1号，始建于1992年，为3层与6层的错高层，后经改扩建，两部分均加至9层。青岛地铁3号线下穿万隆商厦，左线下穿里程ZK19+535～ZK19+584，右线下穿里程YK19+543～YK19+593；隧道拱顶距万隆商厦主体部分基础14.3 m。从隧道拱顶到地表依次为中风化岗岩、粗砂、粉质黏土和素填土，基础形式为混凝土条形基础。

3.2 沉降监测系统搭建

沉降检测系统搭建顺序为：依据监测项目选择传感器—按图纸测点放线—传感器支架安装—采集箱安装—水路安装—信号线路安装—供电电路安装—硬件调试—软件调试—系统调试。

3.2.1 部件选型

依据传感器选型原则以及使监测系统稳定、精确的原则，对各个设备的选择如下：

（1）传感器的选择。沉降监测中最重要的两个物理量是日沉降量和累计沉降量，依据所监测建筑物不同的监测等级，其要求的监测误差容许值不超过表1所规定误差值。万隆商厦项目要求的变形监测等级为二级，其监测容许误差≤0.5 mm。为满足监测要求，在FS-LTG-Y系列变形测量传感器中选用监测精度为0.1%FS（全量程）、满量程为200 mm的压差式传感器进行监测。

表1 监测等级划分

（2）综合采集仪的选择。依据现场布置的传感器数量选择不同通道数的采集箱。考虑现场实际情况，选择两个16位通道的采集仪，搭建两个监测系统对其沉降进行实时监测。

（3）无线传输模块DTU的选择。选择传输容量大、信号稳定的无线传输模块。

（4）连接水管的选择。综合多方面考虑，选择φ6 mm的PU（聚氨酯）软管。该管在-25～+70℃的环境中管径随温度变化的范围小，对系统水压的影响小；具有较高的透明度，在系统安装时有利于进行管内空气的排空；弯曲半径小，便于安装；阻尼性能好，内壁光滑，液体阻力小，液压损失少；耐老化性好，价格实惠。

（5）储液容器的选择。为了保持系统水压的长期稳定，选用厚度为1 mm的薄钢片制作的20 cm ×20 cm×30 cm的水箱作为储液容器。

（6）水路防护。在储液容器中加入防冻液，并在注水后加入硅油封液。

3.2.2 设备安装

（1）安装前：根据传感器布点情况，如数量、点位距离及其它具体要求，择优选择使用效果最好且便于安装维护的方法；根据设计要求选择操作方便的管线架设方式；使用笔记本电脑单机采集数据，根据传感器测试数据的变化情况判断传感器是否正常，以及其稳定性、灵敏度；根据现场布点情况记录传感器编号。传感器在挪动过程中应轻拿轻放，严禁磕、摔、碰、撞。

（2）安装时：根据设计要求或建筑物特点选择好传感器的安装点，将传感器安装到设计要求的位置；测点用水准仪进行超平，尽量将所有的压差式变形测量传感器都安装在同一水平面上；钻孔，将传感器支架与结构紧固连接；安装储液容器时储液容器点应在相对静止的地方，与传感器之间的相对高度应在传感器的量程200 mm范围之内的位置；当储液容器固定好，液面相对静止后，再将灌注好液体的水管接到储液容器，完成水路的连通；水路应用PVC（聚氯乙烯）管保护，在水路的连通过程中应把整个水路中的气泡排净；设备安装好后，应做好标记，加强测点的保护工作，提高测点的成活率。

（3）需重点注意的问题：①传感器设备到场后应进行测试，选取信号强度、稳定性、一致性较好的进行安装。②传感器安装位置水平线应精确控制，各测点之间标高相对误差≤10 mm，保证后续传感器的量程使用率高。③水路连接时选用φ8 mm的PU软管，先将液体注满管内，静置12 h以上，看是否有气泡析出；如有应将气泡赶至管路端头，保证连通后管路内没有气泡。④水路中PU管连接件（直通、三通、变径）与管路连接时，应浸泡在液体中进行，避免连接过程中产生气泡。⑤需用φ6 mm的PU软管将所有测点的传感器后端的导气管连接起来，统一接入储液容器上部，以平衡传感器两端气压，消除局部大气压变化引起的测量误差。⑥储液容器应安装在相对静止、无明显沉降的位置，容器底应与传感器压力膜片高度一致；储液容器内液体为整容积的1/2到2/3，以传感器读数波动较小为宜，剩余空间用来接入导气管；容器内液体应加入2%福尔马林，防止滋生蚊虫，并以硅油封面，减少液体蒸发。⑦安装时应倒置，使压力膜片水路在上，气路在下，以有效防止水路析出气泡进入压力膜片附近，影响测试数据。⑧信号线路、水路、气路应沿线管用PVC线槽或PVC管保护。

3.3 系统验收

（1）安装工艺验收：压差式变形测量传感器在现场安装有许多不便，且安装问题会影响测量。为此，结合现场验收实际情况，须对下列事项重点验收。

·各个压差式变形测量传感器之间的固定高度须微调至相对误差≤10 mm。

·在实际安装使用中将剩余长度的电缆安放在固定支架处的悬挂设计位置上。

·压差式变形测量传感器的三通接口处应注意气泡的排净。

·压差式变形测量系统中使用的储液容器是否安装稳固、紧贴墙面、配有液位计，单独导气管入口是否配有干燥剂或分子塞。

（2）传感器技术指标验收：见表2。

（3）传感器有效性验收：实时沉降监控设置为30 min采集一次，也可根据人工设置采样频率自动采集。压差式变形测量传感器的沉降变化量计算式为：

式中：

Δh——沉降变化量；

Hi——实测各测点与液面高差；

H0——初始各测点与液面高差；

H基点i——实际基点与液面高差；

H基点0——初始基点与液面高差。

表2 传感器验收指标

所得数据还需通过基点将各测点受环境影响的因素进行剔除，得到能反映建筑物真实变化的数据，再与人工现场监测相比较，以验证传感器的有效性。

3.4 系统使用效果

为验证在线监测系统的稳定性和数据结果的可信度，2014年1月10日-28日在万隆商厦二楼地面，选择与在线监测系统传感器距离最近的8个靠近立柱装修层的位置，进行标高的人工观测。图1～图3分别是人工观测结果与在线监测系统结果的比较。

图1 在线监测系统与人工观测的高程对比（07测点）

由图1～图3可以看出，在长达20 d的对比观测中，在线监测系统和人工测量的结果吻合，规律性一致，多数点的偏差在1 mm以内。这说明压差沉降监测系统采集的数据可靠、准确。

4 结论

（1）该压差沉降监测系统成本低，但在部件选型、安装与验收方面有严格的要求。

图2 在线监测系统与人工观测的高程对比（08测点）

图3 在线监测系统与人工观测的高程对比（06、18、20测点）

（2）对于该系统，部件选型主要从传感器、综合采集仪、无线传输模块、连接水管、储液容器、水路防护设施方面进行考虑；安装主要从布点便利性、部件易调整、水路气泡排净、防护、调试等方面进行考虑；验收主要从各部件技术参数指标、系统初始参数、稳定性等方面进行考虑。

（3）结合青岛地铁实际工程项目，对压差沉降在线系统各个设备的选择与安装工艺进行严格的验收，并提出有关传感器安装改进意见。在线监测系统与现场人工监测的比对结果验证了在线监测系统采集数据的稳定、可靠、准确性。

［1］ 郭希印，梁希福.城市地铁建设第三方监测的关键技术环节及质量控制［J］.铁道勘察，2008（6）：5.

［2］ 李霖.传感器应用中的常见干扰分析及对策［J］.信息与电脑：理论版，2011（4）：159.

［3］ 聂北刚，李初琴.传感器故障诊断实时监测系统设计的探讨［J］.机械强度，2001，23（3）：273.

（Continued from Special Commentary）

Shanghai metro，the future 30-year's operation and maintenance costs are about 88.5 billion～118 billion yuan.Plus equipment depreciation，annual costs Shanghai metro should spend on vehicles，in theory，are about 3.9 billion～4.9 billion yuan.When combined with rail traffic's other maintenance costs of electrical equipment and rail infrastructure，the capital investment inputs required is substantial.Therefore，the effective control for the maintenance and management costs of metro operation equipment has become a top priority.

European and American countries have done a lot of tries on the operation management mode of rail transit for as long as 100 years.One of these modes is that in order to accomplish the urban development goal，the government made the metro operation changed into a business mode，forming a sustainable development ecosystem of″bank-metro operator-vehicle manufacturer″.Itsspecific operation mode is that the bank buys vehicles from vehicle manufacturers，and then rents them to metro operation enterprises.For the bank，on the one side，it solves the financing problem of operation enterprises，and on the other side，it earns assets lease payments.The operation enterprises sign the operation escrow contract with the governmentrelated sector，earning professional operations service fee，and then outsource the vehicle maintenance service to vehicle manufacturers，getting the professional service support，and its risk can be controlled.In General，the professional maintenance teams which the operation enterprises cultivate on their own are inferior to the vehicle manufacturers'that have an advantage in the spare parts supply chain management，technical capabilities and renovating manufacturing capability.

The commercial logic of this mode is that let all the company parties involved in the metro operation benefit in the triangle commercial ecosystem that consists of″bank-metro operator-vehicle manufacturer″.As they are all commercial operations，each other's services are bound by professional contracts.Therefore，the various types of costs，risks and benefits involved in the process of metro operation management will be clearly assessed.It wouldn't be a mess.Under this business mode，more professional teams of service and management that are more localized in metro financial services，operation management services，equipment repair services，and etc.will also be induced，which truly master the business core competitiveness that takes the metro operation service quality as the center.The local governments also need not be overly involved with the operation management of metro enterprises.It is enough for the local governments'duties only to put forward the specific requirements for the rail traffic service quality to the operation enterprises.

Application of Differential Pressure Subsidence Monitoring System in Subway Excavation

Xing Jianjun，Pan Tongbin，Liu Wenfeng，Guo Xingling，Yi Shiyong

Differential pressure subsidence monitoring system is used to monitor the sttelment of structure during subway construction.In this paper，the system composition and working principle are introduced from aspects of component selection，installation technology and acceptance standards.The implementation of this system in the construction of Qingdao subway shows that correct component selection and installation technology，as well as strict check and acceptance will effectively monitor the settlement of structures during subway construction.

subway construction；differential pressure subsidence monitoring；component selection；installation technology；acceptance standard

U 456.3+1；TU 433

10.16037/j.1007-869x.2015.01.026

2014-07-18）