静力水准在城市轨道交通既有线变形监测中的应用研究

韩三琪

(宁波市轨道交通集团有限公司，浙江宁波　315000)

The Research of Hydrostatic Level Applied in Existing Urban Rail Transitline Deformation Monitoring

HAN Sanqi

静力水准在城市轨道交通既有线变形监测中的应用研究

韩三琪

(宁波市轨道交通集团有限公司，浙江宁波315000)

The Research of Hydrostatic Level Applied in Existing Urban Rail Transitline Deformation Monitoring

HAN Sanqi

摘要针对城市轨道交通工程近接既有线施工的特点，采用静力水准测量监测系统来实现对既有线的自动化变形监测，保证了既有线施工过程中的安全。静力水准系统具有测量原理简单，效率高、数据准确、精度高、实时监测等特点，可为施工风险的预警、防范和控制提供决策支持。

关键词城市轨道交通近接施工静力水准变形监测

在城市轨道交通工程的大规模建设施工过程中，运营中的轨道线路、周围的建(构)筑物及基础设施因受施工影响而产生变形，严重时可能会危及线路及其附属结构安全，影响城市轨道交通的运营。在运营线路附近施工时，加强运营线路道床及其附属结构的监测，保证城市轨道交通的运营安全显得十分必要。静力水准测量系统是利用相连容器中的液体总是具有相同势能的原理，测量和监测参考点彼此之间的垂直高度差异和变化量，适用于多点相对沉降测量，以其精度高、效率高、全天候，自动化性能高等优势在城市轨道交通既有线的运营监测中得到广泛应用。

1静力水准系统工作原理

1.1　静力水准仪测量原理

静力水准仪利用相连容器中的液体总是具有相同势能的原理，用电容传感器测量每个测点容器内液面的相对变化，经过计算得出各静力水准仪的相对差异沉降。假设共有n个观测点，各观测点之间采用连通管连通，初始状态时测量各测点的高程分别为Y01…Y0i…Y0j…Y0n，各测点的液面高度分别为h01…h0i…h0j…h0n(如图1)。

图1　静力水准测量原理(一)

对于初始状态，显然有

(1)

当第k次发生不均匀沉降后，各测点由于沉降的而引起的变化量分别为Δh1…Δhi…Δhj…Δhn，各测点的液面高度变化为hk1…hki…hkj…hkn。

图2　静力水准测量原理(二)

由于液面的高度还是相同的，因此有

(2)

第j个观测点相对于基准点i的相对沉降量为

(3)

由式(2)可以得出

(4)

由式(1)可以得出

(5)

将式(5)代入式(4)，即可得出第j个观测点相对于基准点i的相对沉降量

(6)

由式(6)可以看出，只要能够测出各点不同时间的液面高度值，即可计算出各点在不同时刻的相对差异沉降值。

1.2　静力水准系统的工作原理

静力水准测量系统主要由电容感应式静力水准仪、数据自动采集模块、数据发射和接收模块以及数据采集及分析四个部分组成。电容感应式静力水准仪通过连通器的原理得出基准点及各监测点上静力水准仪的测量值，数据自动采集模块通过集成各测点的监测数据后通过GPRS无线电台发射出去，在办公室内通过数据接收模块获取变形监测值，之后通过数据处理及分析软件得出监测点相对基准点的沉降变化量及变化速率，并绘制累计变形沉降量-时间曲线和变化速率-时间曲线，进而分析监测对象的变形情况。该系统组成如图3。

图3　静力水准系统工作原理

(1)数据自动采集模块

各监测点采用 RJ 型电容式静力水准仪，数据自动采集模块由DAU 2000 标准型模块化智能数据采集单元构成。将DAU 2000 型模块化数据采集单元接入RJ 型电容式静力水准仪进行数据采集，各数据采集智能模块均有CPU、时钟、数据存贮、通信等功能，可对建(构)筑物，岩土工程，水位等项目的变形、应力应变进行自动监测。由于DAU2000 内部数据采集模块的独立性和智能化，使得分布式数据采集工作分散到模块一级，进一步降低了系统故障的风险，大大提高了系统的数据采集速度和可靠性。由DAU 2000标准型模块化智能数据采集单元和RS-485 现场总线架构的DAMS-IV系统能满足大、中、小型分布式安全监测数据采集系统的应用。

(2)数据发射及接收

目前的数据发射与接收方法有GPRS传输、无线电台传输、有线直连传输等。GPRS传输模式是将数据采集端与DAU模块相连接，通过装置接入GPRS网卡进行数据传输。它具有不受距离限制、远程数据采集的优点，目前运营的城市轨道交通线路已经覆盖了无线网络信号；无线电台传输模式通过采集端无线电台发射装置发射无线电信号，另一端通过无线电接收装置接收信号数据的方式完成数据传输，因其传播受到传播介质、发射源发射信号的强弱以及接收端与信号源的距离等，稳定性弱，会产生丢失数据的情况；有线传输模式通过网线把采集终端与接收终端直接相连，从而获取监测数据信息，受布线方式、布线位置及布线距离等的影响，除非在近距离、有布线条件的情况下采用。本系统的数据发射与接收系统采用GPRS无线传输，既节约成本，又节省布线空间。

安装好静力水准仪之后，首先在自动化检测软件上设置好参数(如采集的间隔时间、系统报警和短信报警值等)；运行软件后，无线发送仪根据软件设置的采集时间从静力水准仪采集数据，然后通过无线模块发送给数据接收仪，数据接收仪再进行分析处理(如果采用GPRS传输，直接通过无线采集仪发送给电脑进行数据分析)。

(3)数据处理分析

数据处理分析采用配套软件实现数据通信、显示、操作及综合管理功能。数据通信功能主要实现测控单元之间或测控单元与管理中心监控主机之间的双向数据通信；显示功能主要是显示建(构)筑物及其他监测对象的监测布点图、监测系统和各监测子系统的总貌及概貌、监测过程曲线图、实时监控图、报警状态显示等；操作功能是指在管理中心监控主机上实现监视操作、获取实时测值、调用历史数据、输入/输出、报告打印、评估系统运行状态、修改系统配置、系统测试、系统维护等；系统综合管理功能主要实现项目在线监测、数据离线分析、状态预测预报、成果图表制作、成果图文资料管理、数据库管理及安全评估等。数据处理分析功能模块具备功能强大、界面友好、操作方便的特点。

2应用实例

2.1　工程概况

本工程为运营轨道交通车站的近接基坑开挖施工，开挖车站类型为明挖地下三层岛式车站，车站主体建筑外包总长120 m，主体建筑宽度20 m，车站埋深为34 m，覆土厚度4 m，与既有线车站主体建筑的水平距离范围约介于16～24 m之间，车站基坑埋深大，地质条件非常复杂，施工风险大。

通过本监测工作的实施，可以及时、准确地掌握施工影响范围内既有线隧道和轨道结构的变化，为建设、设计和运营管理单位提供及时可靠的数据信息，第一时间对既有线结构安全和线路安全进行判断，避免恶性事故的发生，确保既有线安全运营，为管理决策提供科学依据。

2.2　监测实施

(1)基准点设置

根据静力水准测量系统的布设原理，本监测项目在上、下行线各设置1条测线，每条测线设置1个基准点，基准点布设在变形区外，距离最外侧观测断面50 m左右的轨道结构外侧。基准网点采用独立坐标系统。

(2)监测点设置

本次监测对影响段150 m范围区间进行安全监测，主要通过静力水准测量系统对该影响区间进行竖向位移监测。在150 m区间范围内的轨道外侧道床结构上安装静力水准设备，左、右线各设置10个测点，每隔12 m布设，共布设20个静力水准监测点。监测点的平面布设位置见图4。

图4　监测点布置示意

2.3　数据采集及分析

本工程的监测工作从2011年2月进场至2011年10月结束，历时8个月时间。整个观测周期从浅坑开挖开始至下部基础结构施工结束，共进行42次监测。在拟建车站基坑尚未开挖时，对监测点采取初值，在基坑开挖过程中，每3天自动采集监测数据1次，沉降监测点的累计沉降量-时间变化曲线如图5、图6。

图5　上行线累计沉降量-时间变化曲线

序号监测项目最终累计变化量最大值预警值备注1上行线静力水准最终累计沉陷数据2.68mm(JS08)10.0mm正常2下行线静力水准最终累计沉陷数据2.07mm(JX08)10.0mm正常

图6　下行线累计沉降量-时间变化曲线

从图5、图6可以看出，上、下行线累计沉降量随时间的变化趋势基本上一致，并且其变化最大值均小于4 mm，小于设计给定的预警值10 mm；从表1的统计中可以看出，上、下行线的最终累计沉降量最大值是2.68 mm(JS08)，小于设计给定的预警值10 mm；总体上看，拟建车站基坑开挖施工对既有线的影响较小。

3结束语

近年来，随着城市化进程的不断加快，我国的城市轨道交通建设也进入了快速发展时期。在城市轨道交通工程的建设过程中，新建线路近接、下穿既有线路是一个不可避免的问题，需要结合既有线路的运营现状，开发一种新的监测技术。静力水准监测系统的实施，实现了对既有线结构非接触式、高分辨率、高精度、高稳定性、高可靠性、快速响应的监测，有效指导了现场施工，保证了既有线在施工过程中的安全，为城市轨道交通的信息化变形监测积累了实践经验。

参考文献

[1]李青岳，陈永奇.工程测量学[M].北京:测绘出版社，1995

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[4]张成平，张顶立，骆建军，等.地铁车站下穿既有线隧道施工中的远程监测系统[J].岩土力学，2009，30(6)

[5]崔天麟，肖红渠，王刚.自动化监测技术在新建地铁穿越既有线中的应用[J].隧道建设，2008，28(3)

[6]何晓业.静力水准系统的最新发展及应用[M].长沙：中国科学技术大学出版社，2010.

中图分类号：TU196

文献标识码：B

文章编号：1672-7479(2015)02-0008-03

作者简介：韩三琪(1975—)，男，1999年毕业于西南科技大学(原西南工学院)测绘工程专业，高级工程师。

收稿日期：2015-01-15