壓差沉降監測系統在地鐵開挖中的應用

邢建軍潘同斌劉文峰郭興玲易世勇

（1.青島地鐵集團建設分公司，266071，青島；2.中國鐵建十六局集團，266199，青島；3.江西飛尚科技有限公司，330052，南昌∥第一作者，工程師）

壓差沉降監測系統在地鐵開挖中的應用

邢建軍1潘同斌2劉文峰3郭興玲3易世勇3

（1.青島地鐵集團建設分公司，266071，青島；2.中國鐵建十六局集團，266199，青島；3.江西飛尚科技有限公司，330052，南昌∥第一作者，工程師）

壓差沉降監測系統用于地鐵施工期間對結構物進行沉降監測。介紹了壓差沉降監測系統的組成及工作原理，從部件選型、安裝工藝、驗收標準等三方面闡述了系統的應用原則。該監測系統在青島地鐵的應用效果表明，只要保證合理的部件選型，實施正確的安裝，嚴格進行重點項的驗收，系統就能有效監測地鐵施工期間的結構物沉降。

地鐵施工；壓差沉降監測；部件選型；安裝工藝；驗收標準

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

地鐵項目投資大、工程地質復雜、開挖深度主要為地下的中淺層，且地鐵多在城市核心商業區穿行，施工技術復雜，不可預見的風險因素眾多［1］。在地鐵施工中通常需要監測地表沉降、地下水位、水平位移、臨建建筑物傾斜、隧道斷面變形、地鐵支護錨桿應力、支護混凝土變形、地鐵上部土體土壓力等。對于地面建筑物，沉降量的大小直接關系到建筑物的整體穩定性，因此建筑沉降監測對建筑物的安全具有重要的現實意義。壓差沉降在線監測系統用于地鐵施工期間對結構物進行沉降監測，其設備選型、監測布點安裝工藝、系統驗收原則等對能否達到預期的監測效果起著關鍵的作用。

1 壓差沉降監測系統介紹

1.1 系統組成

該系統由一系列含有液位傳感器的容器組成，容器之間由充液管相互連通。系統主要組件包含壓差式變形測量傳感器、綜合采集儀（采集箱）、無線傳輸模塊（DTU）、連接水管、連接氣管、儲液容器等，其它輔材根據項目現場進行配置。

1.2 系統工作原理

壓差沉降監測系統基于連通器原理來工作。系統內各壓差式變形測量傳感器和基準容器通過水管連接，保證相通。基準容器位于一個穩定的基準點，并與測點處壓差式變形測量傳感器形成液位差，任何一個容器與基準容器之間的高程變化都將引起相應容器內的液位變化。每個監測點安裝一個液位傳感器，任何一個監測點的垂直位移都會使環路中的液體重新分配。通過安裝在該位置的液位傳感器，可感測到相應的液位變化值。

1.3 系統特點

相比目前大多數的壓差沉降監測系統，本壓差沉降監測系統的特點是：儲液容器不是每個監測點都有，但每個監測點都有一個液位傳感器；沉降量是通過液位傳感器測量得到的壓力變化值獲得；系統成本低，但對連通水管中氣泡的排凈有較高的要求。因此，該系統在部件選型、安裝與驗收方面有一定的要求。

2 系統應用原則

2.1 系統部件選型原則

在整個監測系統中，傳感器的靈敏度、線性度、重復性、漂移等技術指標對系統整體性能有較大影響［2］。因此，傳感器選型應遵循以下原則：

（1）精度高。傳感器必須滿足實際項目監測的精度要求，準確反映所監測量的微小變化。

（2）大量程。依據工程經驗以及相關的工程規范，對所監測的物理量在工程實際中應有清晰的了解，傳感器的量程需大于工程危險臨界值，以滿足對建筑物的相關監測。

（3）環境適應性強。長期的高溫、高壓、高濕度等惡劣環境以及不確定因素的干擾，常使傳感器的輸出失真，影響測量系統的準確性、穩定性和可靠性［3］，因此要求傳感器的抗電信號和抗電磁波的干擾性好。

（4）穩定一致性好。在一組傳感器中，各監測信號之間具有一定的關系，在設備故障狀態下各信號均有相應的變化［3］。對于同一監測子系統，為盡可能反映監測量的真實變化，要求所選用的傳感器穩定性好、線性度好，各個傳感器之間波動的幅度盡可能小。

（5）安裝及校準方便。實際使用時，由于傳感器多安裝在各層房頂的夾層中，因此為減少安裝和調試工作，應選擇校準簡易、安裝方便的傳感器作為監測設備。傳感器的安裝支架應有足夠范圍的調節空間，傳感器配套使用的固定裝置具有微調和便于維修的功能。

（6）無延遲性，壽命長。為及時反應所監測結構的細微變化，要求傳感器的響應速度快、無延遲性；并且要求傳感器的使用壽命長，耐久性好。

（7）安全性高。對于所監測的數據，要求傳感器的保存和保密能力好，便于信息工程管理。

（8）可靠性好。能夠持續可靠地完成監測任務。

（9）尺寸合適。盡可能選擇尺寸小、質量輕、高強度的傳感器。

（10）降低系統的投入成本。在滿足工程監測需求的前提下，盡可能選擇有利于降低監測系統成本的傳感器。

（11）選擇適合的連接水管。連接水管的直徑與水管中氣泡的排除有密切關系：細的水管不利于氣泡的排除；而粗的水管在管中充滿水后質量會增加，時間久了水管會變形。

（12）避免儲液容器中水的蒸發導致的水位變化。

（13）注意儲液容器的體積大小與加水量設計。

2.2 系統安裝工藝

（1）傳感器屬于精密儀器，在安裝時應注意機械用力強度，避免過大外力使傳感器發生變形甚至損壞。

（2）對于需要焊接固定的傳感器，需注意在高溫中保護傳感器。

（3）需依據傳感器的工作原理和一些具體影響因素來綜合考慮傳感器的外形固定、預留傳輸線長度，以及需要避開的干擾地點。

（4）傳感器的安裝面與安裝底座應保持水平、不偏斜。

（5）傳感器的安裝面需保持平整、光潔。

（6）須選擇合適的工具安裝傳感器，并通過工具將力矩調整至符合傳感器的要求。

（7）選用規定等級的高強度螺栓固定傳感器。需要安裝墊圈的傳感器，在螺栓上套好墊圈方可安裝。

（8）在緊固螺栓前，需在螺栓上涂抹少許黃油，防止螺栓生銹，方便拆裝。

（9）嚴禁在安裝傳感器時漏裝固定螺栓。

（10）傳感器固定安裝支架在初始安裝時盡量和設計高度保持一致。

（11）儲液容器注水前要進行氣泡排除。

（12）儲液容器充足水后需加入防凍液，并在水面上加入硅油。

（13）室外的儲液容器需要進行溫度處理。

2.3 系統驗收原則

（1）檢查傳感器位置是否固定，不松動。

（2）檢查電纜線是否破損或接線不良、接線處是否牢固和是否有絕緣保護。

（3）檢查供電電源是否穩定以及是否達到標準電壓值。

（4）檢查傳感器連接件周圍及底部是否有雜物，傳感器連接件處是否滿足相應的安裝要求。

（5）檢查接線盒內部或周圍是否受潮或有異物存在，以及接線盒是否密封、各種線是否連接牢固。

（6）檢查各個傳感器是否安裝于近同一高程，記錄傳感器現有的初始值，判斷傳感器是否超量程工作。

（7）檢查安裝部位是否存在干擾源，并需做好相應的記錄和應對方案。

（8）測試傳感器的絕緣電阻是否滿足監測要求。

（9）測試傳感器監測的精度和預期量程。

（10）測試傳感器是否能夠正常工作，以及數據之間的一致穩定性。

3 青島地鐵項目應用舉例

3.1 青島地鐵項目介紹

萬隆商廈位于青島市李滄區京口路1號，始建于1992年，為3層與6層的錯高層，后經改擴建，兩部分均加至9層。青島地鐵3號線下穿萬隆商廈，左線下穿里程ZK19+535～ZK19+584，右線下穿里程YK19+543～YK19+593；隧道拱頂距萬隆商廈主體部分基礎14.3 m。從隧道拱頂到地表依次為中風化崗巖、粗砂、粉質黏土和素填土，基礎形式為混凝土條形基礎。

3.2 沉降監測系統搭建

沉降檢測系統搭建順序為：依據監測項目選擇傳感器—按圖紙測點放線—傳感器支架安裝—采集箱安裝—水路安裝—信號線路安裝—供電電路安裝—硬件調試—軟件調試—系統調試。

3.2.1 部件選型

依據傳感器選型原則以及使監測系統穩定、精確的原則，對各個設備的選擇如下：

（1）傳感器的選擇。沉降監測中最重要的兩個物理量是日沉降量和累計沉降量，依據所監測建筑物不同的監測等級，其要求的監測誤差容許值不超過表1所規定誤差值。萬隆商廈項目要求的變形監測等級為二級，其監測容許誤差≤0.5 mm。為滿足監測要求，在FS-LTG-Y系列變形測量傳感器中選用監測精度為0.1%FS（全量程）、滿量程為200 mm的壓差式傳感器進行監測。

表1 監測等級劃分

（2）綜合采集儀的選擇。依據現場布置的傳感器數量選擇不同通道數的采集箱。考慮現場實際情況，選擇兩個16位通道的采集儀，搭建兩個監測系統對其沉降進行實時監測。

（3）無線傳輸模塊DTU的選擇。選擇傳輸容量大、信號穩定的無線傳輸模塊。

（4）連接水管的選擇。綜合多方面考慮，選擇φ6 mm的PU（聚氨酯）軟管。該管在-25～+70℃的環境中管徑隨溫度變化的范圍小，對系統水壓的影響小；具有較高的透明度，在系統安裝時有利于進行管內空氣的排空；彎曲半徑小，便于安裝；阻尼性能好，內壁光滑，液體阻力小，液壓損失少；耐老化性好，價格實惠。

（5）儲液容器的選擇。為了保持系統水壓的長期穩定，選用厚度為1 mm的薄鋼片制作的20 cm ×20 cm×30 cm的水箱作為儲液容器。

（6）水路防護。在儲液容器中加入防凍液，并在注水后加入硅油封液。

3.2.2 設備安裝

（1）安裝前：根據傳感器布點情況，如數量、點位距離及其它具體要求，擇優選擇使用效果最好且便于安裝維護的方法；根據設計要求選擇操作方便的管線架設方式；使用筆記本電腦單機采集數據，根據傳感器測試數據的變化情況判斷傳感器是否正常，以及其穩定性、靈敏度；根據現場布點情況記錄傳感器編號。傳感器在挪動過程中應輕拿輕放，嚴禁磕、摔、碰、撞。

（2）安裝時：根據設計要求或建筑物特點選擇好傳感器的安裝點，將傳感器安裝到設計要求的位置；測點用水準儀進行超平，盡量將所有的壓差式變形測量傳感器都安裝在同一水平面上；鉆孔，將傳感器支架與結構緊固連接；安裝儲液容器時儲液容器點應在相對靜止的地方，與傳感器之間的相對高度應在傳感器的量程200 mm范圍之內的位置；當儲液容器固定好，液面相對靜止后，再將灌注好液體的水管接到儲液容器，完成水路的連通；水路應用PVC（聚氯乙烯）管保護，在水路的連通過程中應把整個水路中的氣泡排凈；設備安裝好后，應做好標記，加強測點的保護工作，提高測點的成活率。

（3）需重點注意的問題：①傳感器設備到場后應進行測試，選取信號強度、穩定性、一致性較好的進行安裝。②傳感器安裝位置水平線應精確控制，各測點之間標高相對誤差≤10 mm，保證后續傳感器的量程使用率高。③水路連接時選用φ8 mm的PU軟管，先將液體注滿管內，靜置12 h以上，看是否有氣泡析出；如有應將氣泡趕至管路端頭，保證連通后管路內沒有氣泡。④水路中PU管連接件（直通、三通、變徑）與管路連接時，應浸泡在液體中進行，避免連接過程中產生氣泡。⑤需用φ6 mm的PU軟管將所有測點的傳感器后端的導氣管連接起來，統一接入儲液容器上部，以平衡傳感器兩端氣壓，消除局部大氣壓變化引起的測量誤差。⑥儲液容器應安裝在相對靜止、無明顯沉降的位置，容器底應與傳感器壓力膜片高度一致；儲液容器內液體為整容積的1/2到2/3，以傳感器讀數波動較小為宜，剩余空間用來接入導氣管；容器內液體應加入2%福爾馬林，防止滋生蚊蟲，并以硅油封面，減少液體蒸發。⑦安裝時應倒置，使壓力膜片水路在上，氣路在下，以有效防止水路析出氣泡進入壓力膜片附近，影響測試數據。⑧信號線路、水路、氣路應沿線管用PVC線槽或PVC管保護。

3.3 系統驗收

（1）安裝工藝驗收：壓差式變形測量傳感器在現場安裝有許多不便，且安裝問題會影響測量。為此，結合現場驗收實際情況，須對下列事項重點驗收。

·各個壓差式變形測量傳感器之間的固定高度須微調至相對誤差≤10 mm。

·在實際安裝使用中將剩余長度的電纜安放在固定支架處的懸掛設計位置上。

·壓差式變形測量傳感器的三通接口處應注意氣泡的排凈。

·壓差式變形測量系統中使用的儲液容器是否安裝穩固、緊貼墻面、配有液位計，單獨導氣管入口是否配有干燥劑或分子塞。

（2）傳感器技術指標驗收：見表2。

（3）傳感器有效性驗收：實時沉降監控設置為30 min采集一次，也可根據人工設置采樣頻率自動采集。壓差式變形測量傳感器的沉降變化量計算式為：

式中：

Δh——沉降變化量；

Hi——實測各測點與液面高差；

H0——初始各測點與液面高差；

H基點i——實際基點與液面高差；

H基點0——初始基點與液面高差。

表2 傳感器驗收指標

所得數據還需通過基點將各測點受環境影響的因素進行剔除，得到能反映建筑物真實變化的數據，再與人工現場監測相比較，以驗證傳感器的有效性。

3.4 系統使用效果

為驗證在線監測系統的穩定性和數據結果的可信度，2014年1月10日-28日在萬隆商廈二樓地面，選擇與在線監測系統傳感器距離最近的8個靠近立柱裝修層的位置，進行標高的人工觀測。圖1～圖3分別是人工觀測結果與在線監測系統結果的比較。

圖1 在線監測系統與人工觀測的高程對比（07測點）

由圖1～圖3可以看出，在長達20 d的對比觀測中，在線監測系統和人工測量的結果吻合，規律性一致，多數點的偏差在1 mm以內。這說明壓差沉降監測系統采集的數據可靠、準確。

4 結論

（1）該壓差沉降監測系統成本低，但在部件選型、安裝與驗收方面有嚴格的要求。

圖2 在線監測系統與人工觀測的高程對比（08測點）

圖3 在線監測系統與人工觀測的高程對比（06、18、20測點）

（2）對于該系統，部件選型主要從傳感器、綜合采集儀、無線傳輸模塊、連接水管、儲液容器、水路防護設施方面進行考慮；安裝主要從布點便利性、部件易調整、水路氣泡排凈、防護、調試等方面進行考慮；驗收主要從各部件技術參數指標、系統初始參數、穩定性等方面進行考慮。

（3）結合青島地鐵實際工程項目，對壓差沉降在線系統各個設備的選擇與安裝工藝進行嚴格的驗收，并提出有關傳感器安裝改進意見。在線監測系統與現場人工監測的比對結果驗證了在線監測系統采集數據的穩定、可靠、準確性。

［1］ 郭希印，梁希福.城市地鐵建設第三方監測的關鍵技術環節及質量控制［J］.鐵道勘察，2008（6）：5.

［2］ 李霖.傳感器應用中的常見干擾分析及對策［J］.信息與電腦：理論版，2011（4）：159.

［3］ 聶北剛，李初琴.傳感器故障診斷實時監測系統設計的探討［J］.機械強度，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）