靜力水準在地鐵隧道結構自動化監測中的應用

吳國曉 程 明

(1.黃河勘測規劃設計有限公司，河南 鄭州 450003； 2.鄭州市軌道交通有限公司，河南 鄭州 450008)

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靜力水準在地鐵隧道結構自動化監測中的應用

吳國曉1程 明2

(1.黃河勘測規劃設計有限公司，河南 鄭州 450003； 2.鄭州市軌道交通有限公司，河南 鄭州 450008)

介紹了靜力水準監測系統在國內外的發展現狀，并結合工程實際，分析了靜力水準監測系統的精度及其在實際運用過程中的影響因素，基于靜力水準系統取得的工程效果，論證了靜力水準系統監測隧道結構豎向位移的可靠性。

隧道結構，靜力水準系統，位移監測，測量精度

0 引言

對于大部分工程的監測工作，豎向位移監測是最重要的一項內容之一。無論在基坑施工監測中，還是在隧道結構的監測中，結構發生破壞之前，豎向位移必然會發生不同程度的變化。目前，豎向位移的監測方法主要為人工觀測，即主要采用水準儀進行觀測，不僅工作量大，效率低，而且無法實現實時、在線監測,因此不能及時發現問題、消除隱患。

靜力水準自動化監測系統作為一種精密的水準測量方法，具有精度高、自動化性能好等特點，完全可以彌補傳統方法的漏洞，同時可以更好地運用于人工無法長時間作業的某些特殊環境，可以實現實時、在線監測，使得在工程進展過程中能夠及時發現問題，消除隱患。

1 靜力水準原理

該系統主要由靜力水準儀和靜力水準管路組成，靜力水準儀包括主體容器、連通管、傳感器等部件。靜力水準儀是利用連通液的原理進行沉降觀測，多支通用連通管連接在一起的儲液面總是在同一水平面上，通過測量不同儲液罐的液面高度，經過計算可以得出各個靜力水準儀的相對差異沉降。用傳感器測量每個測點內液面的相對變化，通過計算求得各點相對于基點的相對沉降量，并與基準點相比較即可求得測點的絕對沉降量[1]。

2 國內外現狀

當前國內外制造的多種型號的流體靜力水準儀，可用于工程建筑物和沉陷觀測、大壩壩體監測等。國家地震局地震研究所[2]的DGIA型(目視型)儀器，兩測頭之間高差的測量中誤差優于±0.07 mm，DG2(自動型)儀器的靈敏度達到10-7。國家地震局香山臺使用的流體靜力水準儀的測量精度達到±2 μm～±3 μm[3]。

目前，流體靜力水準儀的數據自動采集主要采用電感式傳感器。對于靜力水準在地鐵隧道內的應用，國內外許多學者作了大量的研究工作，取得了許多有價值的結論，為科學評價城市地鐵施工對鄰近環境的影響和周邊環境變化對地鐵穩定性的影響提供了理論基礎。但由于城市地鐵隧道施工方法的多樣性，以及工程地質、水文地質條件的差異性、復雜性，且由于地鐵營運產生的震動和風動都對監測數據的準確性產生一定影響等因素的存在，如何實時、準確的獲取監測數據進行預警、預報，尚有許多技術問題需要進一步研究解決。同時，各種自動化監測傳感器的通訊及數據采集軟硬件整合也成了急需解決的問題[4-7]。

3 工程案例

3.1 工程概況

某城市綜合交通樞紐區地下道路工程與既有地鐵1號線有4處交叉。4個交叉點分別位于兩個盾構區間內。由于市政道路施工需要進行基坑開挖，且開挖深度距離地鐵隧道管片埋設深度距離不到3 m。因此，開挖施工對地鐵隧道有較大的影響，需要對基坑開挖影響范圍內的地鐵隧道進行實時監測，及時掌握地鐵隧道的變形情況。

3.2 測點布設

在本工程中，計劃在以上4個交叉點處，即1號、2號、3號、4號交叉點，市政道路中線位置對應的地鐵隧道部位下方安裝一臺靜力水準儀，沿地鐵路線前后各10 m，15 m位置各布置1臺靜力水準儀，共5臺靜力水準儀，加1臺基準點，共6臺靜力水準儀。在4號位置處，因交叉位置較長，沿地鐵隧道前后外延15 m處各增加1臺靜力水準儀，即布置7臺靜力水準儀，加1臺基準點，共8臺靜力水準儀。上下行線布置方案相同，4個交叉點與地鐵上下行線合計有8個交叉位置需要布設測點，合計需要布設52臺靜力水準儀。

3.3 數據分析

根據土建方提供的工期進度，4個交叉點的施工進度如下：

1)1號交叉點在2014年8月份開始施工，開挖后因變形量超限，采取回填加壓措施，停工。自2015年1月10日重新開始施工，至2015年2月初基本施工完成；

2)2號交叉點自2014年12月中旬開始施工，至2015年1月底施工完成；

3)3號交叉點自2014年12月15日開始施工，至2015年1月份初基本施工完畢；

4)4號交叉點最先開始施工，自2014年8月份開始施工，至2014年10月份施工完成。

靜力水準儀每隔5 min采集1次，每天24 h不間斷采集數據，考慮到白天列車運營對靜力水準儀影響比較明顯，曲線波動較大，列車停運后曲線平穩，基本穩定在相同的測量值，為剔除列車運營對數據的影響，在進行沉降分析時采用零點左右的數據，這一時段內除有隧道內施工的微小影響外，基本沒有其他因素干擾，其他時段數據作為隧道突發沉降的參考，以達到實時監測的目的。

根據上部施工情況，在地表開挖時，隧道結構上的靜力水準測點都出現了程度不同的抬升，各測點觀測數據分析如下：

1)1號交叉點。左線：7月初開始觀測，土建施工未進行開挖施工，各測點穩定。8月份開始開挖施工后，各測點開始緩慢抬升，左線至2015年1月中旬抬升達到最大值，其中變化量最大的點為測點3，最大抬升量為12.98 mm(見圖1)。右線:7月初開始觀測至2015年10月中旬抬升達到最大值，其中變化量最大的點為測點3，最大抬升量為9.24 mm。后期隨土建回填施工抬升量逐漸減小(見圖2)。

1號交叉點處靜力水準監測點自2014年7月9日地面施工后開始變形，自底板澆筑完成之后，隆起變形量不再增加，隨著上部結構的完成，隆起變形量逐漸變小，并趨于穩定。

2)2號交叉點。左線：該處交叉點于2014年12月份開始施工，開始施工后，各測點有較小的變形，各測點最大抬升量都在6 mm之內。在1月初開挖到底后，2號左線幾個測點未出現明顯抬升。變化量最大的點為測2，最大變化量為4.2 mm(見圖3)。右線：在該交叉點施工之前，因交叉點周邊施工，各測點都有小幅的變形，在開挖之前，最大抬升量都在6 mm之內。在1月初開挖到底后，2號右線幾個測點在2015年1月中旬開始呈上升趨勢，且幾個測點趨勢一致。其中，變化量最大的點為2號右測4，最大抬升量為9.49 mm(見圖4)。

2號交叉點自2014年12月中旬開始施工，至2015年1月底施工完成，該交叉點在地表施工期間整體變形量較小。

3)3號交叉點。3號交叉點自2014年12月15日開始施工，至2015年1月份初基本施工完畢。在該交叉點施工之前，因交叉點周邊施工，該處左、右線測點都有小幅的抬升，在開挖之前，最大抬升量都在6 mm之內。在12月中旬開始開挖后，左、右線各測點抬升趨勢明顯，尤其是布置于中部位置的測2、測3、測4抬升趨勢明顯，且左、右線變化趨勢一致(見圖5，圖6)。

因3號交叉點施工速度較快，造成變形速率較快。根據靜力水準數據可以看出，在交叉點開挖當天，最大變形速率達到3 mm/d。在整個開挖期間，左線最大變形量為+12.07 mm，變形點為3號右測3，時間為2014年12月20日,當前變形量為5.21 mm，右線最大變形量為9.78 mm，變形點為3號左測2，時間為2014年12月39日,當前變形量為6.66 mm。

4)4號交叉點。該交叉點最先開始施工，自2014年8月份開始施工，至2014年10月份施工完成。在施工過程中，根據結構變形情況，曾經停工一段時間進行堆載加壓。在10月初開挖至基底，各測點測值大部分在10月中旬達到峰值，各測點變化趨勢一致，尤其是左線數據反映更明顯。其中變化量最大的點為4號右測5，最大抬升量在2014年10月19日達到10.19 mm。后期隨著上部施工，各測點開始逐漸下沉，尤其是4號右測5、測6、測7三個測點，在開挖期抬升量很小，最大不超過5 mm，后期因上部施工開始持續下沉，其中，下沉量最大的點為4號右測6，在2015年1月20日最大下沉量為-13.51 mm(見圖7，圖8)。

3.4 監測結論

1)在安裝調試過程中，連接液體總量增減正在±30 mL以內即可滿足監測要求，盡量保證各測點罐體內液體處于中間狀態，避免非線性誤差。2)靜力水準系統能夠及時反映出地表施工情況，尤其是在地表迅速減荷過程中，變形明顯，且時效性很強。3)各個交叉點上行線和下行線數據都有一定的相關性，這與地表施工情況也比較相符。4)能夠及時提供預警。在2014年10月5日，在隧道監測區域上方開挖施工的過程中，通過數據實時監測到P3-3點的累計變化量達到了12.07 mm，立刻采取報警，通過對監測數據進行分析，要求施工現場采取抽條開挖，并對開挖部分采用沙袋加壓。該措施有效的控制了變形量，預防了危險的發生。5)在地鐵上部施工過程中，4個交叉點處均出現了相同的變

形規律：隧道結構隨著上部結構的開挖出現不同程度的上浮，上部開挖至底板澆筑完成時，隧道結構不再上浮，在上部結構施工時，隧道結構開始緩慢下沉，上部施工完成后，隧道結構變形趨于穩定。

4 結語

1)采用靜力水準儀監測運營期地鐵結構變形，具有實時化、自動化、高效化、高精度等特點，具有較好的應用價值。

2)儀器安裝過程中已考慮溫度影響因素，且靜力水準測點誤差不傳遞，所以正常工作范圍內溫度變化對系統本身影響很小，溫度修正系數遠遠小于最小讀數，可忽略溫度對系統的影響。

3)靜力水準系統管路長短對監測結果也有一定的影響，系統應盡量控制距離，距離過長則調試越復雜，數據滯后性也會越明顯，要根據實際情況適當調整，提高靜力水準系統的使用效果。

[1] 孫澤信，張書豐.靜力水準儀在運營期地鐵隧道變形監測中的應用及分析[J]．現代隧道技術,2015，52(1):203-208．

[2] 邵自修.工程測量[M].北京:冶金工業出版社，1992:7-18.

[3] 李業彬.水利量測技術進展綜述[J].中國水利，2004(11):55-57.

[4] 劉湘鍇，吳能森，吳承彬,等.流體靜力水準測量技術發展及應用分析[J].河南城建學院學報，2015(6)：23-26.

[5] 何曉業.高精度CCD靜力水準系統設計與研究[D]．合肥:中國科學技術大學，2005.

[6] 陳德福，聶 磊.液體靜力水準儀及其應用[M]．北京:地震出版社，2008:13-14.

[7] 何曉業.靜力水準系統的最新發展及應用[M].合肥：中國科技大學出版社，2010:18-24．

[8] 張建坤，陳昌彥，白朝旭,等.影響靜力水準監測質量的關鍵技術問題探討[J].工程勘察，2012(9)：73-82.

[9] 付和寬.地鐵隧道內靜力水準觀測的精度分析[J].現代測繪，2011，34(1)：43-46.

Application of hydrostatic leveling system in subway tunnel structure automatic deformation monitoring

Wu Guoxiao1Cheng Ming2

(1.YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd,Zhengzhou450003,China；2.ZhengzhouRailwayTransitCorporationLimited,Zhengzhou450008,China)

The paper introduces the development of the hydrostatic leveling system at home and abroad, analyzes its accuracy, and indicates the reliability of the vertical displacement of the hydrostatic leveling monitoring based on the engineering effect of the system.

tunnel structure, hydrostatic leveling system, displacement monitoring, measurement accuracy

1009-6825(2016)31-0183-03

2016-08-25

吳國曉(1981- )，男，工程師

U456.3

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