壓差式靜力水準儀在黃河隧道沉陷觀測中的應用研究

武廣軍 張佳

（1.黃河水利委員會山東水文水資源局 山東濟南 250100；2.黃河水利委員會濟南勘測局山東濟南 250100）

1 項目背景

在建的濟南黃河隧道被譽為“萬里黃河第一隧”，是目前國內在建的直徑最大的公路地鐵合建的盾構隧道。該隧道南起濼口南路，北至鵲山水庫，橫跨黃河南北大堤兩側，總長3.7km。該隧道和濼口水文站斷面的距離僅有70m。為監測該工程施工建設期間對濼口水文站監測設施產生的影響，保證測驗設施的安全穩定運行和水流沙測驗精度，以及水文資料的連續性、一致性和代表性，需要對濼口站的水文監測設施和吊箱纜道房進行沉降觀測。

依據《濟南市濟濼路穿黃隧道（道路+地鐵）工程防洪評價報告》《濟南市濟濼路穿黃隧道（道路+地鐵）工程對水文監測影響分析評價報告》及現行水文行業規范及標準，為保證水文監測工作的正常進行，保證水文要素監測的精度和質量，保障測驗安全，通過增加沉降觀測點進行沉降觀測，以獲取隧道建設期間水文設施的沉降值。當觀測的水文設施沉降值超過行業標準、規范，或超過有關規定的限差、要求，抑或發生影響結構安全的現象時，應積極制定應急處理措施，編制合適的解決方案，將水文測報工作受到的影響降到最小，確保水文測報工作正常運行，保障測驗安全［1］。

2 壓差式靜力水準儀

2.1 靜力水準工作原理

該系統主要由儲液罐、基點、測點、采集設備、數據傳輸設備組成，靜力水準儀包括主體容器、連通管、傳感器等部件［2］。靜力水準儀是利用連通液的原理進行沉降觀測，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高度值［3］。

2.2 沉降計算方式

測點：當前測量值－初始測量值=沉降變化值。

基點：初始測量值－當前測量值=基點變化值。

沉降變化量計算：（沉降變化值－基點變化值）×-1=最終沉降值。

2.3 與傳統觀測方法的對比

傳統觀測方法為人工采用電子水準儀進行現場測量，并將觀測結果與內業分析評價相結合，該方法是離散的、非在線的，無法做到連續監測，不能及時地發現站房的沉降變化，也不能對隧道和站房變形的突發性事件進行預警。要有效地保證結構的安全性，除了嚴格控制施工措施外，還應對其進行遠程、實時、在線、自動地監測［4］。

自動化在線監測系統具有全天24h不間斷工作的特點，它的核心組成是靜力水準儀（壓差式），具有高精度、小體積、輕重量、大量程、方便安裝、觀測墩無需獨立設置等優點，故以該系統進行沉陷觀測更能滿足應用需求。

3 隧道沉降觀測應用

3.1 監測依據標準

（1）《水文測量規范》（SL 58-2014）。

（2）《國家一、二等水準測量規范》（GB/T 12897-2016）。

（3）《建筑變形測量規范》（JGJ 8-2007）。

（4）《水文纜道設計規范》（SL 622-2014）。

（5）《水文基礎設施建設及技術裝備標準》（SL 276-2002）。

3.2 監測范圍及次數

為掌握隧道工程對水文監測設施的影響，故對所有在影響范圍內的監測設施布設沉降觀測點進行沉降觀測，布設包括吊箱、吊船鋼支架基礎、地錨、碼頭、斷面標、纜道操作房等41個觀測點。

隧道施工期間，隧道開始施工后，1周測1次，當施工位置與水文設施間距小于300m時，1日測1次，異常情況加密測次，沉降觀測時間為8年。

3.3 工作基點的埋設

在各個監測區域的設計位置安裝工作基點，采用304不銹鋼沉降標志。先鉆孔，插入沉降監測標志，然后，采用植筋膠固定，進行安裝。

3.4 隧道沉降觀測

在隧道開挖期間，按照監測任務書的監測頻率開展監測，如果出現監測異常情況，除加大監測頻率外，還應該加強現場巡檢，加以記錄，確保數據的準確性。

二等水準測量精度要求如表1所示。

表1 二等水準測量精度要求（單位：mm）

靜力水準沉降監測成果報表如表2所示。

表2 靜力水準沉降監測成果表

3.5 監測數據的采集與處理

獲取監測數據后，對數據及時進行匯總，并對數據及時進行分析，按時上報監測數據，如果觀測點沉降變化出現異常時，應采取措施及時進行復測和校核［5］。根據施工進展情況，定期進行月報告的匯總工作，將成果整理、分析和總結后，形成監測月報告，并及時上報，月報告的主要內容為每月測點的沉降量變化線列曲線、沉降趨勢圖、累計沉降量變化曲線圖等。

4 技術創新點

（1）高精度，小體積，輕重量，大量程，串聯方便安裝，電壓具有很強的兼容性，另外，還帶有溫度補償。

（2）防護等級：IP67支持埋設安裝。平均無故障時間：MTBF 大于50 000h。對于地鐵軌道的沉降具有很好的監測性。

（3）具有良好的過載線性度，單個測點誤差小于0.2mm，系統不間斷誤差小于0.3mm。

（4）與系統相互配合，可以提高監測預警能力，對地鐵下沉實現無線智能監測。

（5）由于儀器本身體積不大，不受地理、地勢及地質的限制，不會侵界，不會影響施工安全［6］。

5 結語

該技術的應用既減輕了外業測量人員的勞動強度，提高了工作效率，又保證了沉陷監測的準確性、可靠性和實時性，對于監測周期長、監測頻率高的水文測量項目可廣泛推廣應用。該技術可用于水文站的過河纜道鋼架等水文設施設備的常年監測，具有廣泛的推廣應用價值和良好的經濟效益。