靜力水準監測系統在地鐵監測中的應用分析

陳建雄

(武漢地質工程勘察院有限公司上海分公司,上海 200000)

0.引言

地鐵車站臨旁的工程建設，尤其是大型基建項目對地鐵車站結構可能會造成一定的影響。地鐵車站旁基坑開挖時，必須對地鐵車站結構進行實時監測，以保障地鐵車站的安全運營[1]。變形監測的目的是掌握工程建筑和地質構造的穩定性，以便為施工安全診斷提供必要的信息，并為后期工程管理提供相應的數據支持[2，3]。基坑開挖的過程中受地質條件、自然環境等因素的影響，可能對周圍環境造成一定的影響，可能出現安全事故[4，5]。因此，為保證基坑開挖安全，避免破壞周圍環境，必須科學合理地確定監測內容及監測方法，對基坑支護及周邊環境實施變形監測，以客觀準確地反映基坑及其周邊變形情況[6]。目前，地鐵車站結構監測手段主要有傳統人工水準測量、靜力水準監測系統自動化測量。傳統人工測量頻率低、出報表周期長、費時費力，而靜力水準監測系統可以進行實時監測，效率高，解決了人工監測的不足之處[7－10]。由于地鐵隧道的特殊性，大部分時間是封閉運營狀態，地鐵周邊由于各種施工極易導致地鐵隧道結構的穩定性出現變化，而常規結構監測只能在列車停運后開展，無法較好地滿足地鐵隧道結構的實時監測。

近年來，地鐵車站臨近施工影響車站結構的安全也一直備受關注，對地鐵車站進行實時的變形監測是一項必要的工作。隨著新型傳感技術以及遠程自動監測技術的發展，一種基于靜力水準儀的自動化監測系統應運而生，該系統可實現監測數據自動化采集，經系統軟件分析能及時掌握監測對象的變形情況。目前，靜力水準監測系統已被成功應用于運營地鐵監測領域，靜力水準測量是地鐵結構自動化垂直位移監測的重要手段之一。

本文以某臨近地鐵車站旁基坑項目開挖周期內結構變形監測為例，基于靜力水準監測系統對地鐵車站進行實時監測，及時將各施工階段的監測數據信息、報表提供給業主、監理和施工方，并迅速反饋到施工中，既保證了施工安全，又保證了地鐵車站的安全運營，本項目監測方法和結論對類似項目具有一定的參考意義。

1.靜力水準監測系統

1.1 監測原理

靜力水準監測系統在管道連接的容器中注入一定的液體，所有容器中的液體將在管道中自由流動，其結果是當平衡或者靜止時各個容器中的液體表面將保持相同的高度，但是各個容器中的液體深度并不相同，這也就反映了各個容器所在參考點的高度不同。靜力水準系統，用傳感器測量每個測點容器內液面的相對變化，再通過計算求得各點相對于基點的相對沉降量。靜力水準監測原理（如圖1所示）：

圖1 靜力水準監測原理圖

A為基準點；B為待測點，A、B點安裝時高程分別是HA0、HB0，安裝時容器液體的高度分別是HA、HB，則有：

待測點B發生沉降監測原理圖（如圖2所示），若待測點B發生了沉降，且變化量為Δhb，各測點容器內液面相對于安裝高程的距離為ha、hb，則有：

圖2 待測點B發生沉降監測原理圖

待測點B沉降變化量為：

1.2 作業流程

基準點和待監測點上布設靜力水準儀，各個靜力水準儀使用連通管連接好后，再將各個靜力水準儀的導線連接于傳輸模塊，把無線信號和電腦數據庫相連，通過對電腦端設置實現沉降數據自動化采集。計算機安裝自動測量單元數據采集管理軟件后，將測量單元與計算機連接，并打開數據采集管理軟件進行操作，可任意選擇實時采集、定時采集、離線采集的任一方式和顯示數據圖。實時采集和定時采集的數據可直接存入計算機，離線采集數據先保存在數據盒中再傳輸給計算機，數據管理軟件可實現數據整理、數據分析、繪制變形曲線圖等功能。

2.項目簡介及數據采集

2.1 項目概況

某基坑項目東側和北側緊鄰住宅小區，南側和西側為道路，基坑工程南北向長約120m，東西向寬約50m，整體呈矩形，基坑周長約340m，基坑面積約6000m2。基坑開挖深度約為9.8m~16.5m，核心筒結構采用鋼結構，地下3層采用框架結構，基坑開挖最深為16.5m，基坑開挖過程中容易造成土體水平位移，為保證基坑開挖過程中地鐵車站安全運營，現基于靜力水準監測系統對地鐵車站進行實時監測。

2.2 設備安裝

本項目監測過程中采用磁致伸縮式靜力水準儀，該水準儀是利用磁致伸縮原理開發的液位測量傳感器，采用非接觸測量方式，結構示意圖（如圖3所示）。整套設備包含靜力水準儀傳感器、支架、控制電箱及水管電線等。

圖3 靜力水準儀內部結構示意圖

設備安裝過程中采用電鉆在出入口側墻上打孔，用膨脹螺絲將靜力水準儀固定在側墻上，并根據現場實際情況，安排水管及電線的行走路線，并將其固定好，檢查調試設備，確定設備可用后，將現場用蓋板蓋住，避免影響乘客的安全出行，現場安裝示意圖（如圖4所示）。靜力水準系統投入使用后，在運行維護過程中，應注意定期檢查系統是否有漏液情況，通過人工讀數管檢查液面高度，判斷液位是否超出量程范圍，如接近量程的極限，應及時進行處理。定期進行傳感器性能檢測和人工數據采集，將采集的人工數據與自動化數據進行對比，若儀器性能檢測不合格或人工采集數據與自動化數據差距較大，應及時進行現場檢查并處理。

圖4 現場安裝示意圖

監測點位確定后先獲取每個監測點的初始高程。監測時獲取所有監測點的高程，依據系統軟件的平差模塊可獲得場區內任一點的高程。

3.案例分析

3.1 靜力水準監測數據分析

項目基坑開挖周期為45天，基于靜力水準監測系統對基坑開挖過程中對地鐵車站結構的影響進行實時監測，為減少列車運行震動造成的誤差，監測數據均取值為每日2∶00—6∶00觀測數據的平均值，基坑開挖過程中監測點位累計沉降變化量（如圖5所示）：

圖5 監測點累計沉降變化量

由圖5可知：基坑開挖過程中對地鐵車站造成明顯的沉降影響，本項目基坑開挖對地鐵車站造成沉降約5mm，且4個監測點位具有相同的變化趨勢。基坑開挖的前6天，4個沉降監測點位均未發生明顯沉降/抬升變化，第7天監測點1、監測點2和監測點3均發生明顯沉降變化，監測點1數據顯示發出沉降變化量為-0.7mm，監測點2發生沉降變化量為-0.3mm，監測點3發生沉降變化量為-0.4mm；基坑開挖第14天，4個監測點位均發生基坑開挖過程中單日最大變化量，其中監測點1發生沉降變化量為-1.4mm，監測點2發生沉降變化量為-1.3mm，監測點3發生沉降變化量為-1.1mm，監測點4發生沉降變化量為-0.8mm；基坑開挖過程至第35天，監測點變化速率明顯降低，直至基坑開挖結束監測點位未發生明顯沉降變化。

3.2 精度評估

為了進一步對靜力水準監測系統進行精度評估，將傳統二等水準測量結果作為參考值對靜力水準監測系統進行數據對比分析，在基坑開挖過程中基于傳統二等水準測量對靜力水準監測點位進行沉降測量，頻率為5天/次，基坑開挖過程中共計10組觀測數據，將其可視化輸出，結果（如圖6所示）：

圖6 靜力水準監測系統與二等水準測量監測點沉降變化量偏差

由圖6可知：基坑開挖過程中監測點靜力水準監測系統與二等水準測量沉降變化量偏差最大絕對值為0.3mm，偏差最小絕對值為0mm。人工監測過程中，監測點位最大偏差表現在基坑開挖第10天，其中監測點2的偏差為0mm，監測點1、監測點3和監測點4偏差均為0.3mm；監測點位最大偏差表現在基坑開挖第45天，其中監測點3的偏差為0.1mm，監測點1、監測點2和監測點4偏差均為0mm，進一步證明了基于靜力水準監測系統在基坑開挖過程中對地鐵車站沉降監測的有效性。

4.結束語

本文介紹了靜力水準儀的基本原理、靜力水準自動化測量系統的組成及工作方法。根據實際工程案例闡述了靜力水準自動測量技術在工程應用中的測量方案。基于靜力水準儀建立自動化實時監測系統實現了在基坑開挖過程中對地鐵車站的影響實時監測，靜力水準監測系統對監測數據的自動化采集，實時傳輸、處理，為基坑開挖提供了安全可靠的數據支撐，為地鐵車站安全運營提供了指導依據，同時靜力水準監測系統自動化監測彌補了傳統水準測量頻率低、耗費人力物力等不足之處，本項目基于靜力水準監測系統對車站實時監測可為今后類型監測項目提供參考依據。隨著地鐵建設規模的不斷擴大，涉及的監測范圍也越來越廣泛，靜力水準自動化監測系統在地鐵監測領域具有廣闊的應用前景。