靜力水平監測系統在沈陽地鐵一號線懷中區間第三方監測中的應用

張春哲，王井利

(沈陽建筑大學土木工程學院，遼寧沈陽110168)

一、引 言

靜力水平系統，是利用相連的容器中液體總是具有相同勢能的原理，測量和監測所選參照物彼此之間垂直高度的差異和變化量的一種測量系統。通常采用MCU-32分布式模塊化自動化測量單元采集數據，并通過有線或無線通信與計算機連接，從而實現自動化觀測，因此精度很高，近年來在測量領域得到廣泛應用。

沈陽地鐵一號線懷中區間(懷遠門站—中街站)采用盾構式施工，盾構區間右線全長1 165．867m，左線全長1 172．248 m，設有3段半徑分別為350 m、400m和1500m的曲線，盾構區間需穿越約700m的建筑群，最大埋深19．41m，并且途經沈陽最為繁華地段之一：中街及古建筑懷遠門、沈陽故宮。因此，保證地鐵監測能夠準確并且及時反映地鐵當前工作狀態顯得尤為重要。地鐵目前運營狀況，傳統的監測方法無法在高密度的行車區間內實施作業，也不能滿足大量采集數據、分析數據并及時準確反饋的要求。為此，該區間采用靜力水平系統進行實時監測，解決了傳統監測方法的種種弊端，很好地滿足了工程監測的要求。

二、靜力水平測量原理

靜力水平系統又稱連通管水準儀，該系統至少由兩個觀測點組成，每個觀測點安裝一套靜力水準儀。靜力水準儀的后貯液容器互相用通液管完全連通，后貯液容器內注入液體(水)，當液體液面完全靜止后系統中所有連通容器內的液面應同在一個大地水平面上?0，此時每一容器的液位由傳感器測出，即初始液位值分別為：H10、H20、H30、H40、…、Hi0，如圖1所示。

假設監測點1為基準點，監測點2的地基下沉，測點3的地基上升，測點4的地基不變等，當系統內液面達到平衡靜止后形成新的水平面?1，則各點連通容器內新液位值分別為：H1、H2、H3、H4、…、Hi，如圖2所示。

系統各測點的液位由靜力水準儀傳感器測得，各測點液位變化量分別計算為其中，計算結果Δhi為正值時表示該測點貯液容器內的液面升高;Δhi為負值時表示該測點貯液容器內的液面降低，如圖2所示。

在此，選定監測點1為基準點，則其他各監測點相對基準點的垂直位移(沉降量)為其中，計算結果ΔHi為正值時表示該測點地基抬高;ΔHi為負值時表示該測點地基沉降，如圖2所示。

圖1 靜力水平系統工作原理示意圖

圖2 靜力水平系統工作原理示意圖

通常基準點是相對恒定的或者是可用其他方式準確測定的點，因此精確計算各點的絕對垂直位移，必須核定基準點地基的沉降變化量。

對于多測點的靜力水平測量系統，每個測點的靜力水準儀均需加接三通接頭，使各測點貯液容器用水管連接，各點容器上部與大氣連通，且各點安裝高程應基本相同，基準點必須穩固。

三、靜力水平系統在一號線懷中區間的應用

1．監測點的布設

本工程根據地鐵內實際情況，在地鐵左右線分別布設監測點，其中基準點(JD1—JD4)4個，左右線監測點各20個，具體布設如圖3所示。

圖3 地鐵一號線懷中區間自動化監測布點示意圖

2．靜力水準儀的安裝

(1)安裝預埋底板組件或儀器支架

因為地鐵內實際情況不便搭建混凝土儀器墩，所以采用角鋼制作的懸臂式三腳支架與被測點位剛性耦合，由懸臂三腳支架提供儀器安裝平面，而各測點所提供的儀器安裝平面高差也應控制在±5 mm范圍內。

(2)安裝儀器底板和缽體

將組裝好3根不銹鋼螺桿的儀器底座放入儀器墩預埋組件的螺桿中，調整好高度并固定，然后放置缽體。

(3)安裝連通管

按各測點之間的管線路徑長度順序鋪放連通管，并與各缽體串接起來。連通管材料為纖維增強型PVC軟管，用熱水泡漲后接入缽體液嘴，冷卻后即可保證不漏液。

(4)加 液

連通管內液體工作介質采用蒸餾水配甲醛溶液，達到防腐效果。如果在高寒地區工作，則應按當地工作環境下的最低溫度配入防凍液。加液時應從一端順序操作，完全排除氣泡。每個缽體內的液位高度可根據缽體內的標尺刻度統一控制，并通過調整儀器底座高度找平。

(5)安裝檢測儀器

將組裝好的儀器浮子單元和 CCD傳感器單元的儀器板裝在缽體上，并用3根不銹鋼螺桿固定。

(6)安裝電源線、通訊線和MCU

按各測點之間的管線路徑順序鋪放電源線和通信線。電源線和通信線通過各自的涵道接入測點儀器和MCU內。MCU的電源線和通信線則連接到觀測機房。

(7)加硅油

為防止缽體內液體蒸發，需要在液體內加入硅油，其入口在儀器安裝板上，平時應用橡膠塞堵住。可采用注射器與導管與硅油。

(8)管線保護和測點儀器的保護

安裝儀器的掃尾工作是將連通管和電纜線加以包裝保護后放入溝槽或橋架中。包裝方式最好采用1米一段的聚氯乙烯保溫材料包裹，既可以起到保護作用，也能達到隔熱效果，在壩頂面安裝時更為必要。最后用專用金屬保護箱逐個將儀器罩起來。專用保護箱需專門定做，并且用于壩頂面的保護箱最好采用不銹鋼制作，箱體內壁則用發泡材料作成隔熱層[2]。

3．沉降監測數據分析

剔除奇異值并進行相應的插補后，根據監測數據繪制各監測點隨時間變化的累計沉降折線圖，如圖4、圖5所示。

圖4 左線監測點累計沉降變化折線圖

圖5 右線監測點累計沉降變化折線圖

由圖4可以看出，左線監測點自4月20日開始監測以來，變化趨勢為總體緩慢下降。其中，4月20日至5月10日期間，出現部分監測點上升趨勢，L16上升幅度最大，上升至0．3 mm，隨后又恢復下降，L11沉降最大，沉降至-0．7mm;5月10日至6月9日期間，監測點沉降較大，而且在5月10日至5月20期間，出現上升現象，L13上升最大，升至0．1mm，而后緩慢下降到5月30日，沉降最大的為L03，降至-0．8mm，隨后出現較大沉降至6月10日左右，L03沉降最大，下降至-1．9mm，到6月15日，又出現緩慢上升，隨后緩慢沉降，趨于穩定。

由圖5可以看出，自4月20日開始監測以來，右線沉降變化總體為緩慢下降。其中，4月20日至5月15日期間，R08沉降最大，變化量為-0．8mm;5月15日至6月15日，R08沉降最大，累計沉降 -1．2mm;6月10日后，各監測點平穩沉降，逐步趨于穩定。

為了檢驗靜力水平系統監測精度，懷中區間還采用天寶Dini03電子水準儀進行同步監測，根據中誤差計算公式對每一臺靜力水準儀觀測數據的中誤差進行計算。計算結果如表1所示。

表1 mm

由表1中數據可知，各監測點傳感器中誤差變化范圍總體為0．1～0．3 mm，小于天寶Dini03電子水準儀的中誤差0．3mm。

圖6 靜力水平與Dini03電子水平對監測點L10(上)測量值對比

由圖6可以看出，對同一監測點L10(上)，靜力水平系統與電子水準儀Dini03測量值總體變化趨勢基本一致，對每天測量值進行統計計算，得到差值變化范圍為 ±0．01mm ～ ±0．27mm，平均值為 ±0．11mm[4]。

四、結束語

對沈陽地鐵一號線懷中區間的自動化監測，是在一號線已經運行通車的情況下進行的，此時主體建筑已經結束，地鐵運行通暢良好，整個區間均已進入運營階段，故沉降量較小，總體趨于平穩。由靜力水平系統與Dini03監測數據對比可得出結論：用靜力水平代替人工電子水準儀監測是可行的。另外，排除儀器自身誤差，沉降的主要原因為地鐵隧道本身自重以及列車運行時，對軌道的向下的壓力。此外，雨水也是沉降的另外一個主要原因，沈陽地下水系豐富，隨著夏季來臨，降水逐漸增多，尤其在5月10日和6月10日之前2至3天，沈陽降水頻繁，導致地鐵主體下方含水量增大，使土壤膨脹，部分監測點出現上升現象，而后土壤中水分逐漸向下滲透，監測點逐漸恢復沉降[3]。

[1]顧孝烈，鮑峰，程效軍．測量學[M]．3版．上海：同濟大學出版社，2006．

[2]張建坤，徐俊峰，徐國雙．靜力水準測量系統在地鐵8號線第三方監測中的應用[J]．現代城市軌道交通，2011(8)：144-147．

[3]鄒積婷，江恒彪．北京地鐵沉降檢測方法及數據處理[J]．工程勘察，2006(1)：43-45．

[4]付和寬．地鐵隧道內靜力水準觀測的精度分析[J]．現代測繪．20012，34(1)：43-46．