靜力水準在城市軌道交通既有線變形監測中的應用研究

韓三琪

(寧波市軌道交通集團有限公司，浙江寧波　315000)

The Research of Hydrostatic Level Applied in Existing Urban Rail Transitline Deformation Monitoring

HAN Sanqi

靜力水準在城市軌道交通既有線變形監測中的應用研究

韓三琪

(寧波市軌道交通集團有限公司，浙江寧波315000)

The Research of Hydrostatic Level Applied in Existing Urban Rail Transitline Deformation Monitoring

HAN Sanqi

摘要針對城市軌道交通工程近接既有線施工的特點，采用靜力水準測量監測系統來實現對既有線的自動化變形監測，保證了既有線施工過程中的安全。靜力水準系統具有測量原理簡單，效率高、數據準確、精度高、實時監測等特點，可為施工風險的預警、防范和控制提供決策支持。

關鍵詞城市軌道交通近接施工靜力水準變形監測

在城市軌道交通工程的大規模建設施工過程中，運營中的軌道線路、周圍的建(構)筑物及基礎設施因受施工影響而產生變形，嚴重時可能會危及線路及其附屬結構安全，影響城市軌道交通的運營。在運營線路附近施工時，加強運營線路道床及其附屬結構的監測，保證城市軌道交通的運營安全顯得十分必要。靜力水準測量系統是利用相連容器中的液體總是具有相同勢能的原理，測量和監測參考點彼此之間的垂直高度差異和變化量，適用于多點相對沉降測量，以其精度高、效率高、全天候，自動化性能高等優勢在城市軌道交通既有線的運營監測中得到廣泛應用。

1靜力水準系統工作原理

1.1　靜力水準儀測量原理

靜力水準儀利用相連容器中的液體總是具有相同勢能的原理，用電容傳感器測量每個測點容器內液面的相對變化，經過計算得出各靜力水準儀的相對差異沉降。假設共有n個觀測點，各觀測點之間采用連通管連通，初始狀態時測量各測點的高程分別為Y01…Y0i…Y0j…Y0n，各測點的液面高度分別為h01…h0i…h0j…h0n(如圖1)。

圖1　靜力水準測量原理(一)

對于初始狀態，顯然有

(1)

當第k次發生不均勻沉降后，各測點由于沉降的而引起的變化量分別為Δh1…Δhi…Δhj…Δhn，各測點的液面高度變化為hk1…hki…hkj…hkn。

圖2　靜力水準測量原理(二)

由于液面的高度還是相同的，因此有

(2)

第j個觀測點相對于基準點i的相對沉降量為

(3)

由式(2)可以得出

(4)

由式(1)可以得出

(5)

將式(5)代入式(4)，即可得出第j個觀測點相對于基準點i的相對沉降量

(6)

由式(6)可以看出，只要能夠測出各點不同時間的液面高度值，即可計算出各點在不同時刻的相對差異沉降值。

1.2　靜力水準系統的工作原理

靜力水準測量系統主要由電容感應式靜力水準儀、數據自動采集模塊、數據發射和接收模塊以及數據采集及分析四個部分組成。電容感應式靜力水準儀通過連通器的原理得出基準點及各監測點上靜力水準儀的測量值，數據自動采集模塊通過集成各測點的監測數據后通過GPRS無線電臺發射出去，在辦公室內通過數據接收模塊獲取變形監測值，之后通過數據處理及分析軟件得出監測點相對基準點的沉降變化量及變化速率，并繪制累計變形沉降量-時間曲線和變化速率-時間曲線，進而分析監測對象的變形情況。該系統組成如圖3。

圖3　靜力水準系統工作原理

(1)數據自動采集模塊

各監測點采用 RJ 型電容式靜力水準儀，數據自動采集模塊由DAU 2000 標準型模塊化智能數據采集單元構成。將DAU 2000 型模塊化數據采集單元接入RJ 型電容式靜力水準儀進行數據采集，各數據采集智能模塊均有CPU、時鐘、數據存貯、通信等功能，可對建(構)筑物，巖土工程，水位等項目的變形、應力應變進行自動監測。由于DAU2000 內部數據采集模塊的獨立性和智能化，使得分布式數據采集工作分散到模塊一級，進一步降低了系統故障的風險，大大提高了系統的數據采集速度和可靠性。由DAU 2000標準型模塊化智能數據采集單元和RS-485 現場總線架構的DAMS-IV系統能滿足大、中、小型分布式安全監測數據采集系統的應用。

(2)數據發射及接收

目前的數據發射與接收方法有GPRS傳輸、無線電臺傳輸、有線直連傳輸等。GPRS傳輸模式是將數據采集端與DAU模塊相連接，通過裝置接入GPRS網卡進行數據傳輸。它具有不受距離限制、遠程數據采集的優點，目前運營的城市軌道交通線路已經覆蓋了無線網絡信號；無線電臺傳輸模式通過采集端無線電臺發射裝置發射無線電信號，另一端通過無線電接收裝置接收信號數據的方式完成數據傳輸，因其傳播受到傳播介質、發射源發射信號的強弱以及接收端與信號源的距離等，穩定性弱，會產生丟失數據的情況；有線傳輸模式通過網線把采集終端與接收終端直接相連，從而獲取監測數據信息，受布線方式、布線位置及布線距離等的影響，除非在近距離、有布線條件的情況下采用。本系統的數據發射與接收系統采用GPRS無線傳輸，既節約成本，又節省布線空間。

安裝好靜力水準儀之后，首先在自動化檢測軟件上設置好參數(如采集的間隔時間、系統報警和短信報警值等)；運行軟件后，無線發送儀根據軟件設置的采集時間從靜力水準儀采集數據，然后通過無線模塊發送給數據接收儀，數據接收儀再進行分析處理(如果采用GPRS傳輸，直接通過無線采集儀發送給電腦進行數據分析)。

(3)數據處理分析

數據處理分析采用配套軟件實現數據通信、顯示、操作及綜合管理功能。數據通信功能主要實現測控單元之間或測控單元與管理中心監控主機之間的雙向數據通信；顯示功能主要是顯示建(構)筑物及其他監測對象的監測布點圖、監測系統和各監測子系統的總貌及概貌、監測過程曲線圖、實時監控圖、報警狀態顯示等；操作功能是指在管理中心監控主機上實現監視操作、獲取實時測值、調用歷史數據、輸入/輸出、報告打印、評估系統運行狀態、修改系統配置、系統測試、系統維護等；系統綜合管理功能主要實現項目在線監測、數據離線分析、狀態預測預報、成果圖表制作、成果圖文資料管理、數據庫管理及安全評估等。數據處理分析功能模塊具備功能強大、界面友好、操作方便的特點。

2應用實例

2.1　工程概況

本工程為運營軌道交通車站的近接基坑開挖施工，開挖車站類型為明挖地下三層島式車站，車站主體建筑外包總長120 m，主體建筑寬度20 m，車站埋深為34 m，覆土厚度4 m，與既有線車站主體建筑的水平距離范圍約介于16～24 m之間，車站基坑埋深大，地質條件非常復雜，施工風險大。

通過本監測工作的實施，可以及時、準確地掌握施工影響范圍內既有線隧道和軌道結構的變化，為建設、設計和運營管理單位提供及時可靠的數據信息，第一時間對既有線結構安全和線路安全進行判斷，避免惡性事故的發生，確保既有線安全運營，為管理決策提供科學依據。

2.2　監測實施

(1)基準點設置

根據靜力水準測量系統的布設原理，本監測項目在上、下行線各設置1條測線，每條測線設置1個基準點，基準點布設在變形區外，距離最外側觀測斷面50 m左右的軌道結構外側。基準網點采用獨立坐標系統。

(2)監測點設置

本次監測對影響段150 m范圍區間進行安全監測，主要通過靜力水準測量系統對該影響區間進行豎向位移監測。在150 m區間范圍內的軌道外側道床結構上安裝靜力水準設備，左、右線各設置10個測點，每隔12 m布設，共布設20個靜力水準監測點。監測點的平面布設位置見圖4。

圖4　監測點布置示意

2.3　數據采集及分析

本工程的監測工作從2011年2月進場至2011年10月結束，歷時8個月時間。整個觀測周期從淺坑開挖開始至下部基礎結構施工結束，共進行42次監測。在擬建車站基坑尚未開挖時，對監測點采取初值，在基坑開挖過程中，每3天自動采集監測數據1次，沉降監測點的累計沉降量-時間變化曲線如圖5、圖6。

圖5　上行線累計沉降量-時間變化曲線

序號監測項目最終累計變化量最大值預警值備注1上行線靜力水準最終累計沉陷數據2.68mm(JS08)10.0mm正常2下行線靜力水準最終累計沉陷數據2.07mm(JX08)10.0mm正常

圖6　下行線累計沉降量-時間變化曲線

從圖5、圖6可以看出，上、下行線累計沉降量隨時間的變化趨勢基本上一致，并且其變化最大值均小于4 mm，小于設計給定的預警值10 mm；從表1的統計中可以看出，上、下行線的最終累計沉降量最大值是2.68 mm(JS08)，小于設計給定的預警值10 mm；總體上看，擬建車站基坑開挖施工對既有線的影響較小。

3結束語

近年來，隨著城市化進程的不斷加快，我國的城市軌道交通建設也進入了快速發展時期。在城市軌道交通工程的建設過程中，新建線路近接、下穿既有線路是一個不可避免的問題，需要結合既有線路的運營現狀，開發一種新的監測技術。靜力水準監測系統的實施，實現了對既有線結構非接觸式、高分辨率、高精度、高穩定性、高可靠性、快速響應的監測，有效指導了現場施工，保證了既有線在施工過程中的安全，為城市軌道交通的信息化變形監測積累了實踐經驗。

參考文獻

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[6]何曉業.靜力水準系統的最新發展及應用[M].長沙：中國科學技術大學出版社，2010.

中圖分類號：TU196

文獻標識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)02-0008-03

作者簡介：韓三琪(1975—)，男，1999年畢業于西南科技大學(原西南工學院)測繪工程專業，高級工程師。

收稿日期：2015-01-15