靜力水準系統在沉降監測中的應用

胡云龍，汪大超

(天津市測繪院，天津 300381)

靜力水準系統在沉降監測中的應用

胡云龍*，汪大超

(天津市測繪院，天津 300381)

靜力水準自動化監測系統的發展帶來了新一輪的工程革命，其高精度、實時化、自動化的特性對基坑沉降的監測管理帶來巨大便捷。為研究靜力水準系統在沉降監測中的應用效果，通過分析基坑沉降工程中靜力水準系統的自動化監測數據，并與人工監測數據進行比對，得到其自動化監測精度較高，能及時反映工程施工對附近設施的影響，可應用于工程實踐的結論，最后總結了靜力水準工程運用中出現的問題和解決方案。

靜力水準系統；沉降監測；深基坑工程；自動化監測

1 引 言

隨著科技發展的突飛猛進，自動化施工監測技術應運而生，為城市建設與管理帶來巨大便捷和經濟效益。而基坑工程的沉降監測，當前仍以傳統的監測方法作為主要技術手段，其工作效率低、監測難點大、管理程度低，不能實時反饋數據，影響施工決策，對工程的施工監測和運營監護都提出了嚴峻的挑戰[1]。因此，探索出能適應復雜多變的基坑環境的新技術迫在眉睫。

靜力水準系統，是一種應用于監測多點相對沉降的監測系統[2]。其由精密液位測量元件組成，使用連通管將各個獨立的靜力水準儀連接成統一系統，當監測點高程變化導致儀器內液位同步變化時，由儀器內浮子或其他傳感設備測出其液位變化量，進而能得到出各儀器之間的相對高程變化[3]。具有可靠性高、安裝維護方便、適用范圍廣等特點[4]，是理想的變形測量儀器。

靜力水準監測技術作為自動化監測手段，在城市建設與管理中的應用研究成果可在市政重大工程的建設與管理中得到廣泛應用[5]，具有廣闊的應用前景。同時其實時的監測成果，將有效及時地指導施工，節約施工成本，具有很好的經濟效益和社會效益，可應用于深基坑的沉降監測工程。

2 靜力水準系統測量原理

靜力水準系統由若干靜力水準儀組成，分別安裝在各個監測點位上，為保證各設備之間的連通，需要將存液浮筒用連通管連接成整體，然后往浮筒內注入液體[6](通常是含有防凍液的蒸餾水)。當液面靜止后，各儀器內浮筒的液位應在同一大地水準面上，此時靜力水準系統的液位狀態稱為初始狀態[7]。

為推導靜力水準系統的沉降監測模型，現假定有4個測點，其中測點1是基準測點其高程不變，測點2的高程上升，測點3的高程下降，測點4的高程不發生變化等等。初始液位值分別為H10、H20、H30、H40，當系統內液面達到平衡靜止后形成新的水準面，各測點連通容器內的新液位值分別為H1、H2、H3、H4，如圖1所示。

圖1 靜力水準系統工作原理

然后將4個測點擴展為n個測點，測點1仍為基準測點，其他測點的安裝位置相對于基準測點安裝位置H0的高程差值為：Y01、Y02、Y03、…、Y0n，各監測點儀器內液位的高程與基準點液位高程的差值為h01、h02、h03、…、h0n，則

Y01+h01=Y02+h02=Y03+h03=…=Y0n+h0n

(1)

j個監測時間間隔后，各測量點的儀器位置相對于基準點的儀器位置的高程差值為△hj1、△hj2、△hj3、…、△hjn，各監測點儀器內液位的高程與基準點液位高程的差值為hj1、hj2、hj3、…、hjn，則有：

(Y01+△hj1)+hj1=(Y02+△hj2)+hj2=(Y03+△hj3)+hj3=…=(Y0n+△hjn)+hjn

(2)

j個監測時間間隔后，測點i相對于基準點的高程變化量Hi1為：

Hi1=△hji-△hj1

(3)

由(2)式可得：

△hji-△hj1=(Y0i+hji)-(Y01+hj1) =(Y0i-Y01)+(hji-hj1)

(4)

由式(1)可得：

Y0i-Y01=-(h0i-h01)

(5)

將式(5)代入式(4)得：

Hi1=(hji-hj1)-(h0i-h01)

(6)

因此，只要在任意監測時間測得靜力水準儀容器內液位高程相對于其自身初始液位高程的差值hji，就可以得到該時刻儀器相對于基準點的高程變化量。以此類推，還可以求得某監測點相對于其他任意監測點或任意監測時刻的相對高程變化量。把測量點g作為對比監測點，把f測次作為對比測次，則g測點的相對高程差Hig為：

Hig=(hji-hjg)-(h0i-h0g)

(7)

只要確保基準點相對恒定或者采用其他方法精確測量其變形量，可以通過在待監測建筑物上安裝多個儀器布置成監測網絡，用以監測各點之間相對于基準點的變形量[8]。

3 工程應用

天津市濱海新區中新生態城某工程擬進行深基坑開挖，基坑東西向長約 100 m，南北方向寬約 150 m。地上由獨棟多層建筑物組成，地下有一層地下室，基坑開挖深度為 16 m，因基坑開挖地點距離海濱高速路高架橋較近，同時基坑面積大，土體卸載量大，基坑施工會對周圍建筑產生變形影響，因此需對其進行變形監測。該高架橋白天車流量很大，人工監測效率和安全性都得不到保障，只能在夜間車流量較少時實施監測，監測時間較短。因此本項目采用人工監測和靜力水準自動化監測相結合的方法來實施，確保了基坑施工對周圍建筑的安全。

該項目在濱海高速路高架橋和基坑附近敏感位置布設沉降觀測點，共計19個。采用靜力水準儀對監測點進行自動化監測，采用電子水準儀對監測點進行人工水準測量作為對比數據。靜力水準儀量程為 20 mm，按照儀器的標稱精度計算測量精度可達到 20 mm×0.5%=0.1 mm。

4 數據分析

現場安裝調試完成后，將當日采集的各監測點高程數據設為該監測點初始高程值，使用靜力水準監測信息管理系統每天返回一次監測數據，以ZS1-ZS19監測點的測量結果，以時間為橫坐標、測點沉降值為縱坐標繪制曲線分別如圖2和圖3所示。

由圖2、圖3可以看出，靜力水準自動監測點的沉降變化規律與施工工況、測點與施工區間的相對位置、密切相關：

圖2 ZS1-ZS10監測點數據圖

圖3 ZS11-ZS19監測點數據圖

(1)各監測點沉降量在施工期間均呈持續上升趨勢，說明隨工程施工期間對ZS1-ZS19監測點有明顯影響。

(2)在6月24日之前，ZS1-ZS19監測點沉降量均相對穩定在 ±1 mm之內，由于該時期工程尚未進入全面施工，6月24日加快工程施工進展后，可以看出各監測點的沉降量明顯提升，說明靜力水準監測信息管理系統的監測結果能及時反映工程施工對建筑結構的影響。

(3)6月24日之后，ZS11-ZS19號監測點沉降量明顯大于ZS1-ZS10號監測點，這是由于前者的安裝位置相對于后者更靠近施工現場，說明靜力水準監測信息管理系統的監測結果能正確反映不同監測點的沉降趨勢和狀態。

(4)可以看出，，各監測點的靜力水準數據圖均交替出現多個波峰波谷，說明靜力水準系統能正確反映監測點的實際沉降情況，即在工程施工期間監測點受多種因素影響造成的不平衡作用力，其實際沉降趨勢是在波動中逐漸變大的狀態。

此外，將ZS10監測點的自動化監測變形曲線與人工監測曲線進行對比繪制曲線圖，如圖4所示。

圖4 靜力水準監測點和人工監測點變形對比曲線圖

由圖可見，人工監測和靜力水準自動化監測的整體沉降趨勢基本一致，說明靜力水準系統能夠正確反映沉降情況。并且，由于靜力水準系統采集數據密集，其信息量比人工監測結果更加豐富。

5 問題和解決方案

靜力水準系統在工程實踐中能客觀迅速地反映出待測區域的變形程度和狀態，但在監測過程也出現了一些困難和問題。

(1)使用靜力水準系統時需要在每個監測點均安裝一臺儀器，而儀器的生產質量參差不齊，有時會出現設備故障或者線路故障等硬件問題，導致監測數據不能及時反饋到監控中心。解決方法：在監護項目開始前需要對每臺儀器進行檢定，在監護周期內需要定時檢查設備安全和線路。

(2)靜力水準系統采用連通管原理，要求所有設備安裝在同一水準面上，但在實際工程中受限于現場復雜條件，很難將長距離的靜力水準監測安裝在同一水準面上。解決方法：采用高程傳遞，將靜力水準設備分組安裝在不同的水準面上，各組之間設置轉點儀器傳遞高程值即可。

(3)位于高架橋上的靜力水準監測點，在早晚車流量高峰時讀數波動比較大，不能客觀地反映出基坑施工對待測區域的影響情況。解決方法：選擇車流量較少的時間的監測數據作為有效觀測數據。

6 小 結

通過本次自動化監測，掌握并控制了該基坑沉降監測的變形情況。通過本次監測，保證了項目的運營安全，達到了預期的監測目的。

(1)本工程采用自動化監測技術和人工監測技術相結合的方法對基坑實施了監測，監測成果數據分析表明，自動化監測精度較高，能反映工程施工對附近設施的影響，應用于線性工程是可行的。

(2)由于人工監測不能隨時實施，故自動化監測很好地彌補了人工監測的不足，使工程技術人員在施工時能及時了解監測點的變形影響，以便及時調整施工進度和施工方法等。

(3)在監測項目中，對于監測線路過長需要布設多處高程傳遞點的項目，應關注轉點處儀器安裝和高程傳遞的精度，提高靜力水準系統的數據精度。

[1] 唐繼民. 自動化監測技術在隧道受損修復工程中的應用[J]. 測繪通報，2014(12)：86～88.

[2] JONES M，Latest Results from the CLIC Geodetic Studies，International Workshop on Acceleator Alignent[C]. The 11st International Workshop on Acceleator Alignent，Hamburg，Germany，2010.

[3] Song Kaichen，Nie Xili. Adaptive Fusion Algorithms based on Weighted Least Square Method[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2006(3)：451～454.

[4] 劉仁龍. 沉降監測技術在盾構隧道下穿京廣鐵路的應用[J]. 城市勘測，2016(2)：125～128.

[5] 許少峰，何曉業，陳曉東. 固體潮對涇縣地震臺洞體內靜力水準系統的影響研究[J]. 武漢大學學報·信息科學報，2014，39(7)：826～830.

[6] Wang，C.S. New Metro Tunnel to Under-pass an Existing Metro Tunnel[J]. Urban Rapid Rail Transit，2010，23(1)：82～84，88.

[7] 楊兆敬，朱小寧. 鋼筋混凝土水池沉降監測及數據分析[J]. 城市勘測，2015(1)：146～148.

[8] 張洪彬，張國祥，安關峰等. 盾構隧道已開裂管片的受力變形特性[J]. 土木建筑與環境工程，2014，36(3)：52～58.

Application of the Hydrostatic Leveling System in the Subsidence Monitoring

Hu Yunlong，Wang Dachao

(Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China)

the development of the static level automatic monitoring system brings a new round of engineering revolution，it changes the subsidence monitoring management of the foundation pit because of its characteristic of high precision，real time and robotization.In order to study the application effect of HLS in settlement monitoring，through the analysis of data of the deep foundation pitautomatic monitoring comparing with manual monitoring data，get the conclusion that the HLS has high automation，provides timely responses of the influence of the project construction on the nearby facilities，can be applied to engineering practice.Finally，the problems and corresponding methods in the HLS practice is summarized.

the hydrostatic leveling system；the subsidence monitoring；the deep foundation pit；automatic monitoring

1672-8262(2017)03-154-04

P258

B

2016—10—18

胡云龍(1975—)，男，高級工程師，主要從事工程測量技術工作。