吳國曉 程 明

(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003； 2.鄭州市軌道交通有限公司，河南 鄭州 450008)

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靜力水準(zhǔn)在地鐵隧道結(jié)構(gòu)自動化監(jiān)測中的應(yīng)用

吳國曉1程 明2

(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003； 2.鄭州市軌道交通有限公司，河南 鄭州 450008)

介紹了靜力水準(zhǔn)監(jiān)測系統(tǒng)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，并結(jié)合工程實(shí)際，分析了靜力水準(zhǔn)監(jiān)測系統(tǒng)的精度及其在實(shí)際運(yùn)用過程中的影響因素，基于靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)取得的工程效果，論證了靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)豎向位移的可靠性。

隧道結(jié)構(gòu)，靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，位移監(jiān)測，測量精度

0 引言

對于大部分工程的監(jiān)測工作，豎向位移監(jiān)測是最重要的一項(xiàng)內(nèi)容之一。無論在基坑施工監(jiān)測中，還是在隧道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測中，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞之前，豎向位移必然會發(fā)生不同程度的變化。目前，豎向位移的監(jiān)測方法主要為人工觀測，即主要采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測，不僅工作量大，效率低，而且無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測,因此不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、消除隱患。

靜力水準(zhǔn)自動化監(jiān)測系統(tǒng)作為一種精密的水準(zhǔn)測量方法，具有精度高、自動化性能好等特點(diǎn)，完全可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的漏洞，同時(shí)可以更好地運(yùn)用于人工無法長時(shí)間作業(yè)的某些特殊環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測，使得在工程進(jìn)展過程中能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，消除隱患。

1 靜力水準(zhǔn)原理

該系統(tǒng)主要由靜力水準(zhǔn)儀和靜力水準(zhǔn)管路組成，靜力水準(zhǔn)儀包括主體容器、連通管、傳感器等部件。靜力水準(zhǔn)儀是利用連通液的原理進(jìn)行沉降觀測，多支通用連通管連接在一起的儲液面總是在同一水平面上，通過測量不同儲液罐的液面高度，經(jīng)過計(jì)算可以得出各個(gè)靜力水準(zhǔn)儀的相對差異沉降。用傳感器測量每個(gè)測點(diǎn)內(nèi)液面的相對變化，通過計(jì)算求得各點(diǎn)相對于基點(diǎn)的相對沉降量，并與基準(zhǔn)點(diǎn)相比較即可求得測點(diǎn)的絕對沉降量[1]。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

當(dāng)前國內(nèi)外制造的多種型號的流體靜力水準(zhǔn)儀，可用于工程建筑物和沉陷觀測、大壩壩體監(jiān)測等。國家地震局地震研究所[2]的DGIA型(目視型)儀器，兩測頭之間高差的測量中誤差優(yōu)于±0.07 mm，DG2(自動型)儀器的靈敏度達(dá)到10-7。國家地震局香山臺使用的流體靜力水準(zhǔn)儀的測量精度達(dá)到±2 μm～±3 μm[3]。

目前，流體靜力水準(zhǔn)儀的數(shù)據(jù)自動采集主要采用電感式傳感器。對于靜力水準(zhǔn)在地鐵隧道內(nèi)的應(yīng)用，國內(nèi)外許多學(xué)者作了大量的研究工作，取得了許多有價(jià)值的結(jié)論，為科學(xué)評價(jià)城市地鐵施工對鄰近環(huán)境的影響和周邊環(huán)境變化對地鐵穩(wěn)定性的影響提供了理論基礎(chǔ)。但由于城市地鐵隧道施工方法的多樣性，以及工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的差異性、復(fù)雜性，且由于地鐵營運(yùn)產(chǎn)生的震動和風(fēng)動都對監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定影響等因素的存在，如何實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警、預(yù)報(bào)，尚有許多技術(shù)問題需要進(jìn)一步研究解決。同時(shí)，各種自動化監(jiān)測傳感器的通訊及數(shù)據(jù)采集軟硬件整合也成了急需解決的問題[4-7]。

3 工程案例

3.1 工程概況

某城市綜合交通樞紐區(qū)地下道路工程與既有地鐵1號線有4處交叉。4個(gè)交叉點(diǎn)分別位于兩個(gè)盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)。由于市政道路施工需要進(jìn)行基坑開挖，且開挖深度距離地鐵隧道管片埋設(shè)深度距離不到3 m。因此，開挖施工對地鐵隧道有較大的影響，需要對基坑開挖影響范圍內(nèi)的地鐵隧道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)掌握地鐵隧道的變形情況。

3.2 測點(diǎn)布設(shè)

在本工程中，計(jì)劃在以上4個(gè)交叉點(diǎn)處，即1號、2號、3號、4號交叉點(diǎn)，市政道路中線位置對應(yīng)的地鐵隧道部位下方安裝一臺靜力水準(zhǔn)儀，沿地鐵路線前后各10 m，15 m位置各布置1臺靜力水準(zhǔn)儀，共5臺靜力水準(zhǔn)儀，加1臺基準(zhǔn)點(diǎn)，共6臺靜力水準(zhǔn)儀。在4號位置處，因交叉位置較長，沿地鐵隧道前后外延15 m處各增加1臺靜力水準(zhǔn)儀，即布置7臺靜力水準(zhǔn)儀，加1臺基準(zhǔn)點(diǎn)，共8臺靜力水準(zhǔn)儀。上下行線布置方案相同，4個(gè)交叉點(diǎn)與地鐵上下行線合計(jì)有8個(gè)交叉位置需要布設(shè)測點(diǎn)，合計(jì)需要布設(shè)52臺靜力水準(zhǔn)儀。

3.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)土建方提供的工期進(jìn)度，4個(gè)交叉點(diǎn)的施工進(jìn)度如下：

1)1號交叉點(diǎn)在2014年8月份開始施工，開挖后因變形量超限，采取回填加壓措施，停工。自2015年1月10日重新開始施工，至2015年2月初基本施工完成；

2)2號交叉點(diǎn)自2014年12月中旬開始施工，至2015年1月底施工完成；

3)3號交叉點(diǎn)自2014年12月15日開始施工，至2015年1月份初基本施工完畢；

4)4號交叉點(diǎn)最先開始施工，自2014年8月份開始施工，至2014年10月份施工完成。

靜力水準(zhǔn)儀每隔5 min采集1次，每天24 h不間斷采集數(shù)據(jù)，考慮到白天列車運(yùn)營對靜力水準(zhǔn)儀影響比較明顯，曲線波動較大，列車停運(yùn)后曲線平穩(wěn)，基本穩(wěn)定在相同的測量值，為剔除列車運(yùn)營對數(shù)據(jù)的影響，在進(jìn)行沉降分析時(shí)采用零點(diǎn)左右的數(shù)據(jù)，這一時(shí)段內(nèi)除有隧道內(nèi)施工的微小影響外，基本沒有其他因素干擾，其他時(shí)段數(shù)據(jù)作為隧道突發(fā)沉降的參考，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的。

根據(jù)上部施工情況，在地表開挖時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)上的靜力水準(zhǔn)測點(diǎn)都出現(xiàn)了程度不同的抬升，各測點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)分析如下：

1)1號交叉點(diǎn)。左線：7月初開始觀測，土建施工未進(jìn)行開挖施工，各測點(diǎn)穩(wěn)定。8月份開始開挖施工后，各測點(diǎn)開始緩慢抬升，左線至2015年1月中旬抬升達(dá)到最大值，其中變化量最大的點(diǎn)為測點(diǎn)3，最大抬升量為12.98 mm(見圖1)。右線:7月初開始觀測至2015年10月中旬抬升達(dá)到最大值，其中變化量最大的點(diǎn)為測點(diǎn)3，最大抬升量為9.24 mm。后期隨土建回填施工抬升量逐漸減小(見圖2)。

1號交叉點(diǎn)處靜力水準(zhǔn)監(jiān)測點(diǎn)自2014年7月9日地面施工后開始變形，自底板澆筑完成之后，隆起變形量不再增加，隨著上部結(jié)構(gòu)的完成，隆起變形量逐漸變小，并趨于穩(wěn)定。

2)2號交叉點(diǎn)。左線：該處交叉點(diǎn)于2014年12月份開始施工，開始施工后，各測點(diǎn)有較小的變形，各測點(diǎn)最大抬升量都在6 mm之內(nèi)。在1月初開挖到底后，2號左線幾個(gè)測點(diǎn)未出現(xiàn)明顯抬升。變化量最大的點(diǎn)為測2，最大變化量為4.2 mm(見圖3)。右線：在該交叉點(diǎn)施工之前，因交叉點(diǎn)周邊施工，各測點(diǎn)都有小幅的變形，在開挖之前，最大抬升量都在6 mm之內(nèi)。在1月初開挖到底后，2號右線幾個(gè)測點(diǎn)在2015年1月中旬開始呈上升趨勢，且?guī)讉€(gè)測點(diǎn)趨勢一致。其中，變化量最大的點(diǎn)為2號右測4，最大抬升量為9.49 mm(見圖4)。

2號交叉點(diǎn)自2014年12月中旬開始施工，至2015年1月底施工完成，該交叉點(diǎn)在地表施工期間整體變形量較小。

3)3號交叉點(diǎn)。3號交叉點(diǎn)自2014年12月15日開始施工，至2015年1月份初基本施工完畢。在該交叉點(diǎn)施工之前，因交叉點(diǎn)周邊施工，該處左、右線測點(diǎn)都有小幅的抬升，在開挖之前，最大抬升量都在6 mm之內(nèi)。在12月中旬開始開挖后，左、右線各測點(diǎn)抬升趨勢明顯，尤其是布置于中部位置的測2、測3、測4抬升趨勢明顯，且左、右線變化趨勢一致(見圖5，圖6)。

因3號交叉點(diǎn)施工速度較快，造成變形速率較快。根據(jù)靜力水準(zhǔn)數(shù)據(jù)可以看出，在交叉點(diǎn)開挖當(dāng)天，最大變形速率達(dá)到3 mm/d。在整個(gè)開挖期間，左線最大變形量為+12.07 mm，變形點(diǎn)為3號右測3，時(shí)間為2014年12月20日,當(dāng)前變形量為5.21 mm，右線最大變形量為9.78 mm，變形點(diǎn)為3號左測2，時(shí)間為2014年12月39日,當(dāng)前變形量為6.66 mm。

4)4號交叉點(diǎn)。該交叉點(diǎn)最先開始施工，自2014年8月份開始施工，至2014年10月份施工完成。在施工過程中，根據(jù)結(jié)構(gòu)變形情況，曾經(jīng)停工一段時(shí)間進(jìn)行堆載加壓。在10月初開挖至基底，各測點(diǎn)測值大部分在10月中旬達(dá)到峰值，各測點(diǎn)變化趨勢一致，尤其是左線數(shù)據(jù)反映更明顯。其中變化量最大的點(diǎn)為4號右測5，最大抬升量在2014年10月19日達(dá)到10.19 mm。后期隨著上部施工，各測點(diǎn)開始逐漸下沉，尤其是4號右測5、測6、測7三個(gè)測點(diǎn)，在開挖期抬升量很小，最大不超過5 mm，后期因上部施工開始持續(xù)下沉，其中，下沉量最大的點(diǎn)為4號右測6，在2015年1月20日最大下沉量為-13.51 mm(見圖7，圖8)。

3.4 監(jiān)測結(jié)論

1)在安裝調(diào)試過程中，連接液體總量增減正在±30 mL以內(nèi)即可滿足監(jiān)測要求，盡量保證各測點(diǎn)罐體內(nèi)液體處于中間狀態(tài)，避免非線性誤差。2)靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)能夠及時(shí)反映出地表施工情況，尤其是在地表迅速減荷過程中，變形明顯，且時(shí)效性很強(qiáng)。3)各個(gè)交叉點(diǎn)上行線和下行線數(shù)據(jù)都有一定的相關(guān)性，這與地表施工情況也比較相符。4)能夠及時(shí)提供預(yù)警。在2014年10月5日，在隧道監(jiān)測區(qū)域上方開挖施工的過程中，通過數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測到P3-3點(diǎn)的累計(jì)變化量達(dá)到了12.07 mm，立刻采取報(bào)警，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，要求施工現(xiàn)場采取抽條開挖，并對開挖部分采用沙袋加壓。該措施有效的控制了變形量，預(yù)防了危險(xiǎn)的發(fā)生。5)在地鐵上部施工過程中，4個(gè)交叉點(diǎn)處均出現(xiàn)了相同的變

形規(guī)律：隧道結(jié)構(gòu)隨著上部結(jié)構(gòu)的開挖出現(xiàn)不同程度的上浮，上部開挖至底板澆筑完成時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)不再上浮，在上部結(jié)構(gòu)施工時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)開始緩慢下沉，上部施工完成后，隧道結(jié)構(gòu)變形趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語

1)采用靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測運(yùn)營期地鐵結(jié)構(gòu)變形，具有實(shí)時(shí)化、自動化、高效化、高精度等特點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

2)儀器安裝過程中已考慮溫度影響因素，且靜力水準(zhǔn)測點(diǎn)誤差不傳遞，所以正常工作范圍內(nèi)溫度變化對系統(tǒng)本身影響很小，溫度修正系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最小讀數(shù)，可忽略溫度對系統(tǒng)的影響。

3)靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)管路長短對監(jiān)測結(jié)果也有一定的影響，系統(tǒng)應(yīng)盡量控制距離，距離過長則調(diào)試越復(fù)雜，數(shù)據(jù)滯后性也會越明顯，要根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整，提高靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的使用效果。

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Application of hydrostatic leveling system in subway tunnel structure automatic deformation monitoring

Wu Guoxiao1Cheng Ming2

(1.YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd,Zhengzhou450003,China；2.ZhengzhouRailwayTransitCorporationLimited,Zhengzhou450008,China)

The paper introduces the development of the hydrostatic leveling system at home and abroad, analyzes its accuracy, and indicates the reliability of the vertical displacement of the hydrostatic leveling monitoring based on the engineering effect of the system.

tunnel structure, hydrostatic leveling system, displacement monitoring, measurement accuracy

1009-6825(2016)31-0183-03

2016-08-25

吳國曉(1981- )，男，工程師

U456.3

A