胡云龍，汪大超

(天津市測(cè)繪院，天津 300381)

靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

胡云龍*，汪大超

(天津市測(cè)繪院，天津 300381)

靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展帶來了新一輪的工程革命，其高精度、實(shí)時(shí)化、自動(dòng)化的特性對(duì)基坑沉降的監(jiān)測(cè)管理帶來巨大便捷。為研究靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用效果，通過分析基坑沉降工程中靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，得到其自動(dòng)化監(jiān)測(cè)精度較高，能及時(shí)反映工程施工對(duì)附近設(shè)施的影響，可應(yīng)用于工程實(shí)踐的結(jié)論，最后總結(jié)了靜力水準(zhǔn)工程運(yùn)用中出現(xiàn)的問題和解決方案。

靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)；沉降監(jiān)測(cè)；深基坑工程；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

1 引 言

隨著科技發(fā)展的突飛猛進(jìn)，自動(dòng)化施工監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為城市建設(shè)與管理帶來巨大便捷和經(jīng)濟(jì)效益。而基坑工程的沉降監(jiān)測(cè)，當(dāng)前仍以傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法作為主要技術(shù)手段，其工作效率低、監(jiān)測(cè)難點(diǎn)大、管理程度低，不能實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)，影響施工決策，對(duì)工程的施工監(jiān)測(cè)和運(yùn)營(yíng)監(jiān)護(hù)都提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。因此，探索出能適應(yīng)復(fù)雜多變的基坑環(huán)境的新技術(shù)迫在眉睫。

靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，是一種應(yīng)用于監(jiān)測(cè)多點(diǎn)相對(duì)沉降的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]。其由精密液位測(cè)量元件組成，使用連通管將各個(gè)獨(dú)立的靜力水準(zhǔn)儀連接成統(tǒng)一系統(tǒng)，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程變化導(dǎo)致儀器內(nèi)液位同步變化時(shí)，由儀器內(nèi)浮子或其他傳感設(shè)備測(cè)出其液位變化量，進(jìn)而能得到出各儀器之間的相對(duì)高程變化[3]。具有可靠性高、安裝維護(hù)方便、適用范圍廣等特點(diǎn)[4]，是理想的變形測(cè)量?jī)x器。

靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)技術(shù)作為自動(dòng)化監(jiān)測(cè)手段，在城市建設(shè)與管理中的應(yīng)用研究成果可在市政重大工程的建設(shè)與管理中得到廣泛應(yīng)用[5]，具有廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)其實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)成果，將有效及時(shí)地指導(dǎo)施工，節(jié)約施工成本，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，可應(yīng)用于深基坑的沉降監(jiān)測(cè)工程。

2 靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)量原理

靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)由若干靜力水準(zhǔn)儀組成，分別安裝在各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位上，為保證各設(shè)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(nèi)注入液體[6](通常是含有防凍液的蒸餾水)。當(dāng)液面靜止后，各儀器內(nèi)浮筒的液位應(yīng)在同一大地水準(zhǔn)面上，此時(shí)靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的液位狀態(tài)稱為初始狀態(tài)[7]。

為推導(dǎo)靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的沉降監(jiān)測(cè)模型，現(xiàn)假定有4個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中測(cè)點(diǎn)1是基準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)其高程不變，測(cè)點(diǎn)2的高程上升，測(cè)點(diǎn)3的高程下降，測(cè)點(diǎn)4的高程不發(fā)生變化等等。初始液位值分別為H10、H20、H30、H40，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)液面達(dá)到平衡靜止后形成新的水準(zhǔn)面，各測(cè)點(diǎn)連通容器內(nèi)的新液位值分別為H1、H2、H3、H4，如圖1所示。

圖1 靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)工作原理

然后將4個(gè)測(cè)點(diǎn)擴(kuò)展為n個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)1仍為基準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)，其他測(cè)點(diǎn)的安裝位置相對(duì)于基準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)安裝位置H0的高程差值為：Y01、Y02、Y03、…、Y0n，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)儀器內(nèi)液位的高程與基準(zhǔn)點(diǎn)液位高程的差值為h01、h02、h03、…、h0n，則

Y01+h01=Y02+h02=Y03+h03=…=Y0n+h0n

(1)

j個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔后，各測(cè)量點(diǎn)的儀器位置相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的儀器位置的高程差值為△hj1、△hj2、△hj3、…、△hjn，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)儀器內(nèi)液位的高程與基準(zhǔn)點(diǎn)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(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔后，測(cè)點(diǎn)i相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)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(jiān)測(cè)時(shí)間測(cè)得靜力水準(zhǔn)儀容器內(nèi)液位高程相對(duì)于其自身初始液位高程的差值hji，就可以得到該時(shí)刻儀器相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的高程變化量。以此類推，還可以求得某監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于其他任意監(jiān)測(cè)點(diǎn)或任意監(jiān)測(cè)時(shí)刻的相對(duì)高程變化量。把測(cè)量點(diǎn)g作為對(duì)比監(jiān)測(cè)點(diǎn)，把f測(cè)次作為對(duì)比測(cè)次，則g測(cè)點(diǎn)的相對(duì)高程差Hig為：

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

(7)

只要確?；鶞?zhǔn)點(diǎn)相對(duì)恒定或者采用其他方法精確測(cè)量其變形量，可以通過在待監(jiān)測(cè)建筑物上安裝多個(gè)儀器布置成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，用以監(jiān)測(cè)各點(diǎn)之間相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的變形量[8]。

3 工程應(yīng)用

天津市濱海新區(qū)中新生態(tài)城某工程擬進(jìn)行深基坑開挖，基坑?xùn)|西向長(zhǎng)約 100 m，南北方向?qū)捈s 150 m。地上由獨(dú)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(diǎn)距離海濱高速路高架橋較近，同時(shí)基坑面積大，土體卸載量大，基坑施工會(huì)對(duì)周圍建筑產(chǎn)生變形影響，因此需對(duì)其進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。該高架橋白天車流量很大，人工監(jiān)測(cè)效率和安全性都得不到保障，只能在夜間車流量較少時(shí)實(shí)施監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間較短。因此本項(xiàng)目采用人工監(jiān)測(cè)和靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法來實(shí)施，確保了基坑施工對(duì)周圍建筑的安全。

該項(xiàng)目在濱海高速路高架橋和基坑附近敏感位置布設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，共計(jì)19個(gè)。采用靜力水準(zhǔn)儀對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，采用電子水準(zhǔn)儀對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行人工水準(zhǔn)測(cè)量作為對(duì)比數(shù)據(jù)。靜力水準(zhǔn)儀量程為 20 mm，按照儀器的標(biāo)稱精度計(jì)算測(cè)量精度可達(dá)到 20 mm×0.5%=0.1 mm。

4 數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試完成后，將當(dāng)日采集的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程數(shù)據(jù)設(shè)為該監(jiān)測(cè)點(diǎn)初始高程值，使用靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)每天返回一次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以ZS1-ZS19監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果，以時(shí)間為橫坐標(biāo)、測(cè)點(diǎn)沉降值為縱坐標(biāo)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(zhǔn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降變化規(guī)律與施工工況、測(cè)點(diǎn)與施工區(qū)間的相對(duì)位置、密切相關(guān)：

圖2 ZS1-ZS10監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)圖

圖3 ZS11-ZS19監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)圖

(1)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量在施工期間均呈持續(xù)上升趨勢(shì)，說明隨工程施工期間對(duì)ZS1-ZS19監(jiān)測(cè)點(diǎn)有明顯影響。

(2)在6月24日之前，ZS1-ZS19監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量均相對(duì)穩(wěn)定在 ±1 mm之內(nèi)，由于該時(shí)期工程尚未進(jìn)入全面施工，6月24日加快工程施工進(jìn)展后，可以看出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量明顯提升，說明靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果能及時(shí)反映工程施工對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響。

(3)6月24日之后，ZS11-ZS19號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量明顯大于ZS1-ZS10號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這是由于前者的安裝位置相對(duì)于后者更靠近施工現(xiàn)場(chǎng)，說明靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果能正確反映不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降趨勢(shì)和狀態(tài)。

(4)可以看出，，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的靜力水準(zhǔn)數(shù)據(jù)圖均交替出現(xiàn)多個(gè)波峰波谷，說明靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)能正確反映監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際沉降情況，即在工程施工期間監(jiān)測(cè)點(diǎn)受多種因素影響造成的不平衡作用力，其實(shí)際沉降趨勢(shì)是在波動(dòng)中逐漸變大的狀態(tài)。

此外，將ZS10監(jiān)測(cè)點(diǎn)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)變形曲線與人工監(jiān)測(cè)曲線進(jìn)行對(duì)比繪制曲線圖，如圖4所示。

圖4 靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形對(duì)比曲線圖

由圖可見，人工監(jiān)測(cè)和靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的整體沉降趨勢(shì)基本一致，說明靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)能夠正確反映沉降情況。并且，由于靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)密集，其信息量比人工監(jiān)測(cè)結(jié)果更加豐富。

5 問題和解決方案

靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在工程實(shí)踐中能客觀迅速地反映出待測(cè)區(qū)域的變形程度和狀態(tài)，但在監(jiān)測(cè)過程也出現(xiàn)了一些困難和問題。

(1)使用靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)需要在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均安裝一臺(tái)儀器，而儀器的生產(chǎn)質(zhì)量參差不齊，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)設(shè)備故障或者線路故障等硬件問題，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不能及時(shí)反饋到監(jiān)控中心。解決方法：在監(jiān)護(hù)項(xiàng)目開始前需要對(duì)每臺(tái)儀器進(jìn)行檢定，在監(jiān)護(hù)周期內(nèi)需要定時(shí)檢查設(shè)備安全和線路。

(2)靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)采用連通管原理，要求所有設(shè)備安裝在同一水準(zhǔn)面上，但在實(shí)際工程中受限于現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜條件，很難將長(zhǎng)距離的靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)安裝在同一水準(zhǔn)面上。解決方法：采用高程傳遞，將靜力水準(zhǔn)設(shè)備分組安裝在不同的水準(zhǔn)面上，各組之間設(shè)置轉(zhuǎn)點(diǎn)儀器傳遞高程值即可。

(3)位于高架橋上的靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在早晚車流量高峰時(shí)讀數(shù)波動(dòng)比較大，不能客觀地反映出基坑施工對(duì)待測(cè)區(qū)域的影響情況。解決方法：選擇車流量較少的時(shí)間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為有效觀測(cè)數(shù)據(jù)。

6 小 結(jié)

通過本次自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，掌握并控制了該基坑沉降監(jiān)測(cè)的變形情況。通過本次監(jiān)測(cè)，保證了項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)安全，達(dá)到了預(yù)期的監(jiān)測(cè)目的。

(1)本工程采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)和人工監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合的方法對(duì)基坑實(shí)施了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)分析表明，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)精度較高，能反映工程施工對(duì)附近設(shè)施的影響，應(yīng)用于線性工程是可行的。

(2)由于人工監(jiān)測(cè)不能隨時(shí)實(shí)施，故自動(dòng)化監(jiān)測(cè)很好地彌補(bǔ)了人工監(jiān)測(cè)的不足，使工程技術(shù)人員在施工時(shí)能及時(shí)了解監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形影響，以便及時(shí)調(diào)整施工進(jìn)度和施工方法等。

(3)在監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，對(duì)于監(jiān)測(cè)線路過長(zhǎng)需要布設(shè)多處高程傳遞點(diǎn)的項(xiàng)目，應(yīng)關(guān)注轉(zhuǎn)點(diǎn)處儀器安裝和高程傳遞的精度，提高靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)精度。

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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(jí)工程師，主要從事工程測(cè)量技術(shù)工作。