田松偉，劉 麗，朱文秀，姜 爽

(北京泰斯工程檢測有限公司，北京 102600)

靜力水準在某基坑沉降監(jiān)測中的應用及誤差分析

田松偉，劉 麗，朱文秀，姜 爽

(北京泰斯工程檢測有限公司，北京 102600)

靜力水準自動化監(jiān)測系統(tǒng)是一種高精密液位量測系統(tǒng)，用于測量基礎和建筑物各個測點的相對沉降。通過靜力水準在某深基坑工程變形監(jiān)測中的應用實例，充分體現靜力水準監(jiān)測系統(tǒng)的實用性和優(yōu)越性；但是在實際測量中，由于受氣壓、溫度、施工振動等因素的影響，靜力水準系統(tǒng)不同連通器液體密度會發(fā)生變化進而導致系統(tǒng)精度大大降低。分析壓力、溫度、振動等因素對監(jiān)測結果的影響，總結靜力水準系統(tǒng)的應用經驗，提出不同影響因素的誤差修正方法。靜力水準具有自動化性能好、精度高、數據量豐富等優(yōu)點，在工程監(jiān)測中將發(fā)揮重大作用。

深基坑；沉降監(jiān)測；靜力水準；誤差分析

近年來，隨著工程建設的發(fā)展，出現了越來越多的深基坑工程，深基坑開挖對周邊建筑和土體影響較大，處理不好會發(fā)生較大工程事故。開展基坑監(jiān)測十分重要[1-4]。作為一種液位精密量測系統(tǒng)，靜力水準系統(tǒng)主要利用連通器的原理[5]，液體在連通的管道中，由于重力的作用，在不同位置的液面高度會相同。常規(guī)監(jiān)測技術監(jiān)測范圍小、效率低、數據采集量少，靜力水準系統(tǒng)具有精度高、數據采集實時化等優(yōu)點。廣泛應用于水利[6-7]、地鐵[8-10]、高鐵[11]、超深基坑[12]、粒子加速器[13]等建設中。

靜力水準系統(tǒng)由液體連通，在工程實踐中會受到壓力、溫度、振動等因素的影響。但是近年來靜力水準的研究很少考慮以上因素對精度的影響，也沒有提出相應的誤差修正方法。本文基于靜力水準自動化監(jiān)測技術，建立遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)，對某工程進行遠程實時監(jiān)測，為工程安全施工提供信息化服務。并結合工程實際情況，分析了壓力、溫度、振動等因素對靜力水準系統(tǒng)精度的影響，提出了不同影響因素的誤差修正方法。

1 靜力水準監(jiān)測系統(tǒng)

靜力水準系統(tǒng)在管道連接的容器中注入一定的液體，所有容器中的液體將在管道中自由流動，其結果是當平衡或者靜止時各個容器中的液體表面將保持相同的高度，但是各個容器中的液體深度并不相同，這也就反映了各個容器所在參考點的高度不同。靜力水準系統(tǒng)，用傳感器測量每個測點容器內液面的相對變化，再通過計算求得各點相對于基點的相對沉降量。其工作原理如圖1所示。

圖1 靜力水準系統(tǒng)工作原理圖之一

1號點為基準點，2點是測點，初始安裝高程分別為為Y1，Y2，安裝高程與液面間的距離為H10，H20，則有

Y1+H10=Y2+H20.

(1)

如圖2所示，發(fā)生不均勻沉降后，測點2安裝高程發(fā)生了Δh2的變化，各測點容器內液面相對于安裝高程的距離為h10，h20，則

Y1+h10=Y2+Δh2+h20.

(2)

測點2相對于基準點1的沉降差為

Δh2=(Y1-Y2)+(h10-h20).

(3)

將式(1)代入式(3)可得

Δh2=(H20-H10)+(h10-h20).

(4)

圖2 靜力水準系統(tǒng)工作原理圖之二

由式(4)可知，若已知任意時刻各測點安裝高程與液面間的距離H10,H20,h10,h20，即可知各測點相對于基準點的相對高程差，以此推算各測點的高程。

如果知道兩測點間的水平距離L，則兩測點間相對傾斜的變化也可算得。

遠程自動化監(jiān)測靜力水準系統(tǒng)傳感器監(jiān)測數據通過現場的RS485總線采集到現場數據采集箱后，通過無線GPRS直接發(fā)送到互聯(lián)網遠端中心服務器上，經過授權認證后的用戶可以通過互聯(lián)網查詢和下載系統(tǒng)監(jiān)測數據。

2 工程應用

2.1 工程概況

某工程位于四川省西昌市冕寧縣，距西昌市約65 km，交通便利。擬建工程基坑平面尺寸為62 m×19.6 m，開挖深度達22.54 m，需進行大量的工程降水工作?；优c高68 m、重1 300 t的高聳建筑物緊鄰，無放坡空間，支護難度大，且高聳建筑物受其使用功能限制，最大允許傾斜值為2‰，約16 mm。

工程現場地下水位高，水量豐富，大面積降水可能影響引起周邊地表沉降?；訃o結構的變形對基坑的安全施工也至關重要。因此本工程采用靜力水準自動化監(jiān)測系統(tǒng)對基坑周邊圍護結構、周邊地表、塔架基礎沉降進行監(jiān)測。

2.2 靜力水準監(jiān)測系統(tǒng)的布設

為監(jiān)測基坑圍護結構的頂部、周邊地表、塔架基礎頂面邊角的豎直位移。本次監(jiān)測共布置20點，其中基準點2個(K1，K2)，位于基坑外側的穩(wěn)定地面上。圍護結構頂部監(jiān)測點8個(B1～B8)，基坑周邊地表變形監(jiān)測點6個(D1～D6)，塔架監(jiān)測點4個(J1～J4)，具體測點布置見圖3。J1，J2點靠近施工便道，受施工振動影響較大，可通過該點分析振動對靜力水準系統(tǒng)精度的影響。D1～D3點位處缽體安裝有溫度傳感器，實時監(jiān)測溫度，可通過該點分析溫度對靜力水準系統(tǒng)精度的影響。

圖3 監(jiān)測點位平面布置

基坑豎向位移監(jiān)測不同的基準點采取不同的坐標系。本次監(jiān)測有兩套獨立的坐標系，一套是以K2為基準點的圍護結構頂部監(jiān)測系統(tǒng)，另一套是以K1為基準點的周邊地表、塔架塔基監(jiān)測系統(tǒng)。

監(jiān)測點位確定后先獲取每個監(jiān)測點的初始高程。監(jiān)測時獲取所有監(jiān)測點的高程，依據系統(tǒng)軟件的平差模塊可獲得場區(qū)內任一點的高程。本工程靜力水準自動化采集系統(tǒng)現場安裝靜力水準儀和自動化采集箱見圖4。

圖4 靜力水準系統(tǒng)現場安裝圖

2.3 監(jiān)測成果分析

2013年10月靜力水準系統(tǒng)開始正常運行，截止到2014年7月的累計豎直位移量監(jiān)測曲線如圖5—圖7所示。

圖5 圍護結構頂部豎直位移量變化

圖6 周邊地表豎直位移量變化

圖7 塔基豎直位移量變化

由以上曲線圖可以看出，所有點位在2013年10月—2014年3月變化較大，2014年4月以后，隨著導流槽施工完畢，沉降逐漸趨于穩(wěn)定。

基坑圍護結構頂部B1～B8點位累計沉降為3.4～3.8 mm，遠小于報警值，其中B2，B3點位最小約為3.4 mm，B1點位最大約為3.8 mm。

周邊地表D1～D6點位累計沉降為3.7～6.5 mm，其中D1點位最小約為3.7 mm，D6點位最大約為6.5 mm。周邊地表沉降普遍大于基坑圍護結構頂部沉降的原因有如下兩方面：一是由于基坑周邊土體排水固結和地表上部交通荷載引起的土體變形過大，二是基坑剛性圍護體和支撐體系發(fā)揮良好使圍護結構頂部變形小。D1～D6點位累計沉降遠小于報警值，基坑周邊地表處于穩(wěn)定狀態(tài)。

塔架塔基J1～J4點位累計沉降為1.8～2.0 mm，遠小于報警值，塔架緊靠基坑一側沉降大于遠離基坑一側。塔基南北差異沉降見圖8，差異沉降負值表明塔架偏向基坑傾斜，差異沉降在2013年10—12月較大，在此期間正在進行新老承臺托換施工，2014年1月以后，新老承臺托換結束，差異沉降逐漸減小。

圖8 塔基差異沉降量變化

從2013年10月—2014年3月 ，導流槽基坑逐漸開挖至基底，各點位沉降速率總體在(-0.5～+0.5)mm/d之間波動；從2014年4月至工程完畢，變形趨于穩(wěn)定，變形速率減小，趨近于零。

綜上可知，工程施工期間，塔架在穩(wěn)定安全的變形范圍之內。

3 誤差分析

靜力水準系統(tǒng)誤差主要由儀器誤差、外界觀測條件引起的誤差組成。儀器誤差分為儀器的安置誤差、測頭量測誤差、液體流失誤差等；外界觀測條件引起的誤差因素有外界振動、溫度、氣壓、液體的蒸發(fā)和污染等。

儀器采用固定式閉口安裝，可大大減弱安置誤差、液體流失誤差、液體的蒸發(fā)和污染引起的誤差。對于測頭量測誤差，在儀器出廠前可通過多次觀測進行校正，校正后此項誤差也很小。對于在工地現場安裝的靜力水準系統(tǒng)，當水力梯度很小而粘滯阻力較大時，液面平衡反應時間不一致，采用粗管徑的連通管和液面平衡靜止時刻的數據可以減弱此項誤差。此外，施工現場由于受氣壓、溫度、施工振動等因素的影響，導致不同連通器液體密度變化進而導致液面本身微小不平衡，是本文主要解決的問題。結合本工程實例，從導致液面本身微小不平衡的三個因素氣壓、溫度、施工振動，探討靜力水準的精度和解決方案。

3.1 壓力對靜力水準系統(tǒng)影響

靜力水準系統(tǒng)中液面高度取決于缽體中的大氣壓力，兩個缽體中壓力關系：

p1+ρ1g1H1=p2+ρ2g2H2=C.

(5)

式中：p1，p2分別是兩個缽體液面上的大氣壓力，ρ1，ρ2是兩個缽體中的液體密度，g1，g2是兩個缽體所在位置的重力加速度。靜力水準系統(tǒng)及各字母關系詳見圖9。

圖9 靜力水準系統(tǒng)示意

靜力水準系統(tǒng)中通常使用同一種液體，兩個缽體里液體密度一樣，如果離得比較近，兩個缽體所在位置的重力加速度也基本保持一樣。由靜力水準系統(tǒng)不同位置處不同壓力造成的液面高度變化[14]：

(6)

工程實踐中，溫度、大風、施工振動等都可能導致局部壓力的變化，造成液面高度變化，從而影響靜力水準的精度。在此工程靜力水準自動化監(jiān)測項目中，用密封的氣管連接不同缽體，整個系統(tǒng)都是密封的，這樣系統(tǒng)內的壓力基本保持不變，從而使測量精度大大提高。

實際測量中，系統(tǒng)挑選中間測點作為充液點，可以縮短充液時間。液體選擇防凍液，充液完成后各測點容器內加入少量甘油，防止液體揮發(fā)。選定的充液點，加液應均勻、緩慢、不間斷進行。完全排除通液管內的空氣清除氣泡，當液位平衡靜止后達到儲液筒標線后停止充液。充液完成后及時檢查系統(tǒng)密封性，觀察各接頭部位有無液體滲出。

3.2 溫度對靜力水準系統(tǒng)影響

靜力水準系統(tǒng)通過連通器的原理測量各點位的沉降，各點位的沉降引起缽體里液體的流動，通過測量液面的高度實現沉降的精密測量。但是液體的體積與溫度有關，如果系統(tǒng)中各缽體里儲存的液體溫度不同，則對精密測量的結果有很大的影響。這就要求靜力水準系統(tǒng)的管路處于同一環(huán)境里，溫度變化一致，此時溫度變化對各測點影響不大[15]。

在本工程中，測區(qū)范圍較小，但不能保證各測點溫度完全一致。為查明溫度對靜力水準系統(tǒng)的影響，選擇工程停工沉降比較穩(wěn)定時不同點位當天不同時刻的數據， 2014年4月6日，地面各監(jiān)測點(D1～D6)在不同時刻的液面高度統(tǒng)計表見表1。

表1 D1～D6點在不同時刻的液面高度表 mm

假定當天各監(jiān)測點不發(fā)生沉降，且整個系統(tǒng)密封較好，精度不受壓力、振動影響。由表1可知，11：00和14：00液面高度和最大，2：00和23：00液面高度和最小，一天內不同時間相同點液面高度高差相差最大的是點D6，差值為1.1 mm。

2014年4月6日，地面各監(jiān)測點(D1～D6)在不同時刻的沉降量見表2。

表2 D1～D6點在不同時刻的沉降量表 mm

由表2可知，各監(jiān)測點在中午溫度較高時比夜晚溫度較低時沉降量小，一天內不同時間相同點沉降量最大相差為1.1 mm。白天溫度上升，液體膨脹，液面較高；傍晚溫度下降，液體收縮，液面降低。如果各點位溫度均勻變化，沉降監(jiān)測精度高；如果各點位距離較遠，局部環(huán)境差異大，一天之內溫度不均勻變化，沉降監(jiān)測誤差較大。依據本工程經驗，2：00或者23：00時溫度變化慢，此時數據較為準確。

D1～D3點位處溫度-缽體液面高度變化曲線見圖10。橫坐標為各缽體內溫度傳感器實時采集的溫度，采集時間分別為2：00，5：00，8：00，11：00，14：00，17：00，縱坐標為對應時間點各缽體液面高度。由圖10可知，本測區(qū)面積較小，D1～D3點位同一時間測點溫度基本接近，采用三次多項式分別對以上曲線進行擬合，h為液面高度，t為溫度，擬合結果：

D1點，h=-0.009 8t3+ 0.425 7t2-5.915 4t+48.802，R2=0.993 7；

D2點，h=-0.005 7t3+0.24t2-3.219 2t+32.988，R2=0.943 4；

D3點，h=-0.007 1t3+0.313 3t2-4.390 5t+46.324，R2=0.808 9.

由結果看出，運用三次多項式擬合溫度-缽體液面高度變化曲線相關性良好，工程實踐中可采用三次多項式擬合曲線對由溫度引起的缽體液面高度進行修正。

圖10 溫度-缽體液面高度曲線

3.3 振動對靜力水準系統(tǒng)影響

靜力水準系統(tǒng)里，測量值必須在液面靜止或變化均勻的情況下取得。在沒有外界影響的情況下，缽體里的液體本身也會發(fā)生類似單擺的振動，連通各缽體的水管比較粗、管壁摩擦力較小時，液體的振動很快趨于靜止，此時結果比較準確。在工程實踐中，靜力水準系統(tǒng)周圍經常受到外界振動的影響，需要考慮振動影響的誤差范圍。

本工程中，J1～J4點布置在塔基周圍，其中J1，J2點位處靠著施工便道，白天會持續(xù)受到施工機械、工人等帶來的振動影響。進入2014年6月，工程即將施工完畢，各點位沉降趨于收斂。2014年 6月21日，由于某種原因工地停工，振動影響消失，2014年6月22日復工，振動影響繼續(xù)出現。分析振動對靜力水準精度的影響，采集6月21日—6月22日每天7：00～17：00之間的數據，采樣間隔10 min， 6月21日(無振動影響)、6月22日(有振動影響)J1，J2點位沉降量對比見圖11、圖12。

圖11 J1點位振動影響曲線

6月21—22日沉降已穩(wěn)定，實際沉降量可保持不變，且采集數據又在同一時刻，壓力、溫度在這兩天內的影響也基本一致，因此以上兩圖可以較好地反映振動因素對靜力水準精度的影響。由圖11、圖12可知，虛線為無振動影響時J1，J2點沉降量，實線為有振動影響時J1，J2點沉降量，有振動影響時沉降量波動范圍較大，最大值是無振動影響時最大值的2～3倍，表明振動影響產生誤差很大。另外，圖中顯示各點數據均圍繞一個中心軸上下波動，采用直線回歸擬合得到J1點有振動影響、無振動影響時中心軸位置分別是-1.56 mm，-1.72 mm，J2點有振動影響、無振動影響時中心軸位置分別是-1.74 mm，-1.89 mm。J1點、J2點有無振動影響時中心軸差值分別為0.16 mm、0.15 mm，差值較小。由此可知，當靜力水準系統(tǒng)附近受到外界振動持續(xù)影響時，通過不間斷采集數據，運用中心軸擬合方法得到的數據精度較高。但是受振動影響時如果只在一天的某個時間采集而不連續(xù)采集，得到的沉降量隨機誤差過大，靜力水準系統(tǒng)精度將大大降低。

4 結論及建議

通過對基坑圍護結構頂部、周邊地表、塔架塔基進行靜力水準監(jiān)測，得到以下結論：

1)靜力水準系統(tǒng)在實際工程中具有精度高、實時監(jiān)控等優(yōu)點，能夠科學地反映變形情況，更好的指導施工。

2)使用密封的氣管連接靜力水準，完全排除通液管內的空氣并清除氣泡，能大大減弱壓力差異的影響。

3)靜力水準系統(tǒng)使用時，盡量保持各管路處于同一環(huán)境里，選擇一天內溫度變化緩慢時采集的數據，能大大減弱溫度差異的影響。

4)當靜力水準系統(tǒng)附近受到外界振動持續(xù)影響時，通過不間斷采集數據，運用中心軸擬合方法得到的數據精度較高。

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Application and error analysis of hydrostatic leveling technology to the settlement montoring of a foundation pit

TIAN Songwei， LIU Li，ZHU Wenxiu，JIANG Shuang

(Beijing Taisite Engineering Testing Co.,Ltd， Beijing 102600,China)

Hydrostatic leveling technology is a highly accurate liquid level measurement system, which can be used to measure relative settlement of multiple spot of base and building. The paper introduces the principle of this technology， for which the successful application of Hydrostatic Leveling Technology in deformation monitoring of a deep foundation pit project reflects great applicability and superiority. However，during the practical measurement，because of pressure，temperature and vibration，the liquid density of different communicating vessels maybe changes，which can make the system precision reduce greatly. At last，the paper analyzes the influence of pressure，temperature and vibration to the monitoring， and summarizes the application experience. The error correction methods of different influential factors are suggested. Hydrostatic leveling technology has some characteristics such as high degree of automation and accuracy， abundant data，which can play great role in engineering monitoring.

deep foundation pit；settlement monitoring；hydrostatic leveling technology；error analysis

2016-11-01

田松偉(1987-),男，碩士.

著錄：田松偉，劉麗，朱文秀，等.靜力水準在某基坑沉降監(jiān)測中的應用及誤差分析[J].測繪工程，2018，27(2)：45-50.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2018.02.009

TU473.2

A

1006-7949(2018)02-0045-06

李銘娜]