周雋，張晉

(1.重慶市勘測院，重慶　401121；　2.重慶市智能感知大數據產業(yè)協(xié)同創(chuàng)業(yè)中心，重慶　401121)

1　引　言

伴隨著經濟的高速發(fā)展，城市化進程在顯著加快，城市建設、城市改造的規(guī)模和速度均在擴大。在城市軌道交通控制保護區(qū)范圍內的施工和作業(yè)大量涌現，不可避免地對已運營的軌道交通結構產生擾動，容易導致結構的受力失衡，使結構產生局部的水平位移、沉降、拉伸、壓縮、剪切、彎曲、扭轉等形變，造成隧道滲漏水、限界的改變、道床的沉降、軌道的幾何變化。如果結構變形超出控制值，會嚴重威脅軌道交通的運營安全，給人民生命財產造成巨大損失。因此對受到外部作業(yè)施工影響的城市軌道交通結構進行監(jiān)測，確保其運營安全，反饋和指導外部作業(yè)的施工顯得尤為重要。

由于許多軌道交通控制保護區(qū)內的外部作業(yè)項目與軌道交通結構的空間關系多為上跨或下穿，結構的變形主要體現在結構高程變化上，采用靜力水準儀監(jiān)測軌道交通結構多個監(jiān)測點沉降的變化，已在北京、上海、廣州等城市中運用，取得了較好的效果[1～3]。目前直接利用浮子測量液面高度的靜力水準儀在國內軌道交通結構沉降自動化監(jiān)測中運用最為廣泛。由于采用直接測量液面變化的原理，因此該類靜力水準儀的量程一般較小，取決于其容器的高度，一般不大于 100 mm。對設備安裝精度要求較高，安裝時要求初始高程基本相同。采用該類型的靜力水準儀，對于線路縱斷面設計坡度變化較大的地段，需要分區(qū)段布設，并在各區(qū)段水準儀之間設置縱向級聯(lián)靜力水準儀[4]，系統(tǒng)設計、安裝困難，增加了監(jiān)測系統(tǒng)的成本。

2　基于壓力變送器的沉降監(jiān)測系統(tǒng)

2.1　壓力變送器原理

在工業(yè)領域已廣泛運用的壓力變送器可以用來測量液體、氣體或蒸汽的液位、密度和壓力，其工作原理[5]是來自雙側導壓管的壓力差值直接作用于變送器傳感器雙側隔離膜片上，通過膜片內的密封液傳導至測量元件上，測量元件將測得的壓力信號轉換為與之對應的電信號傳遞給轉換器，經過放大等處理變?yōu)闃藴孰娦盘栞敵?，如圖1所示。

圖1　壓力變送器內部原理圖

壓力變送器測量值是水頭的壓力，傳感器自身無須儲液罐，以橫河EJA110型差壓變送器為例，其規(guī)格為長 125 mm×寬110 mm×高 197 mm，其規(guī)格與傳統(tǒng)靜力水準儀相比大大減小。壓力變送器測量的量程大，橫河EJA110型差壓變送器量程為 50 mm～10 000 mm(H2O)，測量精度為±0.075%，分辨率為±0.01%。當各壓力變送器之間最大高差在 10 cm以內時，其測量精度可達 ±0.1 mm，與傳統(tǒng)靜力水準儀精度相當。當高差為 1 m時，其測量的精度為 ±0.75 mm，分辨率為 ±0.1 mm，可以彌補傳統(tǒng)靜力水準儀器量程小的缺點，使得沉降監(jiān)測系統(tǒng)設計和安裝更為方便，在線路縱斷面設計坡度變化較大的區(qū)段更具有優(yōu)勢。壓力變送器都是工業(yè)級應用產品，其長期穩(wěn)定性5年可達±0.1%，可連續(xù)工作5年不用調校零點，溫度、靜壓對其影響很小，在高溫、高壓環(huán)境下均能保持較高的穩(wěn)定性。

2.2　系統(tǒng)設計

基于壓力變送器的沉降監(jiān)測系統(tǒng)主要由現場監(jiān)測設備及傳感器子系統(tǒng)、數據采集與傳輸子系統(tǒng)、監(jiān)控中心、用戶子系統(tǒng)四大部分組成，如圖2所示。監(jiān)測設備與傳感器子系統(tǒng)主要是布置在監(jiān)測現場的壓力變送器和采集器等硬件設備；數據采集與傳輸子系統(tǒng)的主要功能是對采集器進行控制，定期采集相應的數據并向監(jiān)控中心傳入數據，并執(zhí)行相關命令；監(jiān)控中心是整個監(jiān)測系統(tǒng)的控制中心、數據存儲中心、數據處理、分析和評價中心、監(jiān)測預警發(fā)布中心；用戶子系統(tǒng)實現將各種數據實時按需求向用戶展示，并且接受用戶對系統(tǒng)的控制與輸入。

在現場采集端，壓力變送器測量的是流體的過程壓力，因此需要單獨設置儲液罐來保證整個系統(tǒng)的壓力。在系統(tǒng)的一端設置儲液罐，并與各個壓力變送器的高壓端用連通管連通，保障儲液罐中液面的高度高于所有壓力變送器中心位置的高度，如圖3所示。當監(jiān)測區(qū)段較長時，為保障整個系統(tǒng)的壓力，可以在系統(tǒng)兩端頭分別設置儲液罐。各監(jiān)測點之間安裝高差可根據測量精度選擇，為保障監(jiān)測精度優(yōu)于 ±1.0 mm，監(jiān)測點之間最大高差不宜大于 1 m。

圖2　監(jiān)測系統(tǒng)總體結構圖

系統(tǒng)充入的液體一般采用防凍液，若用純凈水作為介質，應在水中加入防腐劑，防止液體變質。將防凍液倒入儲液罐中，然后依次從最遠端打開壓力變送器排氣閥門排氣，直到傳感器監(jiān)測數據穩(wěn)定為止。用密度計在儲液罐處測量填充液體的密度，作為參數輸入，換算得到各監(jiān)測點相對儲液罐液面的高度差。

3　工程案例

在某違章建筑拆除對軌道交通隧道結構影響自動化監(jiān)測項目中，為及時掌握其拆除過程中對隧道結構的影響，利用基于壓力變送器的沉降監(jiān)測系統(tǒng)對該段隧道進行了實時沉降監(jiān)測，同時還布設了應力監(jiān)測傳感器。受影響范圍內軌道交通隧道分為單洞雙向和兩個單洞單線兩種斷面，受影響范圍長度約為 160 m，線路縱斷面坡度設計最大為42.5‰，區(qū)間隧道拱頂最大高差為 7.5 m，若采用傳統(tǒng)靜力水準儀設計和安裝均十分困難。

該項目一共布置5個監(jiān)測斷面，斷面間距約 50 m，壓力變送器均安裝在隧道左側拱肩部位，在線路北側穩(wěn)定區(qū)域設置基準點壓力變送器與儲液罐，壓力變送器之間最大高差約為 220 mm，壓力變送器采用橫河EJA110A型，采集器采用基康BGK-Micro-40測量單元，數據采樣間隔為 10 min。

圖4擬拆除建筑與隧道關系圖

圖5　監(jiān)測斷面?zhèn)鞲衅鞑贾脠D(單位/m)

4　監(jiān)測數據分析

4.1　誤差源分析

采用壓力變送器進行軌道交通結構沉降監(jiān)測與傳統(tǒng)靜力水準測量類似，也受到多種誤差源的影響，其主要有溫度的變化、環(huán)境壓力、列車震動、填充液的質量等因素影響。

(1)溫度影響

系統(tǒng)中填充液體的密度是隨溫度變化而變化的，液體密度的變化也改變了液體的體積，隨著溫度的增加，水柱高度變化也加速[6]。

統(tǒng)計3個多月各斷面的溫度實時監(jiān)測數據，從圖6可以看出，除了1號斷面與另外4個斷面的溫差在±0.5℃以內，其余斷面的溫差均在±0.25℃以內。1號斷面靠近輕軌站臺防火門，受到站臺和列車啟停的影響，該斷面的溫度較其他斷面有微小的波動。由于隧道內各斷面溫差較小，所以溫度對高差影響可以忽略不計。如果監(jiān)測系統(tǒng)安裝在戶外，由于受到遮擋和日照的不同容易引起溫差較大的情況，應根據各個傳感器所測量的溫度對監(jiān)測結果進行模型改正。

圖6　各監(jiān)測斷面與3號斷面的溫度差

(2)氣壓和重力的影響

氣壓、重力的不同會影響液面的高度，由于壓力變送器基本都安裝在同一高程面上，而且在隧道相對密閉的環(huán)境中，在一個比較小的范圍內使用，可以認為各監(jiān)測點的重力加速度g和氣壓保持不變[7，8]。

但由于軌道交通列車運行時會引起隧道中空氣的流動，造成隧道內氣壓的變化，會對測量結果帶來一定波動，但若列車間隔時間較長或者是停運期間，氣壓的變化會逐漸穩(wěn)定，對監(jiān)測結果影響較小。當對監(jiān)測精度要求較高時，可將所有監(jiān)測點變送器的低壓端用空管進行連通，形成密閉系統(tǒng)，可以明顯減小外部環(huán)境干擾。

(3)列車影響

軌道交通列車以一定的速度通過監(jiān)測區(qū)域時產生的振動影響、動力電纜的電流對壓力變送器的電磁干擾、空氣流動造成氣壓變化等因素都會對監(jiān)測結果帶來影響。以本項目為例，在某日監(jiān)測過程中，監(jiān)測人員對列車經過傳感器的大致時間進行記錄，然后跟傳感器監(jiān)測數據的時間序列進行比對，比對成果如圖7所示。列車通過監(jiān)測點時，增加該部位隧道的荷載，會引起監(jiān)測點的下沉，由于該項目列車先經過的部位為基準點，基準點下沉相對會使監(jiān)測點上升。從圖中可以看出，列車運營通過傳感器的時間與傳感器采集數據發(fā)生跳變的時間大部分吻合，跳變的大小為 0 mm～2 mm不等，沉降量均增大。

圖7　壓力變送器監(jiān)測數據與列車經過的時間比對

(4)填充液中氣泡影響

監(jiān)測過程中發(fā)現4號監(jiān)測斷面的沉降量與基準點液面的減少量基本一致，整個過程曲線如圖8所示。由于壓力變送器的膜盒內存有未排出的空氣，使變送器的正壓始終受到積存的氣體壓力的影響，且此壓力是不斷變化的，造成監(jiān)測值的偏移，且與整個系統(tǒng)的壓力有一定的相關性。系統(tǒng)中的液體在外界環(huán)境的影響下，溶解在其中的氣體會不斷析出，聚集在傳感器內引起測量的誤差。為消除系統(tǒng)中氣泡的影響，一是可以選擇硅油等性質穩(wěn)定的液體作為介質；二是定期給壓力變送器排氣，使該傳感器監(jiān)測數據穩(wěn)定為止。

圖8　4號壓力變送器監(jiān)測值變化量與儲液罐液面變化量

4.2　監(jiān)測精度分析

以某天監(jiān)測的過程曲線(圖9)可以明顯看出，在夜間停運期間凌晨0：00～5：00，壓力變送器的監(jiān)測曲線十分平穩(wěn)。白天由于受列車運營、電磁干擾，噪聲和異常較多，對于運營期間的監(jiān)測數據需要進行粗差識別、過濾。

圖9　某天系統(tǒng)監(jiān)測過程曲線

對列車停運期間的監(jiān)測結果進行統(tǒng)計分析，可以真實反映壓力變送器監(jiān)測精度。從表1中可以看出，夜間列車停運期間，壓力變送器監(jiān)測精度優(yōu)于 0.1 mm。每天的監(jiān)測成果最好取夜間一段時間的平均值作為當天的監(jiān)測成果值。從表2中可以看出，對隧道運營期監(jiān)測數據粗差過濾后進行精度統(tǒng)計，隧道運營期壓力變送器監(jiān)測精度達到亞毫米，通過對監(jiān)測數據粗差過濾和平滑，也能達到實時沉降監(jiān)測的精度。

列車停運期間各壓力變送器監(jiān)測標準差(單位/mm)　　表1

隧道運營期間各壓力變送器監(jiān)測標準差(單位/mm)　　表2

4.3　監(jiān)測成果比對

為驗證壓力變送器進行沉降監(jiān)測的可靠性，在該項目的2號、3號、5號斷面壓力變送器的附近隧道襯砌上安裝棱鏡，采用測量機器人進行監(jiān)測，將監(jiān)測結果與壓力變送器監(jiān)測成果進行比對，比較結果如表3所示。可以看出用測量機器人與壓力變送器監(jiān)測的結果平均差值為 -0.5 mm，可以說兩種方法監(jiān)測結果基本吻合，監(jiān)測精度在亞毫米級以內。

測量機器人與壓力變送器監(jiān)測成果差值(單位/mm)　　表3

5　結　論

(1)采用壓力變送器進行軌道交通結構沉降監(jiān)測，其監(jiān)測精度與傳統(tǒng)靜力水準儀相當，可以有效克服傳統(tǒng)靜力水準儀量程小，安裝困難的缺點，在線路縱坡較大的區(qū)段以及需要對隧道拱肩以上部位進行監(jiān)測時，相比傳統(tǒng)靜力水準儀有較大優(yōu)勢。

(2)利用壓力變送器進行結構沉降自動化監(jiān)測，其主要誤差來源是系統(tǒng)內未排出氣泡、電磁干擾和列車振動的影響，后期可嘗試采用光纖光柵進行信號的傳輸減小電磁干擾。

(3)系統(tǒng)采集器是逐通道掃描，因此每個傳感器的采集時間不是嚴格同步。對于沉降監(jiān)測系統(tǒng)需要同一時刻液面相對基準點的高差值，這也對高差測量精度有一定影響。為使數據盡量同步，可以將所有壓力變送器接入相鄰的通道內，但數據的嚴格同步還需進行進一步研究。

(4)整個沉降監(jiān)測系統(tǒng)的數據質量與安裝質量密切相關，其數據是否穩(wěn)定需連續(xù)觀測一段時間才能判斷，為保證數據的可靠性和連續(xù)性，建議同時采用其他人工監(jiān)測手段進行相互驗證和補充。