趙棟 張耀國 劉萬松 楊立新

（中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

1 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展與農(nóng)村人口向城市流動的加速，城市公共交通壓力越來越大，許多城市開始修建地下軌道交通系統(tǒng)來應(yīng)對日益增多的通勤人次。地鐵運力大、高效、便捷，在城市交通系統(tǒng)中發(fā)揮著巨大作用，但是因為運行于地下封閉環(huán)境，隧道結(jié)構(gòu)在交變載荷作用下容易造成穩(wěn)定性下降，進而產(chǎn)生安全風(fēng)險。傳統(tǒng)模式下，使用水準(zhǔn)儀測量隧道結(jié)構(gòu)沉降情況需要在列車停運期間進行，作業(yè)窗口較短，且無法實現(xiàn)不間斷的連續(xù)、實時監(jiān)測。隨著傳感器技術(shù)和在線監(jiān)測技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，靜力水準(zhǔn)自動化監(jiān)測技術(shù)逐漸在隧道監(jiān)測中得到應(yīng)用和推廣，該技術(shù)實現(xiàn)了地鐵隧道監(jiān)測由人工向自動化的轉(zhuǎn)變，同時，不斷升級的傳感檢測技術(shù)與遠程在線監(jiān)測技術(shù)進一步優(yōu)化了靜力水準(zhǔn)監(jiān)測精度及兼容性，使其在現(xiàn)實工程中的應(yīng)用空間得到進一步拓展。

2 靜力水準(zhǔn)測量的作用機理與組成

2.1 靜力水準(zhǔn)測量的作用機理

靜力水準(zhǔn)儀由液缸、浮筒、精密液位計、保護罩等部件組成，基本技術(shù)原理為物理學(xué)中的連通液原理，將多個連通器的儲液罐連接，根據(jù)連通器水平面相同的原理，所有連通器的儲液罐液面應(yīng)處在同一水平面，如果某個監(jiān)測點發(fā)生沉降則通過計算儲液的變化高度，得出各個靜力水準(zhǔn)儀之間的相對變化量，進而獲取監(jiān)測點的相對差異沉降信息。

將某測區(qū)分為n個沉降觀測點，在各沉降觀測點位置分別布設(shè)靜力水準(zhǔn)測量儀，使用連通管將所有靜力水準(zhǔn)測量儀的儲液罐連通并進行相應(yīng)的調(diào)校，記錄每個靜力水準(zhǔn)測量儀的儲液罐液面高度，靜力水準(zhǔn)測量儀安裝高程如圖1 所示。

圖1 靜力水準(zhǔn)測量儀安裝高程[1]

靜力水準(zhǔn)測量儀布設(shè)調(diào)校后滿足公式（1）：

公式（1）中，Y01、Y0i、Y0j、Y0n分別表示各測點靜力水準(zhǔn)測量儀的初始安裝高程；h01、h0i、h0j、h0n分別代表各測點靜力水準(zhǔn)測量儀儲液罐內(nèi)液位值。

若第k次采集監(jiān)測點數(shù)據(jù)時觀察到監(jiān)測點沉降數(shù)據(jù)出現(xiàn)差異，令各監(jiān)測點沉降數(shù)據(jù)分別為Δh1、Δhi、Δhj、Δhn，則相應(yīng)的各監(jiān)測點靜力水準(zhǔn)測量儀儲液罐內(nèi)液位變化量分別為Δhk1、Δhki、Δhkj、Δhkn。監(jiān)測點發(fā)生不均勻沉降后的液面變化如圖2 所示。

圖2 監(jiān)測點發(fā)生不均勻沉降后液面變化[1]

由連通器原理，出現(xiàn)沉降后各靜力水準(zhǔn)測量儀內(nèi)液位相同，得到公式（2）：

假定沉降測量基準(zhǔn)點為i，則監(jiān)測點j相對于i點的沉降量滿足公式（3）：

聯(lián)合公式（1）至公式（3）可得公式（4）：

由于靜力水準(zhǔn)測量儀在布設(shè)完畢后進行了相應(yīng)的調(diào)校，可認為其液面初始高度值無偏差，對公式（4）進行簡化可得公式（5）：

分析公式（5）可知，分別采集各靜力水準(zhǔn)測量儀的偏差值進行求差處理，即可得到各沉降監(jiān)測點的沉降量。

2.2 靜力水準(zhǔn)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

靜力水準(zhǔn)測量系統(tǒng)主要包含傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、監(jiān)控分析系統(tǒng)[2]。其中傳感器子系統(tǒng)在靜力水準(zhǔn)測量系統(tǒng)中的主要作用是精確測量液面的高度和位置；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要收集傳感器子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)等方式傳輸至指定監(jiān)控系統(tǒng)的存儲硬盤，進行數(shù)據(jù)存儲[3]；監(jiān)控分析系統(tǒng)不僅可以24 小時對隧道進行監(jiān)控，還可根據(jù)指定時間定時獲取沉降數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)冗余，而且當(dāng)觀測點的沉降差異量超過指定閾值時，監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)會及時提醒。靜力水準(zhǔn)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 靜力水準(zhǔn)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 工程案例分析

3.1 工程概況

某地鐵隧道保護區(qū)范圍內(nèi)有一道路工程需要施工，為了避免道路施工對地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生威脅，需要在道路施工過程中實時監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)沉降情況。經(jīng)現(xiàn)場勘測、設(shè)計圖紙發(fā)現(xiàn)，擬建道路位于地鐵軌道結(jié)構(gòu)正上方，與線路大至呈垂直走向，路面與地鐵軌道結(jié)構(gòu)頂部的豎向距離最小為1.198m，沿擬建道路施工方向使用靜力水準(zhǔn)測量儀對地鐵軌道結(jié)構(gòu)頂部進行沉降監(jiān)測，道路兩側(cè)分別向外延長50m 連續(xù)監(jiān)測，即監(jiān)測長度總計為200m。道路施工影響范圍內(nèi)的地鐵軌道示意圖如圖4 所示。

圖4 道路施工影響范圍內(nèi)地鐵軌道

為了保證地鐵運營安全與車次要求，使用靜力水準(zhǔn)測量儀在監(jiān)測過程中應(yīng)保證精度高于0.1mm，同時注意在道路施工前采集監(jiān)測初始值，在道路施工過程中進行連續(xù)監(jiān)測，施工結(jié)束后運營期間再采集測量數(shù)據(jù)。為了避免在連續(xù)監(jiān)測過程中采集過多數(shù)據(jù)導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余，可以結(jié)合現(xiàn)場施工情況適當(dāng)調(diào)整數(shù)據(jù)的采集頻率，但是要保證在道路施工進入關(guān)鍵階段后監(jiān)測數(shù)據(jù)足夠多且具有較高的精度。依據(jù)《建筑變形測量規(guī)范》要求，地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降量應(yīng)小于6mm，相近監(jiān)測點的相對沉降控制值小于4mm，在道路施工過程中隧道結(jié)構(gòu)一日沉降量不得大于1.5mm，當(dāng)監(jiān)測到的沉降量達到控制值的70%時觸發(fā)預(yù)警，當(dāng)監(jiān)測到的沉降量達到控制值的80%時觸發(fā)報警，應(yīng)立即停止施工，查找原因?；诖?，項目在施工期間，依據(jù)軌道走向布設(shè)靜力水準(zhǔn)測量儀，通過連續(xù)觀測，確保在施工期間實時掌握地表沉降速率，為安全施工提供重要的數(shù)據(jù)保障。

3.2 靜力水準(zhǔn)測量儀的選擇與監(jiān)測點設(shè)置

3.2.1 選擇靜力水準(zhǔn)測量儀

常用的靜力水準(zhǔn)測量儀有光纖靜力水準(zhǔn)測量儀與GPRS 無線靜力水準(zhǔn)測量儀，其中光纖靜力水準(zhǔn)測量儀較適用于短距離沉降監(jiān)測，而GPRS 無線靜力水準(zhǔn)測量儀在穩(wěn)定性、抗干擾性、環(huán)境兼容性及測量精度等方面優(yōu)勢較為突出，且隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，使用范圍不斷擴大，在工程應(yīng)用中表現(xiàn)出了較好的可靠性與便捷性[4]。因此，選擇GPRS 無線靜力水準(zhǔn)測量儀作為本工程的沉降監(jiān)測測量儀，JTM-GY8100A 型硅壓式靜力水準(zhǔn)儀如圖5 所示。

圖5 JTM-GY8100A型硅壓式靜力水準(zhǔn)儀

3.2.2 設(shè)置監(jiān)測點

根據(jù)靜力水準(zhǔn)測量儀工作原理及工程要求，在隧道兩側(cè)分別選定一條沉降監(jiān)測線，在每條線的沉降區(qū)域外各選擇一個沉降監(jiān)測基準(zhǔn)點，以便后期對沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理。沿沉降監(jiān)測線間隔10m 設(shè)置一個監(jiān)測點，并布設(shè)一個JTM-GY8100A 型硅壓式靜力水準(zhǔn)儀。靜力水準(zhǔn)測量儀應(yīng)安裝在地鐵軌道結(jié)構(gòu)上，安裝好以后需進行水平度調(diào)整。首先將水準(zhǔn)管中的氣泡調(diào)整到中心位置，然后使用水平儀對水準(zhǔn)管進行水平校正。調(diào)整完畢即可正式使用。需要注意的是，確定初始值時應(yīng)按照監(jiān)測要求在某一監(jiān)測點采集多組觀測值，待觀測值逐漸穩(wěn)定后再選取多組觀測值求平均值，以求得的平均值作為該監(jiān)測點的監(jiān)測初始值[5]。監(jiān)測初始值確定后，按照監(jiān)測要求對監(jiān)測點的沉降數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，監(jiān)測點如圖6 所示。

圖6 靜力水準(zhǔn)測量監(jiān)測點

4 數(shù)據(jù)分析

道路工程于2020 年6 月開始，持續(xù)到2020 年12月份，使用靜力水準(zhǔn)測量儀對兩條監(jiān)測線上各監(jiān)測點的沉降數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。為消除外部環(huán)境因素對監(jiān)測數(shù)據(jù)的干擾，取凌晨時分靜力水準(zhǔn)測量儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)[6]。采集監(jiān)測點沉降值，得到如圖7 所示的地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測曲線圖。

圖7 沉降監(jiān)測曲線

由圖7（a）可知，測線CJY08～CJY14 區(qū)間內(nèi)累計沉降量達到6mm，其他區(qū)間沉降累計3mm 以內(nèi)。經(jīng)過現(xiàn)場踏勘該位置距離基坑?xùn)|南角較近，基坑施工過程中開放位置在離地鐵線路較遠處施工，并且施工過程中，土方作業(yè)范圍過大，導(dǎo)致基坑周邊存在滑坡位移風(fēng)險，造成路面荷載增加。該項目及時發(fā)現(xiàn)了隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常，并及時追溯原因，不僅有效保護了地鐵交通安全，也為地鐵保護區(qū)內(nèi)的施工單位合理安全施工提供了技術(shù)參考。

由圖7（b）可知，測線CJZ09～CJZ16 區(qū)間內(nèi)累計沉降量大于6mm，其他區(qū)間沉降累計3mm 以內(nèi)。結(jié)合施工時間，經(jīng)現(xiàn)場勘驗發(fā)現(xiàn)，造成累計沉降量超過允許值的原因是道路施工過程中將土方堆放在施工場地，未及時清運，導(dǎo)致地鐵軌道區(qū)間載荷變大。為了避免隧道結(jié)構(gòu)沉降量進一步增大，及時轉(zhuǎn)移現(xiàn)場堆積的土方，消除了安全風(fēng)險，保障地鐵運營安全。

5 結(jié)語

本文介紹了靜力水準(zhǔn)儀的基本原理，以及靜力水準(zhǔn)測量系統(tǒng)的組成及工作方法。根據(jù)實際工程案例闡述了靜力水準(zhǔn)自動測量技術(shù)在工程應(yīng)用中的測量方案，通過對施工期連續(xù)不間斷監(jiān)測和定時數(shù)據(jù)采集，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，及時掌握基坑開挖工程中隧道結(jié)構(gòu)的變化情況，并通過工程實例驗證分析了靜力水準(zhǔn)儀保障地鐵運營安全的應(yīng)用價值。隨著傳感檢測技術(shù)的進步與無線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，未來靜力水準(zhǔn)測量技術(shù)將在地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。