靜力水準(zhǔn)儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在既有線(xiàn)施工中的應(yīng)用

陳成剛

（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)部，北京 100040）

0 引言

隨著我國(guó)高鐵建設(shè)迅猛發(fā)展，既有線(xiàn)升級(jí)改造工程越來(lái)越多。在升級(jí)改造中，既要保證既有線(xiàn)正常運(yùn)營(yíng)，又要保證臨近既有線(xiàn)工程施工生產(chǎn)安全進(jìn)行，就需要實(shí)時(shí)監(jiān)控臨近既有線(xiàn)施工對(duì)既有線(xiàn)的影響。受既有線(xiàn)通行影響，常規(guī)變形監(jiān)測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，無(wú)法滿(mǎn)足臨近既有線(xiàn)工程施工的高效化、實(shí)時(shí)化要求，而靜力水準(zhǔn)儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化、高效化及高精度等特點(diǎn)，有較好的應(yīng)用前景［1-4］。從靜力水準(zhǔn)儀測(cè)量原理出發(fā)，結(jié)合京哈高鐵北京朝陽(yáng)站基坑工程，對(duì)既有線(xiàn)沉降監(jiān)測(cè)進(jìn)行分析。

1 測(cè)量原理

靜力水準(zhǔn)儀由儲(chǔ)液罐、連通管、傳感器等部件組成，儲(chǔ)液罐之間由連通管連通［5］。將基準(zhǔn)罐置于一個(gè)穩(wěn)定的水平基點(diǎn)，其他儲(chǔ)液罐置于標(biāo)高大致相同的不同位置，當(dāng)其他儲(chǔ)液罐相對(duì)于基準(zhǔn)罐發(fā)生升降時(shí)，引發(fā)該儲(chǔ)液罐內(nèi)液面升降。測(cè)量各儲(chǔ)液罐液位變化，計(jì)算得出各靜力水準(zhǔn)儀的相對(duì)沉降值。靜力水準(zhǔn)儀測(cè)量原理示意見(jiàn)圖1。

假設(shè)共有A、B、C、…、n 個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)，以A 點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，各觀(guān)測(cè)點(diǎn)之間用連通管相連。安裝完畢后，各測(cè)點(diǎn)初始高程分別為YA0、YB0、YC0、…、Yn0，各測(cè)點(diǎn)液面高度分別為hA0、hB0、hC0、…、hn0，初始狀態(tài)關(guān)系為：

圖1 靜力水準(zhǔn)儀測(cè)量原理示意圖

當(dāng)?shù)趉 次沉降后，各測(cè)點(diǎn)液位高度變化值分別為：ΔhAk、ΔhBk、ΔhCk、…、Δhnk，各測(cè)點(diǎn)液面高度變化值為hAk、hBk、hCk、…、hnk。

由于各液面高度仍然相同，則：

第m 個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)第k 次相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)A 的相對(duì)沉降值為：

由式（2）可知：

由式（1）可知：

將式（5）帶入式（4），得第m 個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)第k 次相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)A的相對(duì)沉降值為：

由式（6）可知，只要測(cè)出各觀(guān)測(cè)點(diǎn)不同時(shí)間的液面高度值，即可計(jì)算各觀(guān)測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)間的相對(duì)差異沉降值［6］。

安裝完畢，待液面穩(wěn)定后，先對(duì)傳感器置零，此時(shí)各液面初始高度值（偏差值）均為0，式（6）可簡(jiǎn)化為：

由式（7）可知，只需讀出各靜力水準(zhǔn)儀的偏差值，并將偏差值相減，即可求出各點(diǎn)之間的差異沉降值。

2 數(shù)據(jù)傳輸模式及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

2.1 數(shù)據(jù)傳輸模式

數(shù)據(jù)傳輸模式采用無(wú)線(xiàn)傳輸，將傳感器與采集儀相連，通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)上傳至云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集。該傳輸模式具有傳輸范圍廣、施工方便和安全等優(yōu)點(diǎn)。所采集數(shù)據(jù)可通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)云平臺(tái)展示，并提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)等。GPRS 數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)器系統(tǒng)工作模式示意見(jiàn)圖2。

圖2 GPRS數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)器系統(tǒng)工作模式示意圖

2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、供電模塊、云數(shù)據(jù)庫(kù)與管理平臺(tái)、用戶(hù)終端6部分組成。傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)傳輸模塊將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)由GPRS 無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)上傳至云數(shù)據(jù)庫(kù)與管理平臺(tái)；云數(shù)據(jù)庫(kù)和管理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的綜合處理。該系統(tǒng)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與電腦、手機(jī)等終端通信，可隨時(shí)隨地實(shí)時(shí)觀(guān)察、控制、查詢(xún)測(cè)站測(cè)點(diǎn)變化信息。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的6 部分模塊管理傾斜、分工明確，能保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意見(jiàn)圖3。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

圖3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

北京朝陽(yáng)站位于北京市朝陽(yáng)區(qū)姚家園北街以南、姚家園路以北、駝房營(yíng)路以東、將臺(tái)洼西路以西之間的地塊內(nèi)。車(chē)站基坑南北長(zhǎng)320 m、東西寬264 m、兩側(cè)風(fēng)道深12.23 m、中部深14.60 m、地鐵R4 線(xiàn)穿行區(qū)域深17.20 m。結(jié)合站場(chǎng)過(guò)渡施工方案，主基坑分2 期施工，既有線(xiàn)西側(cè)為Ⅰ期基坑，東側(cè)為Ⅱ期基坑。Ⅰ期主體結(jié)構(gòu)完成后，將既有線(xiàn)遷移至Ⅰ期B—D 軸，再施工Ⅱ期剩余部分?；硬捎梅牌?樁錨支護(hù)形式，Ⅰ、Ⅱ期過(guò)渡段基坑采用放坡+土釘支護(hù)形式。基坑采用3 軸攪拌樁止水帷幕+坑內(nèi)降水。Ⅰ期基坑邊坡距運(yùn)營(yíng)線(xiàn)僅20 m，施工期間稍有不慎可能對(duì)既有線(xiàn)安全運(yùn)營(yíng)造成不可估量的損失和影響。北京朝陽(yáng)站基坑與既有線(xiàn)相對(duì)位置示意見(jiàn)圖4。

圖4 北京朝陽(yáng)站基坑與既有線(xiàn)相對(duì)位置示意圖

3.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)

3.2.1 監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的選定

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)及周邊實(shí)際情況，監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)在遠(yuǎn)離變形影響區(qū)域外的東側(cè)護(hù)欄邊，距Ⅰ期基坑邊約75 m。在3 條既有線(xiàn)受影響區(qū)段布設(shè)18 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面、54個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，左線(xiàn)點(diǎn)號(hào)為CJ1-1～CJ1-18，正線(xiàn)點(diǎn)號(hào)為CJ2-1～CJ2-18，右線(xiàn)點(diǎn)號(hào)為CJ3-1～CJ3-18，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距20 m。為驗(yàn)證靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，在靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)同一斷面布設(shè)常規(guī)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，左線(xiàn)點(diǎn)號(hào)為SZ1-1～SZ1-18，正線(xiàn)點(diǎn)號(hào)為SZ2-1～SZ2-18，右線(xiàn)點(diǎn)號(hào)為SZ3-1～SZ3-18。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位平面布置示意見(jiàn)圖5。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位平面布置示意圖

3.2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依托協(xié)作單位北京工業(yè)大學(xué)的巖土工程結(jié)構(gòu)測(cè)位遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行搭建，對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝，僅需將傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊安裝到位即可。

（1）傳感器模塊的安裝。在選定位置建立1個(gè)混凝土墩臺(tái)（1 000 mm×600 mm×600 mm），用膨脹螺栓將儲(chǔ)液罐固定于墩臺(tái)；為避免路基破壞影響行車(chē)安全，用強(qiáng)力膠將傳感器粘于枕木端部；注水液體選用純凈水（冬季可選用防凍液），自?xún)?chǔ)液罐緩慢不間斷地加入液體，打開(kāi)閥門(mén)讓液體順連通管依次注滿(mǎn)各傳感器缽體。注液時(shí)，若連通管或傳感器缽內(nèi)產(chǎn)生氣泡，可打開(kāi)傳感器的排氣孔排出氣泡，或采用循環(huán)加水分段放水沖走氣泡。液體注入完畢，在每個(gè)傳感器缽體上倒入適量硅油，防止液體汽化蒸發(fā)。

（2）數(shù)據(jù)采集、傳輸模塊的安裝。將電源線(xiàn)和通信線(xiàn)纜穿過(guò)預(yù)留孔洞接入數(shù)據(jù)采集箱，接入過(guò)程中注意任何接頭不能接反或接錯(cuò)，否則會(huì)損壞傳感器本身和數(shù)據(jù)采集模塊。電源線(xiàn)與通信線(xiàn)纜連接完畢后，對(duì)整體接線(xiàn)進(jìn)行檢查，確認(rèn)是否有接錯(cuò)或短路現(xiàn)象。確認(rèn)無(wú)誤后，將電源線(xiàn)外接220 V電源通電。

3.3 監(jiān)測(cè)成果分析

3.3.1 數(shù)據(jù)可靠性分析

在列車(chē)通行天窗期9：00—10：00、16：00—17：00兩個(gè)時(shí)段，采用天寶DINI03 型電子水準(zhǔn)儀（精度±0.3 mm/km）對(duì)線(xiàn)路內(nèi)提前設(shè)置的監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行豎向位移監(jiān)測(cè)。靜力水準(zhǔn)儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)在相同時(shí)段的沉降值對(duì)比見(jiàn)圖6。

圖6 靜力水準(zhǔn)與人工監(jiān)測(cè)在相同時(shí)段的沉降值對(duì)比

由圖6可以看出，靜力水準(zhǔn)儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)在同一測(cè)點(diǎn)相同時(shí)段的沉降值基本一致；在不同測(cè)點(diǎn)相同時(shí)段的沉降值也基本一致，因此靜力水準(zhǔn)儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有很高的可靠性。

3.3.2 靜力水準(zhǔn)儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

北京朝陽(yáng)站Ⅰ期基坑自2019 年1 月底開(kāi)始土方施工作業(yè)，3 月初土方開(kāi)挖陸續(xù)見(jiàn)底，4 月中旬土方作業(yè)全部完成，6月底Ⅰ期基坑主體結(jié)構(gòu)全部完成。受條件限制，在土方施工階段只能夜間施工；而主體結(jié)構(gòu)施工階段為24 h 施工。主體結(jié)構(gòu)施工期間，白天既有運(yùn)營(yíng)線(xiàn)天窗期僅9：00—10：00、16：00—17：00 兩個(gè)時(shí)段；夜間既有運(yùn)營(yíng)線(xiàn)天窗期為20：00—次日6：00，期間偶有臨時(shí)列車(chē)通行。靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)貫穿Ⅰ期基坑施工全過(guò)程，數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)置為1 次/5 min，并上傳至后臺(tái)。設(shè)計(jì)文件中，對(duì)軌道位移和沉降報(bào)警值的具體要求為累計(jì)報(bào)警值10～40 mm。

北京朝陽(yáng)站Ⅰ期基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波形見(jiàn)圖7。圖7（a）為離基坑最近的左線(xiàn)1#—18#監(jiān)測(cè)斷面在土方施工階段連續(xù)1 周（2019 年2 月20—26 日）的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波形圖；圖7（b）為正線(xiàn)1#—18#監(jiān)測(cè)斷面在結(jié)構(gòu)施工階段連續(xù)1 周（2019 年6 月1—7 日）的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波形圖；圖7（c）為右線(xiàn)1#—18#監(jiān)測(cè)斷面在結(jié)構(gòu)施工階段連續(xù)1 周（2019 年5 月25—31 日）的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波形圖?？梢钥闯?，在土方施工和結(jié)構(gòu)施工2個(gè)階段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)有規(guī)律地上升和下沉。夜間線(xiàn)路停運(yùn)時(shí)段，路基有一定程度上升；白天線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)時(shí)段，路基有一定程度下沉。在土方施工階段，左線(xiàn)CJ1-3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2019年2月23日14：19下沉量最大，為-7.10 mm；左線(xiàn)CJ1-18監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2019年2月25日5：54上升量最大，為11.18 mm。在結(jié)構(gòu)施工階段，正線(xiàn)CJ2-5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2019年6月7日12：36下沉量最大，為-13.30 mm；正線(xiàn)CJ2-18 監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2019 年6 月6 日5：44 上升量最大，為12.10 mm；右線(xiàn)CJ3-5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2019 年5 月28 日10：59下沉量最大，為-6.40 mm；右線(xiàn)CJ3-7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2019年5月28日16：49上升量最大，為6.60 mm。

圖7 北京朝陽(yáng)站Ⅰ期基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波形圖

圖7（d）為左、右、正3 線(xiàn)在土方施工階段于同一斷面（10#監(jiān)測(cè)斷面）連續(xù)1 周（2019 年2 月16—22 日）的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波形圖；圖7（e）為左、右、正3 線(xiàn)在結(jié)構(gòu)施工階段于同一斷面（10#監(jiān)測(cè)斷面）連續(xù)1周（2019年5月16—22日）的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波形圖。可以看出，在土方施工和結(jié)構(gòu)施工2個(gè)階段，同一監(jiān)測(cè)斷面在左、右、正3線(xiàn)呈現(xiàn)出有規(guī)律地上升和下沉。在土方施工階段，正線(xiàn)10#監(jiān)測(cè)斷面在2019 年2 月16 日12：54下沉量最大，為-2.90 mm；右線(xiàn)10#監(jiān)測(cè)斷面在2019年2 月19 日19：19 上升量最大，為7.40 mm。在結(jié)構(gòu)施工階段，正線(xiàn)10#監(jiān)測(cè)斷面在2019 年5 月19 日11：19 下沉量最大，為-7.00 mm；右線(xiàn)10#監(jiān)測(cè)斷面在2019 年5 月19日上升量最大，為7.40 mm。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的研究分析發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)施工階段，線(xiàn)路周邊擾動(dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)影響大于土方施工階段；在線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)時(shí)段，隨著列車(chē)通過(guò)，荷載增加，路基出現(xiàn)下沉；在線(xiàn)路停運(yùn)時(shí)段，路基緩慢上升，整體處于一個(gè)周期循環(huán)中；列車(chē)通行密度較高的正線(xiàn)，路基沉降值大于左、右線(xiàn)；距離基坑較近的左線(xiàn)沉降值大于右線(xiàn)；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)沉降值最大為-13.30 mm，設(shè)計(jì)文件允許沉降值為10～40 mm，沉降值處于允許范圍內(nèi)，因此既有線(xiàn)沉降變形安全可靠。

采用對(duì)既有線(xiàn)運(yùn)營(yíng)影響較小的靜力水準(zhǔn)儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)獲取沉降變化數(shù)據(jù)，及時(shí)了解變化信息，可彌補(bǔ)在列車(chē)通行期間無(wú)法進(jìn)行人工監(jiān)測(cè)的不足，達(dá)到實(shí)時(shí)掌握施工期間運(yùn)營(yíng)線(xiàn)沉降變化的目的。靜力水準(zhǔn)儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在北京朝陽(yáng)站項(xiàng)目的成功應(yīng)用，保障了既有線(xiàn)運(yùn)營(yíng)和施工安全，取得了良好的應(yīng)用效果。