靜力水準(zhǔn)自動化監(jiān)測系統(tǒng)在西安地鐵地裂縫設(shè)防段的監(jiān)測應(yīng)用研究

高小寧，馬 瀛

(1.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西西安 710054；2.西安市軌道交通集團(tuán)有限公司，陜西西安 710021)

1 引 言

西安地裂縫破壞的主因是地裂縫兩側(cè)存在相對沉降差，因此，西安地鐵修建過程中，在隧道穿越地裂縫區(qū)域設(shè)置了地裂縫設(shè)防段。目前，西安地鐵地裂縫設(shè)防段自動化監(jiān)測通常以全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)為主，其費(fèi)用成本較高，監(jiān)測點(diǎn)距離較遠(yuǎn)時三角高程單向測量結(jié)果穩(wěn)定性較差?；诖?，本文以靜力水準(zhǔn)自動化監(jiān)測系統(tǒng)為主要研究對象[1]，并對比全站儀自動測量系統(tǒng)高程測量結(jié)果和人工二等水準(zhǔn)測量結(jié)果，多方面評價靜力水準(zhǔn)自動化監(jiān)測系統(tǒng)。

2 靜力水準(zhǔn)自動化監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 靜力水準(zhǔn)自動化監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

靜力水準(zhǔn)自動化監(jiān)測系統(tǒng)主要構(gòu)成部分包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)處理和分析模塊三大部分[2]。

數(shù)據(jù)采集模塊核心選用RTDT-221型壓力式水準(zhǔn)傳感器，通過一根透明的PU管串聯(lián)多個傳感器，最后連接到一個儲液罐上。相比于管線的容量，儲液罐擁有足夠大的容量，能夠有效減少由于溫度變化所帶來的影響。

數(shù)據(jù)通信模塊采用無線4G通信技術(shù)，將傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時發(fā)送至監(jiān)測系統(tǒng)平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過短信、郵件等形式，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果和前期預(yù)設(shè)報警值自動播報監(jiān)測信息至指定接收人。

2.2 靜力水準(zhǔn)自動化監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

靜力水準(zhǔn)測量采用圖1所示的連通器原理，即連通的容器中，液體總是尋求相同勢能的水平原理，測量監(jiān)測點(diǎn)間垂直高度的差異和變化量。為消除大氣壓的影響，所有的傳感器共用一根通氣管，最后連接到儲液罐，形成一個封閉的氣壓自平衡系統(tǒng)。

圖1 靜力水準(zhǔn)測量原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of static leveling principle

2.3 靜力水準(zhǔn)自動監(jiān)測系統(tǒng)安裝

靜力水準(zhǔn)主要安裝步驟如下：首先，用水準(zhǔn)儀標(biāo)定儲液罐和傳感器位置，確保傳感器位置高差小于其量程；其次，安裝傳感器和儲液罐，拼接連通管，檢查系統(tǒng)連通性，并灌液和調(diào)平設(shè)備；最后，打開通氣閥連通通信及供電設(shè)備，進(jìn)行監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試。

靜力水準(zhǔn)自動監(jiān)測系統(tǒng)安裝注意事項(xiàng)如下：

1)基準(zhǔn)點(diǎn)須安裝在變形影響區(qū)域以外，根據(jù)《西安地裂縫場地勘察與工程設(shè)計(jì)規(guī)程》[3]，地裂縫影響區(qū)范圍為上盤0～20 m，下盤0～12 m，本試驗(yàn)將基準(zhǔn)點(diǎn)安裝在地裂縫下盤60 m處的隧道側(cè)墻上。

2)本試驗(yàn)所采用的RTDT-221型壓力式水準(zhǔn)傳感器量程為1 000 mm，因此，在傳感器位置標(biāo)定時應(yīng)選用水準(zhǔn)儀量測初步標(biāo)定點(diǎn)位置，上下調(diào)整安裝點(diǎn)，使傳感器處于同一水平面上。西安地區(qū)安裝時，應(yīng)在系統(tǒng)液中加入一定量的防凍液和0.1%的硫酸銅溶液，防止冬季隧道內(nèi)外循環(huán)通風(fēng)時冰凍和夏季液體連通管內(nèi)滋生水藻。

3 項(xiàng)目試驗(yàn)

本次項(xiàng)目試驗(yàn)位于西安地鐵某號線某地裂縫設(shè)防段，在已有全站儀自動監(jiān)測系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)靜力水準(zhǔn)自動化監(jiān)測系統(tǒng)。本試驗(yàn)共布設(shè)13處型號為RTDT-221的壓力式靜力水準(zhǔn)傳感器(量程0～1 000 mm，最小讀數(shù)0.1 mm)。

3.1 靜力水準(zhǔn)監(jiān)測數(shù)據(jù)內(nèi)符合精度分析

本試驗(yàn)共布設(shè)13個監(jiān)測靜力水準(zhǔn)傳感器，編號為1～13，距離基準(zhǔn)點(diǎn)由遠(yuǎn)及近分布，如圖2所示。

圖2 靜力水準(zhǔn)傳感器布設(shè)示意圖Fig.2 Schematic diagram of static leveling sensor layout

3.1.1 停車時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計(jì)分析停車時間段(1:00—4:50)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，傳感器讀數(shù)頻率為5分鐘/次，每個傳感器在同一時間段共讀數(shù)45次。選取4號、10號、13號靜力水準(zhǔn)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制曲線圖(見圖3)，數(shù)據(jù)曲線平穩(wěn)波動，無明顯發(fā)展趨勢，波動范圍為±0.04 mm。

圖3 停車后4號、10號、13號傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線Fig.3 No.4,No.10 and No.13 sensors monitoring data curves after parking

表1 停車后靜力水準(zhǔn)傳感器測量誤差統(tǒng)計(jì)Tab.1 Thestaticlevelsensormeasurementerrorafterparking1號2號3號4號5號6號7號8號9號10號11號12號13號測量中誤差/mm0.0350.0330.0310.0290.0260.0270.0270.0220.0280.0250.0230.0180.015

圖4 停車后靜力水準(zhǔn)傳感器測量誤差分布Fig.4 The measurement error distribution of static leveling sensor after parking

3.1.2 行車時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計(jì)分析行車時間段(9:00—23:50)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，傳感器讀數(shù)頻率為20分鐘/次，每個傳感器在同一時間段共讀數(shù)45次。根據(jù)同一時間段內(nèi)13個傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算測量中誤差(含粗差和剔除粗差兩項(xiàng)，見表2)，并繪制曲線圖(見圖5)。粗差判定原則為短時間內(nèi)出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳躍大于1 mm，且下一監(jiān)測周期內(nèi)快速反彈。

圖5 行車時傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線Fig.5 Traffic sensor monitoring data curve when driving

選取6號靜力水準(zhǔn)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制數(shù)據(jù)分布圖(見圖6)，在行車時間段殘差值整體較停車時間段離散。

表2 行車時靜力水準(zhǔn)傳感器測量誤差統(tǒng)計(jì)Tab.2 Thestaticlevelsensormeasurementerrorwhendriving傳感器編號1號2號3號4號5號6號7號8號9號10號11號12號13號中誤差/mm(含粗差)1.9441.8581.4001.2161.0911.0630.9700.8770.6920.7220.6030.4780.093測量中誤差/mm0.3440.3520.2970.2830.2550.2520.2520.2640.2180.2090.1850.1630.093

圖6 行車時 6號傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)分布Fig.6 No.6 sensor monitoring data distribution when driving

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到如下結(jié)論：第一，傳感器測量誤差大小分布特點(diǎn)與距離基準(zhǔn)點(diǎn)高度相關(guān)，距離越遠(yuǎn)誤差越大；第二，原始監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示粗差點(diǎn)通常位于7:30、21:05、23:45這3個時間點(diǎn)附近，是由數(shù)據(jù)采集時受列車振動所致；第三，剔除粗差后的行車時測量數(shù)據(jù)中誤差顯著高于停車時中誤差。綜上所述，壓力式靜力水準(zhǔn)傳感器測量精度受列車振動影響顯著。

3.1.3 傳感器測量精度隨時間的損失情況分析

選擇2019年9月3日至2020年11月3日時間段內(nèi)，位于監(jiān)測區(qū)域中間的6號傳感器每月第3天的數(shù)據(jù)進(jìn)行測量中誤差計(jì)算(剔除粗差的監(jiān)測數(shù)據(jù))和數(shù)據(jù)分析(見圖7)，結(jié)果表明，中誤差在0.1～0.4 mm區(qū)間波動，監(jiān)測期內(nèi)傳感器測量數(shù)據(jù)符合性良好。

圖7 全天候6號傳感器各時間段測量誤差分布Fig.7 The measurement error distribution of the all time of No.6 sensor in each time period

3.2 靜力水準(zhǔn)傳感器與全站儀三角高程、人工二等水準(zhǔn)監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

本次試驗(yàn)對比2019年11月2日至2020年11月3日時間段內(nèi)全站儀三角高程、人工二等水準(zhǔn)數(shù)據(jù)和靜力水準(zhǔn)傳感器測量數(shù)據(jù)的累計(jì)變形值(見表3)，繪制變形值曲線(見圖8)。利用現(xiàn)有成熟的測量成果驗(yàn)證相同環(huán)境下靜力水準(zhǔn)傳感器監(jiān)測結(jié)果的可靠性。

表3 靜力水準(zhǔn)傳感器與全站儀三角高程、人工二等水準(zhǔn)測量累計(jì)變形Tab.3 Thecumulativedeformationofstaticlevelingsensorandtotalstationtrigonometricelevation,secondordermanualleveling點(diǎn)號水準(zhǔn)/mm靜力水準(zhǔn)/mm全站儀/mm點(diǎn)號水準(zhǔn)/mm靜力水準(zhǔn)/mm全站儀/mm起算點(diǎn)0.00.00.07號-2.5-1.3-2.513號-1.10.3-0.76號-2.9-2.4-3.212號-1.3-0.5-1.25號-3.1-2.2-3.111號-1.5-0.5-1.14號-3.4-2.1-3.910號-1.6-1.0-1.23號-3.4-2.3-4.29號-1.5-0.8-1.42號-5.0-3.1-5.88號-1.4-1.1-1.91號-4.4-3.4-6.3

圖8 靜力水準(zhǔn)傳感器與全站儀三角高程、人工二等水準(zhǔn)測量累計(jì)變形曲線Fig.8 Static leveling sensor and total station tigonometric elevation,manual leveling second class cumulative deformation curves

監(jiān)測結(jié)果表明，7號至13號傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工二等水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)符合性優(yōu)于1 mm，1號至6號傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)相對偏差較大，2號點(diǎn)差值最大為1.9 mm。全站儀監(jiān)測數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)離基準(zhǔn)點(diǎn)位置偏差較大的原因是全站儀測量系統(tǒng)起算基準(zhǔn)點(diǎn)位于監(jiān)測區(qū)域兩端，與水準(zhǔn)測量系統(tǒng)有差異。

4 結(jié)束語

1)靜力水準(zhǔn)自動化監(jiān)測系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)采集精度受行車振動影響顯著，但具有測量內(nèi)符合精度高、測量頻率高的特點(diǎn)，其測量精度和可靠性均可以滿足西安地鐵地裂縫設(shè)防段自動化監(jiān)測工作需求。此外，靜力水準(zhǔn)自動化監(jiān)測系統(tǒng)具有成本優(yōu)勢和最高2分鐘/次的高頻讀數(shù)優(yōu)勢，較適用于穿越工程影響區(qū)建/構(gòu)筑物沉降變形監(jiān)測，配合動態(tài)施工管理。

2)靜力水準(zhǔn)測量方法的測量誤差與距離基準(zhǔn)點(diǎn)長度正相關(guān)，不同的監(jiān)測項(xiàng)目應(yīng)根據(jù)需求選擇合理的測線長度，可通過分段設(shè)置測線或在測線兩端設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)的方式進(jìn)行成果校正。

3)壓力式靜力水準(zhǔn)傳感器監(jiān)測系統(tǒng)因采用相對密封的內(nèi)循環(huán)空間，儲液損失量極少，拉長了維保周期，同時在漫長的監(jiān)測周期內(nèi)，數(shù)據(jù)采集內(nèi)符合精度無明顯損失。該數(shù)據(jù)與人工二等水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)有一定差值，可能是由于壓力式傳感器計(jì)算模型存在不足。

4)本次試驗(yàn)存在以下不足：第一，研究環(huán)境較為單一，缺少溫差、日照方面的影響研究；第二，研究面較狹窄，缺乏多條測線基準(zhǔn)傳遞問題和外界碰撞干擾問題的研究。以上不足需要結(jié)合后期工作，繼續(xù)探索總結(jié)。