基于靜力水準(zhǔn)測量技術(shù)的地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測

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(jì)的發(fā)展與農(nóng)村人口向城市流動(dòng)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(yùn)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?yàn)檫\(yùn)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(jìn)而產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)。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(yùn)期間進(jìn)行，作業(yè)窗口較短，且無法實(shí)現(xiàn)不間斷的連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測。隨著傳感器技術(shù)和在線監(jiān)測技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，靜力水準(zhǔn)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)了地鐵隧道監(jiān)測由人工向自動(dòng)化的轉(zhuǎn)變，同時(shí)，不斷升級(jí)的傳感檢測技術(shù)與遠(yuǎn)程在線監(jiān)測技術(shù)進(jìn)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(shí)工程中的應(yīng)用空間得到進(jìn)一步拓展。

2 靜力水準(zhǔn)測量的作用機(jī)理與組成

2.1 靜力水準(zhǔn)測量的作用機(jī)理

靜力水準(zhǔn)儀由液缸、浮筒、精密液位計(jì)、保護(hù)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(gè)連通器的儲(chǔ)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(chǔ)液罐液面應(yīng)處在同一水平面，如果某個(gè)監(jiān)測點(diǎn)發(fā)生沉降則通過計(jì)算儲(chǔ)液的變化高度，得出各個(gè)靜力水準(zhǔn)儀之間的相對變化量，進(jìn)而獲取監(jiān)測點(diǎn)的相對差異沉降信息。

將某測區(qū)分為n個(gè)沉降觀測點(diǎn)，在各沉降觀測點(diǎn)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(chǔ)液罐連通并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)校，記錄每個(gè)靜力水準(zhǔn)測量儀的儲(chǔ)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(diǎn)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(diǎn)靜力水準(zhǔn)測量儀儲(chǔ)液罐內(nèi)液位值。

若第k次采集監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)觀察到監(jiān)測點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)出現(xiàn)差異，令各監(jiān)測點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)分別為Δh1、Δhi、Δhj、Δhn，則相應(yīng)的各監(jiān)測點(diǎn)靜力水準(zhǔn)測量儀儲(chǔ)液罐內(nèi)液位變化量分別為Δhk1、Δhki、Δhkj、Δhkn。監(jiān)測點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)為i，則監(jiān)測點(diǎn)j相對于i點(diǎn)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(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)校，可認(rèn)為其液面初始高度值無偏差，對公式（4）進(jìn)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(jìn)行求差處理，即可得到各沉降監(jiān)測點(diǎn)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(chǔ)硬盤，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[3]；監(jiān)控分析系統(tǒng)不僅可以24 小時(shí)對隧道進(jìn)行監(jiān)控，還可根據(jù)指定時(shí)間定時(shí)獲取沉降數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)冗余，而且當(dāng)觀測點(diǎn)的沉降差異量超過指定閾值時(shí)，監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)及時(shí)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(hù)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(shí)時(shí)監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)沉降情況。經(jīng)現(xiàn)場勘測、設(shè)計(jì)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?cái)M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(jìn)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(jì)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(yùn)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(shí)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(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，施工結(jié)束后運(yùn)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(jìn)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(diǎn)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(dá)到控制值的70%時(shí)觸發(fā)預(yù)警，當(dāng)監(jiān)測到的沉降量達(dá)到控制值的80%時(shí)觸發(fā)報(bào)警，應(yīng)立即停止施工，查找原因。基于此，項(xiàng)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(shí)時(shí)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(diǎn)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(kuò)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(diǎn)

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(gè)沉降監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)，以便后期對沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。沿沉降監(jiān)測線間隔10m 設(shè)置一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，并布設(shè)一個(gè)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(jìn)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(jìn)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(shí)應(yīng)按照監(jiān)測要求在某一監(jiān)測點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)如圖6 所示。

圖6 靜力水準(zhǔn)測量監(jiān)測點(diǎn)

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(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)分靜力水準(zhǔn)測量儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)[6]。采集監(jiān)測點(diǎn)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(jì)沉降量達(dá)到6mm，其他區(qū)間沉降累計(jì)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(yuǎn)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(xiǎn)，造成路面荷載增加。該項(xiàng)目及時(shí)發(fā)現(xiàn)了隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常，并及時(shí)追溯原因，不僅有效保護(hù)了地鐵交通安全，也為地鐵保護(hù)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(jì)沉降量大于6mm，其他區(qū)間沉降累計(jì)3mm 以內(nèi)。結(jié)合施工時(shí)間，經(jīng)現(xiàn)場勘驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，造成累計(jì)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(shí)清運(yùn)，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(jìn)一步增大，及時(shí)轉(zhuǎn)移現(xiàn)場堆積的土方，消除了安全風(fēng)險(xiǎn)，保障地鐵運(yùn)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(shí)際工程案例闡述了靜力水準(zhǔn)自動(dòng)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(shí)數(shù)據(jù)采集，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)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(shí)例驗(yàn)證分析了靜力水準(zhǔn)儀保障地鐵運(yùn)營安全的應(yīng)用價(jià)值。隨著傳感檢測技術(shù)的進(jìn)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。