工程案例

　　在某違章建筑拆除對軌道交通隧道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的影響，利用基于HR8066型靜力水準儀的沉降監(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(nèi)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為42. 5‰，區(qū)間隧道拱頂高差為7.5m，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50m，HR8066型靜力水準儀均安裝在隧道左側(cè)拱肩部位，在線路北側(cè)穩(wěn)定區(qū)域設置基準點HR8066型靜力水準儀與儲液罐，HR8066型靜力水準儀之間高差約為220mm，HR8066型靜力水準儀采用恒瑞HR3051-DP型，采集器采用BGK－Micro－40 測量單元，數(shù)據(jù)采樣間隔為10min。

　　四、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

　　4.1 誤差源分析

　　采用HR8066型靜力水準儀進行軌道交通結(jié)構(gòu)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(zhì)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。

　　統(tǒng)計3 個多月各斷面的溫度實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，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(nèi)，其余斷面的溫差均在±0. 25℃以內(nèi)。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(nèi)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(jù)各個傳感器所測量的溫度對監(jiān)測結(jié)果進行模型改正。

　　(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HR8066型靜力水準儀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(nèi)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。

　　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(nèi)氣壓的變化，會對測量結(jié)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(jié)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(chǎn)生的振動影響、動力電纜的電流對HR8066型靜力水準儀的電磁干擾、空氣流動造成氣壓變化等因素都會對監(jiān)測結(jié)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(jīng)過傳感器的大致時間進行記錄，然后跟傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)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(jīng)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(shù)據(jù)發(fā)生跳變的時間大部分吻合，跳變的大小為0mm ～2mm不等，沉降量均增大。

　　(4)填充液中氣泡影響

　　監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)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HR8066型靜力水準儀的膜盒內(nèi)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(nèi)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(zhì)穩(wěn)定的液體作為介質(zhì);二是定期給HR8066型靜力水準儀排氣，使該傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定為止。

　　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，HR8066型靜力水準儀的監(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(shù)據(jù)需要進行粗差識別、過濾。

　　對列車停運期間的監(jiān)測結(jié)果進行統(tǒng)計分析，可以真實反映HR8066型靜力水準儀監(jiān)測精度。從表1 中可以看出，夜間列車停運期間，HR8066型靜力水準儀監(jiān)測精度優(yōu)于0.1mm。每天的監(jiān)測成果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(shù)據(jù)粗差過濾后進行精度統(tǒng)計，隧道運營期HR8066型靜力水準儀監(jiān)測精度達到亞毫米，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)粗差過濾和平滑，也能達到實時沉降監(jiān)測的精度。

　　4. 3 監(jiān)測成果比對

　　為驗證HR8066型靜力水準儀進行沉降監(jiān)測的可靠性，在該項目的2 號、3 號、5 號斷面HR8066型靜力水準儀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(jié)果與HR8066型靜力水準儀監(jiān)測成果進行比對，比較結(jié)果如表3所示。可以看出用測量機器人與HR8066型靜力水準儀監(jiān)測的結(jié)果平均差值為－0．5 mm，可以說兩種方法監(jiān)測結(jié)果基本吻合，監(jiān)測精度在亞毫米級以內(nèi)。

　　五、結(jié)論

　　(1) 采用HR8066型靜力水準儀進行軌道交通結(jié)構(gòu)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HR8066型靜力水準儀進行結(jié)構(gòu)沉降自動化監(jiān)測，其主要誤差來源是系統(tǒng)內(nèi)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(shù)據(jù)盡量同步，可以將所有HR8066型靜力水準儀接入相鄰的通道內(nèi)，但數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)質(zhì)量與安裝質(zhì)量密切相關，其數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定需連續(xù)觀測一段時間才能判斷，為保證數(shù)據(jù)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。

　　靜力水準儀技術參數(shù)

　?、?主要性能指標

　　標準量程：1000mm或其他

　　精 度：＜±0.3mm

　　分 辨 率：0.01mm

　　年穩(wěn)定性：＜±0.5mm

　　過載能力：200％F?S

　?、?溫度特性

　　工作溫度范圍：-20～85℃

　　溫度補償范圍：-20-60℃

　　溫度傳感器：

　　測溫范圍-40～150℃

　　測溫精度±0.2℃

　?、?電氣特性

　　電氣連接：防水四芯插件

　　供電電壓：5～24VDC（HR8066）

　　12～24VDC（HR8067）

　　輸出信號：MODBUS-RUT（HR8066）

　　4～20mA（HR8067）

　　電源防護：防反接、過壓保護

　　通信接口：RS485，靜電保護

　?、?結(jié)構(gòu)特性

　　外殼材料：鋁合金

　　管路接頭：不銹鋼快速接頭或不銹鋼螺紋鎖緊接頭

　　⑤.環(huán)境特性

　　防護等級：IP67安裝方式：排氣閥朝上垂直固定安裝