張春哲，王井利

(沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110168)

一、引 言

靜力水平系統(tǒng)，是利用相連的容器中液體總是具有相同勢(shì)能的原理，測(cè)量和監(jiān)測(cè)所選參照物彼此之間垂直高度的差異和變化量的一種測(cè)量系統(tǒng)。通常采用MCU-32分布式模塊化自動(dòng)化測(cè)量單元采集數(shù)據(jù)，并通過有線或無線通信與計(jì)算機(jī)連接，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測(cè)，因此精度很高，近年來在測(cè)量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

沈陽地鐵一號(hào)線懷中區(qū)間(懷遠(yuǎn)門站—中街站)采用盾構(gòu)式施工，盾構(gòu)區(qū)間右線全長(zhǎng)1 165．867m，左線全長(zhǎng)1 172．248 m，設(shè)有3段半徑分別為350 m、400m和1500m的曲線，盾構(gòu)區(qū)間需穿越約700m的建筑群，最大埋深19．41m，并且途經(jīng)沈陽最為繁華地段之一：中街及古建筑懷遠(yuǎn)門、沈陽故宮。因此，保證地鐵監(jiān)測(cè)能夠準(zhǔn)確并且及時(shí)反映地鐵當(dāng)前工作狀態(tài)顯得尤為重要。地鐵目前運(yùn)營(yíng)狀況，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法無法在高密度的行車區(qū)間內(nèi)實(shí)施作業(yè)，也不能滿足大量采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)并及時(shí)準(zhǔn)確反饋的要求。為此，該區(qū)間采用靜力水平系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，解決了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的種種弊端，很好地滿足了工程監(jiān)測(cè)的要求。

二、靜力水平測(cè)量原理

靜力水平系統(tǒng)又稱連通管水準(zhǔn)儀，該系統(tǒng)至少由兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)組成，每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)安裝一套靜力水準(zhǔn)儀。靜力水準(zhǔn)儀的后貯液容器互相用通液管完全連通，后貯液容器內(nèi)注入液體(水)，當(dāng)液體液面完全靜止后系統(tǒng)中所有連通容器內(nèi)的液面應(yīng)同在一個(gè)大地水平面上?0，此時(shí)每一容器的液位由傳感器測(cè)出，即初始液位值分別為：H10、H20、H30、H40、…、Hi0，如圖1所示。

假設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1為基準(zhǔn)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的地基下沉，測(cè)點(diǎn)3的地基上升，測(cè)點(diǎn)4的地基不變等，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)液面達(dá)到平衡靜止后形成新的水平面?1，則各點(diǎn)連通容器內(nèi)新液位值分別為：H1、H2、H3、H4、…、Hi，如圖2所示。

系統(tǒng)各測(cè)點(diǎn)的液位由靜力水準(zhǔn)儀傳感器測(cè)得，各測(cè)點(diǎn)液位變化量分別計(jì)算為其中，計(jì)算結(jié)果Δhi為正值時(shí)表示該測(cè)點(diǎn)貯液容器內(nèi)的液面升高;Δhi為負(fù)值時(shí)表示該測(cè)點(diǎn)貯液容器內(nèi)的液面降低，如圖2所示。

在此，選定監(jiān)測(cè)點(diǎn)1為基準(zhǔn)點(diǎn)，則其他各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的垂直位移(沉降量)為其中，計(jì)算結(jié)果ΔHi為正值時(shí)表示該測(cè)點(diǎn)地基抬高;ΔHi為負(fù)值時(shí)表示該測(cè)點(diǎn)地基沉降，如圖2所示。

圖1 靜力水平系統(tǒng)工作原理示意圖

圖2 靜力水平系統(tǒng)工作原理示意圖

通?；鶞?zhǔn)點(diǎn)是相對(duì)恒定的或者是可用其他方式準(zhǔn)確測(cè)定的點(diǎn)，因此精確計(jì)算各點(diǎn)的絕對(duì)垂直位移，必須核定基準(zhǔn)點(diǎn)地基的沉降變化量。

對(duì)于多測(cè)點(diǎn)的靜力水平測(cè)量系統(tǒng)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的靜力水準(zhǔn)儀均需加接三通接頭，使各測(cè)點(diǎn)貯液容器用水管連接，各點(diǎn)容器上部與大氣連通，且各點(diǎn)安裝高程應(yīng)基本相同，基準(zhǔn)點(diǎn)必須穩(wěn)固。

三、靜力水平系統(tǒng)在一號(hào)線懷中區(qū)間的應(yīng)用

1．監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

本工程根據(jù)地鐵內(nèi)實(shí)際情況，在地鐵左右線分別布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中基準(zhǔn)點(diǎn)(JD1—JD4)4個(gè)，左右線監(jiān)測(cè)點(diǎn)各20個(gè)，具體布設(shè)如圖3所示。

圖3 地鐵一號(hào)線懷中區(qū)間自動(dòng)化監(jiān)測(cè)布點(diǎn)示意圖

2．靜力水準(zhǔn)儀的安裝

(1)安裝預(yù)埋底板組件或儀器支架

因?yàn)榈罔F內(nèi)實(shí)際情況不便搭建混凝土儀器墩，所以采用角鋼制作的懸臂式三腳支架與被測(cè)點(diǎn)位剛性耦合，由懸臂三腳支架提供儀器安裝平面，而各測(cè)點(diǎn)所提供的儀器安裝平面高差也應(yīng)控制在±5 mm范圍內(nèi)。

(2)安裝儀器底板和缽體

將組裝好3根不銹鋼螺桿的儀器底座放入儀器墩預(yù)埋組件的螺桿中，調(diào)整好高度并固定，然后放置缽體。

(3)安裝連通管

按各測(cè)點(diǎn)之間的管線路徑長(zhǎng)度順序鋪放連通管，并與各缽體串接起來。連通管材料為纖維增強(qiáng)型PVC軟管，用熱水泡漲后接入缽體液嘴，冷卻后即可保證不漏液。

(4)加 液

連通管內(nèi)液體工作介質(zhì)采用蒸餾水配甲醛溶液，達(dá)到防腐效果。如果在高寒地區(qū)工作，則應(yīng)按當(dāng)?shù)毓ぷ鳝h(huán)境下的最低溫度配入防凍液。加液時(shí)應(yīng)從一端順序操作，完全排除氣泡。每個(gè)缽體內(nèi)的液位高度可根據(jù)缽體內(nèi)的標(biāo)尺刻度統(tǒng)一控制，并通過調(diào)整儀器底座高度找平。

(5)安裝檢測(cè)儀器

將組裝好的儀器浮子單元和 CCD傳感器單元的儀器板裝在缽體上，并用3根不銹鋼螺桿固定。

(6)安裝電源線、通訊線和MCU

按各測(cè)點(diǎn)之間的管線路徑順序鋪放電源線和通信線。電源線和通信線通過各自的涵道接入測(cè)點(diǎn)儀器和MCU內(nèi)。MCU的電源線和通信線則連接到觀測(cè)機(jī)房。

(7)加硅油

為防止缽體內(nèi)液體蒸發(fā)，需要在液體內(nèi)加入硅油，其入口在儀器安裝板上，平時(shí)應(yīng)用橡膠塞堵住?？刹捎米⑸淦髋c導(dǎo)管與硅油。

(8)管線保護(hù)和測(cè)點(diǎn)儀器的保護(hù)

安裝儀器的掃尾工作是將連通管和電纜線加以包裝保護(hù)后放入溝槽或橋架中。包裝方式最好采用1米一段的聚氯乙烯保溫材料包裹，既可以起到保護(hù)作用，也能達(dá)到隔熱效果，在壩頂面安裝時(shí)更為必要。最后用專用金屬保護(hù)箱逐個(gè)將儀器罩起來。專用保護(hù)箱需專門定做，并且用于壩頂面的保護(hù)箱最好采用不銹鋼制作，箱體內(nèi)壁則用發(fā)泡材料作成隔熱層[2]。

3．沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

剔除奇異值并進(jìn)行相應(yīng)的插補(bǔ)后，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制各監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間變化的累計(jì)沉降折線圖，如圖4、圖5所示。

圖4 左線監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降變化折線圖

圖5 右線監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降變化折線圖

由圖4可以看出，左線監(jiān)測(cè)點(diǎn)自4月20日開始監(jiān)測(cè)以來，變化趨勢(shì)為總體緩慢下降。其中，4月20日至5月10日期間，出現(xiàn)部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)上升趨勢(shì)，L16上升幅度最大，上升至0．3 mm，隨后又恢復(fù)下降，L11沉降最大，沉降至-0．7mm;5月10日至6月9日期間，監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降較大，而且在5月10日至5月20期間，出現(xiàn)上升現(xiàn)象，L13上升最大，升至0．1mm，而后緩慢下降到5月30日，沉降最大的為L(zhǎng)03，降至-0．8mm，隨后出現(xiàn)較大沉降至6月10日左右，L03沉降最大，下降至-1．9mm，到6月15日，又出現(xiàn)緩慢上升，隨后緩慢沉降，趨于穩(wěn)定。

由圖5可以看出，自4月20日開始監(jiān)測(cè)以來，右線沉降變化總體為緩慢下降。其中，4月20日至5月15日期間，R08沉降最大，變化量為-0．8mm;5月15日至6月15日，R08沉降最大，累計(jì)沉降 -1．2mm;6月10日后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)平穩(wěn)沉降，逐步趨于穩(wěn)定。

為了檢驗(yàn)靜力水平系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精度，懷中區(qū)間還采用天寶Dini03電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)，根據(jù)中誤差計(jì)算公式對(duì)每一臺(tái)靜力水準(zhǔn)儀觀測(cè)數(shù)據(jù)的中誤差進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 mm

由表1中數(shù)據(jù)可知，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳感器中誤差變化范圍總體為0．1～0．3 mm，小于天寶Dini03電子水準(zhǔn)儀的中誤差0．3mm。

圖6 靜力水平與Dini03電子水平對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)L10(上)測(cè)量值對(duì)比

由圖6可以看出，對(duì)同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)L10(上)，靜力水平系統(tǒng)與電子水準(zhǔn)儀Dini03測(cè)量值總體變化趨勢(shì)基本一致，對(duì)每天測(cè)量值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得到差值變化范圍為 ±0．01mm ～ ±0．27mm，平均值為 ±0．11mm[4]。

四、結(jié)束語

對(duì)沈陽地鐵一號(hào)線懷中區(qū)間的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，是在一號(hào)線已經(jīng)運(yùn)行通車的情況下進(jìn)行的，此時(shí)主體建筑已經(jīng)結(jié)束，地鐵運(yùn)行通暢良好，整個(gè)區(qū)間均已進(jìn)入運(yùn)營(yíng)階段，故沉降量較小，總體趨于平穩(wěn)。由靜力水平系統(tǒng)與Dini03監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比可得出結(jié)論：用靜力水平代替人工電子水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)是可行的。另外，排除儀器自身誤差，沉降的主要原因?yàn)榈罔F隧道本身自重以及列車運(yùn)行時(shí)，對(duì)軌道的向下的壓力。此外，雨水也是沉降的另外一個(gè)主要原因，沈陽地下水系豐富，隨著夏季來臨，降水逐漸增多，尤其在5月10日和6月10日之前2至3天，沈陽降水頻繁，導(dǎo)致地鐵主體下方含水量增大，使土壤膨脹，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)上升現(xiàn)象，而后土壤中水分逐漸向下滲透，監(jiān)測(cè)點(diǎn)逐漸恢復(fù)沉降[3]。

[1]顧孝烈，鮑峰，程效軍．測(cè)量學(xué)[M]．3版．上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2006．

[2]張建坤，徐俊峰，徐國(guó)雙．靜力水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)在地鐵8號(hào)線第三方監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]．現(xiàn)代城市軌道交通，2011(8)：144-147．

[3]鄒積婷，江恒彪．北京地鐵沉降檢測(cè)方法及數(shù)據(jù)處理[J]．工程勘察，2006(1)：43-45．

[4]付和寬．地鐵隧道內(nèi)靜力水準(zhǔn)觀測(cè)的精度分析[J]．現(xiàn)代測(cè)繪．20012，34(1)：43-46．