壓力變送器在軌道交通結(jié)構(gòu)監(jiān)測中的運用

周雋，張晉

(1.重慶市勘測院，重慶　401121；　2.重慶市智能感知大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)業(yè)中心，重慶　401121)

1　引　言

伴隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市化進程在顯著加快，城市建設(shè)、城市改造的規(guī)模和速度均在擴大。在城市軌道交通控制保護區(qū)范圍內(nèi)的施工和作業(yè)大量涌現(xiàn)，不可避免地對已運營的軌道交通結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的受力失衡，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部的水平位移、沉降、拉伸、壓縮、剪切、彎曲、扭轉(zhuǎn)等形變，造成隧道滲漏水、限界的改變、道床的沉降、軌道的幾何變化。如果結(jié)構(gòu)變形超出控制值，會嚴(yán)重威脅軌道交通的運營安全，給人民生命財產(chǎn)造成巨大損失。因此對受到外部作業(yè)施工影響的城市軌道交通結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測，確保其運營安全，反饋和指導(dǎo)外部作業(yè)的施工顯得尤為重要。

由于許多軌道交通控制保護區(qū)內(nèi)的外部作業(yè)項目與軌道交通結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系多為上跨或下穿，結(jié)構(gòu)的變形主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)高程變化上，采用靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測軌道交通結(jié)構(gòu)多個監(jiān)測點沉降的變化，已在北京、上海、廣州等城市中運用，取得了較好的效果[1～3]。目前直接利用浮子測量液面高度的靜力水準(zhǔn)儀在國內(nèi)軌道交通結(jié)構(gòu)沉降自動化監(jiān)測中運用最為廣泛。由于采用直接測量液面變化的原理，因此該類靜力水準(zhǔn)儀的量程一般較小，取決于其容器的高度，一般不大于 100 mm。對設(shè)備安裝精度要求較高，安裝時要求初始高程基本相同。采用該類型的靜力水準(zhǔn)儀，對于線路縱斷面設(shè)計坡度變化較大的地段，需要分區(qū)段布設(shè)，并在各區(qū)段水準(zhǔn)儀之間設(shè)置縱向級聯(lián)靜力水準(zhǔn)儀[4]，系統(tǒng)設(shè)計、安裝困難，增加了監(jiān)測系統(tǒng)的成本。

2　基于壓力變送器的沉降監(jiān)測系統(tǒng)

2.1　壓力變送器原理

在工業(yè)領(lǐng)域已廣泛運用的壓力變送器可以用來測量液體、氣體或蒸汽的液位、密度和壓力，其工作原理[5]是來自雙側(cè)導(dǎo)壓管的壓力差值直接作用于變送器傳感器雙側(cè)隔離膜片上，通過膜片內(nèi)的密封液傳導(dǎo)至測量元件上，測量元件將測得的壓力信號轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的電信號傳遞給轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過放大等處理變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電信號輸出，如圖1所示。

圖1　壓力變送器內(nèi)部原理圖

壓力變送器測量值是水頭的壓力，傳感器自身無須儲液罐，以橫河EJA110型差壓變送器為例，其規(guī)格為長 125 mm×寬110 mm×高 197 mm，其規(guī)格與傳統(tǒng)靜力水準(zhǔn)儀相比大大減小。壓力變送器測量的量程大，橫河EJA110型差壓變送器量程為 50 mm～10 000 mm(H2O)，測量精度為±0.075%，分辨率為±0.01%。當(dāng)各壓力變送器之間最大高差在 10 cm以內(nèi)時，其測量精度可達(dá) ±0.1 mm，與傳統(tǒng)靜力水準(zhǔn)儀精度相當(dāng)。當(dāng)高差為 1 m時，其測量的精度為 ±0.75 mm，分辨率為 ±0.1 mm，可以彌補傳統(tǒng)靜力水準(zhǔn)儀器量程小的缺點，使得沉降監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計和安裝更為方便，在線路縱斷面設(shè)計坡度變化較大的區(qū)段更具有優(yōu)勢。壓力變送器都是工業(yè)級應(yīng)用產(chǎn)品，其長期穩(wěn)定性5年可達(dá)±0.1%，可連續(xù)工作5年不用調(diào)校零點，溫度、靜壓對其影響很小，在高溫、高壓環(huán)境下均能保持較高的穩(wěn)定性。

2.2　系統(tǒng)設(shè)計

基于壓力變送器的沉降監(jiān)測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備及傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、監(jiān)控中心、用戶子系統(tǒng)四大部分組成，如圖2所示。監(jiān)測設(shè)備與傳感器子系統(tǒng)主要是布置在監(jiān)測現(xiàn)場的壓力變送器和采集器等硬件設(shè)備；數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)的主要功能是對采集器進行控制，定期采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)并向監(jiān)控中心傳入數(shù)據(jù)，并執(zhí)行相關(guān)命令；監(jiān)控中心是整個監(jiān)測系統(tǒng)的控制中心、數(shù)據(jù)存儲中心、數(shù)據(jù)處理、分析和評價中心、監(jiān)測預(yù)警發(fā)布中心；用戶子系統(tǒng)實現(xiàn)將各種數(shù)據(jù)實時按需求向用戶展示，并且接受用戶對系統(tǒng)的控制與輸入。

在現(xiàn)場采集端，壓力變送器測量的是流體的過程壓力，因此需要單獨設(shè)置儲液罐來保證整個系統(tǒng)的壓力。在系統(tǒng)的一端設(shè)置儲液罐，并與各個壓力變送器的高壓端用連通管連通，保障儲液罐中液面的高度高于所有壓力變送器中心位置的高度，如圖3所示。當(dāng)監(jiān)測區(qū)段較長時，為保障整個系統(tǒng)的壓力，可以在系統(tǒng)兩端頭分別設(shè)置儲液罐。各監(jiān)測點之間安裝高差可根據(jù)測量精度選擇，為保障監(jiān)測精度優(yōu)于 ±1.0 mm，監(jiān)測點之間最大高差不宜大于 1 m。

圖2　監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)充入的液體一般采用防凍液，若用純凈水作為介質(zhì)，應(yīng)在水中加入防腐劑，防止液體變質(zhì)。將防凍液倒入儲液罐中，然后依次從最遠(yuǎn)端打開壓力變送器排氣閥門排氣，直到傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定為止。用密度計在儲液罐處測量填充液體的密度，作為參數(shù)輸入，換算得到各監(jiān)測點相對儲液罐液面的高度差。

3　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，利用基于壓力變送器的沉降監(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(shè)了應(yīng)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(shè)計最大為42.5‰，區(qū)間隧道拱頂最大高差為 7.5 m，若采用傳統(tǒng)靜力水準(zhǔn)儀設(shè)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 50 m，壓力變送器均安裝在隧道左側(cè)拱肩部位，在線路北側(cè)穩(wěn)定區(qū)域設(shè)置基準(zhǔn)點壓力變送器與儲液罐，壓力變送器之間最大高差約為 220 mm，壓力變送器采用橫河EJA110A型，采集器采用基康BGK-Micro-40測量單元，數(shù)據(jù)采樣間隔為 10 min。

圖4擬拆除建筑與隧道關(guān)系圖

圖5　監(jiān)測斷面?zhèn)鞲衅鞑贾脠D(單位/m)

4　監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1　誤差源分析

采用壓力變送器進行軌道交通結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測與傳統(tǒng)靜力水準(zhǔn)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[6]。

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(yīng)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。

圖6　各監(jiān)測斷面與3號斷面的溫度差

(2)氣壓和重力的影響

氣壓、重力的不同會影響液面的高度，由于壓力變送器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(rèn)為各監(jiān)測點的重力加速度g和氣壓保持不變[7，8]。

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(dāng)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、動力電纜的電流對壓力變送器的電磁干擾、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(zhǔn)點，基準(zhǔn)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 0 mm～2 mm不等，沉降量均增大。

圖7　壓力變送器監(jiān)測數(shù)據(jù)與列車經(jīng)過的時間比對

(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(zhǔn)點液面的減少量基本一致，整個過程曲線如圖8所示。由于壓力變送器的膜盒內(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(guān)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)；二是定期給壓力變送器排氣，使該傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定為止。

圖8　4號壓力變送器監(jiān)測值變化量與儲液罐液面變化量

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，壓力變送器的監(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。

圖9　某天系統(tǒng)監(jiān)測過程曲線

對列車停運期間的監(jiān)測結(jié)果進行統(tǒng)計分析，可以真實反映壓力變送器監(jiān)測精度。從表1中可以看出，夜間列車停運期間，壓力變送器監(jiān)測精度優(yōu)于 0.1 mm。每天的監(jiān)測成果最好取夜間一段時間的平均值作為當(dāng)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，隧道運營期壓力變送器監(jiān)測精度達(dá)到亞毫米，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)粗差過濾和平滑，也能達(dá)到實時沉降監(jiān)測的精度。

列車停運期間各壓力變送器監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)差(單位/mm)　　表1

隧道運營期間各壓力變送器監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)差(單位/mm)　　表2

4.3　監(jiān)測成果比對

為驗證壓力變送器進行沉降監(jiān)測的可靠性，在該項目的2號、3號、5號斷面壓力變送器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)果與壓力變送器監(jiān)測成果進行比對，比較結(jié)果如表3所示?？梢钥闯鲇脺y量機器人與壓力變送器監(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)。

測量機器人與壓力變送器監(jiān)測成果差值(單位/mm)　　表3

5　結(jié)　論

(1)采用壓力變送器進行軌道交通結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測，其監(jiān)測精度與傳統(tǒng)靜力水準(zhǔn)儀相當(dāng)，可以有效克服傳統(tǒng)靜力水準(zhǔn)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(zhǔn)儀有較大優(yōu)勢。

(2)利用壓力變送器進行結(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(yán)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(zhǔn)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，可以將所有壓力變送器接入相鄰的通道內(nèi)，但數(shù)據(jù)的嚴(yán)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(guān)，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。