工程案例

　　在某違章建筑拆除對軌道交通隧道結構影響自動化監測項目中，為及時掌握其拆除過程中對隧道結構的影響，利用基于HR8066型靜力水準儀的沉降監測系統對該段隧道進行了實時沉降監測，同時還布設了應力監測傳感器。受影響范圍內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‰，區間隧道拱頂高差為7.5m，若采用傳統靜力水準儀設計和安裝均十分困難。該項目一共布置5個監測斷面，斷面間距約50m，HR8066型靜力水準儀均安裝在隧道左側拱肩部位，在線路北側穩定區域設置基準點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，數據采樣間隔為10min。

　　四、監測數據分析

　　4.1 誤差源分析

　　采用HR8066型靜力水準儀進行軌道交通結構沉降監測與傳統靜力水準測量類似，也受到多種誤差源的影響，其主要有溫度的變化、環境壓力、列車震動、填充液的質量等因素影響。

　　(1)溫度影響

　　系統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。

　　統計3 個多月各斷面的溫度實時監測數據，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，其余斷面的溫差均在±0. 25℃以內。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。如果監測系統安裝在戶外，由于受到遮擋和日照的不同容易引起溫差較大的情況，應根據各個傳感器所測量的溫度對監測結果進行模型改正。

　　(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境中，在一個比較小的范圍內使用，可以認為各監測點的重力加速度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，造成隧道內氣壓的變化，會對測量結果帶來一定波動，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定，對監測結果影響較小。當對監測精度要求較高時，可將所有監測點變送器的低壓端用空管進行連通，形成密閉系統，可以明顯減小外部環境干擾。

　　(3)列車影響

　　軌道交通列車以一定的速度通過監測區域時產生的振動影響、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測結果帶來影響。以本項目為例，在某日監測過程中，監測人員對列車經過傳感器的大致時間進行記錄，然后跟傳感器監測數據的時間序列進行比對，比對成果如圖7 所示。列車通過監測點時，增加該部位隧道的荷載，會引起監測點的下沉，由于該項目列車先經過的部位為基準點，基準點下沉相對會使監測點上升。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據發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

　　監測過程中發現4號監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，造成監測值的偏移，且與整個系統的壓力有一定的相關性。系統中的液體在外界環境的影響下，溶解在其中的氣體會不斷析出，聚集在傳感器內引起測量的誤差。為消除系統中氣泡的影響，一是可以選擇硅油等性質穩定的液體作為介質;二是定期給HR8066型靜力水準儀排氣，使該傳感器監測數據穩定為止。

　　4.2 監測精度分析

　　以某天監測的過程曲線(圖9)可以明顯看出，在夜間停運期間凌晨0:00～5:00，HR8066型靜力水準儀的監測曲線十分平穩。白天由于受列車運營、電磁干擾，噪聲和異常較多，對于運營期間的監測數據需要進行粗差識別、過濾。

　　對列車停運期間的監測結果進行統計分析，可以真實反映HR8066型靜力水準儀監測精度。從表1 中可以看出，夜間列車停運期間，HR8066型靜力水準儀監測精度優于0.1mm。每天的監測成果取夜間一段時間的平均值作為當天的監測成果值。從表2中可以看出，對隧

　　道運營期監測數據粗差過濾后進行精度統計，隧道運營期HR8066型靜力水準儀監測精度達到亞毫米，通過對監測數據粗差過濾和平滑，也能達到實時沉降監測的精度。

　　4. 3 監測成果比對

　　為驗證HR8066型靜力水準儀進行沉降監測的可靠性，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測，將監測結果與HR8066型靜力水準儀監測成果進行比對，比較結果如表3所示?？梢钥闯鲇脺y量機器人與HR8066型靜力水準儀監測的結果平均差值為－0．5 mm，可以說兩種方法監測結果基本吻合，監測精度在亞毫米級以內。

　　五、結論

　　(1) 采用HR8066型靜力水準儀進行軌道交通結構沉降監測，其監測精度與傳統靜力水準儀相當，可以有效克服傳統靜力水準儀量程小，安裝困難的缺點，在線路縱坡較大的區段以及需要對隧道拱肩以上部位進行監測時，相比傳統靜力水準儀有較大優勢。

　　(2)利用HR8066型靜力水準儀進行結構沉降自動化監測，其主要誤差來源是系統內未排出氣泡、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。對于沉降監測系統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。為使數據盡量同步，可以將所有HR8066型靜力水準儀接入相鄰的通道內，但數據的嚴格同步還需進行進一步研究。

　　(4)整個沉降監測系統的數據質量與安裝質量密切相關，其數據是否穩定需連續觀測一段時間才能判斷，為保證數據的可靠性和連續性，建議同時采用其他人工監測手段進行相互驗證和補充。

　　靜力水準儀技術參數

　?、?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

　?、?結構特性

　　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

　?、?環境特性

　　防護等級：IP67安裝方式：排氣閥朝上垂直固定安裝