靜力水準自動化監測系統在西安地鐵地裂縫設防段的監測應用研究

高小寧，馬 瀛

(1.中煤西安設計工程有限責任公司，陜西西安 710054；2.西安市軌道交通集團有限公司，陜西西安 710021)

1 引 言

西安地裂縫破壞的主因是地裂縫兩側存在相對沉降差，因此，西安地鐵修建過程中，在隧道穿越地裂縫區域設置了地裂縫設防段。目前，西安地鐵地裂縫設防段自動化監測通常以全站儀自動化監測系統為主，其費用成本較高，監測點距離較遠時三角高程單向測量結果穩定性較差?；诖?，本文以靜力水準自動化監測系統為主要研究對象[1]，并對比全站儀自動測量系統高程測量結果和人工二等水準測量結果，多方面評價靜力水準自動化監測系統。

2 靜力水準自動化監測系統

2.1 靜力水準自動化監測系統構成

靜力水準自動化監測系統主要構成部分包括數據采集模塊、數據通信模塊、數據處理和分析模塊三大部分[2]。

數據采集模塊核心選用RTDT-221型壓力式水準傳感器，通過一根透明的PU管串聯多個傳感器，最后連接到一個儲液罐上。相比于管線的容量，儲液罐擁有足夠大的容量，能夠有效減少由于溫度變化所帶來的影響。

數據通信模塊采用無線4G通信技術，將傳感器監測數據實時發送至監測系統平臺，進行數據處理。通過短信、郵件等形式，根據監測數據結果和前期預設報警值自動播報監測信息至指定接收人。

2.2 靜力水準自動化監測系統工作原理

靜力水準測量采用圖1所示的連通器原理，即連通的容器中，液體總是尋求相同勢能的水平原理，測量監測點間垂直高度的差異和變化量。為消除大氣壓的影響，所有的傳感器共用一根通氣管，最后連接到儲液罐，形成一個封閉的氣壓自平衡系統。

圖1 靜力水準測量原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of static leveling principle

2.3 靜力水準自動監測系統安裝

靜力水準主要安裝步驟如下：首先，用水準儀標定儲液罐和傳感器位置，確保傳感器位置高差小于其量程；其次，安裝傳感器和儲液罐，拼接連通管，檢查系統連通性，并灌液和調平設備；最后，打開通氣閥連通通信及供電設備，進行監測系統調試。

靜力水準自動監測系統安裝注意事項如下：

1)基準點須安裝在變形影響區域以外，根據《西安地裂縫場地勘察與工程設計規程》[3]，地裂縫影響區范圍為上盤0～20 m，下盤0～12 m，本試驗將基準點安裝在地裂縫下盤60 m處的隧道側墻上。

2)本試驗所采用的RTDT-221型壓力式水準傳感器量程為1 000 mm，因此，在傳感器位置標定時應選用水準儀量測初步標定點位置，上下調整安裝點，使傳感器處于同一水平面上。西安地區安裝時，應在系統液中加入一定量的防凍液和0.1%的硫酸銅溶液，防止冬季隧道內外循環通風時冰凍和夏季液體連通管內滋生水藻。

3 項目試驗

本次項目試驗位于西安地鐵某號線某地裂縫設防段，在已有全站儀自動監測系統基礎上增設靜力水準自動化監測系統。本試驗共布設13處型號為RTDT-221的壓力式靜力水準傳感器(量程0～1 000 mm，最小讀數0.1 mm)。

3.1 靜力水準監測數據內符合精度分析

本試驗共布設13個監測靜力水準傳感器，編號為1～13，距離基準點由遠及近分布，如圖2所示。

圖2 靜力水準傳感器布設示意圖Fig.2 Schematic diagram of static leveling sensor layout

3.1.1 停車時監測數據分析

統計分析停車時間段(1:00—4:50)的監測數據，傳感器讀數頻率為5分鐘/次，每個傳感器在同一時間段共讀數45次。選取4號、10號、13號靜力水準傳感器監測數據，繪制曲線圖(見圖3)，數據曲線平穩波動，無明顯發展趨勢，波動范圍為±0.04 mm。

圖3 停車后4號、10號、13號傳感器監測數據曲線Fig.3 No.4,No.10 and No.13 sensors monitoring data curves after parking

表1 停車后靜力水準傳感器測量誤差統計Tab.1 Thestaticlevelsensormeasurementerrorafterparking1號2號3號4號5號6號7號8號9號10號11號12號13號測量中誤差/mm0.0350.0330.0310.0290.0260.0270.0270.0220.0280.0250.0230.0180.015

圖4 停車后靜力水準傳感器測量誤差分布Fig.4 The measurement error distribution of static leveling sensor after parking

3.1.2 行車時監測數據分析

統計分析行車時間段(9:00—23:50)的監測數據，傳感器讀數頻率為20分鐘/次，每個傳感器在同一時間段共讀數45次。根據同一時間段內13個傳感器的監測數據計算測量中誤差(含粗差和剔除粗差兩項，見表2)，并繪制曲線圖(見圖5)。粗差判定原則為短時間內出現數據跳躍大于1 mm，且下一監測周期內快速反彈。

圖5 行車時傳感器監測數據曲線Fig.5 Traffic sensor monitoring data curve when driving

選取6號靜力水準傳感器監測數據，繪制數據分布圖(見圖6)，在行車時間段殘差值整體較停車時間段離散。

表2 行車時靜力水準傳感器測量誤差統計Tab.2 Thestaticlevelsensormeasurementerrorwhendriving傳感器編號1號2號3號4號5號6號7號8號9號10號11號12號13號中誤差/mm(含粗差)1.9441.8581.4001.2161.0911.0630.9700.8770.6920.7220.6030.4780.093測量中誤差/mm0.3440.3520.2970.2830.2550.2520.2520.2640.2180.2090.1850.1630.093

圖6 行車時 6號傳感器監測數據分布Fig.6 No.6 sensor monitoring data distribution when driving

根據監測數據統計分析得到如下結論：第一，傳感器測量誤差大小分布特點與距離基準點高度相關，距離越遠誤差越大；第二，原始監測數據統計結果顯示粗差點通常位于7:30、21:05、23:45這3個時間點附近，是由數據采集時受列車振動所致；第三，剔除粗差后的行車時測量數據中誤差顯著高于停車時中誤差。綜上所述，壓力式靜力水準傳感器測量精度受列車振動影響顯著。

3.1.3 傳感器測量精度隨時間的損失情況分析

選擇2019年9月3日至2020年11月3日時間段內，位于監測區域中間的6號傳感器每月第3天的數據進行測量中誤差計算(剔除粗差的監測數據)和數據分析(見圖7)，結果表明，中誤差在0.1～0.4 mm區間波動，監測期內傳感器測量數據符合性良好。

圖7 全天候6號傳感器各時間段測量誤差分布Fig.7 The measurement error distribution of the all time of No.6 sensor in each time period

3.2 靜力水準傳感器與全站儀三角高程、人工二等水準監測數據對比

本次試驗對比2019年11月2日至2020年11月3日時間段內全站儀三角高程、人工二等水準數據和靜力水準傳感器測量數據的累計變形值(見表3)，繪制變形值曲線(見圖8)。利用現有成熟的測量成果驗證相同環境下靜力水準傳感器監測結果的可靠性。

表3 靜力水準傳感器與全站儀三角高程、人工二等水準測量累計變形Tab.3 Thecumulativedeformationofstaticlevelingsensorandtotalstationtrigonometricelevation,secondordermanualleveling點號水準/mm靜力水準/mm全站儀/mm點號水準/mm靜力水準/mm全站儀/mm起算點0.00.00.07號-2.5-1.3-2.513號-1.10.3-0.76號-2.9-2.4-3.212號-1.3-0.5-1.25號-3.1-2.2-3.111號-1.5-0.5-1.14號-3.4-2.1-3.910號-1.6-1.0-1.23號-3.4-2.3-4.29號-1.5-0.8-1.42號-5.0-3.1-5.88號-1.4-1.1-1.91號-4.4-3.4-6.3

圖8 靜力水準傳感器與全站儀三角高程、人工二等水準測量累計變形曲線Fig.8 Static leveling sensor and total station tigonometric elevation,manual leveling second class cumulative deformation curves

監測結果表明，7號至13號傳感器監測數據與人工二等水準測量數據符合性優于1 mm，1號至6號傳感器監測數據相對偏差較大，2號點差值最大為1.9 mm。全站儀監測數據在遠離基準點位置偏差較大的原因是全站儀測量系統起算基準點位于監測區域兩端，與水準測量系統有差異。

4 結束語

1)靜力水準自動化監測系統傳感器數據采集精度受行車振動影響顯著，但具有測量內符合精度高、測量頻率高的特點，其測量精度和可靠性均可以滿足西安地鐵地裂縫設防段自動化監測工作需求。此外，靜力水準自動化監測系統具有成本優勢和最高2分鐘/次的高頻讀數優勢，較適用于穿越工程影響區建/構筑物沉降變形監測，配合動態施工管理。

2)靜力水準測量方法的測量誤差與距離基準點長度正相關，不同的監測項目應根據需求選擇合理的測線長度，可通過分段設置測線或在測線兩端設置基準點的方式進行成果校正。

3)壓力式靜力水準傳感器監測系統因采用相對密封的內循環空間，儲液損失量極少，拉長了維保周期，同時在漫長的監測周期內，數據采集內符合精度無明顯損失。該數據與人工二等水準測量數據有一定差值，可能是由于壓力式傳感器計算模型存在不足。

4)本次試驗存在以下不足：第一，研究環境較為單一，缺少溫差、日照方面的影響研究；第二，研究面較狹窄，缺乏多條測線基準傳遞問題和外界碰撞干擾問題的研究。以上不足需要結合后期工作，繼續探索總結。