工程案例

　　在某違章建筑拆除對(duì)軌道交通隧道結(jié)構(gòu)影響自動(dòng)化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，為及時(shí)掌握其拆除過程中對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，利用基于HR8066型靜力水準(zhǔn)儀的沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)該段隧道進(jìn)行了實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)，同時(shí)還布設(shè)了應(yīng)力監(jiān)測(cè)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(gè)單洞單線兩種斷面，受影響范圍長(zhǎng)度約為160 m，線路縱斷面坡度設(shè)計(jì)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(zhǔn)儀設(shè)計(jì)和安裝均十分困難。該項(xiàng)目一共布置5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，斷面間距約50m，HR8066型靜力水準(zhǔn)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(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)HR8066型靜力水準(zhǔn)儀與儲(chǔ)液罐，HR8066型靜力水準(zhǔn)儀之間高差約為220mm，HR8066型靜力水準(zhǔn)儀采用恒瑞HR3051-DP型，采集器采用BGK－Micro－40 測(cè)量單元，數(shù)據(jù)采樣間隔為10min。

　　四、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

　　4.1 誤差源分析

　　采用HR8066型靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行軌道交通結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)與傳統(tǒng)靜力水準(zhǔn)測(cè)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(dòng)、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(jì)3 個(gè)多月各斷面的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從圖6 可以看出，除了1 號(hào)斷面與另外4 個(gè)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(hào)斷面靠近輕軌站臺(tái)防火門，受到站臺(tái)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(dòng)。由于隧道內(nèi)各斷面溫差較小，所以溫度對(duì)高差影響可以忽略不計(jì)。如果監(jiān)測(cè)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(gè)傳感器所測(cè)量的溫度對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行模型改正。

　　(2)氣壓和重力的影響

　　氣壓、重力的不同會(huì)影響液面的高度，由于HR8066型靜力水準(zhǔn)儀基本都安裝在同一高程面上，而且在隧道相對(duì)密閉的環(huán)境中，在一個(gè)比較小的范圍內(nèi)使用，可以認(rèn)為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的重力加速度g 和氣壓保持不變。

　　但由于軌道交通列車運(yùn)行時(shí)會(huì)引起隧道中空氣的流動(dòng)，造成隧道內(nèi)氣壓的變化，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來一定波動(dòng)，但若列車間隔時(shí)間較長(zhǎng)或者是停運(yùn)期間，氣壓的變化會(huì)逐漸穩(wěn)定，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果影響較小。當(dāng)對(duì)監(jiān)測(cè)精度要求較高時(shí)，可將所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)變送器的低壓端用空管進(jìn)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(cè)區(qū)域時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)影響、動(dòng)力電纜的電流對(duì)HR8066型靜力水準(zhǔn)儀的電磁干擾、空氣流動(dòng)造成氣壓變化等因素都會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果帶來影響。以本項(xiàng)目為例，在某日監(jiān)測(cè)過程中，監(jiān)測(cè)人員對(duì)列車經(jīng)過傳感器的大致時(shí)間進(jìn)行記錄，然后跟傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)成果如圖7 所示。列車通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，增加該部位隧道的荷載，會(huì)引起監(jiān)測(cè)點(diǎn)的下沉，由于該項(xiàng)目列車先經(jīng)過的部位為基準(zhǔn)點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)下沉相對(duì)會(huì)使監(jiān)測(cè)點(diǎn)上升。從圖中可以看出，列車運(yùn)營通過傳感器的時(shí)間與傳感器采集數(shù)據(jù)發(fā)生跳變的時(shí)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(cè)過程中發(fā)現(xiàn)4號(hào)監(jiān)測(cè)斷面的沉降量與基準(zhǔn)點(diǎn)液面的減少量基本一致，整個(gè)過程曲線如圖8所示。由于HR8066型靜力水準(zhǔn)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(cè)值的偏移，且與整個(gè)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(huì)不斷析出，聚集在傳感器內(nèi)引起測(cè)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(zhǔn)儀排氣，使該傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定為止。

　　4.2 監(jiān)測(cè)精度分析

　　以某天監(jiān)測(cè)的過程曲線(圖9)可以明顯看出，在夜間停運(yùn)期間凌晨0:00～5:00，HR8066型靜力水準(zhǔn)儀的監(jiān)測(cè)曲線十分平穩(wěn)。白天由于受列車運(yùn)營、電磁干擾，噪聲和異常較多，對(duì)于運(yùn)營期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行粗差識(shí)別、過濾。

　　對(duì)列車停運(yùn)期間的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以真實(shí)反映HR8066型靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)精度。從表1 中可以看出，夜間列車停運(yùn)期間，HR8066型靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)精度優(yōu)于0.1mm。每天的監(jiān)測(cè)成果取夜間一段時(shí)間的平均值作為當(dāng)天的監(jiān)測(cè)成果值。從表2中可以看出，對(duì)隧

　　道運(yùn)營期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)粗差過濾后進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)，隧道運(yùn)營期HR8066型靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)精度達(dá)到亞毫米，通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)粗差過濾和平滑，也能達(dá)到實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)的精度。

　　4. 3 監(jiān)測(cè)成果比對(duì)

　　為驗(yàn)證HR8066型靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)的可靠性，在該項(xiàng)目的2 號(hào)、3 號(hào)、5 號(hào)斷面HR8066型靜力水準(zhǔn)儀的附近隧道襯砌上安裝棱鏡，采用測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)結(jié)果與HR8066型靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行比對(duì)，比較結(jié)果如表3所示。可以看出用測(cè)量機(jī)器人與HR8066型靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)的結(jié)果平均差值為－0．5 mm，可以說兩種方法監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合，監(jiān)測(cè)精度在亞毫米級(jí)以內(nèi)。

　　五、結(jié)論

　　(1) 采用HR8066型靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行軌道交通結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)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(diǎn)，在線路縱坡較大的區(qū)段以及需要對(duì)隧道拱肩以上部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，相比傳統(tǒng)靜力水準(zhǔn)儀有較大優(yōu)勢(shì)。

　　(2)利用HR8066型靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行結(jié)構(gòu)沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，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(dòng)的影響，后期可嘗試采用光纖光柵進(jìn)行信號(hào)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(gè)傳感器的采集時(shí)間不是嚴(yán)格同步。對(duì)于沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要同一時(shí)刻液面相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的高差值，這也對(duì)高差測(cè)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(zhǔn)儀接入相鄰的通道內(nèi)，但數(shù)據(jù)的嚴(yán)格同步還需進(jìn)行進(jìn)一步研究。

　　(4)整個(gè)沉降監(jiān)測(cè)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(cè)一段時(shí)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(shí)采用其他人工監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行相互驗(yàn)證和補(bǔ)充。

　　靜力水準(zhǔn)儀技術(shù)參數(shù)

　　①.主要性能指標(biāo)

　　標(biāo)準(zhǔn)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

　　②.溫度特性

　　工作溫度范圍：-20～85℃

　　溫度補(bǔ)償范圍：-20-60℃

　　溫度傳感器：

　　測(cè)溫范圍-40～150℃

　　測(cè)溫精度±0.2℃

　　③.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(hào)：MODBUS-RUT（HR8066）

　　4～20mA（HR8067）

　　電源防護(hù)：防反接、過壓保護(hù)

　　通信接口：RS485，靜電保護(hù)

　　④.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(hù)等級(jí)：IP67安裝方式：排氣閥朝上垂直固定安裝