港珠澳大桥拱北隧道静力水准自动化监测系统应用研究

港珠澳大桥拱北隧道静力水准自动化监测系统应用研究
作者：黄新召；






      传统的沉降监测方法主要有两种: 水准测量和三角高程测量，且多以人工监测的方式开展，人员投入多、工作量大、监测精度不高、监测频率比较低，一般1天1次( 特殊情况下可增加到2 ～3 次) ，并且监测预警和成果提交滞后，同时，传统监测技术容易受到施工干扰，不能满足对大量数据连续采集、分析并及时准确反馈的要求。如何实现对施工期内隧道进行实时、高精度的沉降监测已成为监测领域的一个重要课题。近年来，磁致伸缩式静力水准仪自动化监测系统发展成熟，成为重要的测量工具。静力水准自动化监测系统具有精度高、自动化性能好、可实时监测等特点，在自动化监测领域获得广泛的应用。本文结合港珠澳大桥拱北隧道静力水准自动化监测项目的应用实践，对静力水准自动化监测系统的测量原理、现场安装方法、系统调试、数据采集与分析及监测精度等方面进行了论述。从工程的完成情况及数据反映来看，静力水准自动化监测系统的应用取得了较好的成果，可以较稳定地替代人工进行施工期内的隧道监测。

1 静力水准自动化监测系统简介

1 监测原理

静力水准仪是由液缸、浮筒、磁致伸缩液位传感器、保护罩、支架等部件组成，它是利用连通液的原理，多支通用连通管连接在一起的储液罐，液面总是在同一水平面，通过测量不同储液罐的液面高度与静力水准仪的基准点进行比对，通过公式计算可以得出各个静力水准仪的相对差异沉降量。静力水准自动化监测系统适用于测量参考点与测试点之间土体的相对位移，主要用于各种过渡段线形沉降，沿纵向对结构物之间的沉降差进行监测。该系统主要应用于大型基坑、运营铁路沉降监测，地铁盾构沉降监测，基坑、大坝、桥梁与房屋的沉降监测等。

1．2 监测优势

1)测量精度高。静力水准测量系统精度可达到0.01 mm，而几何水准和三角高程只能达到 0．1 mm。

2)不需要点间通视。几何水准和三角高程都需要通过望远镜照准目标，受通视条件影响大，一次只能测量一个点，而静力水准系统不需要各点相互通视，可多点测量，也可在狭小空间或恶劣环境下作业。

3) 能够满足高频次、高精度测量的需要。传统监测需要瞄准、测量、记录等，耗费较长时间，而静力水准系统可以高频率测量液面高程变化来确定高差，故适合于自动化测量和长期连续监测，大大降低了人员投入及劳动强度。

4) 监测实时性强: 监测数据通过传感器自动采集处

理，一旦超过警戒值，系统能够及时报警，为施工提供有力保障。

2 港珠澳大桥拱北隧道自动化监测系统应用实践

2.1项目讲解

港珠澳大桥连接香港大屿山、广东省珠海市和澳门半岛，总长度 49． 968 km，建成后将是世界上最长的一座跨海大桥。本项目为港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道工程第一合同段，是港珠澳大桥珠海连接线的控制性工程，起讫里程为 YK3 + 000—YK3 + 1890，全长 1． 89 km。考虑到本隧道工程的特点、规模和复杂性，监测项目多、精度要求高、监测周期长，鉴于本工程属于监测项目，经专家论证后决定采用静力水准自动化监测系统实施监测。根据本工程现场实际情况，在隧道基坑两侧墙壁上布置静力水准仪，南北两侧各布设 2 个静力水准基点、9个静力水准监测点，监测点间距约 200 m。

2.3 静力水准监测系统的安装与调试

自动化监测系统由静力水准仪、数据采集装置、计算机监控管理主机、管理软件及通信系统组成。

2.3.1 静力水准仪的安装

根据设计要求和现场情况，本次监测采用墙壁安装

方式安装静力水准仪，首先，根据设计要求在隧道壁的监测点处确定标高; 然后，用膨胀螺栓将安装架固定在隧道壁上，安装时一定要保证各测点的静力水准仪安装标高相同。采用墙壁安装方式安装静力水准仪时，如果监测点之间距离较大时，需考虑到通液管和通气管的固定和保护方法，同时，还要考虑观测电缆的走线方向和保护方法。

2.3.2 系统安装与调试

静力水准仪安装好后，布置数据采集装置( DAU) ，采用双绞屏蔽线通信，对所接入的仪器按照监控主机的命令或预先设定的时间自动进行控制、测量。每个 DAU 都备有笔记本电脑接口，笔记本电脑可直接连到 DAU 上，也可作为移动用户进行远程访问。监控主机根据一定的模型对实测数据进行检验和在线监控，并向管理中心传送经过检验的数据入库。系统具有存储、掉点保护、蓄电池、自诊断等功能，软件具有在线监测、报表制作、图文资料管理、数据库管理等功能，可以实现多种测量。

2． 4 监测数据采集与分析

目前，该监测项目已实施1年多，静力水准仪稳定，采集单元工作正常，取得了连续可靠的监测数据。隧道结构沉降监测断面中的 LJD01 ～ 12 断面于2014年3月31日开始自动化监测，到 2015年1月31日观测截止。在此过程中，由施工的进展情况及监测数据的稳定性来分析，隧道结构 LJD01 ～ 12 断面累计沉降量为 27． 35 mm。从累计沉降变化曲线图可以看出，伴随开挖深度的增加，沉降量也随之增大，其中，LJD1南侧监测点沉降量达到37mm( 报警值40 mm) ，当底板浇筑完成时变化速率开始趋于稳定。

2． 5 监测精度分析

该监测项目实施的 1 年多期间，我们每月也进行1次人工监测，自动化监测与人工测量数据相比较，高程较差只有2.2 mm，符合相关规范的要求。静力水准自动化监测系统与水准观测结果基本保持一致，表明自动化监测在精度上完全满足要求，用于隧道监测是可靠的。

3 结束语

从本工程的完成情况及数据反映来看，静力水准自

动化监测系统的应用取得了较好的效果，可以较稳定地代替人工进行施工期内的隧道监测。考虑到组成自动化监测系统的成本较高，若无连续观测的必要，安装该系统产生的经济效益较低，所以，可以采取正常时期由人工监测，特殊时期( 需要连续监测或人工不能进入隧道的时候) 再由该系统进行监测，如此搭配可以使得经济效益大化并且不影响监测效果。随着计算机行业的发展和测绘技术的不断进步，新的监测技术也将不断出现，可选择适合的工程监测方案，指导施工和及时反馈信息，使得施工始终处于可控状态。






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