影响静力水准监测质量的关键技术问题探讨

影响静力水准监测质量的关键技术问题探讨
作者：张建坤；陈昌彦；白朝旭；徐国双；郑瑶





       当前，在大城市轨道交通路网的规划和建设中，新建地铁线路穿越既有地铁线路和车站是不可避免的问题，其近距离施工时的相互影响非常复杂，如何把这些影响降低到最低限度，既能保证新结构物的施工顺利进行，又能保证既有线路安全、正常运营，在地铁建设过程中准确地掌握周围土层及邻近既有结构的沉降特点及规律，寻求一种安全、合理、经济的施工监测方法就显得尤为重要。静力水准系统是利用相连的容器中液体总是寻求具有相同势能的原理，测量和监测参考点彼此之间垂直高度的差异和变化量的一种测量系统。它以很高的测量精度，在测量领域获得了广泛的应用。尤其在大型精密工程，如水电站、核电站、地铁运营监测、大型科学科研工程测量中发挥着重要的作用。本文结合某地铁线路的路基自动化监测，详细探讨了静力水准自动化监测技术在实施过程中的诸多影响因素，对日后类似工程监测的实施具有重要的参考价值。

1、静力水准测量原理及监测点布设

1.1测量原理

       自动化静力水准测量系统主要由主体容器、连通管、电容传感器等部分组成，用于测量各测点的垂直位移量，其工作原理是各测点与基准点通过连通管相连接，根据其内的液体保持同一水平面的原理，当仪器主体安装墩发生高程变化时，用电容传感器测量每个测点容器内液面的相对变化，并由电缆传输到地面测试室进行处理和反馈，从而可以实时监测结构体的沉降变形情况。

1.2监测点的布设

       静力水准测量系统基点应布设在影响区域外稳定位置，监测点原则上在施工影响关键部位布设，至少在地下工程结构的拱顶以及两侧均应布设监测点，且不影响线路的正常运营，数量应能满足全面反映监测区域变化情况的要求。本工程中根据现场实际情况，于既有线上下行两侧路基上各布设 1 个基点，远离盾构施工变形影响区。在与既有线交叉的新建线路中心和两侧以及施工影响范围内沿既有线路布设监测点，每侧布设5 个监测点，测点间距约 10m。

1.3静力水准影响因素分析

       任何测量系统都受到外界因素的干扰。静力水准测量系统的误差影响一部分来自于外界影响因素，如在非均匀温度场和非均匀压力场下导致液体体积不均匀膨胀; 外部震动引起液面高度变化; 另一部分来自于液面高度测量方法。影响静力水准高程面的因素主要有空气压力 p、液体密度 ρ 和重力加速度g。由于各容器均与外界相通，静力水准测量的范围一般都很有限，且高差测程很小，因此空气压力与重力加速度的影响可以忽略。这里主要讨论液体密度差的影响。液体密度差的影响主要有两个方面: ①不同液体对液面高度的影响。不同液体因密度、性质不同而影响测量精度，这种情况针对不同线路静力水准; ②温度变化对液 面 高 度 的 影 响。液体的密度与温度密切相关。温度变化对静力水准测量精度影响是非常大的，测量过程中必须引起足够的重视。

2、静力水准测量系统关键问题探讨

       在应用静立水准技术进行高精度自动化监测中，首先要保证监测系统的稳定，在此基础上有效采集高质量的数据信息。本文重点对监测系统稳定性的评价、安装关键技术以及主要影响因素等进行系统的分析和评价。

2.1监测结果可靠性评价内容和方法

       静力水准是连续、实时、自动化沉降监测系统，大量观测数据中或多或少会出现奇异值，因此，在变形分析时需对观测数据的奇异值进行检验并剔除。对数据序列进行奇异值检验后，为保证数据的连续性需要对观测数据进行插补。目前常用的插补方法有按内在物理联系进行插补和按数学方法进行插补。这里根据静力水准观测数据情况，选用按数学方法插补中的线性内插法对数据进行补全。

2.2静力水准监测系统安装的关键技术

       通过以上分析可以发现静力水准系统极易受到外界干扰，因此，在安装过程中应尽量避免相应状况发生，结合已有经验在静力水准安装过程中应注意以下几方面:

( 1) 对于安设在户外的静力水准仪，各条水准线路应选用相同状态液体，避免出现不同线路静力水准液体不同的状况;

( 2) 保证同一条静力水准线路中各监测点所环境应尽量相同，例如各监测点所处温度、通风状况等，一定要避免各监测点出现较大温差变化;

( 3) 在安装调试过程中，连接液体总量增减制在 ± 30ml 以内;

( 4) 各监测点应尽量调整至同一水平位置，必要时可用水准仪进行校正，确保各点高差控制在± 3mm以内，减少监测系统初始液位误差的影响；

( 5) 连接管应尽量避免与地面直接接触，以降低大气和地面温差的较大变化而影响管路液体稳定性。

2.3连接液体种类对静力水准测量精度的影响分析
       为了对比分析液体组成对监测数据的影响，本文分别对南、北两线的静立水准系统灌入了不同液体，北线静力水准连接液体为掺加了一定比例防冻液的玻璃水与防冻液的混合液体，南线为纯玻璃水。本文以不受盾构施工影响区间的监测数据进行分析，其监测点应当是没有发生地面变形的，数据变化仅是外界环境对监测系统影响所致。为避免日照及其他方面的干扰，同时参考北京地区日出和日落时间，这里选用前一天 19: 00 ～ 当天 7: 00 的数据进行分析，该时段列车运营影响轻微，温差变化较小。发现北线的 ZJ01 ～ ZJ05 号监测点在不受日照等外界影响情况下，各点沉降有一定起伏且随着时间推移整体发生一定的沉降，但整体趋势较平稳，表明数据可靠; 南线的 ZJ06 ～ ZJ10则发生较大起伏，且数据呈现一定的规律，即在上午数据与下午数据连接时会出现一个明显的差异，表明南线各监测点受外界影响较为敏感，数据不连贯。由此可得出以下结论，充填液体成分的不同，对监测数据有较大的影响。由于玻璃水含有酒精成分，具有较强的挥发性，对于户外的既有线监测，受外界影响较大，因此易选用掺加一定比例防冻液的混合液体作为连接液体，具体掺加比例可根据监测现场情况及当地气候状况决定。

2.4日照对静力水准测量精度的影响分析

       液体的密度是随其温度的变化而变化的，液体密度的变化也改变了液体的体积。在静力水准测量系统中，如果整个系统的温度变化率和变化量是一致的，那么对测量的精度是没有影响的，因为各个部分的体积变化是一样的，每个钵体中的液面一起升高或者降低同样的高度，不会影响测量的结果。但是如果系统中出现局部的或者不均匀的温度变化，会导致液体的密度相应的发生变化，那么在不同的钵体中的液面高度也会产生不同量的升高或者降低，进而严重影响测量的精度。本文根据目前所掌握的数据资料对日照对测量精度的影响进行了相应分析。

       取 12 － 02 日零点至 07 日零点南北线 ZJ04 和ZJ07 点观测数据和温度进行统计得到各监测点温度与沉降过程线图对比分析 ZJ04 点沉降与相应时刻温度的过程线，可以看出北线各监测点沉降值与温度变化表现出一定的正相关性，即随着温度的升高，各监测点有一定的升高; 随着温度的降低，各监测点出现一定的沉降; 同时在白天数据比较紊乱，出现一定的波动，在夜晚数据较为平稳。对比分析 ZJ07 点沉降与温度的过程线，可以看出南线各监测点沉降值与温度变化表现出一定的负相关性，即南线各点随着温度的升高，各监测点有一定的沉降; 随着温度的降低，各监测点出现一定的上升。

通过以上分析，可以发现南、北线各监测点沉降随温度变化趋势恰好相反，分析原因主要是南线向阳，白天随日照影响较为敏感; 北线背阳且连接管位置低，白天受日照等影响小，仅受外界整体环境影响。同时，由于南北线连接液体不同，对其沉降变化也有一定影响。

       为考量监测点沉降值与温度的相关性，这里选取北线的 ZJ04 点进行说明，对该点 12 － 02 日零点～ 12 － 07 日零点的沉降量与温度值进行拟合计算，该时间段各监测点还未受到盾构下穿影响，数据能较好反应外界日照对测值的影响。拟合过程中模型多项式的阶次取得太低，拟合就粗糙; 阶次太高，拟合 “过头”，使数据噪声也被纳入模型。发现拟合沉降值与实际沉降值残差基本在 － 0. 4 ～ 0. 2mm 之间，个别时刻残差值较大，分析原因可能受到外界环境干扰而发生突变，整体拟合效果较好。

2.5各种影响因素的综合分析

       通过以上分析可以发现，影响静力水准系统测量精度的因素主要有两个方面，自身连接液体以及外界日照。不同液体灵敏度不同，趋于稳定的时间也存在差异，进而影响其测量精度; 日照对系统的影响主要表现在温度方面，连接液体受温度影响产生热胀冷缩效应，从而使测量结果产生一定误差。因此，在静力水准测量中应严格控制这两方面。在户外静力水准监测中宜选用掺加一定比例防冻液的混合液体作为连接液，同时安装过程中应尽量使各监测点处于相同环境中，一定要避免各监测点出现温差的情况，若无法避免日照影响，可根据本文近似公式对日照影响进行一定程度的消减。

3、结论

       目前，随着全国经济建设的迅猛发展，各地地铁建设也进入了一个前所未有的高速发展阶段，而在地铁建设过程中，新建地铁下穿既有地铁或铁路线是一个十分现实且难以避免的问题，其中利用静力水准对既有线进行自动化监测是一种可行且精度很高的测量手段。本文研究了影响静力水准自动化监测系统测量精度的相关技术问题，并得到一些有益的结论，对日后类似既有线工程监测具有重要的参考和借鉴价值。





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