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静力水准监测系统在地铁8号线第三方监测中的应用

来源:拿度科技 浏览量: 时间:2020-06-28 11:46

  

       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,具有很高的测量精度,在测量领域获得了广泛的应用。
       北京地铁8号线下穿某既有线路,该线路为直线段,与盾构区间成37.69°角,路基与盾构区间顶净距10.5  m。在盾构下穿期间对既有线路结构的监测是联系施工和运营的纽带,变形监测的准确、及时与否将直接影响运营,同时也将影响施工的进度、计划和安排。所以,须保证监测能够准确并及时反映既有线的工作状态。根据既有线路运营现状,在正常运营期间,传统监测技术无法在高密度的行车区间内实施作业,亦不能满足对大量数据采集、分析并及时准确反馈的要求。为此,在8号线盾构下穿期间,采用静力水准自动化实时监测系统对既有线路路基变形进行实时监测。由于静力水准测量系统具有精度高、自动化性能好、实时监测等特点,可以很好地满足工程要求。
1、静力水准测量原理
       静力水准自动化测量系统主要由主体容器、连通管、磁致伸缩液位传感器等部分组成,用于测量各测点的垂直位移量,其测试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,主体容器液面产生变化,引起装有中间极的浮子与固定在容器顶的1组电容极板间的相对位置发生变化。用磁致伸缩液位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。仪器的环形电极1、电极2与中间极固定在仪器主体容器的上部,构成2个电容C1、C2,电容量为:C=(2πεrε0*L)/1n(RA/RB)式中,RA为中心极外径;RB为固定电极1、可变电极2的内径;εo为真空介电常数;εr为介质相对介电常数;L为环形电极长度。
       当仪器位置发生垂直变化时,主体容器的液面将产生相应的变化,装在浮子上的屏蔽管随之发生垂直位移,采用接地方式的屏蔽管使电容C2的感应长度改变,从而使电容C2发生变化。通过测量装置测出电容比的变化即可计算出测点处的相对垂直位移变化量,电容比变化与位移的关系为:
△=(a1-a基)*Kf 式中Δ为测点相对于安装基准的变化量;ai为电容比测值;a基为建立基准时仪器的电容比测值;Kf 为仪器的灵敏度系数。
2、静力水准系统在8号线监测中的应用
2.1监测点的布设
       原则上监测点在关键部位布设,一般在下穿中布置1个测点,在影响范围内沿既有线路布置,监测点数量应能反映监测区域变化情况,基准点应布设在影响区域外稳定位置。本工程中根据现场实际情况,静力水准仪布置在既有线左右线两侧路基上,不影响铁路正常运营的位置,南北两侧各布设5个静力水准监测点、1个静力水准基点,测点间距约10 m。
2.2静力水准的安装
       静力水准仪应按以下步骤进行安装。
(1)在安设位置路基坡面挖坑并预埋仪器垫板,垫板上预制与仪器之间的连接件,埋设时保证各点的垫板尽量在同一水平面上;安设时用水准仪现场找平,同时保证垫板的水平;安装时用钳工气泡进行水平调试,调试完成后在垫板周围用砂石粒料填实。
(2)把静力水准仪用螺丝固定在垫板上,调整所有静力水准仪的螺杆为大概的同一高度。
(3)仪器之间用PVE连通管连接起来,并安设连通管保护装置(槽架),注入纯水或SG溶液,然后赶出连通管中的气泡,直到连通管中无气泡。
(4)观察仪器中的液位,调整所有仪器为同一水位高度。
(5)把钳工气泡放在静力水准仪的上面进行水平调试。
(6)对安装过程中的细节进行检查,如,膨胀螺丝的固定,连通管是否漏液体等。
静力水准仪
结合目前已掌握安装经验,在静力水准仪安装过程中还应注意以下几个方面。
(1)对于安设在户外的静力水准仪,测量液体尽量选用掺加了一定比例防冻液的混合液体,且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,具体掺加比例可根据现场及周围环境状况决定。
(2)尽量保证同一条静力水准线路中各监测点所处环境相同,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。
(3)在安装调试过程中,连接液体总量增减在±30  mL以内即可满足监测要求。
(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,若无法完全调整至同一水平位置,各点高差控制在±3  mm以内即可满足监测要求。
(5)连接管应尽量避免与地面直接接触而产生较大温差。
2.3 观测数据序列的奇异值检验
       静力水准监测是连续、实时、自动化的沉降监测系统,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。这里选用 “3σ准则”来剔除奇异值。
2.4沉降监测数据分析
       剔除ZJ01—ZJ10号点的奇异值并进行相应的插补后,即可绘制各监测点下穿时间段累计沉降量过程曲线图,由图可以看出,北线中的ZJ04号点与南线中的ZJ07号点由于恰好处于左线上方位置,因此,在12月14、15日左线盾构下穿既有线路期间均产生了较大沉降。且由于盾构机依次通过ZJ04、ZJ07号点,ZJ04点于14日发生较大沉降,日沉降量为6.97  mm;ZJ07号点于15日发生较大沉降,日沉降量为8.49  mm,之后沉降量逐渐减小并趋于稳定;ZJ03、ZJ05、ZJ06、ZJ08点由于位于左线上方两侧,在盾构机下穿期间受到其影响也发生一定沉降。
       北线中的ZJ02号点与南线中的ZJ09号点由于处于右线上方位置,因此,在12月1、2日右线盾构下穿既有线路期间产生较大沉降。ZJ02号点于1日发生较大沉降,日沉降量为3.34  mm;ZJ09号点于2日发生较大沉降,日沉降量为4.67  mm。ZJ01、 ZJ03、ZJ08、ZJ10号点位于右线上方两侧,受右线盾构下穿的影响,同样产生一定沉降。由于ZJ03、ZJ08号点处于左右线中间的位置,受左右线盾构共同影响,沉降较ZJ01、 ZJ05、ZJ06、ZJ10要大。
    为了解北线、南线监测点在盾构下穿期间沉降变形情况,这里选取左右线盾构下穿既有线路期间每日零点时刻各监测点沉降值,绘制南北线断面沉降曲线图可以发现,ZJ04和ZJ07点在左线盾构下穿期间发生较大沉降,其中ZJ04点沉降10  mm左右,ZJ07点沉降9  mm左右,且均在下穿期间较短时间
ZJ01内即产生沉降,之后便趋于稳定;而ZJ02和ZJ09点在右线盾构下穿期间均发生了5mm左右的沉降,表明由于采取一定措施,右线盾构下穿对上部既有线路影响较小。同时,还可以发现,左线盾构下穿对其上部的ZJ04和ZJ07点影响大,对其周边的ZJ03、ZJ05、ZJ06、ZJ08仍有一定影响,但已相对较小,对较远的ZJ02和ZJ09点几乎无影响;右线盾构下穿表现出同样规律,表明盾构对其上部及周边土体的影响随距离的增加而逐渐减弱,影响范围在周围15  m左右,即盾构机埋深的1.0~1.5倍范围内。
3、结束语
       目前,全国各地地铁建设进入了高速发展阶段,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ZJ10 难以避免的问题,本文结合地铁8号线二期工程下穿某既有线的静力水准路基自动化监测,详细研究分析了其实施的整个过程和相应监测数据,得到一些有益结论,期望对日后类似户外工程具有重要的参考和借鉴价值。
 


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