工程案例

　　在某违章建筑拆除对轨道交通隧道结构影响自动化监测项目中，为及时掌握其拆除过程中对隧道结构的影响，利用基于HR8066型静力水准仪的沉降监测系统对该段隧道进行了实时沉降监测，同时还布设了应力监测传感器。受影响范围内轨道交通隧道分为单洞双向和两个单洞单线两种断面，受影响范围长度约为160 m，线路纵断面坡度设计为42. 5‰，区间隧道拱顶高差为7.5m，若采用传统静力水准仪设计和安装均十分困难。该项目一共布置5个监测断面，断面间距约50m，HR8066型静力水准仪均安装在隧道左侧拱肩部位，在线路北侧稳定区域设置基准点HR8066型静力水准仪与储液罐，HR8066型静力水准仪之间高差约为220mm，HR8066型静力水准仪采用恒瑞HR3051-DP型，采集器采用BGK－Micro－40 测量单元，数据采样间隔为10min。

　　四、监测数据分析

　　4.1 误差源分析

　　采用HR8066型静力水准仪进行轨道交通结构沉降监测与传统静力水准测量类似，也受到多种误差源的影响，其主要有温度的变化、环境压力、列车震动、填充液的质量等因素影响。

　　(1)温度影响

　　系统中填充液体的密度是随温度变化而变化的，液体密度的变化也改变了液体的体积，随着温度的增加，水柱高度变化也加速。

　　统计3 个多月各断面的温度实时监测数据，从图6 可以看出，除了1 号断面与另外4 个断面的温差在±0. 5℃以内，其余断面的温差均在±0. 25℃以内。1 号断面靠近轻轨站台防火门，受到站台和列车启停的影响，该断面的温度较其他断面有微小的波动。由于隧道内各断面温差较小，所以温度对高差影响可以忽略不计。如果监测系统安装在户外，由于受到遮挡和日照的不同容易引起温差较大的情况，应根据各个传感器所测量的温度对监测结果进行模型改正。

　　(2)气压和重力的影响

　　气压、重力的不同会影响液面的高度，由于HR8066型静力水准仪基本都安装在同一高程面上，而且在隧道相对密闭的环境中，在一个比较小的范围内使用，可以认为各监测点的重力加速度g 和气压保持不变。

　　但由于轨道交通列车运行时会引起隧道中空气的流动，造成隧道内气压的变化，会对测量结果带来一定波动，但若列车间隔时间较长或者是停运期间，气压的变化会逐渐稳定，对监测结果影响较小。当对监测精度要求较高时，可将所有监测点变送器的低压端用空管进行连通，形成密闭系统，可以明显减小外部环境干扰。

　　(3)列车影响

　　轨道交通列车以一定的速度通过监测区域时产生的振动影响、动力电缆的电流对HR8066型静力水准仪的电磁干扰、空气流动造成气压变化等因素都会对监测结果带来影响。以本项目为例，在某日监测过程中，监测人员对列车经过传感器的大致时间进行记录，然后跟传感器监测数据的时间序列进行比对，比对成果如图7 所示。列车通过监测点时，增加该部位隧道的荷载，会引起监测点的下沉，由于该项目列车先经过的部位为基准点，基准点下沉相对会使监测点上升。从图中可以看出，列车运营通过传感器的时间与传感器采集数据发生跳变的时间大部分吻合，跳变的大小为0mm ～2mm不等，沉降量均增大。

　　(4)填充液中气泡影响

　　监测过程中发现4号监测断面的沉降量与基准点液面的减少量基本一致，整个过程曲线如图8所示。由于HR8066型静力水准仪的膜盒内存有未排出的空气，使变送器的正压始终受到积存的气体压力的影响，且此压力是不断变化的，造成监测值的偏移，且与整个系统的压力有一定的相关性。系统中的液体在外界环境的影响下，溶解在其中的气体会不断析出，聚集在传感器内引起测量的误差。为消除系统中气泡的影响，一是可以选择硅油等性质稳定的液体作为介质;二是定期给HR8066型静力水准仪排气，使该传感器监测数据稳定为止。

　　4.2 监测精度分析

　　以某天监测的过程曲线(图9)可以明显看出，在夜间停运期间凌晨0:00～5:00，HR8066型静力水准仪的监测曲线十分平稳。白天由于受列车运营、电磁干扰，噪声和异常较多，对于运营期间的监测数据需要进行粗差识别、过滤。

　　对列车停运期间的监测结果进行统计分析，可以真实反映HR8066型静力水准仪监测精度。从表1 中可以看出，夜间列车停运期间，HR8066型静力水准仪监测精度优于0.1mm。每天的监测成果取夜间一段时间的平均值作为当天的监测成果值。从表2中可以看出，对隧

　　道运营期监测数据粗差过滤后进行精度统计，隧道运营期HR8066型静力水准仪监测精度达到亚毫米，通过对监测数据粗差过滤和平滑，也能达到实时沉降监测的精度。

　　4. 3 监测成果比对

　　为验证HR8066型静力水准仪进行沉降监测的可靠性，在该项目的2 号、3 号、5 号断面HR8066型静力水准仪的附近隧道衬砌上安装棱镜，采用测量机器人进行监测，将监测结果与HR8066型静力水准仪监测成果进行比对，比较结果如表3所示。可以看出用测量机器人与HR8066型静力水准仪监测的结果平均差值为－0．5 mm，可以说两种方法监测结果基本吻合，监测精度在亚毫米级以内。

　　五、结论

　　(1) 采用HR8066型静力水准仪进行轨道交通结构沉降监测，其监测精度与传统静力水准仪相当，可以有效克服传统静力水准仪量程小，安装困难的缺点，在线路纵坡较大的区段以及需要对隧道拱肩以上部位进行监测时，相比传统静力水准仪有较大优势。

　　(2)利用HR8066型静力水准仪进行结构沉降自动化监测，其主要误差来源是系统内未排出气泡、电磁干扰和列车振动的影响，后期可尝试采用光纤光栅进行信号的传输减小电磁干扰。

　　(3)系统采集器是逐通道扫描，因此每个传感器的采集时间不是严格同步。对于沉降监测系统需要同一时刻液面相对基准点的高差值，这也对高差测量精度有一定影响。为使数据尽量同步，可以将所有HR8066型静力水准仪接入相邻的通道内，但数据的严格同步还需进行进一步研究。

　　(4)整个沉降监测系统的数据质量与安装质量密切相关，其数据是否稳定需连续观测一段时间才能判断，为保证数据的可靠性和连续性，建议同时采用其他人工监测手段进行相互验证和补充。

　　静力水准仪技术参数

　　①.主要性能指标

　　标准量程：1000mm或其他

　　精 度：＜±0.3mm

　　分 辨 率：0.01mm

　　年稳定性：＜±0.5mm

　　过载能力：200％F?S

　　②.温度特性

　　工作温度范围：-20～85℃

　　温度补偿范围：-20-60℃

　　温度传感器：

　　测温范围-40～150℃

　　测温精度±0.2℃

　　③.电气特性

　　电气连接：防水四芯插件

　　供电电压：5～24VDC（HR8066）

　　12～24VDC（HR8067）

　　输出信号：MODBUS-RUT（HR8066）

　　4～20mA（HR8067）

　　电源防护：防反接、过压保护

　　通信接口：RS485，静电保护

　　④.结构特性

　　外壳材料：铝合金

　　管路接头：不锈钢快速接头或不锈钢螺纹锁紧接头

　　⑤.环境特性

　　防护等级：IP67安装方式：排气阀朝上垂直固定安装