静力水准自动监测系统的研究.docx

静力水准自动监测系统的研究常青（河南省煤田地质局二队，河南洛阳４７１０２３）摘要：为了评估静力水准自动监测系统的应用价值，在简单介绍静力水准自动监测系统的原理及结构的基础上， 采用文献分析和比较分析方法，综合分析了静力水准自动监测系统在地铁隧道结构自动化垂直位移测量中的应用情况。分析表明，静力水准自动监测系统具有精度高、成本低、分布式、实时、动态、全天候智能远程遥测的优点，在地铁和隧道工程安全监测领域有着广泛的应用前景。关键词：静力水准；自动监测；垂直位移；地铁隧道中图分类号：Ｕ４５１．２文献标识码：Ａ文章编号：１００９－２８２Ｘ（２０１４）０１－００３０－０３０引言在地面重要建筑、大坝和滑坡的垂直位移监测中较早地采用了静力水准仪［１］，现已发展为在线监测系统；隧道垂直位移观测［２］多采用水准仪、全站仪等方法，随着传感器技术和远程自动在线监测系统的发展，隧道的现场监控量测技术由不成熟走向成熟，由单一的测量逐渐形成一个有机的监测系统，监 测系统也由人工值守监测到自动监测［３］，静力水准隧道自动监测系统也在隧道垂直位移监测中的应用具有广阔的前景。本文综述国内外的研究成果，重点就静力水准自动监测系统的应用情况进行综述。１静力水准自动监测系统的测量原理与系统结构１．１静力水准自动监测系统测量原理静力水准自动监测系统测量原理是依据连通管 原理的方法，用电容传感器，测量每个测点容器内液面的相对变化，再通过计算求得各点相对于基点的相对沉陷量［４］，其模型见图１。图１连通管测量原理示意图（ａ）初始状态（０）（ｂ）任意次状态（ｊ）收稿日期：２０１３－０５－２１基金项目：国家自然科学基金项目１０２）。作者简介：常青（１９６５－），男，工程师，主要从事工程测量技术和管理工作，河南省洛阳市西工区九都路６７号，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｓｔ７０６＠１６３．ｃｏｍ。２０１４年２月地质装备３１如上图１所示，设共布设有ｎ个测点，１号点为相对基准点，初始状态时各测量安装高程相对与（基 准）参考高程面ΔＨ０间的距离则为：Ｙ０１、Ｙ０２……Ｙ０ｉ…Ｙ０ｎ（ｉ为测点代号ｉ＝０，１…ｎ）；各测点安装高程与液面间的距离为：ｈ０１、ｈ０２、ｈ０ｉ…ｈ０ｎ则有：Ｙ０１＋ｈ０１＝Ｙ０２＋ｈ０２＝…Ｙ０ｉ＋ｈ０ｉ＝…Ｙ０ｎ＋ｈ０ｎ（１）当发生不均匀沉陷后，设各测点安装高程相对于基准参考高程面ΔＨ０的变化量为：Δｈｊ１、Δｈｊ２…Δｈｊｉ…Δｈｊｎ。由图１可得：（Ｙ０１＋Δｈｊ１）＋ｈｊ１＝（Ｙ０２＋Δｈｊ２）＋ｈｊ２＝（Ｙ０ｉ＋Δｈｊｉ）＋ｈｊｉ＝（Ｙ０ｎ＋Δｈｊｎ）＋ｈｊｎ（２）则ｊ次测量ｉ点相对于基准点１的相对沉陷量Ｈｉ１为：的ｈ０ｉ），则可求得该时刻各点相对于基准点１的相对高程差。如把任意点ｇ（１，２…ｉ，ｎ）做为相对基准点，将ｆ测次做为参考测次，则按（５）式同样可求出任意测点相对ｇ测点（以ｆ测次为基准值）的相对高程差Ｈｉｇ：Ｈｉｇ＝（ｈｉｊ－ｈｉｇ）－（ｈｆｊ－ｈｆｇ）（７）１．２静力水准自动监测系统的结构各静力水准仪安装后，将各静力水准仪导线联接至数据箱，能过无线传输或网线直接联接至电脑（可多台电脑同时查看），随时输出测量指令或设定定时测量指令，静力水准仪自动测量容器内的水位变化情况，通过一定的公式，解算为水位的升降量， 从而形成报表，整体结构见图２和图３所示。Ｈｉ１＝Δｈｊｉ－Δｈｊ１（３）由（２）式可得：Δｈｊ１－Δｈｊｉ＝（Ｙ０ｉ＋ｈｊｉ）－（Ｙ０１＋ｈｊ１）＝（Ｙ０ｉ－Ｙ０１）＋（ｈｊｉ－ｈｊ１）（４）由（１）式可得：（Ｙ０ｉ－Ｙ０１）＝ｈ０１－ｈ０ｉ（５）将（４）式化入（３）式得：Ｈｉ１＝（ｈｊｉ－ｈｊ１）－（ｈ０ｉ－ｈ０１）（６）即只要用电容传感器测得任意时刻各测点容器 内液面相对于该点安装高程的距离ｈｊｉ（含ｈｊｉ及首次图２静力水准系统安装示意图图３静力水准系统串联总线连接方法２静力水准自动化监测系统的应用静力水准自动化监测系统可以布设在铁道路基 沿线监测路基沉降（图４），根据李兴高等［２］的研究， ＤＡＭＳ－ＩＶ型智能分布式工程安全监测系统在北京地铁东直门站Ｃ区下穿城铁１３号线站后折返线中得到系统应用，整个系统运行期间测值精度高，稳定性好，和人工监测数据对比相一致［３］，完全满足《地 下铁道、轻轨交通工程测量规范》规范和既有线监测 技术的要求。３静力水准自动化监测系统的精度付和宽通过在已运营的地铁隧道内布设一定数 量的静力水准仪，按照一定的采样频率采集液面变形数据，定量分析了列车运行对静力水准观测精度的影响，得到以下结论：（１）地铁隧道内列车通过后，静力水准液面稳定的最短时间约为２分钟。（２）地铁隧道内列车按照约７分钟的间隔有规律的通过观测点时，多个列车运行周期的静力水准３２常青：静力水准自动监测系统的研究第１５卷第１期观测总体平均中误差约为