引言

        伴隨著(zhù)經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市化進(jìn)程在顯著(zhù)加快，城市建設、城市改造的規模和速度均在擴大。在城市軌道交通控制保護區范圍內的施工和作業(yè)大量涌現，不可避免地對已運營(yíng)的軌道交通結構產(chǎn)生擾動(dòng)，容易導致結構的受力失衡，使結構產(chǎn)生局部的水平位移、沉降、拉伸、壓縮、剪切、彎曲、扭轉等形變，造成隧道滲漏水、限界的改變、道床的沉降、軌道的幾何變化。如果結構變形超出控制值，會(huì )嚴重威脅軌道交通的運營(yíng)安全，給人民生命財產(chǎn)造成巨大損失。因此對受到外部作業(yè)施工影響的城市軌道交通結構進(jìn)行監測，確保其運營(yíng)安全，反饋和指導外部作業(yè)的施工顯得尤為重要。

 

        由于許多軌道交通控制保護區內的外部作業(yè)項目與軌道交通結構的空間關(guān)系多為上跨或下穿，結構的變形主要體現在結構高程變化上，采用靜力水準儀監測軌道交通結構多個(gè)監測點(diǎn)沉降的變化，已在北京、上海、廣州等城市中運用，取得了較好的效果［1～3］。目前直接利用浮子測量液面高度的靜力水準儀在國內軌道交通結構沉降自動(dòng)化監測中運用#為廣泛。由于采用直接測量液面變化的原理，因此該類(lèi)靜力水準儀的量程一般較小，取決于其容器的高度，一般不大于100mm。對設備安裝精度要求較高，安裝時(shí)要求初始高程基本相同。采用該類(lèi)型的靜力水準儀，對于線(xiàn)路縱斷面設計坡度變化較大的地段，需要分區段布設，并在各區段水準儀之間設置縱向級聯(lián)靜力水準儀［4］，系統設計、安裝困難，增加了監測系統的成本。

 

2基于壓力變送器的沉降監測系統

2.1壓力變送器原理

        在工業(yè)領(lǐng)域已廣泛運用的壓力變送器可以用來(lái)測量液體、氣體或蒸汽的液位、密度和壓力，其工作原理［5］是來(lái)自雙側導壓管的壓力差值直接作用于變送器傳感器雙側隔離膜片上，通過(guò)膜片內的密封液傳導至測量元件上，測量元件將測得的壓力信號轉換為與之對應的電信號傳遞給轉換器，經(jīng)過(guò)放大等處理變?yōu)闃藴孰娦盘栞敵�，如圖1所示。

        壓力變送器測量值是水頭的壓力，傳感器自身無(wú)須儲液罐，以橫河EJA110型差壓變送器為例，其規格為長(cháng)125mm×寬110mm×高197mm，其規格與傳統靜力水準儀相比大大減小。壓力變送器測量的量程大，橫河EJA110型差壓變送器量程為50mm～10000mm(H2O)，測量精度為±0.075%，分辨率為±0.01%。當各壓力變送器之間#大高差在10cm以?xún)葧r(shí)，其測量精度可達±0．1mm，與傳統靜力水準儀精度相當。當高差為1m時(shí)，其測量的精度為±0．75mm，分辨率為±0．1mm，可以彌補傳統靜力水準儀器量程小的缺點(diǎn)，使得沉降監測系統設計和安裝更為方便，在線(xiàn)路縱斷面設計坡度變化較大的區段更具有優(yōu)勢。壓力變送器都是工業(yè)級應用產(chǎn)品，其長(cháng)期穩定性5年可達±0.1%，可連續工作5年不用調校零點(diǎn)，溫度、靜壓對其影響很小，在高溫、高壓環(huán)境下均能保持較高的穩定性。

 

2.2系統設計

        基于壓力變送器的沉降監測系統主要由現場(chǎng)監測設備及傳感器子系統、數據采集與傳輸子系統、監控中心、用戶(hù)子系統四大部分組成，如圖2所示。監測設備與傳感器子系統主要是布置在監測現場(chǎng)的壓力變送器和采集器等硬件設備;數據采集與傳輸子系統的主要功能是對采集器進(jìn)行控制，定期采集相應的數據并向監控中心傳入數據，并執行相關(guān)命令;監控中心是整個(gè)監測系統的控制中心、數據存儲中心、數據處理、分析和評價(jià)中心、監測預警發(fā)布中心;用戶(hù)子系統實(shí)現將各種數據實(shí)時(shí)按需求向用戶(hù)展示，并且接受用戶(hù)對系統的控制與輸入。

        在現場(chǎng)采集端，壓力變送器測量的是流體的過(guò)程壓力，因此需要單好設置儲液罐來(lái)保證整個(gè)系統的壓力。在系統的一端設置儲液罐，并與各個(gè)壓力變送器的高壓端用連通管連通，保障儲液罐中液面的高度高于所有壓力變送器中心位置的高度，如圖3所示。當監測區段較長(cháng)時(shí)，為保障整個(gè)系統的壓力，可以在系統兩端頭分別設置儲液罐。各監測點(diǎn)之間安裝高差可根據測量精度選擇，為保障監測精度優(yōu)于±1．0mm，監測點(diǎn)之間#大高差不宜大于1m。

系統充入的液體一般采用防凍液，若用純凈水作為介質(zhì)，應在水中加入防腐劑，防止液體變質(zhì)。將防凍液倒入儲液罐中，然后依次從#遠端打開(kāi)壓力變送器排氣閥門(mén)排氣，直到傳感器監測數據穩定為止。用密度計在儲液罐處測量填充液體的密度，作為參數輸入，換算得到各監測點(diǎn)相對儲液罐液面的高度差。

 

3工程案例

        在某違章建筑拆除對軌道交通隧道結構影響自動(dòng)化監測項目中，為及時(shí)掌握其拆除過(guò)程中對隧道結構的影響，利用基于壓力變送器的沉降監測系統對該段隧道進(jìn)行了實(shí)時(shí)沉降監測，同時(shí)還布設了應力監測傳感器。受影響范圍內軌道交通隧道分為單洞雙向和兩個(gè)單洞單線(xiàn)兩種斷面，受影響范圍長(cháng)度約為160m，線(xiàn)路縱斷面坡度設計#大為42.5‰，區間隧道拱頂#大高差為7．5m，若采用傳統靜力水準儀設計和安裝均十分困難。

        該項目一共布置5個(gè)監測斷面，斷面間距約50m，壓力變送器均安裝在隧道左側拱肩部位，在線(xiàn)路北側穩定區域設置基準點(diǎn)壓力變送器與儲液罐，壓力變送器之間#大高差約為220mm，壓力變送器采用橫河EJA110A型，采集器采用基康BGK－Micro－40測量單元，數據采樣間隔為10min。

 

4監測數據分析

4.1誤差源分析

        采用壓力變送器進(jìn)行軌道交通結構沉降監測與傳統靜力水準測量類(lèi)似，也受到多種誤差源的影響，其主要有溫度的變化、環(huán)境壓力、列車(chē)震動(dòng)、填充液的質(zhì)量等因素影響。

 

(1)溫度影響

        系統中填充液體的密度是隨溫度變化而變化的，液體密度的變化也改變了液體的體積，隨著(zhù)溫度的增加，水柱高度變化也加速［6］。統計3個(gè)多月各斷面的溫度實(shí)時(shí)監測數據，從圖6可以看出，除了1號斷面與另外4個(gè)斷面的溫差在±0.5℃以?xún)�，其余斷面的溫差均�?plusmn;0.25℃以?xún)取?號斷面靠近輕軌站臺防火門(mén)，受到站臺和列車(chē)啟停的影響，該斷面的溫度較其他斷面有微小的波動(dòng)。由于隧道內各斷面溫差較小，所以溫度對高差影響可以忽略不計。如果監測系統安裝在戶(hù)外，由于受到遮擋和日照的不同容易引起溫差較大的情況，應根據各個(gè)傳感器所測量的溫度對監測結果進(jìn)行模型改正。

(2)氣壓和重力的影響

        氣壓、重力的不同會(huì )影響液面的高度，由于壓力變送器基本都安裝在同一高程面上，而且在隧道相對密閉的環(huán)境中，在一個(gè)比較小的范圍內使用，可以認為各監測點(diǎn)的重力加速度g和氣壓保持不變［7，8］。

 

但由于軌道交通列車(chē)運行時(shí)會(huì )引起隧道中空氣的流動(dòng)，造成隧道內氣壓的變化，會(huì )對測量結果帶來(lái)一定波動(dòng)，但若列車(chē)間隔時(shí)間較長(cháng)或者是停運期間，氣壓的變化會(huì )逐漸穩定，對監測結果影響較小。當對監測精度要求較高時(shí)，可將所有監測點(diǎn)變送器的低壓端用空管進(jìn)行連通，形成密閉系統，可以明顯減小外部環(huán)境干擾。

 

(3)列車(chē)影響

        軌道交通列車(chē)以一定的速度通過(guò)監測區域時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)影響、動(dòng)力電纜的電流對壓力變送器的電磁干擾、空氣流動(dòng)造成氣壓變化等因素都會(huì )對監測結果帶來(lái)影響。以本項目為例，在某日監測過(guò)程中，監測人員對列車(chē)經(jīng)過(guò)傳感器的大致時(shí)間進(jìn)行記錄，然后跟傳感器監測數據的時(shí)間序列進(jìn)行比對，比對成果如圖7所示。列車(chē)通過(guò)監測點(diǎn)時(shí)，增加該部位隧道的荷載，會(huì )引起監測點(diǎn)的下沉，由于該項目列車(chē)先經(jīng)過(guò)的部位為基準點(diǎn)，基準點(diǎn)下沉相對會(huì )使監測點(diǎn)上升。從圖中可以看出，列車(chē)運營(yíng)通過(guò)傳感器的時(shí)間與傳感器采集數據發(fā)生跳變的時(shí)間大部分吻合，跳變的大小為0mm～2mm不等，沉降量均增大。

(4)填充液中氣泡影響

        監測過(guò)程中發(fā)現4號監測斷面的沉降量與基準點(diǎn)液面的減少量基本一致，整個(gè)過(guò)程曲線(xiàn)如圖8所示。由于壓力變送器的膜盒內存有未排出的空氣，使變送器的正壓始終受到積存的氣體壓力的影響，且此壓力是不斷變化的，造成監測值的偏移，且與整個(gè)系統的壓力有一定的相關(guān)性。系統中的液體在外界環(huán)境的影響下，溶解在其中的氣體會(huì )不斷析出，聚集在傳感器內引起測量的誤差。為消除系統中氣泡的影響，一是可以選擇硅油等性質(zhì)穩定的液體作為介質(zhì);二是定期給壓力變送器排氣，使該傳感器監測數據穩定為止。

4.2監測精度分析

        以某天監測的過(guò)程曲線(xiàn)(圖9)可以明顯看出，在夜間停運期間凌晨0:00～5:00，壓力變送器的監測曲線(xiàn)十分平穩。白天由于受列車(chē)運營(yíng)、電磁干擾，噪聲和異常較多，對于運營(yíng)期間的監測數據需要進(jìn)行粗差識別、過(guò)濾。

        對列車(chē)停運期間的監測結果進(jìn)行統計分析，可以真實(shí)反映壓力變送器監測精度。從表1中可以看出，夜間列車(chē)停運期間，壓力變送器監測精度優(yōu)于0．1mm。每天的監測成果#好取夜間一段時(shí)間的平均值作為當天的監測成果值。從表2中可以看出，對隧道運營(yíng)期監測數據粗差過(guò)濾后進(jìn)行精度統計，隧道運營(yíng)期壓力變送器監測精度達到亞毫米，通過(guò)對監測數據粗差過(guò)濾和平滑，也能達到實(shí)時(shí)沉降監測的精度。

4. 3 監測成果比對

        為驗證壓力變送器進(jìn)行沉降監測的可靠性，在該項目的 2 號、3 號、5 號斷面壓力變送器的附近隧道襯砌上安裝棱鏡，采用測量機器人進(jìn)行監測，將監測結果與壓力變送器監測成果進(jìn)行比對，比較結果如表 3 所示�？梢钥闯鲇脺y量機器人與壓力變送器監測的結果平均差值為 －0．5 mm，可以說(shuō)兩種方法監測結果基本吻合，監測精度在亞毫米級以?xún)取?/div> 注明，三暢儀表文章均為原創(chuàng )，轉載請標明本文地址