陈建雄

(武汉地质工程勘察院有限公司上海分公司,上海 200000)

0.引言

地铁车站临旁的工程建设，尤其是大型基建项目对地铁车站结构可能会造成一定的影响。地铁车站旁基坑开挖时，必须对地铁车站结构进行实时监测，以保障地铁车站的安全运营[1]。变形监测的目的是掌握工程建筑和地质构造的稳定性，以便为施工安全诊断提供必要的信息，并为后期工程管理提供相应的数据支持[2，3]。基坑开挖的过程中受地质条件、自然环境等因素的影响，可能对周围环境造成一定的影响，可能出现安全事故[4，5]。因此，为保证基坑开挖安全，避免破坏周围环境，必须科学合理地确定监测内容及监测方法，对基坑支护及周边环境实施变形监测，以客观准确地反映基坑及其周边变形情况[6]。目前，地铁车站结构监测手段主要有传统人工水准测量、静力水准监测系统自动化测量。传统人工测量频率低、出报表周期长、费时费力，而静力水准监测系统可以进行实时监测，效率高，解决了人工监测的不足之处[7－10]。由于地铁隧道的特殊性，大部分时间是封闭运营状态，地铁周边由于各种施工极易导致地铁隧道结构的稳定性出现变化，而常规结构监测只能在列车停运后开展，无法较好地满足地铁隧道结构的实时监测。

近年来，地铁车站临近施工影响车站结构的安全也一直备受关注，对地铁车站进行实时的变形监测是一项必要的工作。随着新型传感技术以及远程自动监测技术的发展，一种基于静力水准仪的自动化监测系统应运而生，该系统可实现监测数据自动化采集，经系统软件分析能及时掌握监测对象的变形情况。目前，静力水准监测系统已被成功应用于运营地铁监测领域，静力水准测量是地铁结构自动化垂直位移监测的重要手段之一。

本文以某临近地铁车站旁基坑项目开挖周期内结构变形监测为例，基于静力水准监测系统对地铁车站进行实时监测，及时将各施工阶段的监测数据信息、报表提供给业主、监理和施工方，并迅速反馈到施工中，既保证了施工安全，又保证了地铁车站的安全运营，本项目监测方法和结论对类似项目具有一定的参考意义。

1.静力水准监测系统

1.1 监测原理

静力水准监测系统在管道连接的容器中注入一定的液体，所有容器中的液体将在管道中自由流动，其结果是当平衡或者静止时各个容器中的液体表面将保持相同的高度，但是各个容器中的液体深度并不相同，这也就反映了各个容器所在参考点的高度不同。静力水准系统，用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降量。静力水准监测原理（如图1所示）：

图1 静力水准监测原理图

A为基准点；B为待测点，A、B点安装时高程分别是HA0、HB0，安装时容器液体的高度分别是HA、HB，则有：

待测点B发生沉降监测原理图（如图2所示），若待测点B发生了沉降，且变化量为Δhb，各测点容器内液面相对于安装高程的距离为ha、hb，则有：

图2 待测点B发生沉降监测原理图

待测点B沉降变化量为：

1.2 作业流程

基准点和待监测点上布设静力水准仪，各个静力水准仪使用连通管连接好后，再将各个静力水准仪的导线连接于传输模块，把无线信号和电脑数据库相连，通过对电脑端设置实现沉降数据自动化采集。计算机安装自动测量单元数据采集管理软件后，将测量单元与计算机连接，并打开数据采集管理软件进行操作，可任意选择实时采集、定时采集、离线采集的任一方式和显示数据图。实时采集和定时采集的数据可直接存入计算机，离线采集数据先保存在数据盒中再传输给计算机，数据管理软件可实现数据整理、数据分析、绘制变形曲线图等功能。

2.项目简介及数据采集

2.1 项目概况

某基坑项目东侧和北侧紧邻住宅小区，南侧和西侧为道路，基坑工程南北向长约120m，东西向宽约50m，整体呈矩形，基坑周长约340m，基坑面积约6000m2。基坑开挖深度约为9.8m~16.5m，核心筒结构采用钢结构，地下3层采用框架结构，基坑开挖最深为16.5m，基坑开挖过程中容易造成土体水平位移，为保证基坑开挖过程中地铁车站安全运营，现基于静力水准监测系统对地铁车站进行实时监测。

2.2 设备安装

本项目监测过程中采用磁致伸缩式静力水准仪，该水准仪是利用磁致伸缩原理开发的液位测量传感器，采用非接触测量方式，结构示意图（如图3所示）。整套设备包含静力水准仪传感器、支架、控制电箱及水管电线等。

图3 静力水准仪内部结构示意图

设备安装过程中采用电钻在出入口侧墙上打孔，用膨胀螺丝将静力水准仪固定在侧墙上，并根据现场实际情况，安排水管及电线的行走路线，并将其固定好，检查调试设备，确定设备可用后，将现场用盖板盖住，避免影响乘客的安全出行，现场安装示意图（如图4所示）。静力水准系统投入使用后，在运行维护过程中，应注意定期检查系统是否有漏液情况，通过人工读数管检查液面高度，判断液位是否超出量程范围，如接近量程的极限，应及时进行处理。定期进行传感器性能检测和人工数据采集，将采集的人工数据与自动化数据进行对比，若仪器性能检测不合格或人工采集数据与自动化数据差距较大，应及时进行现场检查并处理。

图4 现场安装示意图

监测点位确定后先获取每个监测点的初始高程。监测时获取所有监测点的高程，依据系统软件的平差模块可获得场区内任一点的高程。

3.案例分析

3.1 静力水准监测数据分析

项目基坑开挖周期为45天，基于静力水准监测系统对基坑开挖过程中对地铁车站结构的影响进行实时监测，为减少列车运行震动造成的误差，监测数据均取值为每日2∶00—6∶00观测数据的平均值，基坑开挖过程中监测点位累计沉降变化量（如图5所示）：

图5 监测点累计沉降变化量

由图5可知：基坑开挖过程中对地铁车站造成明显的沉降影响，本项目基坑开挖对地铁车站造成沉降约5mm，且4个监测点位具有相同的变化趋势。基坑开挖的前6天，4个沉降监测点位均未发生明显沉降/抬升变化，第7天监测点1、监测点2和监测点3均发生明显沉降变化，监测点1数据显示发出沉降变化量为-0.7mm，监测点2发生沉降变化量为-0.3mm，监测点3发生沉降变化量为-0.4mm；基坑开挖第14天，4个监测点位均发生基坑开挖过程中单日最大变化量，其中监测点1发生沉降变化量为-1.4mm，监测点2发生沉降变化量为-1.3mm，监测点3发生沉降变化量为-1.1mm，监测点4发生沉降变化量为-0.8mm；基坑开挖过程至第35天，监测点变化速率明显降低，直至基坑开挖结束监测点位未发生明显沉降变化。

3.2 精度评估

为了进一步对静力水准监测系统进行精度评估，将传统二等水准测量结果作为参考值对静力水准监测系统进行数据对比分析，在基坑开挖过程中基于传统二等水准测量对静力水准监测点位进行沉降测量，频率为5天/次，基坑开挖过程中共计10组观测数据，将其可视化输出，结果（如图6所示）：

图6 静力水准监测系统与二等水准测量监测点沉降变化量偏差

由图6可知：基坑开挖过程中监测点静力水准监测系统与二等水准测量沉降变化量偏差最大绝对值为0.3mm，偏差最小绝对值为0mm。人工监测过程中，监测点位最大偏差表现在基坑开挖第10天，其中监测点2的偏差为0mm，监测点1、监测点3和监测点4偏差均为0.3mm；监测点位最大偏差表现在基坑开挖第45天，其中监测点3的偏差为0.1mm，监测点1、监测点2和监测点4偏差均为0mm，进一步证明了基于静力水准监测系统在基坑开挖过程中对地铁车站沉降监测的有效性。

4.结束语

本文介绍了静力水准仪的基本原理、静力水准自动化测量系统的组成及工作方法。根据实际工程案例阐述了静力水准自动测量技术在工程应用中的测量方案。基于静力水准仪建立自动化实时监测系统实现了在基坑开挖过程中对地铁车站的影响实时监测，静力水准监测系统对监测数据的自动化采集，实时传输、处理，为基坑开挖提供了安全可靠的数据支撑，为地铁车站安全运营提供了指导依据，同时静力水准监测系统自动化监测弥补了传统水准测量频率低、耗费人力物力等不足之处，本项目基于静力水准监测系统对车站实时监测可为今后类型监测项目提供参考依据。随着地铁建设规模的不断扩大，涉及的监测范围也越来越广泛，静力水准自动化监测系统在地铁监测领域具有广阔的应用前景。