压差式静力水准仪沉降监测系统在营运
隧道的应用研究
摘 要：
隧道运营期间，隧道周边围岩应力进行重新分布。隧道周边围岩及其支护将会产生变形，对隧道断面沉降监测，可有效了解隧道在运营中的地层、支护结构和周边环境的影响程度，预测隧道的变形发展趋势，保证隧道的结构安全。对隧道沉降的传统监测方法主要是人工测量，但人工测量数据操作难度大，劳动强度高，且不具备自动化实时监测。压差式沉降监测系统建立智能化的安全预警与应急管理体系，测量精度高，系统稳定，监测数据实时上传监测预警与应急管理平台，提高预警与应急处置能力。
关键词：隧道；压差式静力水准仪；监测系统、安全预警；隧道的结构安全 隧道为城市公共交通的重要支柱。隧道变形的稳定可控是道路安全运营的重要保障之一，隧道结构的变形监测是了解和掌握隧道结构变化、及时发现病害和判断其安全状况的必要方法和手段。通过对隧道主体结构的监测，收集监测数据，记录整治方案，系统地整理积累资料，及时掌握运营的变形情况，不断总结经验教训，可为病害治理提供可靠依据，也可为今后相关工程设计、施工、运营维护单位借鉴。
引起隧道运营期的沉降因素很多，主要有地质因素、周边复杂环境及地面荷载变化显著等方面。岩层风化程度和单轴抗压强度变化大，沿线地层变化剧烈，起伏大，地下水丰富，周边建筑施工时有发生。传统的隧道沉降监测实施一是利用全站仪自由设站，通过N个点的距离和方位角高程来确定自由站点的三维坐标，二是利用水准仪测量，通过基准点与测点布置组成闭合水准路线，按国家二等水准测量的技术要求进行施测，但传统的监测技术都存在几大方面的影响：一是运营隧道中的车辆通行与测量相互影响，直接干扰测量工作。二是数据真实性不高，
监控量测过程复杂，工作繁琐，每步均需严谨细致。这就需要测量人员既要专业性强、工作认真负责、不怕辛苦。三是不能实时掌握情况，监测间隔时间通常定期检测周期时进行，难以掌握急速沉降的情况，不能实时掌握变形情况。四是测量数据精度不够。目前隧道沉降测量大多采用精度为3+2ppm*1（km）全站仪测量，也就是说全站仪测距1km,最大测量误差为3mm；无法达到《铁路隧道监控量测技术规程》要求的0.5-1mm测量精度要求。测量过程中记录多、计算多、分析多，人为误差难以避免，精度更是无法保证。
通过压差式静力水准仪沉降监测自动监测，收集有效信息对大桥的荷载情况、运行状态和安全性进行评估，实时了解结构的安全服役状态，并实施有效的预防性养护、维修与加固工作，保证隧道维修策略制定具有针对性、及时性和高效性，为养护需求，养护措施提供科学的决策依据。建立智能化的安全预警与应急管理体系，并截图桥梁综合监测预警与应急管理平台，提高一桥一隧的安全预警与应急管理水平以及应急处置能力。
1 压差沉降监测系统介绍 1.1压差式静力水准仪原理
压差式静力水准仪由储液器、超高精度芯体和特殊定制电路模块、保护罩等部件组成。沉降系统由多只同型号传感器组成，储液罐之间由通气管和通液管相连通，基准点置于一个稳定的水平基点，当测点相对于基准点发生升降时，将引起各点压力的变化。通过测量传感器压力的变化，来计算各测点相对水平基点的升降变化。
压差式静力水准仪传感器的基本原理并不复杂，用管道连接的容器中注入一定的液体，所有的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的各个参考点的高度的不同（图1为其原理图）：
图1压差原理图
如果容器和连通管道中使用的液体密度均匀一致，环境压力等因素也相同，图1中的第一种情况显示的是两个容器对称分布，处于相同的高度，此时：
d1=d2，h1=h2式中，d表示标志物到容器底面的距离；h为容器中液体的高度。所以两个容器所在位置之间的高度差为零，即：
△h=0
对于第二种情况，由于两个容器所处位置的高度发生了变化，有：h'1=h1+△h2/2，h'2=h2-△h2/2
所以：d'1=d1+△h/2，d'2=d2-△h/2 可以得到： △h=d'1-d2（1）
如果两个容器的距离比较远，假如液体的密度也不同，则当处于平衡（静止）状态时，有下面的关系式：
P1+ρ1g1H1=21+ρ1g1H₂=C（2）
式中，P为大气压力；p为液体密度；g为重力加速度；H是从基准水平面起算的液面的高度，例如容器内液体液面到系统（包括连通管）中液体最低点的高度。在一个复杂的、测量范围比较大的静力水准系统中，温度、压力等因素必须要加以考虑，在以后的章节中将给予进一步讨论。
2压差沉降监测系统介绍 2.1 系统组成
压差式液体静力水准仪沉降位移监测系统是由静力/动力水准仪、4G采集网关、云平台、安锐监测中心等部件组成，通过对传感器数据的自动化采集、传输、分析与管理，准确掌握其所辖范围结构体的实时健康状况，原理图如下图2。
图2沉降位移监测系统 2.2 系统监测原理
静力水准仪的工作原理，需先设定一个基准点和多个测点，其中基准水准仪作为参考点布置在一个稳定不动点上，其余测点水准仪根据前期沉降点的布置逐个安装，各静力水准仪之间利用通液管串联，当测点水准仪发生竖向位移时，此时该点的位移变化用液体在此过程中压力变化的大小表示该点沉降值，再通过485信号传输至网关，经过云平台计算，以图表的形式在安锐监测中心展示，如下图3。
图3系统监测原理
3 系统应用原则 3.1系统部件选型原则
在整个监测系统中，传感器的灵敏度、线性度、重复性、漂移等技术指标对系统整体性能有较大影响。因此，传感器选型应遵循以下原则：
（1）精度高。传感器必须满足实际项目监测的精度要求，准确反映所监测量的微小变化。
（2）大量程。依据工程经验以及相关的工程规范，对所监测的物理量在工程实际中应有清晰的了解，传感器的量程需大于工程危险临界值，以满足理物的相关监测。
（3）环境适应性强。长期的高温、高压、高湿度等恶对运以及不确定因素的干扰，常使传感器的输出失真，影响测量系统的准确性、稳定可输法，因此要求传感器的抗电信号和抗电磁波的干扰性好。
（4）稳定一致性好。在一组传感器中，各监测）司具有一定的关系，在设备故障状态下各信号均有相应的变化。对于同一监（子系鲜为尽可能反映监测量的真实变化，要求所选用的传感器稳定性好、线性度好，各个器之间波动的幅度尽可能小。
（5）安装及校准方便。实际使用时于传感器多安装在各层房顶的夹层中，因此为减少安装和调试工作，应选择校准简易安方便的传感器作为监测设备。传感器的安装支架应有足够范围的调节空间，感是配使用的固定装置具有微调和便于维修的功能。
（6）无延迟性，寿命长。为风对及应所监测结构的细微变化，要求传感器的响应速度快、无延迟性；并且要求传影的使用寿命长，耐久性好。
（7）安全性高每于所准测的数据，要求传感器的保存和保密能力好，便于信息工程管理。
（8）可靠性好。能够持续可靠地完成监测任务。
（9）尺寸合适。尽可能选择尺寸小、质量轻、高强度的传感器。
（10）降低系统的投入成本。在满足工程监测需求的前提下，尽可能选择有利于降低监测系统成本的传感器。
（11）选择适合的连接水管。连接水管的直径与水管中气泡的排除有密切关系：细的水管不利于气泡的排除；而粗的水管在管中充满水后质量会增加，时间久了水管会变形。
（12）避免储液容器中水的蒸发导致的水位变化。
项目 参数 测量介质 液体 压力形式 差压 压力量程 0～200mmH20,0～1000mmH20,0～20mH20（范围内可定制） 温度量程 -40～100℃ 综合精度 0.02～0.1%FS 分辨率 0.01mm 输出信号 RS485-RTU 4～20mA 供电电压 12V DC(7~30VDC) 绝缘阻抗 ≥1000 MΩ/100VDC 补偿温度 -20～60℃（特殊温区订货时注明，可定制补偿负30℃超低温） 介质温度 -40～85℃ 环境温度 -40～80℃ 储存温度 -40～85℃；相对湿度：0～95％ RH 响应时间 ≤5mS 过载压力 150%FS 3.2隧梁隧道安全监控平台
桥梁隧道安全监控软件是一套对桥梁、隧道等交通重大结构物进行安全监控监测的管理软件，软件包括能对接各种硬件监测设备的TCP服务器，以及一个可以在线查询、在线管理的WEB平台，主要实现了北斗精准定位、实时监测预警、智能安全守护、数据统计分析等功能。软件WEB平台主界面如图4所示。
图4桥梁隧道安全监控主界面 3.3监测项目看板
监测项目看板，页面展示用户拥有项目权限的结构物列表信息，以卡片的形式展示，可以通过项目、地址、类型等进行筛选查询。如图5所示。
图5监测项目看板 3.4结构物详细看板
结构物详细看板可以查看关联在此结构物下的所有硬件设备信息，其中左上角按预警级别统计设备故障数量，并显示在线数量和离线数量。右上角显示结构物的图片，下方按设备类型划分显示所有设备。如图6所示。
图6结构物详细看板 3.5监测数据曲线图
每个传感器都可以查看数据曲线图，可以通过结构物、设备、数据接收时间进行筛选。系统根据不同类型的传感器，分为通用曲线图、双坐标曲线图、风向
极坐标曲线图和北斗曲线图四种，如图7所示。
如图7监测数据曲线图 3.6数据分析
系统支持对同一时间段而不同的多个设备进行数据分析对比，支持同一设备而不同的两个时间段进行数据分析对比。如图8所示。
图8 不同设备与进段对比曲线图 3.7监测报告
每个结构物都会生产对应的监测日报、周报、月报。可以在线打开和下载监测报告pdf文件，如图9所示。
图9 监测报告 3.8系统预警
3.8.1当监测数据接近或超过桥梁正常使用条件下界限值，但不会对桥梁安全、正常使用和行车安全产生影响时，进行蓝色警示。蓝色警示根据养护管理规定和需求、桥梁结构特点、行车舒适度等确定阈值；
3.8.2当监测数据超过桥梁正常使用条件下界限值且可能对桥梁安全、正常使用和行车安全产生显著影响时，进行黄色报警；
3.8.3当监测数据接近桥梁结构安全界限值或者严重影响桥梁安全、正常使用和行车安全时，进行红色报警。
3.9预警级别
3.9.1蓝色警示表明部分监测数据接近或者超出桥梁正常使用条件下的界限值，但不会对桥梁的正常使用产生显著影响，提醒桥梁管养单位对桥梁可能出现的安全隐患加强关注。系统通过多渠道提供精准的报警推送给相关人员，通过电子邮件、手机短信、微信、APP推送方式，将最新的桥梁安全状况信息及时反馈给相关技术人员。
3.9.2黄色报警表明监测数据超过桥梁正常使用条件下的界限值且可能对桥梁的安全性和正常使用产生显著影响，警示桥梁管养单位对某些构件或部位连续密切关注，查明预警原因，采取适当检查、交通流量管制等应急管理措施以确保桥梁结构安全运营。系统通过多渠道提供精准的报警推送给相关人员，通过电子
邮件、手机短信、微信、APP立马电话告知推送方式，将最新的桥梁安全状况信息及时反馈给相关技术人员。现场须立即采取措施，监测单位相关技术人员立即赶往现场，分析原因，并提出相应技术对策。
3.9.3红色报警表示监测数据接近桥梁结构安全界限值且将严重影响桥梁安全和行车安全，警示桥梁管养单位桥梁可能存在严重安全隐患，采取必要的交通管制措施，并进行桥梁结构状态评估。系统通过多渠道提供精准的报警推送给相关人员，通过电子邮件、手机短信、微信、APP立马电话告知推送方式，将最新的桥梁安全状况信息及时反馈给相关技术人员。现场须立即采取措施，监测单位相关技术人员立即赶往现场，并立马进行交通管制，通过指示灯、声音、网络、可变情报板、路侧广播等进行应急报警。最后以紧急报告或异常报告的形式向相关单位汇报。
4 预警阈值
预警值的确定设置是一个非常严谨、严肃的过程。不同结构不同测试部位的预警值均不一样，因此需要对此有针对性的分析才能确定预警值的大小。预警值的确定有几个途径：
4.1预警阈值基于监测数据历史统计值、设计值和规范容许值设定； 4.2预警阈值设定考虑监测变量数据动态特征、统计特性以及监测变量异常特征；
4.3桥梁在日常运营状态下和突发事件的预警阈值设定，参照表5.3-1规定 4.4参考相关规程规定，如《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》（JT/T 1037-2016）、《大跨桥梁结构健康监测系统预警阈值设置标准》等。
隧道结构各类监测变量预警阈值设置
报警类别 报警内容 报警阈值 预警类别 焰火 火灾情况 隧道内发生火灾时 黄色预警 年累计变形小于3mm时 蓝色预警 年累计变形大结构变形 结构沉降 于3mm小于10mm时 黄色预警 年累计变形大于10mm时 红色预警 5 广州市番禺区广州南站地区F隧道实例分析 5.1 工程概况
F隧道北起石山大道南北侧，下穿石山大道南—汉溪大道西交叉口于汉溪大道西东侧设置出口。隧道北侧入口段及东侧出口段均为单向两车道。F隧道总长370.478m，其中入口敞口段长144.548m，隧道闭口段长71.772m，出口敞口段长154.158m。闭口段为单箱单室箱形闭合框架结构，设计荷载等级：公路-I级。隧道现状图、结构立面图、平面图及横断面结构布置示意图见图10。
图10 F隧道闭口段横断、平面图（单位:cm） 5.2 F隧道传感器及设备安装
现场安装前，监测点位需进行高程测量，以便使一套系统的各个测点传感器能够安装在同一高程，测点高差在1米范围内。
（1）液体准备
通液管内液体最好采用防冻液或者二甲基硅油。 液体去气非常重要
未经去气的液体在充入管路后很容易析出小的气泡经过聚集后演变为大的气泡而影响测量。
（2）通液管充液
建议在通液管尚未铺设前，将去气液体充入通液管，减少或避免现场排气泡工作。通液管充液前，应先用同种液体预先浸润管内壁，避免微小灰尘颗粒吸附气泡，可采用水泵将液体从通液管一头注入，从另一头流出，循环3分钟后，将出入口调换连接水泵再反向循环3分钟，之后将管内液体排出。通液管正式充液可采用自然流动方式，将盛放去气液体储液置于高于通液管位置，把通液管与储液罐连通，通液管末端用另一容器接收液体，让去气液体通过自然流动充满通液管。本方式速度较慢，需把成捆的通液管拆开放直，以便检查并排出流动过程中产生的气泡。另外也可以采用水泵将去气液体充入通液管，本方式速度较快，但是会减弱液体去气效果。
（3）压差式静力水准仪检测
传感器根据编号分类完成后，用USB线将采集仪与笔记本电脑逐一连接，使用12VDC给传感器供电，通过调试软件采集各传感器编号和测值，确定传感器编号是否与线缆标签是否一致，采集测值单位是否符合综合管理软件要求，测值是否符合常理，如编号不一致则修改到一致。 静力水准采用侧面安装方式如下图11。
图11静力水准安装方式
5.3隧道几何形态参数结果对比
同一时段的人工监测与自动监测日报告对比，最大差值不超过±0.0001m。 几何监测结果对比表
测点 人工测量累计沉降量 沉降监测系统数据分析 最大差值 左侧拱脚A（m） 右侧拱脚D（m） 顶F拱左侧拱脚A（m） 右侧拱脚D（m） 顶F拱（m） （m） 16 0.-0.0018 -0.0008 06 0.00-0.0017 -0.0007 0005 ±0.0001 17 0.-0.0001 -0.0009 04 0.000.0000 -0.0008 0003 ±0.0001 18 0.-0.0012 -0.0009 04 0.00-0.0011 -0.0008 0003 ±0.0001 19 0.-0.0028 -0.0047 05 0.00-0.0027 -0.0046 0004 ±0.0001 20 0.-0.0037 -0.0025 02 0.00-0.0036 -0.0024 0001 ±0.0001 21 0.-0.0015 -0.0051 02 0.00-0.0014 -0.0052 0001 ±0.0001 22 0.0.0016 044 0.003 0.000.0017 043 0.00002 ±0.0001 23 0.0.0023 -0.0020 05 0.000.0024 -0.0021 0004 ±0.0001 备注：基准点位于近钟三路进口处端部右侧距端部约10m处，假设基准点高程为10.0000m。 6结语
理论分析及实际的运行效果表明，作为高精度的沉降监测，静力水准法测量原理简单，方法可靠，长期稳定性高。使用静力水准系统，可轻松实现远程移动式数据采集，并绘制过程线和测值报表。在隧道工程中实现24小时连续监测，为隧道施工开挖与营运的安全提供了可靠的监测手段。
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