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1、第 1 页 共 9 页 浅述静力水准仪沉降超限自动报警监测系统 在京沪高速铁路三标段西渴马隧道施工中的应用 周锋 （中国水利水电第七局工程局有限公司科研设计院郫县 611730） 摘要： 主要介绍了采用静力水准仪沉降超限自动报警监测系统的原理和安装方法，并对初期支护后的 京沪铁路三标段西渴马隧洞顶拱下沉变形进行试验性监测应用中的经验和存在的问题做了简要的总 结和说明。 关键词： 隧洞、沉降观测、静力水准、自动化监测、方法 1 工程概述 西渴马 1#隧道，进口里程 DK420+395，出口里程 DK423+207，全长 2812m。隧道内处 于 12、5.5的上坡，出口区分布有大规模崩塌堆积岩体
2、，主要成分为寒武系中统泥质条 带灰岩及鲕状灰岩，岩体一般粒径35m，最大可达十余米，充填碎石土及角砾土，结构 较松散，容易掉顶，岩体完整性较差。西渴马2#隧道，进口里程DK423+395，出口里程 DK424+373， 全长 978m。 隧道内处于 3的下坡，进口 DK423+427.50 与 DK424+358.64 出口分别位于 R=30000m的凸、凹竖曲线上。全隧道位于R=7000m的曲线上，中低山区， 地形起伏较大，进口山坡坡度约30，山坡自然坡度位于1020，地表植被稀疏。 2 隧道施工安全监测的目的和常用方法 2.1、隧道施工安全监测的目的 （1）确保施工安全及结构的长期稳定性；
3、 （2）验证支护结构效果，确认支护参数和施工方法的准确性或为调整支护参数和施工 方法提供依据； （3）确定二次衬砌时间； （4）监控工程对周围环境影响； （5）积累量测数据，为信息化设计与施工提供依据。 第 2 页 共 9 页 2.2、隧道施工安全监测常用方法及选择 围岩监控量测最常见的方法有沉降观测和收敛观测两种。仅以围岩沉降变形观测而言， 有三角高程法、水准测量法两种观测方法，其示意图见图1、图 2，优缺点见表 1。 图 1 水准测量法 图 2 全站仪测量法 开挖面 水准仪 水准尺 水准点 铟钢挂尺 拱顶下沉观测点 拱顶下沉观测点 反射片 水准点 反射棱镜 全站仪 开挖面 第 3 页 共
4、9 页 表 1 三角高程量测法、水准测量法主要优缺点 名 称优 点缺 点 三角高程测量法快捷方便、适应性强精度不高、不能精准及时反应围岩变形真实情况 水准测量法精度高、成果可靠人员投入多，工作量大，易受施工干扰 在京沪高速铁路施工中，由于精度要求高，工作强度大，采用传统的观测方法不仅需 投入大量资源，同时会给现场施工造成一定的影响。为了更高效的进行隧道拱顶沉降变形 监测，我部查阅了大量的相关资料，比对各种沉降变形观测方法的优缺点，认为静力水准 测量测方法是一种精度较高、方便观测、能及时反馈围岩变形情况、易于自动化的一种方 法。为此，我部在京沪高铁三标西渴马隧道现场岩石情况比较破碎地段用此方法进
5、行了有 益的尝试，并获得了一定的经验和教训。 3 监测设备的布设 从 2009年 1 月 2 日开始，我们依据铁路隧道监控量测技术规程 （TB10121-2007）及 相关设计图纸和文件。 采用静力水准仪自动化观测系统，对初期支护后的隧道顶拱下沉变形 进行试验性监测。从现场开始使用至今，根据隧道特殊的地理、地质条件，我们在西渴马 一号隧道靠近出口、西渴马二号隧道靠进口围岩比较破碎的位置共埋设了13个静力式水准 点。其埋设示意图详见图3、图 4。 图 3、1#隧洞监测布置图 第 4 页 共 9 页 图 4、2#隧洞监测布置图 4监测系统工作原理 静力水准系统依据连通器原理，用对应的传感器通过测量
6、每个测点容器内液面的相对 变化来监测结构的竖向变形。静力水准系统中，所有传感器的垂直位移均是相对于其中一 点的。 如图 5 所示，沿隧道轴线方向，在隧道拱顶处安装若干个容器，容器之间用管路连通， 容器内盛适量液体，根据连通器原理，相互连通的容器内初始液面应处于同一水平面。当 测点之间发生相对位移时，容器内的液体会顺着连通管流动，直到液面达到新的平衡，容 器内液面高度的变化即可反映测点间的相对位移。 在每个容器内安装一个位移传感器，将液面高度的变化转换成电信号，监控系统对采 集到的电信号进行计算处理后，即可求得各测点之间的相对位移。当已知测点中任意一点 的绝对位移时，即可计算出所有测点的绝对位移
7、。 第 5 页 共 9 页 图 5 系统工作原理简图 5 监测系统安装及存在的问题 5.1 测点布置 根据实际施工进度和围岩地质状况，选择在靠近1#隧道出口地质条件比较破碎的 DK422+917、DK422+900、DK422+880、DK422+850 共四个断面位置。此段围岩分布有大 规模崩塌堆积岩体，主要成分为寒武系中统泥质条带灰岩及鲕状灰岩，岩体一般粒径 35m， 最大可达十余米，充填碎石土及角砾土，结构较松散，容易掉顶，岩体完整性较差。2#隧 道 进 口安 装的 八 台 静力 水 准 仪 布置 位置在DK423+650、DK423+670 、DK423+698、 DK423+698、
8、DK423+727 五个断面。此段围岩地质条件较差，位于陡坡之下，左高右低， 坡度约 5060， 洞身右侧壁较薄，受 27080方向数条节理控制， 该组节理间距 1 2m，平行发育，张开间距一般510m，并有充填。 5.2 仪器安装 5.2.1 测点选位后，用电锤造 22 深 1820cm 的螺栓锚固孔，再用清水进行冲洗，将22 膨胀螺栓锚入后，将测点安装底板与螺纹钢连接，并调节螺杆，使管路相连通的仪器底板 基本位于同一高程上（ 10mm 以内，使用全站仪或水准仪配合进行调节）； 5.2.2 预先用清水冲洗主体容器及塑料连通管并将仪器主体安装在仪器支架的底板上，将水 1 2 n . h j n
9、h j 2 h j 1 h j i H0 任 意 次 状 态 （j ） hj1 hj2hji hjn Y01+hj1Y02+hj2 Y0 i +hjiY0n+hjn Y 0 n Y 0 2 Y 0 1 12n . Y 0 i h 0 n h 0 2 h 0 1 h 0 i H0 初 始 状 态 （0） 图3-1、连通管测量原理示意图 第 6 页 共 9 页 AA 平尺水平放置在仪器主体顶盖表面垂直交替放置，调节螺杆螺丝使仪器表面水平及高程满 足要求。 5.2.3 将连通管及仪器电缆穿入A3 桥架（桥架用角钢固 定） ，并引至下一测点，连通管与测点相连。待连通管内 灌满液体，排除气泡；将浮子放于
10、主体容器内；将装有 电容传感器的顶盖板装在主体容器上；再将管路和电缆 用10 带钩膨胀螺栓固定在边墙上，使管路经过所有位 置高程均应低于仪器底部，否则仪器将无法正常工作。 （见图 6） 图 6 静力水准仪现场安装简图 5.2.4 将 DAU （分布式数据自动采集单元）箱使用10 膨胀螺栓固定在边墙上， 并正确连接电缆， 将最终引出电 缆经边墙引至洞外控制室内， 并接入安装了自动监测软件 的电脑。电缆穿越钢筋台车和钢模台车的部分应穿上线管 进行保护。 （见图 7） 图 7 静力水准仪现场安装图 5.3 实际安装中存在的问题 在对西渴马一、二号隧道现场安装中，发现以下问题： 5.3.1 施工干扰大
11、，设备安装难度大 传感器安装时需较稳定的环境，但常因施工原因，导致安装只能见缝插针；由于监测 目的是拱顶的沉降，所以仪器需安装在洞顶。从而需吊车等机械设备的密切配合，同时安 装设备的附近其它的施工几乎全部停止，这样导致现场的施工推延，影响施工进度。如要 保证施工进度，那么安装设备的难度就非常大。 5.3.2 安装位置远离开挖掌子面 为了保护仪器不被爆破时损坏，安装位置需要在安全的爆破有效距离外；从而导致仪 器埋设点落后开挖掌子面较远，不能采集到洞室开挖过程时爆破对应邻近拱顶产生的沉降 情况，不能及时为施工人员提供安全预警的信息。 第 7 页 共 9 页 5.3.3 设备重复安装，保护难度大 洞
12、室开挖一般为上下两层开挖，经常需要爆破，对于监测设备及其相应的管路、电缆 保护难度较大；且随着进尺的加大，监测设备需要经常更换位置、重复安装。在此期间对 仪器传感器的保护非常重要，无形的情况下增大工作量、也加大了保护的难度。 5.3.4 无法达到永久观测目的 当前的静力水准监测受制于施工期的干扰及监测位置太高等缘故，只能在施工期未衬 砌区域使用，仪器正常运行时间较短；不仅需要经常换位安装，且基准点还需人工进行校 测，很难实现自动化监测的目的。 5.3.5 基准点的选取不能自动化 仪器在现场安装完成后无法达到系统的正常工作条件，同时无法确定埋设位置拱顶的 绝对沉降情况；为了满足自动化系统的起始条
13、件，现场需要常规量测方法（例如：全站仪 测量法）的协助，使同组测点的传感器处于相对同一高程，且需测量出基准点的绝对沉降 情况，为以后布置测点提供一个相对基准值。 5.3.6 现场传输线保护难度大 由于仪器传感器布置在洞内，传输信号无法到达。此时就需要具有连接作用的传输线， 随着洞室开挖的延伸，传输线需要不断加长，线路接头增加，采集数据如出现问题时检查 线路就显的非常麻烦；同时线路在通过施工台车或者其它施工位置时需要穿引保护管。施 工进度加快、自动化系统施工断面增多，不可能每个时段每个洞室都有监测人员在巡视， 这样的情况下传输线就很容易被损坏。 5.3.7 观测精度不高 自动化监测系统安装运行后
14、，采集的数据相对准确就需在洞室内部施工几乎停止、温 度差、气压变化不大的情况下才能达到要求；原因在于洞室内部没有较大的震动，传感器 内液体表面相对静止，此时采集到的数据才较为真实的反映洞室围岩的变型情况。其精度 无法与其它量测方法进行比较。 5.3.8 成本投入太高 系统安装后运行时间较短，使用效率太低，为施工安全保障提供的有利证据不足。安 装时需要连同管使同组传感器满足工作原理，但在拆除后使用过的连同管被再次使用的几 率不大。因再次安装时不可能和上次安装时两点距离完成相同，如采用连接头连接，现场 的施工条件和施工进度无法满足时间要求，这样材料就造成大量的浪费；同时仪器投入较 第 8 页 共
15、9 页 多（仪器价格很高），重复安装导致施工人员、监测设施和协助的施工设备多次重复。 6 分析 分析见图 8、图 9 图 8 西渴马一号隧洞断面顶拱沉降监测时间-位移曲线图 图 9 西渴马二号隧洞断面顶拱沉降监测时间-位移曲线图 从西渴马一、二号隧洞断面顶拱沉降监测时间-位移曲线图可以得出以下结论： （1）从监测曲线看，拱顶在喷护后出现缓慢沉降，无突变，无法体现喷护前岩体的沉 降情况； （2）喷护后顶拱下沉经过一段时间后，沉降值趋于稳定，但反映的情况对施工开挖起 不到预警作用； 第 9 页 共 9 页 （3）单组仪器采集周期较短，无法为安全施工和信息化设计提供足够的信息； （4）静力水准仪沉降
16、超限自动报警监测系统在西渴马一、二号隧道中投入较高，没有 为施工安全起到预期保障作用。 7、小结 通过静力水准仪在京沪高铁西渴马隧道应用。简单总结以下几点： （1）可以通过科学的方法来为隧洞安全施工提供有利依据； （2）可以重复利用，节约设备采购成本； （3）设备的保护难度增加，安装时人员、机械等的投入增大； （4）仪器安装需跟进洞室开挖进尺，单组观测周期短； （5）仪器内液面容易受外界震动影响，观测精度不高； （6）施工干扰大，设备安装难度大；基准点的选取不能自动化。 静力水准仪在京沪高铁西渴马隧道使用时间较短，尚缺乏足够的数据来对其可靠性进 行验证，国内也没有在施工期使用此方法的先例，但作为一种新方法、新课题，值得进行 深入的探索。 作者：周锋（ 1984-） ，男，四川犍为人，助理工程师，从事水电工程监测技术与管理工 作。