浅述静力水准仪沉降超限自动报警监测系统.

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，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3～5m，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10°～20°，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；

（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。

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

表1 三角高程量测法、水准测量法主要优缺点

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

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。

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3～5m ，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、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50°～60°，洞身右侧壁较薄，受270°∠80°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5～10m ，并有充填。

5.2仪器安装

5.2.1测点选位后，用电锤造φ22深18～20cm 的螺栓锚固孔，再用清水进行冲洗，将φ22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

任意次状

态（j）

Y 01

初始状态（0）

图3-1、连通管测量原理示意图

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φ10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φ10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，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。