静力水准系统在沉降监测中的应用

胡云龙，汪大超

(天津市测绘院，天津 300381)

静力水准系统在沉降监测中的应用

胡云龙*，汪大超

(天津市测绘院，天津 300381)

静力水准自动化监测系统的发展带来了新一轮的工程革命，其高精度、实时化、自动化的特性对基坑沉降的监测管理带来巨大便捷。为研究静力水准系统在沉降监测中的应用效果，通过分析基坑沉降工程中静力水准系统的自动化监测数据，并与人工监测数据进行比对，得到其自动化监测精度较高，能及时反映工程施工对附近设施的影响，可应用于工程实践的结论，最后总结了静力水准工程运用中出现的问题和解决方案。

静力水准系统；沉降监测；深基坑工程；自动化监测

1 引 言

随着科技发展的突飞猛进，自动化施工监测技术应运而生，为城市建设与管理带来巨大便捷和经济效益。而基坑工程的沉降监测，当前仍以传统的监测方法作为主要技术手段，其工作效率低、监测难点大、管理程度低，不能实时反馈数据，影响施工决策，对工程的施工监测和运营监护都提出了严峻的挑战[1]。因此，探索出能适应复杂多变的基坑环境的新技术迫在眉睫。

静力水准系统，是一种应用于监测多点相对沉降的监测系统[2]。其由精密液位测量元件组成，使用连通管将各个独立的静力水准仪连接成统一系统，当监测点高程变化导致仪器内液位同步变化时，由仪器内浮子或其他传感设备测出其液位变化量，进而能得到出各仪器之间的相对高程变化[3]。具有可靠性高、安装维护方便、适用范围广等特点[4]，是理想的变形测量仪器。

静力水准监测技术作为自动化监测手段，在城市建设与管理中的应用研究成果可在市政重大工程的建设与管理中得到广泛应用[5]，具有广阔的应用前景。同时其实时的监测成果，将有效及时地指导施工，节约施工成本，具有很好的经济效益和社会效益，可应用于深基坑的沉降监测工程。

2 静力水准系统测量原理

静力水准系统由若干静力水准仪组成，分别安装在各个监测点位上，为保证各设备之间的连通，需要将存液浮筒用连通管连接成整体，然后往浮筒内注入液体[6](通常是含有防冻液的蒸馏水)。当液面静止后，各仪器内浮筒的液位应在同一大地水准面上，此时静力水准系统的液位状态称为初始状态[7]。

为推导静力水准系统的沉降监测模型，现假定有4个测点，其中测点1是基准测点其高程不变，测点2的高程上升，测点3的高程下降，测点4的高程不发生变化等等。初始液位值分别为H10、H20、H30、H40，当系统内液面达到平衡静止后形成新的水准面，各测点连通容器内的新液位值分别为H1、H2、H3、H4，如图1所示。

图1 静力水准系统工作原理

然后将4个测点扩展为n个测点，测点1仍为基准测点，其他测点的安装位置相对于基准测点安装位置H0的高程差值为：Y01、Y02、Y03、…、Y0n，各监测点仪器内液位的高程与基准点液位高程的差值为h01、h02、h03、…、h0n，则

Y01+h01=Y02+h02=Y03+h03=…=Y0n+h0n

(1)

j个监测时间间隔后，各测量点的仪器位置相对于基准点的仪器位置的高程差值为△hj1、△hj2、△hj3、…、△hjn，各监测点仪器内液位的高程与基准点液位高程的差值为hj1、hj2、hj3、…、hjn，则有：

(Y01+△hj1)+hj1=(Y02+△hj2)+hj2=(Y03+△hj3)+hj3=…=(Y0n+△hjn)+hjn

(2)

j个监测时间间隔后，测点i相对于基准点的高程变化量Hi1为：

Hi1=△hji-△hj1

(3)

由(2)式可得：

△hji-△hj1=(Y0i+hji)-(Y01+hj1) =(Y0i-Y01)+(hji-hj1)

(4)

由式(1)可得：

Y0i-Y01=-(h0i-h01)

(5)

将式(5)代入式(4)得：

Hi1=(hji-hj1)-(h0i-h01)

(6)

因此，只要在任意监测时间测得静力水准仪容器内液位高程相对于其自身初始液位高程的差值hji，就可以得到该时刻仪器相对于基准点的高程变化量。以此类推，还可以求得某监测点相对于其他任意监测点或任意监测时刻的相对高程变化量。把测量点g作为对比监测点，把f测次作为对比测次，则g测点的相对高程差Hig为：

Hig=(hji-hjg)-(h0i-h0g)

(7)

只要确保基准点相对恒定或者采用其他方法精确测量其变形量，可以通过在待监测建筑物上安装多个仪器布置成监测网络，用以监测各点之间相对于基准点的变形量[8]。

3 工程应用

天津市滨海新区中新生态城某工程拟进行深基坑开挖，基坑东西向长约 100 m，南北方向宽约 150 m。地上由独栋多层建筑物组成，地下有一层地下室，基坑开挖深度为 16 m，因基坑开挖地点距离海滨高速路高架桥较近，同时基坑面积大，土体卸载量大，基坑施工会对周围建筑产生变形影响，因此需对其进行变形监测。该高架桥白天车流量很大，人工监测效率和安全性都得不到保障，只能在夜间车流量较少时实施监测，监测时间较短。因此本项目采用人工监测和静力水准自动化监测相结合的方法来实施，确保了基坑施工对周围建筑的安全。

该项目在滨海高速路高架桥和基坑附近敏感位置布设沉降观测点，共计19个。采用静力水准仪对监测点进行自动化监测，采用电子水准仪对监测点进行人工水准测量作为对比数据。静力水准仪量程为 20 mm，按照仪器的标称精度计算测量精度可达到 20 mm×0.5%=0.1 mm。

4 数据分析

现场安装调试完成后，将当日采集的各监测点高程数据设为该监测点初始高程值，使用静力水准监测信息管理系统每天返回一次监测数据，以ZS1-ZS19监测点的测量结果，以时间为横坐标、测点沉降值为纵坐标绘制曲线分别如图2和图3所示。

由图2、图3可以看出，静力水准自动监测点的沉降变化规律与施工工况、测点与施工区间的相对位置、密切相关：

图2 ZS1-ZS10监测点数据图

图3 ZS11-ZS19监测点数据图

(1)各监测点沉降量在施工期间均呈持续上升趋势，说明随工程施工期间对ZS1-ZS19监测点有明显影响。

(2)在6月24日之前，ZS1-ZS19监测点沉降量均相对稳定在 ±1 mm之内，由于该时期工程尚未进入全面施工，6月24日加快工程施工进展后，可以看出各监测点的沉降量明显提升，说明静力水准监测信息管理系统的监测结果能及时反映工程施工对建筑结构的影响。

(3)6月24日之后，ZS11-ZS19号监测点沉降量明显大于ZS1-ZS10号监测点，这是由于前者的安装位置相对于后者更靠近施工现场，说明静力水准监测信息管理系统的监测结果能正确反映不同监测点的沉降趋势和状态。

(4)可以看出，，各监测点的静力水准数据图均交替出现多个波峰波谷，说明静力水准系统能正确反映监测点的实际沉降情况，即在工程施工期间监测点受多种因素影响造成的不平衡作用力，其实际沉降趋势是在波动中逐渐变大的状态。

此外，将ZS10监测点的自动化监测变形曲线与人工监测曲线进行对比绘制曲线图，如图4所示。

图4 静力水准监测点和人工监测点变形对比曲线图

由图可见，人工监测和静力水准自动化监测的整体沉降趋势基本一致，说明静力水准系统能够正确反映沉降情况。并且，由于静力水准系统采集数据密集，其信息量比人工监测结果更加丰富。

5 问题和解决方案

静力水准系统在工程实践中能客观迅速地反映出待测区域的变形程度和状态，但在监测过程也出现了一些困难和问题。

(1)使用静力水准系统时需要在每个监测点均安装一台仪器，而仪器的生产质量参差不齐，有时会出现设备故障或者线路故障等硬件问题，导致监测数据不能及时反馈到监控中心。解决方法：在监护项目开始前需要对每台仪器进行检定，在监护周期内需要定时检查设备安全和线路。

(2)静力水准系统采用连通管原理，要求所有设备安装在同一水准面上，但在实际工程中受限于现场复杂条件，很难将长距离的静力水准监测安装在同一水准面上。解决方法：采用高程传递，将静力水准设备分组安装在不同的水准面上，各组之间设置转点仪器传递高程值即可。

(3)位于高架桥上的静力水准监测点，在早晚车流量高峰时读数波动比较大，不能客观地反映出基坑施工对待测区域的影响情况。解决方法：选择车流量较少的时间的监测数据作为有效观测数据。

6 小 结

通过本次自动化监测，掌握并控制了该基坑沉降监测的变形情况。通过本次监测，保证了项目的运营安全，达到了预期的监测目的。

(1)本工程采用自动化监测技术和人工监测技术相结合的方法对基坑实施了监测，监测成果数据分析表明，自动化监测精度较高，能反映工程施工对附近设施的影响，应用于线性工程是可行的。

(2)由于人工监测不能随时实施，故自动化监测很好地弥补了人工监测的不足，使工程技术人员在施工时能及时了解监测点的变形影响，以便及时调整施工进度和施工方法等。

(3)在监测项目中，对于监测线路过长需要布设多处高程传递点的项目，应关注转点处仪器安装和高程传递的精度，提高静力水准系统的数据精度。

[1] 唐继民. 自动化监测技术在隧道受损修复工程中的应用[J]. 测绘通报，2014(12)：86～88.

[2] JONES M，Latest Results from the CLIC Geodetic Studies，International Workshop on Acceleator Alignent[C]. The 11st International Workshop on Acceleator Alignent，Hamburg，Germany，2010.

[3] Song Kaichen，Nie Xili. Adaptive Fusion Algorithms based on Weighted Least Square Method[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2006(3)：451～454.

[4] 刘仁龙. 沉降监测技术在盾构隧道下穿京广铁路的应用[J]. 城市勘测，2016(2)：125～128.

[5] 许少峰，何晓业，陈晓东. 固体潮对泾县地震台洞体内静力水准系统的影响研究[J]. 武汉大学学报·信息科学报，2014，39(7)：826～830.

[6] Wang，C.S. New Metro Tunnel to Under-pass an Existing Metro Tunnel[J]. Urban Rapid Rail Transit，2010，23(1)：82～84，88.

[7] 杨兆敬，朱小宁. 钢筋混凝土水池沉降监测及数据分析[J]. 城市勘测，2015(1)：146～148.

[8] 张洪彬，张国祥，安关峰等. 盾构隧道已开裂管片的受力变形特性[J]. 土木建筑与环境工程，2014，36(3)：52～58.

Application of the Hydrostatic Leveling System in the Subsidence Monitoring

Hu Yunlong，Wang Dachao

(Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China)

the development of the static level automatic monitoring system brings a new round of engineering revolution，it changes the subsidence monitoring management of the foundation pit because of its characteristic of high precision，real time and robotization.In order to study the application effect of HLS in settlement monitoring，through the analysis of data of the deep foundation pitautomatic monitoring comparing with manual monitoring data，get the conclusion that the HLS has high automation，provides timely responses of the influence of the project construction on the nearby facilities，can be applied to engineering practice.Finally，the problems and corresponding methods in the HLS practice is summarized.

the hydrostatic leveling system；the subsidence monitoring；the deep foundation pit；automatic monitoring

1672-8262(2017)03-154-04

P258

B

2016—10—18

胡云龙(1975—)，男，高级工程师，主要从事工程测量技术工作。