楊　宏　張獻州　張　拯　邱穎新　張正國　羅　毅(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都　61001；2.高速鐵路運營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，四川成都　61001；.成都鐵路局高鐵段，四川成都　610081)The Study of Hydrostatic Levelling System Applicating in High-Speed Railway Operatoring period to Real-Time Monitoring SettlementYANG Hong　ZHANG Xianzhou　ZHANG ZhengQiu Yingxin　ZHANG Zhengguo　LUO Yi

液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在高速鐵路運營期實時沉降監(jiān)測中的應(yīng)用研究

楊宏1，2張獻州1，2張拯1,2邱穎新1，2張正國3羅毅3(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都610031；2.高速鐵路運營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，四川成都610031；3.成都鐵路局高鐵段，四川成都610081)The Study of Hydrostatic Levelling System Applicating in High-Speed Railway Operatoring period to Real-Time Monitoring SettlementYANG Hong1，2ZHANG Xianzhou1，2ZHANG Zheng3Qiu Yingxin1,2ZHANG Zhengguo3LUO Yi3

摘要介紹液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的工作原理，分析總結(jié)在高速鐵路運營期實時沉降監(jiān)測中影響系統(tǒng)精度的主要因素及削弱這些因素的方法。通過對液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在某高速鐵路運營期沉降監(jiān)測項目中的監(jiān)測成果與工人周期監(jiān)測成果對比分析，表明液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)監(jiān)測方法能夠滿足運營期高速鐵路沉降監(jiān)測精度要求。

關(guān)鍵詞高速鐵路運營安全實時沉降監(jiān)測精密液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)精度分析

高速鐵路建設(shè)期沉降監(jiān)測研究較多[1-5]，運行期沉降監(jiān)測尚沒有好的方法。液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)因其具有精度高、自動化性能好、實時測量等特點，應(yīng)用于高速鐵路運營期沉降監(jiān)測中，可以有效地彌補傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量監(jiān)測的不足。液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)已成功應(yīng)用于大壩、隧道變形等監(jiān)測工作中[6-9]，但是利用液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)對運營期高速鐵路沉降監(jiān)測的研究較少。液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)應(yīng)用于高速鐵路運營期實時沉降監(jiān)測，可實現(xiàn)穩(wěn)定的自動化數(shù)據(jù)采集，采集、傳輸過程無人值守，僅數(shù)據(jù)處理時需人機交互作業(yè)。但是，對于實時數(shù)據(jù)中粗差探測、剔除和實時數(shù)據(jù)濾波等數(shù)據(jù)處理方法需要進一步研究。

1液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)

1.1　系統(tǒng)工作原理

液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)利用連通器原理，多個通過連通管連接在一起的儲液容器的液面靜止后處在同一水平面，通過測量不同儲液容器的液面高度，經(jīng)計算可以得出各個液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)相對基準(zhǔn)點的沉降量。

假設(shè)有1、2、…、n觀測點，每個測點上安裝的靜力水準(zhǔn)儀通過連通管連通。假設(shè)安裝完成后，初始狀態(tài)各測點的安裝高程分別為Y01…Y0i…Y0j…Y0n，各測點的液面高度分別為h01…h(huán)0i…h(huán)0j…h(huán)0n，如圖1所示。

對于初始狀態(tài)，顯然有

(1)

當(dāng)j時刻發(fā)生沉降后，各測點由于沉降而引起的變化量分別為：Δhj1，Δhj2，…，Δhji，…，Δhjn，各測點的液面高度變化為hj1，hj2，…，hji，…，hjn，如圖2所示。

根據(jù)連通管原理，液面高度是相同的，因此有

(2)

第i個測點相對于基準(zhǔn)點1的相對沉降量為

(3)

由式(2)可以得出

(4)

由式(1)可以得出

(5)

將式(5)代入式(4)，即可得出第i個測點j時刻相對于基準(zhǔn)點1的相對沉降量

(6)

由式(6)可知，只要測出各測點不同時刻的液面高度值，即可計算出各測點在不同時刻的相對差異沉降值。

待液面穩(wěn)定后，可以先對傳感器調(diào)零，此時各個液面的初始高度值均為零，式(6)可以簡化為

(7)

由(7)可知，獲得各個液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的液面變化值，與基準(zhǔn)點液面變化值之差即為各測點相對基準(zhǔn)點的相對變化量。

1.2　液體靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)影響因素分析

(1)壓強影響

液體靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)不同儲液容器中壓強差對系統(tǒng)的測量精度影響較大，且很多因素可能影響儲液容器中壓力，如儲液容器周邊的氣流、氣候變化等。由于儲液容器里壓強不同而對液面高度的影響，由式(8)可以求得

(8)

式中：p1為儲液容器1壓強值；p2為儲液容器2壓強值；ρ為儲容器里液體密度；g為重力加速度。

為削弱儲液容器中壓強不等對測量精度的影響，通常采用的方法是利用導(dǎo)氣管將系統(tǒng)中的每個儲液容器串聯(lián)，保持整個液體靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)在相同的壓強下工作，達到削弱不同壓強對液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)測量精度的影響。

(2)溫度不均勻的影響

液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)安裝在外界環(huán)境中，一些儲液容器位置處于向陽面，而另一些儲液容器位置處于背陰面，導(dǎo)致各個儲液容器里液體的溫度不同。溫度變化導(dǎo)致儲液容器里的液體密度發(fā)生變化，引起液面高度發(fā)生變化[10]。

正常情況下，系統(tǒng)的所有儲液容器裝有相同的液體，由于儲液容器和連通管里液體溫度不均勻，使得各處液體的膨脹情況不一樣，造成密度不均勻，在連通管中形成密度梯度。可以使用離散值相加的方法削弱溫度的影響：沿垂直方向每隔一定高度放置一個溫度傳感器，測出每一個高度的溫度，利用式(9)可求出溫度改正數(shù)

(9)

式中：n1為儲液容器1的傳感器個數(shù)；n2為儲液容器2里的傳感器個數(shù)；γ為液體膨脹系數(shù)；T(H)為溫度隨高程H變化的梯度函數(shù)；H2i為儲液容器2里第i個傳感器高程；H1j為儲液容器1里第j個傳感器高程。

采用離散值相加方法求得的高差改正數(shù)若不能滿足精度要求，可以采用兩套液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，利用差分的方法消除溫度不均勻?qū)鹊挠绊?，獲取更高的測量精度，如公式(10)

(10)

式中：γ1為液體1的膨脹系數(shù)；γ2為液體2的膨脹系數(shù)；h1為液體1液面高差；h2為液體2的液面高差。

(3)液管的影響

聯(lián)通管將儲液容器串聯(lián)，實現(xiàn)整個系統(tǒng)液面在同一高度。聯(lián)通管內(nèi)壁與液體之間存在黏著力，影響液體流動。因此，在設(shè)計時需考慮聯(lián)通管長度最短，可以減弱液管與液體之間黏著力的影響。

(4)液體蒸發(fā)和污染的影響

由于局部溫度變化，會引起系統(tǒng)液體蒸發(fā)不均衡，封閉儲液容器或在液面加入少量硅油可減弱液體蒸發(fā)的影響。

液體污染是由于液體變質(zhì)或出現(xiàn)浮游植物，影響測量精度，可以通過改變測點環(huán)境，或在液體中加入少量防腐劑防止液體變質(zhì)[8]。

2工程實例

2.1　工程概況

某工程場地位于某市國道聯(lián)網(wǎng)暢通工程城區(qū)段。根據(jù)設(shè)計，國道從某高速鐵路7號、8號和9號橋墩之間船槽下穿通過。船槽基坑開挖施工期間，由于船槽結(jié)構(gòu)邊線距離橋墩較近，基坑邊坡可能失穩(wěn)，導(dǎo)致邊坡滑坡，產(chǎn)生局部位移，引起既有軌面高程發(fā)生變化，影響高速鐵路運營安全。按照《高速鐵路運營沉降監(jiān)測管理辦法》(2010)標(biāo)準(zhǔn)，工程施工期間，需對高速鐵路橋墩“健康”狀態(tài)進行監(jiān)測。

7號、8號和9號高鐵橋墩離施工區(qū)較近，容易受到施工影響。為監(jiān)測高速鐵路橋墩垂直方向位移，沿著高速鐵路走向布設(shè)一條液體靜力水準(zhǔn)路線。該水準(zhǔn)系統(tǒng)共7個測點(其中，每個監(jiān)測橋墩左右各1個測點，在離施工區(qū)較遠的4號橋墩布設(shè)1個基準(zhǔn)測點)，共7套靜力水準(zhǔn)儀，編號分別為J4、J7-L、J7-R、J8-L、J8-R、J9-L、J9-R，可實現(xiàn)高速鐵路橋墩垂直方向位移自動化監(jiān)測，自動化采集系統(tǒng)的采樣間隔時間為1 h。

2.2　數(shù)據(jù)分析

(1)數(shù)據(jù)分析

圖3為高速鐵路橋墩各監(jiān)測點相對于基準(zhǔn)點J4點的垂直位移變化曲線。從圖3中可以看出：相對基準(zhǔn)點J4而言，J7-L的最終相對沉降為-0.27 mm；J7-R的最終相對沉降為-0.33 mm；J8-L的最終相對沉降為-0.39 mm；J8-R的最終相對沉降為-0.42 mm；J9-L的最終相對沉降為-0.36 mm；J9-R的最終相對沉降為-0.43 mm，監(jiān)測點的最終沉降量均較小。監(jiān)測結(jié)果表明，下穿道路施工未對高速鐵路橋墩造成顯著影響，橋墩未發(fā)生明顯沉降。

圖4為高速鐵路橋墩各監(jiān)測點相對于基準(zhǔn)點J4點的垂直位移變化微觀曲線。從圖3與圖4中可以看出：(1)監(jiān)測點相對位移曲線具有明顯的周期變化特征。白天，環(huán)境溫度較高，液體蒸發(fā)為水汽，儲液容器內(nèi)液體減少，儀器探測到液面下降，相對位移曲線呈現(xiàn)下沉；夜晚，環(huán)境溫度降低，水汽液化為液體，儲液容器內(nèi)液體增多，儀器探測到液面上升，相對位移變化曲線呈現(xiàn)隆起。(2)每天，周圍環(huán)境的最高溫度與最低溫度時刻不同，引起周期變化的峰值出現(xiàn)時間不同。這說明，相對位移曲線變化規(guī)律與溫度變化規(guī)律有密切聯(lián)系，但二者之間更具體、更內(nèi)在的聯(lián)系還有待進一步的研究。

從圖4中可以看出，J9-L和J9-R出現(xiàn)峰值的時間比其他點出現(xiàn)峰值時刻滯后，經(jīng)分析，這是由于J9-L和J9-R距離基準(zhǔn)點J4較遠的原因引起。這說明，液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)受距離影響，隨著測點與基準(zhǔn)點間距離變長，監(jiān)測靈敏度會變下降。

(2)自動化監(jiān)測成果與人工監(jiān)測成果對比分析

在橋墩上每套液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)下方埋設(shè)二等水準(zhǔn)沉降監(jiān)測標(biāo)志，使用Trimble DiNi03精密電子水準(zhǔn)儀進行周期人工沉降觀測，人工周期沉降監(jiān)測成果如表1所示。

注：2015/4/21人工沉降監(jiān)測成果作為首期數(shù)據(jù)，所有監(jiān)測點相對變化量為0。

表2是人工監(jiān)測與自動監(jiān)測成果的對比分析統(tǒng)計。從表2中可以看出：兩種監(jiān)測方法所獲得的變形相對沉降量均小于1 mm，均值均小于1 mm。自動化監(jiān)測受外界因素影響，其相對沉降量較人工監(jiān)測相對沉降大，監(jiān)測成果精度稍微低于人工監(jiān)測成果精度。但是，自動化監(jiān)測成果精度滿足高速鐵路沉降監(jiān)測精度要求。因此，本次靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在運營期高速鐵路沉降監(jiān)測工程中的應(yīng)用是可行的。

3結(jié)束語

(1)液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在高速鐵路運營期實時沉降監(jiān)測中的應(yīng)用，充分體現(xiàn)了其精度穩(wěn)定、自動化程度高、實時測量等特點，可實現(xiàn)穩(wěn)定的自動化數(shù)據(jù)采集，采集、傳輸過程無人值守，僅數(shù)據(jù)處理時需人機交互作業(yè)，能夠科學(xué)地反應(yīng)運營期高速鐵路的實時“健康”信息，為建設(shè)施工提供指導(dǎo)。

(2)與傳統(tǒng)人工二等水準(zhǔn)周期沉降監(jiān)測方法進行高速鐵路沉降監(jiān)測相比，液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)能提供更加豐富的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)過濾波處理后，能夠更全面地反應(yīng)高速鐵路的實時狀態(tài)。

(3)從監(jiān)測成果可以看出：J7-L點自動化和人工最終相對沉降分別為-0.27 mm和-0.25 mm；J7-R點自動化和人工最終相對沉降分別為-0.33 mm和-0.25 mm；J8-L點自動化和人工最終相對沉降分別為-0.39 mm和-0.17 mm；J8-R點自動化和人工最終相對沉降分別為-0.42 mm和-0.22 mm；J9-L點自動化和人工最終相對沉降分別為-0.36 mm和-0.15 mm；J9-R點自動化和人工最終相對沉降分別為-0.43 mm和-0.08 mm。以上數(shù)據(jù)反映出：液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)自動化監(jiān)測與人工周期監(jiān)測成果反映的高速鐵路變化趨勢基本一致，說明液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在高速鐵路運營期實時沉降監(jiān)測中的應(yīng)用可行。

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中圖分類號：TU433

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)06-0028-04

作者簡介：第一楊宏(1991—)，男，在讀碩士研究生。

基金項目：長江學(xué)者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助(IRT13092);高速鐵路運營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室;成都鐵路局成綿樂客運專線運行期沉降監(jiān)測項目(2015G002-C)；企業(yè)項目(VR01HX1135 Y14005)。

收稿日期：2015-09-06