摘 要： 主要介紹了采用靜力水準儀沉降超限自動報警監測系統的原理和安裝方法，并對初期支護后的京滬鐵路三標段西渴馬隧洞頂拱下沉變形進行試驗性監測應用中的經驗和存在的問題做了簡要的總結和說明。
1 工程概述
西渴馬1#隧道，進口里程DK420+395，出口里程DK423+207，全長2812m。隧道內處于12‰、5.5‰的上坡，出口區分布有大規模崩塌堆積巖體，主要成分為寒武系中統泥質條帶灰巖及鮞狀灰巖，巖體一般粒徑3～5m，可達十余米，充填碎石土及角礫土，結構較松散，容易掉頂，巖體完整性較差。西渴馬2#隧道，進口里程DK423+395，出口里程DK424+373，全長978m。隧道內處于3‰的下坡，進口～DK423+427.50與DK424+358.64～出口分別位于R=30000m的凸、凹豎曲線上。全隧道位于R=7000m的曲線上，中低山區，地形起伏較大，進口山坡坡度約30°，山坡自然坡度位于10°～20°，地表植被稀疏。
2 隧道施工安全監測的目的和常用方法
2.1、隧道施工安全監測的目的
（1）確保施工安全及結構的長期穩定性；
（2）驗證支護結構效果，確認支護參數和施工方法的準確性或為調整支護參數和施工方法提供依據；
（3）確定二次襯砌時間；
（4）監控工程對周圍環境影響；
（5）積累量測數據，為信息化設計與施工提供依據。
2.2、隧道施工安全監測常用方法及選擇
圍巖監控量測常見的方法有沉降觀測和收斂觀測兩種。僅以圍巖沉降變形觀測而言，有三角高程法、水準測量法兩種觀測方法。
在京滬高速鐵路施工中，由于精度要求高，工作強度大，采用傳統的觀測方法不僅需投入大量資源，同時會給現場施工造成一定的影響。為了更高效的進行隧道拱頂沉降變形監測，我部查閱了大量的相關資料，比對各種沉降變形觀測方法的優缺點，認為靜力水準測量測方法是一種精度較高、方便觀測、能及時反饋圍巖變形情況、易于自動化的一種方法。為此，我部在京滬高鐵三標西渴馬隧道現場巖石情況比較破碎地段用此方法進行了有益的嘗試，并獲得了一定的經驗和教訓。
3 監測設備的布設
從2009年1月2日開始，我們依據《鐵路隧道監控量測技術規程》（TB10121-2007）及相關設計圖紙和文件。采用靜力水準儀自動化觀測系統，對初期支護后的隧道頂拱下沉變形進行試驗性監測。從現場開始使用至今，根據隧道特殊的地理、地質條件，我們在西渴馬一號隧道靠近出口、西渴馬二號隧道靠進口圍巖比較破碎的位置共埋設了13個靜力式水準點。其埋設示意圖詳見圖1、圖2。
圖1、1#隧洞監測布置圖
圖2、2#隧洞監測布置圖
4監測系統工作原理
靜力水準系統依據連通器原理，用對應的傳感器通過測量每個測點容器內液面的相對變化來監測結構的豎向變形。靜力水準系統中，所有傳感器的垂直位移均是相對于其中一點的。
如圖3所示，沿隧道軸線方向，在隧道拱頂處安裝若干個容器，容器之間用管路連通，容器內盛適量液體，根據連通器原理，相互連通的容器內初始液面應處于同一水平面。當測點之間發生相對位移時，容器內的液體會順著連通管流動，直到液面達到新的平衡，容器內液面高度的變化即可反映測點間的相對位移。
在每個容器內安裝一個位移傳感器，將液面高度的變化轉換成電信號，監控系統對采集到的電信號進行計算處理后，即可求得各測點之間的相對位移。當已知測點中任意一點的絕對位移時，即可計算出所有測點的絕對位移。
圖3 系統工作原理簡圖
5 監測系統安裝及存在的問題
5.1測點布置
根據實際施工進度和圍巖地質狀況，選擇在靠近1#隧道出口地質條件比較破碎的DK422+917、DK422+900、DK422+880、DK422+850共四個斷面位置。此段圍巖分布有大規模崩塌堆積巖體，主要成分為寒武系中統泥質條帶灰巖及鮞狀灰巖，巖體一般粒徑3～5m，可達十余米，充填碎石土及角礫土，結構較松散，容易掉頂，巖體完整性較差。2#隧道進口安裝的八臺靜力水準儀布置位置在DK423+650、DK423+670、DK423+698、DK423+698、DK423+727五個斷面。此段圍巖地質條件較差，位于陡坡之下，左高右低，坡度約50°～60°，洞身右側壁較薄，受270°∠80°方向數條節理控制，該組節理間距1～2m，平行發育，張開間距一般5～10m，并有充填。
5.2儀器安裝
5.2.1測點選位后，用電錘造φ22深18～20cm的螺栓錨固孔，再用清水進行沖洗，將φ22膨脹螺栓錨入后，將測點安裝底板與螺紋鋼連接，并調節螺桿，使管路相連通的儀器底板基本位于同一高程上（±10mm以內，使用全站儀或水準儀配合進行調節）；
5.2.2預先用清水沖洗主體容器及塑料連通管并將儀器主體安裝在儀器支架的底板上，將水平尺水平放置在儀器主體頂蓋表面垂直交替放置，調節螺桿螺絲使儀器表面水平及高程滿足要求。
5.2.3 將連通管及儀器電纜穿入A3橋架（橋架用角鋼固定），并引至下一測點，連通管與測點相連。待連通管內灌滿液體，排除氣泡；將浮子放于主體容器內；將裝有電容傳感器的頂蓋板裝在主體容器上；再將管路和電纜用φ10帶鉤膨脹螺栓固定在邊墻上，使管路經過所有位置高程均應低于儀器底部，否則儀器將無法正常工作。
5.3實際安裝中存在的問題
在對西渴馬一、二號隧道現場安裝中，發現以下問題：
5.3.1 施工干擾大，設備安裝難度大
傳感器安裝時需較穩定的環境，但常因施工原因，導致安裝只能見縫插針；由于監測目的是拱頂的沉降，所以儀器需安裝在洞頂。從而需吊車等機械設備的密切配合，同時安裝設備的附近其它的施工幾乎全部停止，這樣導致現場的施工推延，影響施工進度。如要保證施工進度，那么安裝設備的難度就非常大。
5.3.2 安裝位置遠離開挖掌子面
為了保護儀器不被爆破時損壞，安裝位置需要在安全的爆破有效距離外；從而導致儀器埋設點落后開挖掌子面較遠，不能采集到洞室開挖過程時爆破對應鄰近拱頂產生的沉降情況，不能及時為施工人員提供安全預警的信息。
5.3.3 設備重復安裝，保護難度大
洞室開挖一般為上下兩層開挖，經常需要爆破，對于監測設備及其相應的管路、電纜保護難度較大；且隨著進尺的加大，監測設備需要經常更換位置、重復安裝。在此期間對儀器傳感器的保護非常重要，無形的情況下增大工作量、也加大了保護的難度。
5.3.4 無法達到永久觀測目的
當前的靜力水準監測受制于施工期的干擾及監測位置太高等緣故，只能在施工期未襯砌區域使用，儀器正常運行時間較短；不僅需要經常換位安裝，且基準點還需人工進行校測，很難實現自動化監測的目的。
5.3.5 基準點的選取不能自動化
儀器在現場安裝完成后無法達到系統的正常工作條件，同時無法確定埋設位置拱頂的絕對沉降情況；為了滿足自動化系統的起始條件，現場需要常規量測方法（例如：全站儀測量法）的協助，使同組測點的傳感器處于相對同一高程，且需測量出基準點的絕對沉降情況，為以后布置測點提供一個相對基準值。
5.3.6 現場傳輸線保護難度大
由于儀器傳感器布置在洞內，傳輸信號無法到達。此時就需要具有連接作用的傳輸線，隨著洞室開挖的延伸，傳輸線需要不斷加長，線路接頭增加，采集數據如出現問題時檢查線路就顯的非常麻煩；同時線路在通過施工臺車或者其它施工位置時需要穿引保護管。施工進度加快、自動化系統施工斷面增多，不可能每個時段每個洞室都有監測人員在巡視，這樣的情況下傳輸線就很容易被損壞。
5.3.7 觀測精度不高
自動化監測系統安裝運行后，采集的數據相對準確就需在洞室內部施工幾乎停止、溫度差、氣壓變化不大的情況下才能達到要求；原因在于洞室內部沒有較大的震動，傳感器內液體表面相對靜止，此時采集到的數據才較為真實的反映洞室圍巖的變型情況。其精度無法與其它量測方法進行比較。
5.3.8 成本投入太高
系統安裝后運行時間較短，使用效率太低，為施工安全保障提供的有利證據不足。安裝時需要連同管使同組傳感器滿足工作原理，但在拆除后使用過的連同管被再次使用的幾率不大。因再次安裝時不可能和上次安裝時兩點距離完成相同，如采用連接頭連接，現場的施工條件和施工進度無法滿足時間要求，這樣材料就造成大量的浪費；同時儀器投入較多（儀器價格很高），重復安裝導致施工人員、監測設施和協助的施工設備多次重復。
6分析
圖4 西渴馬一號隧洞斷面頂拱沉降監測時間-位移曲線圖
圖5 西渴馬二號隧洞斷面頂拱沉降監測時間-位移曲線圖
從西渴馬一、二號隧洞斷面頂拱沉降監測時間-位移曲線圖可以得出以下結論：
（1）從監測曲線看，拱頂在噴護后出現緩慢沉降，無突變，無法體現噴護前巖體的沉降情況；
（2）噴護后頂拱下沉經過一段時間后，沉降值趨于穩定，但反映的情況對施工開挖起不到預警作用；
（3）單組儀器采集周期較短，無法為安全施工和信息化設計提供足夠的信息；
（4）靜力水準儀沉降超限自動報警監測系統在西渴馬一、二號隧道中投入較高，沒有為施工安全起到預期保障作用。
7、小結
通過靜力水準儀在京滬高鐵西渴馬隧道應用。簡單總結以下幾點：
（1）可以通過科學的方法來為隧洞安全施工提供有利依據；
（2）可以重復利用，節約設備采購成本；
（3）設備的保護難度增加，安裝時人員、機械等的投入增大；
（4）儀器安裝需跟進洞室開挖進尺，單組觀測周期短；
（5）儀器內液面容易受外界震動影響，觀測精度不高；
（6）施工干擾大，設備安裝難度大；基準點的選取不能自動化。
信息來源：中國水利水電第七局工程局有限公司科研設計院
作者介紹：周鋒（1984-），男，四川犍為人，助理工程師，從事水電工程監測技術與管理工作。
聚華點評：從上文可以看出，基于傳統靜力水準儀在工程沉降監測中并未取得很好的監測效果，在此推薦光纖光柵靜力水準儀產品，該技術不僅在產品本身提高了穩定性和精度，在系統安裝、長期運行、工程維護等角度比傳統靜力水準儀都作了改進，在聚華相關工程中都取得了良好的監測效果。
JH-FGD-C1光纖光柵靜力水準儀
關于結構健康監測
結構健康監測是指對工程結構實施損傷檢測和識別。 我們這里所說的損傷包括材料特性改變或結構體系的幾何特性發生改變，以及邊界條件和體系的連續性，體系的整體連續性對結構的服役能力有至關重要的作用。 結構健康監測涉及到通過分析定期采集的結構布置的傳感器陣列的動力響應數據來觀察體系隨時間推移產生的變化，損傷敏感特征值的提取并通過數據分析來確定結構的健康狀態。對于長期結構健康監測，通過數據定期更新來估計結構老化和惡劣服役環境對工程結構是否有能力繼續實現設計功能。
關于聚華科技
杭州聚華光電科技有限公司（Cavono,Inc.）是一家基于物聯網光纖傳感器技術從事土木工程結構健康監測與預警管理的高新技術企業，聚華是光纖光柵傳感器產品提供商和土木工程結構健康監測一站式解決方案優質合作伙伴。公司專注于橋梁、隧道、邊坡、基坑、地鐵、礦山、電力等土木工程領域的結構健康監測相關產品的研發、生產、推廣與應用，以提供野外光纖傳感器自動化監測產品、工程結構安全監測一站式解決方案見長。主要以光纖光柵傳感器技術、分布式光纖測溫技術、工程安全自動化云計算軟件、工程化專業領域數據分析為技術核心。www.hzjzgcls.com
1 工程概述
西渴馬1#隧道，進口里程DK420+395，出口里程DK423+207，全長2812m。隧道內處于12‰、5.5‰的上坡，出口區分布有大規模崩塌堆積巖體，主要成分為寒武系中統泥質條帶灰巖及鮞狀灰巖，巖體一般粒徑3～5m，可達十余米，充填碎石土及角礫土，結構較松散，容易掉頂，巖體完整性較差。西渴馬2#隧道，進口里程DK423+395，出口里程DK424+373，全長978m。隧道內處于3‰的下坡，進口～DK423+427.50與DK424+358.64～出口分別位于R=30000m的凸、凹豎曲線上。全隧道位于R=7000m的曲線上，中低山區，地形起伏較大，進口山坡坡度約30°，山坡自然坡度位于10°～20°，地表植被稀疏。
2 隧道施工安全監測的目的和常用方法
2.1、隧道施工安全監測的目的
（1）確保施工安全及結構的長期穩定性；
（2）驗證支護結構效果，確認支護參數和施工方法的準確性或為調整支護參數和施工方法提供依據；
（3）確定二次襯砌時間；
（4）監控工程對周圍環境影響；
（5）積累量測數據，為信息化設計與施工提供依據。
2.2、隧道施工安全監測常用方法及選擇
圍巖監控量測常見的方法有沉降觀測和收斂觀測兩種。僅以圍巖沉降變形觀測而言，有三角高程法、水準測量法兩種觀測方法。
在京滬高速鐵路施工中，由于精度要求高，工作強度大，采用傳統的觀測方法不僅需投入大量資源，同時會給現場施工造成一定的影響。為了更高效的進行隧道拱頂沉降變形監測，我部查閱了大量的相關資料，比對各種沉降變形觀測方法的優缺點，認為靜力水準測量測方法是一種精度較高、方便觀測、能及時反饋圍巖變形情況、易于自動化的一種方法。為此，我部在京滬高鐵三標西渴馬隧道現場巖石情況比較破碎地段用此方法進行了有益的嘗試，并獲得了一定的經驗和教訓。
3 監測設備的布設
從2009年1月2日開始，我們依據《鐵路隧道監控量測技術規程》（TB10121-2007）及相關設計圖紙和文件。采用靜力水準儀自動化觀測系統，對初期支護后的隧道頂拱下沉變形進行試驗性監測。從現場開始使用至今，根據隧道特殊的地理、地質條件，我們在西渴馬一號隧道靠近出口、西渴馬二號隧道靠進口圍巖比較破碎的位置共埋設了13個靜力式水準點。其埋設示意圖詳見圖1、圖2。
圖1、1#隧洞監測布置圖
圖2、2#隧洞監測布置圖
4監測系統工作原理
靜力水準系統依據連通器原理，用對應的傳感器通過測量每個測點容器內液面的相對變化來監測結構的豎向變形。靜力水準系統中，所有傳感器的垂直位移均是相對于其中一點的。
如圖3所示，沿隧道軸線方向，在隧道拱頂處安裝若干個容器，容器之間用管路連通，容器內盛適量液體，根據連通器原理，相互連通的容器內初始液面應處于同一水平面。當測點之間發生相對位移時，容器內的液體會順著連通管流動，直到液面達到新的平衡，容器內液面高度的變化即可反映測點間的相對位移。
在每個容器內安裝一個位移傳感器，將液面高度的變化轉換成電信號，監控系統對采集到的電信號進行計算處理后，即可求得各測點之間的相對位移。當已知測點中任意一點的絕對位移時，即可計算出所有測點的絕對位移。
圖3 系統工作原理簡圖
5 監測系統安裝及存在的問題
5.1測點布置
根據實際施工進度和圍巖地質狀況，選擇在靠近1#隧道出口地質條件比較破碎的DK422+917、DK422+900、DK422+880、DK422+850共四個斷面位置。此段圍巖分布有大規模崩塌堆積巖體，主要成分為寒武系中統泥質條帶灰巖及鮞狀灰巖，巖體一般粒徑3～5m，可達十余米，充填碎石土及角礫土，結構較松散，容易掉頂，巖體完整性較差。2#隧道進口安裝的八臺靜力水準儀布置位置在DK423+650、DK423+670、DK423+698、DK423+698、DK423+727五個斷面。此段圍巖地質條件較差，位于陡坡之下，左高右低，坡度約50°～60°，洞身右側壁較薄，受270°∠80°方向數條節理控制，該組節理間距1～2m，平行發育，張開間距一般5～10m，并有充填。
5.2儀器安裝
5.2.1測點選位后，用電錘造φ22深18～20cm的螺栓錨固孔，再用清水進行沖洗，將φ22膨脹螺栓錨入后，將測點安裝底板與螺紋鋼連接，并調節螺桿，使管路相連通的儀器底板基本位于同一高程上（±10mm以內，使用全站儀或水準儀配合進行調節）；
5.2.2預先用清水沖洗主體容器及塑料連通管并將儀器主體安裝在儀器支架的底板上，將水平尺水平放置在儀器主體頂蓋表面垂直交替放置，調節螺桿螺絲使儀器表面水平及高程滿足要求。
5.2.3 將連通管及儀器電纜穿入A3橋架（橋架用角鋼固定），并引至下一測點，連通管與測點相連。待連通管內灌滿液體，排除氣泡；將浮子放于主體容器內；將裝有電容傳感器的頂蓋板裝在主體容器上；再將管路和電纜用φ10帶鉤膨脹螺栓固定在邊墻上，使管路經過所有位置高程均應低于儀器底部，否則儀器將無法正常工作。
5.3實際安裝中存在的問題
在對西渴馬一、二號隧道現場安裝中，發現以下問題：
5.3.1 施工干擾大，設備安裝難度大
傳感器安裝時需較穩定的環境，但常因施工原因，導致安裝只能見縫插針；由于監測目的是拱頂的沉降，所以儀器需安裝在洞頂。從而需吊車等機械設備的密切配合，同時安裝設備的附近其它的施工幾乎全部停止，這樣導致現場的施工推延，影響施工進度。如要保證施工進度，那么安裝設備的難度就非常大。
5.3.2 安裝位置遠離開挖掌子面
為了保護儀器不被爆破時損壞，安裝位置需要在安全的爆破有效距離外；從而導致儀器埋設點落后開挖掌子面較遠，不能采集到洞室開挖過程時爆破對應鄰近拱頂產生的沉降情況，不能及時為施工人員提供安全預警的信息。
5.3.3 設備重復安裝，保護難度大
洞室開挖一般為上下兩層開挖，經常需要爆破，對于監測設備及其相應的管路、電纜保護難度較大；且隨著進尺的加大，監測設備需要經常更換位置、重復安裝。在此期間對儀器傳感器的保護非常重要，無形的情況下增大工作量、也加大了保護的難度。
5.3.4 無法達到永久觀測目的
當前的靜力水準監測受制于施工期的干擾及監測位置太高等緣故，只能在施工期未襯砌區域使用，儀器正常運行時間較短；不僅需要經常換位安裝，且基準點還需人工進行校測，很難實現自動化監測的目的。
5.3.5 基準點的選取不能自動化
儀器在現場安裝完成后無法達到系統的正常工作條件，同時無法確定埋設位置拱頂的絕對沉降情況；為了滿足自動化系統的起始條件，現場需要常規量測方法（例如：全站儀測量法）的協助，使同組測點的傳感器處于相對同一高程，且需測量出基準點的絕對沉降情況，為以后布置測點提供一個相對基準值。
5.3.6 現場傳輸線保護難度大
由于儀器傳感器布置在洞內，傳輸信號無法到達。此時就需要具有連接作用的傳輸線，隨著洞室開挖的延伸，傳輸線需要不斷加長，線路接頭增加，采集數據如出現問題時檢查線路就顯的非常麻煩；同時線路在通過施工臺車或者其它施工位置時需要穿引保護管。施工進度加快、自動化系統施工斷面增多，不可能每個時段每個洞室都有監測人員在巡視，這樣的情況下傳輸線就很容易被損壞。
5.3.7 觀測精度不高
自動化監測系統安裝運行后，采集的數據相對準確就需在洞室內部施工幾乎停止、溫度差、氣壓變化不大的情況下才能達到要求；原因在于洞室內部沒有較大的震動，傳感器內液體表面相對靜止，此時采集到的數據才較為真實的反映洞室圍巖的變型情況。其精度無法與其它量測方法進行比較。
5.3.8 成本投入太高
系統安裝后運行時間較短，使用效率太低，為施工安全保障提供的有利證據不足。安裝時需要連同管使同組傳感器滿足工作原理，但在拆除后使用過的連同管被再次使用的幾率不大。因再次安裝時不可能和上次安裝時兩點距離完成相同，如采用連接頭連接，現場的施工條件和施工進度無法滿足時間要求，這樣材料就造成大量的浪費；同時儀器投入較多（儀器價格很高），重復安裝導致施工人員、監測設施和協助的施工設備多次重復。
6分析
圖4 西渴馬一號隧洞斷面頂拱沉降監測時間-位移曲線圖
圖5 西渴馬二號隧洞斷面頂拱沉降監測時間-位移曲線圖
從西渴馬一、二號隧洞斷面頂拱沉降監測時間-位移曲線圖可以得出以下結論：
（1）從監測曲線看，拱頂在噴護后出現緩慢沉降，無突變，無法體現噴護前巖體的沉降情況；
（2）噴護后頂拱下沉經過一段時間后，沉降值趨于穩定，但反映的情況對施工開挖起不到預警作用；
（3）單組儀器采集周期較短，無法為安全施工和信息化設計提供足夠的信息；
（4）靜力水準儀沉降超限自動報警監測系統在西渴馬一、二號隧道中投入較高，沒有為施工安全起到預期保障作用。
7、小結
通過靜力水準儀在京滬高鐵西渴馬隧道應用。簡單總結以下幾點：
（1）可以通過科學的方法來為隧洞安全施工提供有利依據；
（2）可以重復利用，節約設備采購成本；
（3）設備的保護難度增加，安裝時人員、機械等的投入增大；
（4）儀器安裝需跟進洞室開挖進尺，單組觀測周期短；
（5）儀器內液面容易受外界震動影響，觀測精度不高；
（6）施工干擾大，設備安裝難度大；基準點的選取不能自動化。
信息來源：中國水利水電第七局工程局有限公司科研設計院
作者介紹：周鋒（1984-），男，四川犍為人，助理工程師，從事水電工程監測技術與管理工作。
聚華點評：從上文可以看出，基于傳統靜力水準儀在工程沉降監測中并未取得很好的監測效果，在此推薦光纖光柵靜力水準儀產品，該技術不僅在產品本身提高了穩定性和精度，在系統安裝、長期運行、工程維護等角度比傳統靜力水準儀都作了改進，在聚華相關工程中都取得了良好的監測效果。
JH-FGD-C1光纖光柵靜力水準儀
關于結構健康監測
結構健康監測是指對工程結構實施損傷檢測和識別。 我們這里所說的損傷包括材料特性改變或結構體系的幾何特性發生改變，以及邊界條件和體系的連續性，體系的整體連續性對結構的服役能力有至關重要的作用。 結構健康監測涉及到通過分析定期采集的結構布置的傳感器陣列的動力響應數據來觀察體系隨時間推移產生的變化，損傷敏感特征值的提取并通過數據分析來確定結構的健康狀態。對于長期結構健康監測，通過數據定期更新來估計結構老化和惡劣服役環境對工程結構是否有能力繼續實現設計功能。
關于聚華科技
杭州聚華光電科技有限公司（Cavono,Inc.）是一家基于物聯網光纖傳感器技術從事土木工程結構健康監測與預警管理的高新技術企業，聚華是光纖光柵傳感器產品提供商和土木工程結構健康監測一站式解決方案優質合作伙伴。公司專注于橋梁、隧道、邊坡、基坑、地鐵、礦山、電力等土木工程領域的結構健康監測相關產品的研發、生產、推廣與應用，以提供野外光纖傳感器自動化監測產品、工程結構安全監測一站式解決方案見長。主要以光纖光柵傳感器技術、分布式光纖測溫技術、工程安全自動化云計算軟件、工程化專業領域數據分析為技術核心。www.hzjzgcls.com