周隽 张晋
一、序 言
伴随着中国经济的高速发展，城市化进程在显著加快，城市建设、城市改造的规模和速度均在扩大。在城市轨道交通控制保护区范围内的施工和作业大量涌现，不可避免地对已运营的轨道交通结构产生扰动，容易导致结构的受力失衡，使结构产生局部的水平位移、沉降、拉伸、压缩、剪切、弯曲、扭转等形变，造成隧道渗漏水、限界的改变、道床的沉降、轨道的几何变化。如果结构变形超出控制值，会严重威胁轨道交通的运营安全，给人民生命财产造成巨大损失。因此对受到外部作业施工影响的城市轨道交通结构进行监测，确保其运营安全，反馈和指导外部作业的施工显得尤为重要。
由于许多轨道交通控制保护区内的外部作业项目与轨道交通结构的空间关系多为上跨或下穿，结构的变形主要体现在结构高程变化上，采用静力水准仪监测轨道交通结构多个监测点沉降的变化，已在北京、上海、广州等城市中运用，取得了较好的效果。目前直接利用浮子测量液面高度的静力水准仪在国内轨道交通结构沉降自动化监测中运用最为广泛。由于采用直接测量液面变化的原理，因此该类静力水准仪的量程一般较小，取决于其容器的高度，一般不大于100 mm。对设备安装精度要求较高，安装时要求初始高程基本相同。采用该类型的静力水准仪，对于线路纵断面设计坡度变化较大的地段，需要分区段布设，并在各区段水准仪之间设置纵向级联静力水准仪，系统设计、安装困难，增加了监测系统的成本。
二、基于压力变送器的沉降监测系统
2.1 压力变送器原理
在工业领域已广泛运用的压力变送器可以用来测量液体、气体或蒸汽的液位、密度和压力，其工作原理是来自双侧导压管的压力差值直接作用于变送器传感器双侧隔离膜片上，通过膜片内的密封液传导至测量元件上，测量元件将测得的压力信号转换为与之对应的电信号传递给转换器，经过放大等处理变为标准电信号输出，如图1所示。
压力变送器测量值是水头的压力，传感器自身无须储液罐，以美国麦德胜MDSDP110型差压变送器为例，其规格与传统静力水准仪相比大大减小。压力变送器测量的量程大，麦德胜MDSDP110 型差压变送器量程为50 mm～ 10000 mm(H2O)，测量精度为±0.075%，分辨率为±0.01%。当各压力变送器之间最大高差在10cm以内时，其测量精度可达±0.1 mm，与传统静力水准仪精度相当。当高差为1m时，其测量的精度为±0．75 mm，分辨率为±0．1 mm，可以弥补传统静力水准仪器量程小的缺点，使得沉降监测系统设计和安装更为方便，在线路纵断面设计坡度变化较大的区段更具有优势。压力变送器都是工业级应用产品，其长期稳定性5年可达±0.1%，可连续工作5 年不用调校零点，温度、静压对其影响很小，在高温、高压环境下均能保持较高的稳定性。
2.2 系统设计
基于压力变送器的沉降监测系统主要由现场监测设备及传感器子系统、数据采集与传输子系统、监控中心、用户子系统四大部分组成，如图2所示。
监测设备与传感器子系统主要是布置在监测现场的压力变送器和采集器等硬件设备;数据采集与传输子系统的主要功能是对采集器进行控制，定期采集相应的数据并向监控中心传入数据，并执行相关命令;监控中心是整个监测系统的控制中心、数据存储中心、数据处理、分析和评价中心、监测预警发布中心;用户子系统实现将各种数据实时按需求向用户展示，并且接受用户对系统的控制与输入。在现场采集端，压力变送器测量的是流体的过程压力，因此需要单独设置储液罐来保证整个系统的压力。在系统的一端设置储液罐，并与各个压力变送器的高压端用连通管连通，保障储液罐中液面的高度高于所有压力变送器中心位置的高度，如图3 所示。
当监测区段较长时，为保障整个系统的压力，可以在系统两端头分别设置储液罐。各监测点之间安装高差可根据测量精度选择，为保障监测精度优于±1.0 mm，监测点之间最大高差不宜大于1m。
系统充入的液体一般采用防冻液，若用纯净水作为介质，应在水中加入防腐剂，防止液体变质。将防冻液倒入储液罐中，然后依次从最远端打开压力变送器排气阀门排气，直到传感器监测数据稳定为止。用密度计在储液罐处测量填充液体的密度，作为参数输入，换算得到各监测点相对储液罐液面的高度差。
三、工程案例
在某违章建筑拆除对轨道交通隧道结构影响自动化监测项目中，为及时掌握其拆除过程中对隧道结构的影响，利用基于压力变送器的沉降监测系统对该段隧道进行了实时沉降监测，同时还布设了应力监测传感器。受影响范围内轨道交通隧道分为单洞双向和两个单洞单线两种断面，受影响范围长度约为160 m，线路纵断面坡度设计最大为42. 5‰，区间隧道拱顶最大高差为7.5m，若采用传统静力水准仪设计和安装均十分困难。该项目一共布置5个监测断面，断面间距约50m，压力变送器均安装在隧道左侧拱肩部位，在线路北侧稳定区域设置基准点压力变送器与储液罐，压力变送器之间最大高差约为220mm，压力变送器采用美国麦德胜MDSDP110型，采集器采用基康BGK－Micro－40 测量单元，数据采样间隔为10min。
四、监测数据分析
4.1 误差源分析
采用压力变送器进行轨道交通结构沉降监测与传统静力水准测量类似，也受到多种误差源的影响，其主要有温度的变化、环境压力、列车震动、填充液的质量等因素影响。
(1)温度影响
系统中填充液体的密度是随温度变化而变化的，液体密度的变化也改变了液体的体积，随着温度的增加，水柱高度变化也加速。
统计3 个多月各断面的温度实时监测数据，从图6 可以看出，除了1 号断面与另外4 个断面的温差在±0. 5℃以内，其余断面的温差均在±0. 25℃以内。1 号断面靠近轻轨站台防火门，受到站台和列车启停的影响，该断面的温度较其他断面有微小的波动。由于隧道内各断面温差较小，所以温度对高差影响可以忽略不计。如果监测系统安装在户外，由于受到遮挡和日照的不同容易引起温差较大的情况，应根据各个传感器所测量的温度对监测结果进行模型改正。
(2)气压和重力的影响
气压、重力的不同会影响液面的高度，由于压力变送器基本都安装在同一高程面上，而且在隧道相对密闭的环境中，在一个比较小的范围内使用，可以认为各监测点的重力加速度g 和气压保持不变。
但由于轨道交通列车运行时会引起隧道中空气的流动，造成隧道内气压的变化，会对测量结果带来一定波动，但若列车间隔时间较长或者是停运期间，气压的变化会逐渐稳定，对监测结果影响较小。当对监测精度要求较高时，可将所有监测点变送器的低压端用空管进行连通，形成密闭系统，可以明显减小外部环境干扰。
(3)列车影响
轨道交通列车以一定的速度通过监测区域时产生的振动影响、动力电缆的电流对压力变送器的电磁干扰、空气流动造成气压变化等因素都会对监测结果带来影响。以本项目为例，在某日监测过程中，监测人员对列车经过传感器的大致时间进行记录，然后跟传感器监测数据的时间序列进行比对，比对成果如图7 所示。列车通过监测点时，增加该部位隧道的荷载，会引起监测点的下沉，由于该项目列车先经过的部位为基准点，基准点下沉相对会使监测点上升。从图中可以看出，列车运营通过传感器的时间与传感器采集数据发生跳变的时间大部分吻合，跳变的大小为0mm ～2mm不等，沉降量均增大。
(4)填充液中气泡影响
监测过程中发现4号监测断面的沉降量与基准点液面的减少量基本一致，整个过程曲线如图8所示。由于压力变送器的膜盒内存有未排出的空气，使变送器的正压始终受到积存的气体压力的影响，且此压力是不断变化的，造成监测值的偏移，且与整个系统的压力有一定的相关性。系统中的液体在外界环境的影响下，溶解在其中的气体会不断析出，聚集在传感器内引起测量的误差。为消除系统中气泡的影响，一是可以选择硅油等性质稳定的液体作为介质;二是定期给压力变送器排气，使该传感器监测数据稳定为止。
4.2 监测精度分析
以某天监测的过程曲线(图9)可以明显看出，在夜间停运期间凌晨0:00～5:00，压力变送器的监测曲线十分平稳。白天由于受列车运营、电磁干扰，噪声和异常较多，对于运营期间的监测数据需要进行粗差识别、过滤。
对列车停运期间的监测结果进行统计分析，可以真实反映压力变送器监测精度。从表1 中可以看出，夜间列车停运期间，压力变送器监测精度优于0.1mm。每天的监测成果最好取夜间一段时间的平均值作为当天的监测成果值。从表2中可以看出，对隧
道运营期监测数据粗差过滤后进行精度统计，隧道运营期压力变送器监测精度达到亚毫米，通过对监测数据粗差过滤和平滑，也能达到实时沉降监测的精度。
4. 3 监测成果比对
为验证压力变送器进行沉降监测的可靠性，在该项目的2 号、3 号、5 号断面压力变送器的附近隧道衬砌上安装棱镜，采用测量机器人进行监测，将监测结果与压力变送器监测成果进行比对，比较结果如表3所示。可以看出用测量机器人与压力变送器监测的结果平均差值为－0．5 mm，可以说两种方法监测结果基本吻合，监测精度在亚毫米级以内。
五、结论
(1) 采用压力变送器进行轨道交通结构沉降监测，其监测精度与传统静力水准仪相当，可以有效克服传统静力水准仪量程小，安装困难的缺点，在线路纵坡较大的区段以及需要对隧道拱肩以上部位进行监测时，相比传统静力水准仪有较大优势。
(2)利用压力变送器进行结构沉降自动化监测，其主要误差来源是系统内未排出气泡、电磁干扰和列车振动的影响，后期可尝试采用光纤光栅进行信号的传输减小电磁干扰。
(3)系统采集器是逐通道扫描，因此每个传感器的采集时间不是严格同步。对于沉降监测系统需要同一时刻液面相对基准点的高差值，这也对高差测量精度有一定影响。为使数据尽量同步，可以将所有压力变送器接入相邻的通道内，但数据的严格同步还需进行进一步研究。
(4)整个沉降监测系统的数据质量与安装质量密切相关，其数据是否稳定需连续观测一段时间才能判断，为保证数据的可靠性和连续性，建议同时采用其他人工监测手段进行相互验证和补充。
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