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。
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，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。
在京沪高速铁路施工中，由于精度要求高，工作强度大，采用传统的观测方法不仅需投入大量资源，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1、图2。
图1、1#隧洞监测布置图
图2、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3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3 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，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。
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。
5.3.3 设备重复安装，保护难度大
洞室开挖一般为上下两层开挖，经常需要爆破，对于监测设备及其相应的管路、电缆保护难度较大；且随着进尺的加大，监测设备需要经常更换位置、重复安装。在此期间对仪器传感器的保护非常重要，无形的情况下增大工作量、也加大了保护的难度。
5.3.4 无法达到永久观测目的
当前的静力水准监测受制于施工期的干扰及监测位置太高等缘故，只能在施工期未衬砌区域使用，仪器正常运行时间较短；不仅需要经常换位安装，且基准点还需人工进行校测，很难实现自动化监测的目的。
5.3.5 基准点的选取不能自动化
仪器在现场安装完成后无法达到系统的正常工作条件，同时无法确定埋设位置拱顶的绝对沉降情况；为了满足自动化系统的起始条件，现场需要常规量测方法（例如：全站仪测量法）的协助，使同组测点的传感器处于相对同一高程，且需测量出基准点的绝对沉降情况，为以后布置测点提供一个相对基准值。
5.3.6 现场传输线保护难度大
由于仪器传感器布置在洞内，传输信号无法到达。此时就需要具有连接作用的传输线，随着洞室开挖的延伸，传输线需要不断加长，线路接头增加，采集数据如出现问题时检查线路就显的非常麻烦；同时线路在通过施工台车或者其它施工位置时需要穿引保护管。施工进度加快、自动化系统施工断面增多，不可能每个时段每个洞室都有监测人员在巡视，这样的情况下传输线就很容易被损坏。
5.3.7 观测精度不高
自动化监测系统安装运行后，采集的数据相对准确就需在洞室内部施工几乎停止、温度差、气压变化不大的情况下才能达到要求；原因在于洞室内部没有较大的震动，传感器内液体表面相对静止，此时采集到的数据才较为真实的反映洞室围岩的变型情况。其精度无法与其它量测方法进行比较。
5.3.8 成本投入太高
系统安装后运行时间较短，使用效率太低，为施工安全保障提供的有利证据不足。安装时需要连同管使同组传感器满足工作原理，但在拆除后使用过的连同管被再次使用的几率不大。因再次安装时不可能和上次安装时两点距离完成相同，如采用连接头连接，现场的施工条件和施工进度无法满足时间要求，这样材料就造成大量的浪费；同时仪器投入较多（仪器价格很高），重复安装导致施工人员、监测设施和协助的施工设备多次重复。
6分析
图4 西渴马一号隧洞断面顶拱沉降监测时间-位移曲线图
图5 西渴马二号隧洞断面顶拱沉降监测时间-位移曲线图
从西渴马一、二号隧洞断面顶拱沉降监测时间-位移曲线图可以得出以下结论：
（1）从监测曲线看，拱顶在喷护后出现缓慢沉降，无突变，无法体现喷护前岩体的沉降情况；
（2）喷护后顶拱下沉经过一段时间后，沉降值趋于稳定，但反映的情况对施工开挖起不到预警作用；
（3）单组仪器采集周期较短，无法为安全施工和信息化设计提供足够的信息；
（4）静力水准仪沉降超限自动报警监测系统在西渴马一、二号隧道中投入较高，没有为施工安全起到预期保障作用。
7、小结
通过静力水准仪在京沪高铁西渴马隧道应用。简单总结以下几点：
（1）可以通过科学的方法来为隧洞安全施工提供有利依据；
（2）可以重复利用，节约设备采购成本；
（3）设备的保护难度增加，安装时人员、机械等的投入增大；
（4）仪器安装需跟进洞室开挖进尺，单组观测周期短；
（5）仪器内液面容易受外界震动影响，观测精度不高；
（6）施工干扰大，设备安装难度大；基准点的选取不能自动化。
信息来源：中国水利水电第七局工程局有限公司科研设计院
作者介绍：周锋（1984-），男，四川犍为人，助理工程师，从事水电工程监测技术与管理工作。
聚华点评：从上文可以看出，基于传统静力水准仪在工程沉降监测中并未取得很好的监测效果，在此推荐光纤光栅静力水准仪产品，该技术不仅在产品本身提高了稳定性和精度，在系统安装、长期运行、工程维护等角度比传统静力水准仪都作了改进，在聚华相关工程中都取得了良好的监测效果。
JH-FGD-C1光纤光栅静力水准仪
关于结构健康监测
结构健康监测是指对工程结构实施损伤检测和识别。 我们这里所说的损伤包括材料特性改变或结构体系的几何特性发生改变，以及边界条件和体系的连续性，体系的整体连续性对结构的服役能力有至关重要的作用。 结构健康监测涉及到通过分析定期采集的结构布置的传感器阵列的动力响应数据来观察体系随时间推移产生的变化，损伤敏感特征值的提取并通过数据分析来确定结构的健康状态。对于长期结构健康监测，通过数据定期更新来估计结构老化和恶劣服役环境对工程结构是否有能力继续实现设计功能。
关于聚华科技
杭州聚华光电科技有限公司（Cavono,Inc.）是一家基于物联网光纤传感器技术从事土木工程结构健康监测与预警管理的高新技术企业，聚华是光纤光栅传感器产品提供商和土木工程结构健康监测一站式解决方案优质合作伙伴。公司专注于桥梁、隧道、边坡、基坑、地铁、矿山、电力等土木工程领域的结构健康监测相关产品的研发、生产、推广与应用，以提供野外光纤传感器自动化监测产品、工程结构安全监测一站式解决方案见长。主要以光纤光栅传感器技术、分布式光纤测温技术、工程安全自动化云计算软件、工程化专业领域数据分析为技术核心。www.cavono.com
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，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。
在京沪高速铁路施工中，由于精度要求高，工作强度大，采用传统的观测方法不仅需投入大量资源，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1、图2。
图1、1#隧洞监测布置图
图2、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3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3 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，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。
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。
5.3.3 设备重复安装，保护难度大
洞室开挖一般为上下两层开挖，经常需要爆破，对于监测设备及其相应的管路、电缆保护难度较大；且随着进尺的加大，监测设备需要经常更换位置、重复安装。在此期间对仪器传感器的保护非常重要，无形的情况下增大工作量、也加大了保护的难度。
5.3.4 无法达到永久观测目的
当前的静力水准监测受制于施工期的干扰及监测位置太高等缘故，只能在施工期未衬砌区域使用，仪器正常运行时间较短；不仅需要经常换位安装，且基准点还需人工进行校测，很难实现自动化监测的目的。
5.3.5 基准点的选取不能自动化
仪器在现场安装完成后无法达到系统的正常工作条件，同时无法确定埋设位置拱顶的绝对沉降情况；为了满足自动化系统的起始条件，现场需要常规量测方法（例如：全站仪测量法）的协助，使同组测点的传感器处于相对同一高程，且需测量出基准点的绝对沉降情况，为以后布置测点提供一个相对基准值。
5.3.6 现场传输线保护难度大
由于仪器传感器布置在洞内，传输信号无法到达。此时就需要具有连接作用的传输线，随着洞室开挖的延伸，传输线需要不断加长，线路接头增加，采集数据如出现问题时检查线路就显的非常麻烦；同时线路在通过施工台车或者其它施工位置时需要穿引保护管。施工进度加快、自动化系统施工断面增多，不可能每个时段每个洞室都有监测人员在巡视，这样的情况下传输线就很容易被损坏。
5.3.7 观测精度不高
自动化监测系统安装运行后，采集的数据相对准确就需在洞室内部施工几乎停止、温度差、气压变化不大的情况下才能达到要求；原因在于洞室内部没有较大的震动，传感器内液体表面相对静止，此时采集到的数据才较为真实的反映洞室围岩的变型情况。其精度无法与其它量测方法进行比较。
5.3.8 成本投入太高
系统安装后运行时间较短，使用效率太低，为施工安全保障提供的有利证据不足。安装时需要连同管使同组传感器满足工作原理，但在拆除后使用过的连同管被再次使用的几率不大。因再次安装时不可能和上次安装时两点距离完成相同，如采用连接头连接，现场的施工条件和施工进度无法满足时间要求，这样材料就造成大量的浪费；同时仪器投入较多（仪器价格很高），重复安装导致施工人员、监测设施和协助的施工设备多次重复。
6分析
图4 西渴马一号隧洞断面顶拱沉降监测时间-位移曲线图
图5 西渴马二号隧洞断面顶拱沉降监测时间-位移曲线图
从西渴马一、二号隧洞断面顶拱沉降监测时间-位移曲线图可以得出以下结论：
（1）从监测曲线看，拱顶在喷护后出现缓慢沉降，无突变，无法体现喷护前岩体的沉降情况；
（2）喷护后顶拱下沉经过一段时间后，沉降值趋于稳定，但反映的情况对施工开挖起不到预警作用；
（3）单组仪器采集周期较短，无法为安全施工和信息化设计提供足够的信息；
（4）静力水准仪沉降超限自动报警监测系统在西渴马一、二号隧道中投入较高，没有为施工安全起到预期保障作用。
7、小结
通过静力水准仪在京沪高铁西渴马隧道应用。简单总结以下几点：
（1）可以通过科学的方法来为隧洞安全施工提供有利依据；
（2）可以重复利用，节约设备采购成本；
（3）设备的保护难度增加，安装时人员、机械等的投入增大；
（4）仪器安装需跟进洞室开挖进尺，单组观测周期短；
（5）仪器内液面容易受外界震动影响，观测精度不高；
（6）施工干扰大，设备安装难度大；基准点的选取不能自动化。
信息来源：中国水利水电第七局工程局有限公司科研设计院
作者介绍：周锋（1984-），男，四川犍为人，助理工程师，从事水电工程监测技术与管理工作。
聚华点评：从上文可以看出，基于传统静力水准仪在工程沉降监测中并未取得很好的监测效果，在此推荐光纤光栅静力水准仪产品，该技术不仅在产品本身提高了稳定性和精度，在系统安装、长期运行、工程维护等角度比传统静力水准仪都作了改进，在聚华相关工程中都取得了良好的监测效果。
JH-FGD-C1光纤光栅静力水准仪
关于结构健康监测
结构健康监测是指对工程结构实施损伤检测和识别。 我们这里所说的损伤包括材料特性改变或结构体系的几何特性发生改变，以及边界条件和体系的连续性，体系的整体连续性对结构的服役能力有至关重要的作用。 结构健康监测涉及到通过分析定期采集的结构布置的传感器阵列的动力响应数据来观察体系随时间推移产生的变化，损伤敏感特征值的提取并通过数据分析来确定结构的健康状态。对于长期结构健康监测，通过数据定期更新来估计结构老化和恶劣服役环境对工程结构是否有能力继续实现设计功能。
关于聚华科技
杭州聚华光电科技有限公司（Cavono,Inc.）是一家基于物联网光纤传感器技术从事土木工程结构健康监测与预警管理的高新技术企业，聚华是光纤光栅传感器产品提供商和土木工程结构健康监测一站式解决方案优质合作伙伴。公司专注于桥梁、隧道、边坡、基坑、地铁、矿山、电力等土木工程领域的结构健康监测相关产品的研发、生产、推广与应用，以提供野外光纤传感器自动化监测产品、工程结构安全监测一站式解决方案见长。主要以光纤光栅传感器技术、分布式光纤测温技术、工程安全自动化云计算软件、工程化专业领域数据分析为技术核心。www.cavono.com