壓力變送器在軌道交通結(jié)構(gòu)監(jiān)測中的運用

摘要:軌道交通控制保護區(qū)內(nèi)建設(shè)活動日益頻繁,對軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護監(jiān)測提出了較高要求。結(jié)合某自動化監(jiān)測項目,利用工業(yè)領(lǐng)域使用的壓力變送器進行軌道交通結(jié)構(gòu)沉降自動化監(jiān)測,對系統(tǒng)設(shè)計進行了詳細介紹,對誤差源及測量精度進行了分析?；趬毫ψ兯推鞯某两当O(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測精度與傳統(tǒng)靜力水準儀相當(dāng),可以有效克服傳統(tǒng)靜力水準儀量程小，體積大,安裝困難的缺點，在線路縱坡較大的區(qū)段進行監(jiān)測時,優(yōu)勢明顯。
1引言
       伴隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市化進程在顯著加快，城市建設(shè)、城市改造的規(guī)模和速度均在擴大。在城市軌道交通控制保護區(qū)范圍內(nèi)的施工和作業(yè)大量涌現(xiàn),不可避免地對已運營的軌道交通結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的受力失衡，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部的水平位移、沉降、拉伸、壓縮、剪切、彎曲、扭轉(zhuǎn)等形變，造成隧道滲漏水、限界的改變、道床的沉降、軌道的幾何變化。如果結(jié)構(gòu)變形超出控制值，會嚴重威脅軌道交通的運營安全,給人民生命財產(chǎn)造成巨大損失。因此對受到外部作業(yè)施工影響的城市軌道交通結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測,確保其運營安全,反饋和指導(dǎo)外部作業(yè)的施工顯得尤為重要。
       由于許多軌道交通控制保護區(qū)內(nèi)的外部作業(yè)項目與軌道交通結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系多為上跨或下穿，結(jié)構(gòu)的.變形主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)高程變化.上,采用靜力水準儀監(jiān)測軌道交通結(jié)構(gòu)多個監(jiān)測點沉降的變化,已在北京、上海、廣州等城市中運用,取得了較好的效果。目前直接利用浮子測量液面高度的靜力水準儀在國內(nèi)軌道交通結(jié)構(gòu)沉降自動化監(jiān)測中運用廣泛。由于采用直接測量液面變化的原理,因此該類靜力水準儀的量程一般較小，取決于其容器的高度，一般不大于100mm。對設(shè)備安裝精度要求較高，安裝時要求初始高程基本相同。采用該類型的靜力水準儀,對于線路縱斷面設(shè)計坡度變化較大的地段,需要分區(qū)段布設(shè),并在各區(qū)段水準儀之間設(shè)置縱向級聯(lián)靜力水準儀甲,系統(tǒng)設(shè)計、安裝困難,增加了監(jiān)測系統(tǒng)的成本。
2基于壓力變送器的沉降監(jiān)測系統(tǒng)
2.1壓力變送器原理
        在工業(yè)領(lǐng)域已廣泛運用的壓力變送器可以用來測量液體、氣體或蒸汽的液位、密度和壓力,其工作原理印是來自雙側(cè)導(dǎo)壓管的壓力差值直接作用于變送器傳感器雙側(cè)隔離膜片.上,通過膜片內(nèi)的密封液傳導(dǎo)至測量元件.上，測量元件將測得的壓力信號轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的電信號傳遞給轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過放大等處理變?yōu)闃藴孰娦盘栞敵?如圖1所示。

壓力變送器測量值是水頭的壓力,傳感器自身無
       須儲液罐,其規(guī)格為長125mmX寬110mmx高197mm,其規(guī)格與傳統(tǒng)靜力水準儀相比大大減小。壓力變送器測量的量程大，差壓變送器量程為50mm~10000mm(H2O),測量精度為+0.075%,分辨率為+0.01%。當(dāng)各壓力變送器之間最大高差在10cm以內(nèi)時，其測量精度可達+0.1mm,與傳統(tǒng)靜力水準儀精度相當(dāng)。當(dāng)高差為1m時，其測量的精度為+0.75mm,分辨率為+0.1mm,可以彌補傳統(tǒng)靜力水準儀器量程小的缺點，使得沉降監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計和安裝更為方便,在線路縱斷面設(shè)計坡度變化較大的區(qū)段更具有優(yōu)勢。壓力變送器都是工業(yè)級應(yīng)用產(chǎn)品,其長期穩(wěn)定性5年可達+0.1%,可連續(xù)工作5年不用調(diào)校零點，溫度、靜壓對其影響很小，在高溫、高壓環(huán)境下均能保持較高的穩(wěn)定性。
2.2系統(tǒng)設(shè)計
       基于壓力變送器的沉降監(jiān)測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備及傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、監(jiān)控中心、用戶子系統(tǒng)四大部分組成,如圖2所示。監(jiān)測設(shè)備與傳感器子系統(tǒng)主要是布置在監(jiān)測現(xiàn)場的壓力變送器和采集器等硬件設(shè)備;數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)的主要功能是對采集器進行控制,定期采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)并向監(jiān)控中心傳入數(shù)據(jù),并執(zhí)行相關(guān)命令;監(jiān)控中心是整個監(jiān)測系統(tǒng)的控制中心、數(shù)據(jù)存儲中心、數(shù)據(jù)處理、分析和評價中心、監(jiān)測預(yù)警發(fā)布中心;用戶子系統(tǒng)實現(xiàn)將各種數(shù)據(jù)實時按需求向用戶展示,并且接受用戶對系統(tǒng)的控制與輸入。
       在現(xiàn)場采集端，壓力變送器測量的是流體的過程.壓力,因此需要單獨設(shè)置儲液罐來保證整個系統(tǒng)的壓力。在系統(tǒng)的一.端設(shè)置儲液罐,并與各個壓力變送器的高壓端用連通管連通，保障儲液罐中液面的高度高于所有壓力變送器中心位置的高度,如圖3所示。當(dāng)監(jiān)測區(qū)段較長時，為保障整個系統(tǒng)的壓力,可以在系統(tǒng)兩端頭分別設(shè)置儲液罐。各監(jiān)測點之間安裝高差可根據(jù)測:量精度選擇,為保障監(jiān)測精度+1.0mm,監(jiān)測點之間最大高差不宜大于1m。


       系統(tǒng)充入的液體一般采用防凍液，若用純凈水作為介質(zhì),應(yīng)在水中加入防腐劑,防止液體變質(zhì)。將防凍液倒入儲液罐中，然后依次從最遠端打開壓力變送器排氣閥門排氣,直到傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定為止。用密度計在儲液罐處測量填充液體的密度，作為參數(shù)輸入，換算得到各監(jiān)測點相對儲液罐液面的高度差
3工程案例
       在某違章建筑拆除對軌道交通隧道結(jié)構(gòu)影響自動化監(jiān)測項目中，為及時掌握其拆除過程中對隧道結(jié)構(gòu)的影響，利用基于壓力變送器的沉降監(jiān)測系統(tǒng)對該段隧道進行了實時沉降監(jiān)測，同時還布設(shè)了應(yīng)力監(jiān)測傳感器。受影響范圍內(nèi)軌道交通隧道分為單洞雙向和兩個單洞單線兩種斷面,受影響范圍長度約為160m,線路縱斷面坡度設(shè)計最大為42.5%o,區(qū)間隧道拱頂最大高差為7.5m,若采用傳統(tǒng)靜力水準儀設(shè)計和安裝均十分困難。
       該項目一共布置5個監(jiān)測斷面，斷面間距約50m,壓力變送器均安裝在隧道左側(cè)拱肩部位，在線路.北側(cè)穩(wěn)定區(qū)域設(shè)置基準點壓力變送器與儲液罐,壓力變送器之間最大高差約為220mm。.

4監(jiān)測數(shù)據(jù)分析
4.1誤差源分析
       采用壓力變送器進行軌道交通結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測與傳統(tǒng)靜力水準測量類似,也受到多種誤差源的影響,其主要有溫度的變化、環(huán)境壓力、列車震動、填充液的質(zhì)量等因素影響。
(1)溫度影響
       系統(tǒng)中填充液體的密度是隨溫度變化而變化的，.液體密度的變化也改變了液體的體積，隨著溫度的增加，水柱高度變化也加速回。
統(tǒng)計3個多月各斷面的溫度實時監(jiān)測數(shù)據(jù),從圖6可以看出,除了1號斷面與另外4個斷面的溫差在+0.5℃以內(nèi),其余斷面的溫差均在+0.25℃以內(nèi)。1號斷面靠近輕軌站臺防火門,受到站臺和列車啟停的影響，該斷面的溫度較其他斷面有微小的波動。由于隧道內(nèi)各斷面溫差較小，所以溫度對高差影響可以忽略不計。如果監(jiān)測系統(tǒng)安裝在戶外,由于受到遮擋和日照的不同容易引起溫差較大的情況，應(yīng)根據(jù)各個傳感器所測量的溫度對監(jiān)測結(jié)果進行模型改正。

(2)氣壓和重力的影響.
      氣壓、重力的不同會影響液面的高度，由于壓力變送器基本都安裝在同--高程面上，而且在隧道相對密閉的環(huán)境中,在一個比較小的范圍內(nèi)使用，可以認為各監(jiān)測點的重力加速度g和氣壓保持不變[7,8]
但由于軌道交通列車運行時會引起隧道中空氣的流動,造成隧道內(nèi)氣壓的變化，會對測量結(jié)果帶來一-定波動,但若列車間隔時間較長或者是停運期間,氣壓的變化會逐漸穩(wěn)定,對監(jiān)測結(jié)果影響較小。當(dāng)對監(jiān)測精度要求較高時，可將所有監(jiān)測點變送器的低壓端用空管進行連通,形成密閉系統(tǒng),可以明顯減小外部環(huán)境干擾。
(3)列車影響
       軌道交通列車以一定的速度通過監(jiān)測區(qū)域時產(chǎn)生的振動影響、動力電纜的電流對壓力變送器的電磁干擾、空氣流動造成氣壓變化等因素都會對監(jiān)測結(jié)果帶來影響。以本項目為例，在某日監(jiān)測過程中,監(jiān)測人員對列車經(jīng)過傳感器的大致時間進行記錄，然后跟傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的時間序列進行比對，比對成果如圖7所示。列車通過監(jiān)測點時，增加該部位隧道的荷載，會引起監(jiān)測點的下沉，由于該項目列車先經(jīng)過的部位為基準點,基準點下沉相對會使監(jiān)測點上升。從圖中可以看出，列車運營通過傳感器的時間與傳感器采集數(shù)據(jù)發(fā)生跳變的時間大部分吻合，跳變的大小為0mm~2mm不等,沉降量均增大。

(4)填充液中氣泡影響
       監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)4號監(jiān)測斷面的沉降量與基準點液面的減少量基本一.致，整個過程曲線如圖8所示。由于壓力變送器的膜盒內(nèi)存有未排出的空氣，使變送器的正壓始終受到積存的氣體壓力的影響，且此壓力是不斷變化的，造成監(jiān)測值的偏移，且與整個系統(tǒng)的壓力有一定的相關(guān)性。系統(tǒng)中的液體在外界環(huán)境的影響.下，溶解在其中的氣體會不斷析出,聚集在傳感器內(nèi)引起測量的誤差。為消除系統(tǒng)中氣泡的影響，一是可以選擇硅油等性質(zhì)穩(wěn)定的液體作為介質(zhì);二是定期給壓力變送器排氣，使該傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定為止。

4.2監(jiān)測精度分析
       以某天監(jiān)測的過程曲線(圖9)可以明顯看出,在夜間停運期間凌晨0:00~5:00,壓力變送器的監(jiān)測曲線十分平穩(wěn)。白天由于受列車運營、電磁干擾,噪聲和異常較多,對于運營期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)需要進行粗差識別、過濾。

       對列車停運期間的監(jiān)測結(jié)果進行統(tǒng)計分析,可以真實反映壓力變送器監(jiān)測精度。從表1中可以看出，夜間列車停運期間，壓力變送器監(jiān)測精度優(yōu)于0.1mm。。每天的監(jiān)測成果最好取夜間一段時間的平均值作為當(dāng)天的監(jiān)測成果值。從表2中可以看出,對隧道運營期監(jiān)測數(shù)據(jù)粗差過濾后進行精度統(tǒng)計,隧道運營期壓力變送器監(jiān)測精度達到亞毫米,通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)粗:差過濾和平滑,也能達到實時沉降監(jiān)測的精度。

4.3監(jiān)測成果比對
       為驗證壓力變送器進行沉降監(jiān)測的可靠性，在該項目的2號、3號、5號斷面壓力變送器的附近隧道襯砌上安裝棱鏡，采用測量機器人進行監(jiān)測，將監(jiān)測結(jié)果與壓力變送器監(jiān)測成果進行比對，比較結(jié)果如表3所示?？梢钥闯鲇脺y量機器人與壓力變送器監(jiān)測的結(jié)果平均差值為-0.5mm,可以說兩種方法監(jiān)測結(jié)果基本吻合,監(jiān)測精度在亞毫米級以內(nèi)。

5結(jié)論
(1)采用壓力變送器進行軌道交通結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測，其監(jiān)測精度與傳統(tǒng)靜力水準儀相當(dāng),可以有效克服傳統(tǒng)靜力水準儀量程小，安裝困難的缺點，在線路縱坡較大的區(qū)段以及需要對隧道拱肩以上部位進行監(jiān)時,相比傳統(tǒng)靜力水準儀有較大優(yōu)勢。
(2)利用壓力變送器進行結(jié)構(gòu)沉降自動化監(jiān)測，其主要誤差來源是系統(tǒng)內(nèi)未排出氣泡、電磁干擾和列車振動的影響,后期可嘗試采用光纖光柵進行信號的傳輸減小電磁干擾。
(3)系統(tǒng)采集器是逐通道掃描,因此每個傳感器的采集時間不是嚴格同步。對于沉降監(jiān)測系統(tǒng)需要同一時刻液面相對基準點的高差值,這也對高差測量精度有一定影響。為使數(shù)據(jù)盡量同步，可以將所有壓力變送器接入相鄰的通道內(nèi)，但數(shù)據(jù)的嚴格同步還需進行進一步研究。.
(4)整個沉降監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量與安裝質(zhì)量密切相關(guān),其數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定需連續(xù)觀測--段時間才能判斷，為保證數(shù)據(jù)的可靠性和連續(xù)性,建議同時采用其他人工監(jiān)測手段進行相互驗證和補充。