地鐵隧道沉降監測中靜力水準觀測的精度分析

摘 要：在軌道交通保護區內的重大、危險項目的施工過程中，需要實時了解地鐵結構變形情況。靜力水準測量是地鐵隧道結構自動化垂直位移測量的重要手段。目前，國內對靜力水準在地鐵隧道內觀測精度方面的研究較少。本文通過對布設在地鐵隧道內部的靜力水準儀進行遙控測量，對采集的觀測數據進行整理分析，研究地鐵隧道內靜力水準的觀測精度以及地鐵列車運營導致容器內液面震動對觀測精度的影響。為類似自動化觀測精度分析、觀測數據取舍以及變形觀測數據可靠性分析提供參考依據。

1 引言
軌道交通的重要作用毋庸置疑，上海市運營的軌道交通總長達到了420公里，一旦軌道交通出現問題會帶來一系列的社會問題。隨著城市的發展，軌道交通沿線附近的開發、建設工程越來越多，如何減少周邊施工對軌道交通結構的影響，一直是工程界研究的重要課題。上海申通地鐵公司也成立了專門的監護部門，負責軌道交通結構的監測、保護。一般，在軌道交通保護區內施工，都會有專門的單位負責施工過程中地鐵結構的監測。申通地鐵公司也對軌道交通結構的監測提出了*要求。
軌道交通測量人工時間窗口極短，一般每周兩天，每天三個小時。監護人員只有在這個時間段內才能進入地鐵施工。在一些特殊的、危險的情況下，需要實時了解地鐵結構狀態，這時大多采用自動化監測。靜力水準測量是地鐵結構自動化垂直位移監測的重要手段之一。但是由于在地鐵運營時間段，列車以一定的時間間隔在隧道內運行，對位于地鐵隧道內部的靜力水準儀的測量精度會產生較大影響。
地鐵列車在隧道內以一定速度通過靜力水準監測點時，對監測點的影響主要有以下三種情況，
a) 儀器內部空氣壓強的變化
由于列車運行使得隧道內部空氣流動，導致靜力水準容器內空氣壓強有降低的趨勢，zui終使得液面產生上升的趨勢。
b) 列車震動影響
列車車廂位于監測點附近時，使得監測點下沉，導致靜力水準容器內液面上升；列車遠離監測點后，監測點上抬，導致導致靜力水準容器內液面下降。列車瞬間通過會使容器液面產生上下震動。
c) 基準點的影響
列車經過基準點時，對基準點造成以上A、B兩種影響，會傳遞給監測點相反的作用。

2 項目概況
通過在已運營的地鐵隧道內布設一定數量的靜力水準儀，按照一定的采樣頻率采集液面變形數據，定量分析列車運行對靜力水準觀測精度的影響。在上海軌道交通4號線藍村路站~塘橋站區間下行線XK10+358~ XK10+525的隧道內部，按照約6m的間距，布設了26個靜力水準自動化監測點，編號RJ01~RJ26。考慮數據起算，設置了一個基準點，編號RJ00；由于隧道起伏較大，且儀器安裝要求在一個水平面上，在現場增設了5個轉點：RJ05-1、RJ12-1、RJ16-1、RJ20-1、RJ23-1。采用RJ20型電容式靜力水準儀進行觀測，總計安裝了32臺。隧道結構為單圓盾構隧道，隧道設計內直徑5.5m。靜力水準儀相關參數如下：
測量范圍（fs）mm：20
分辨率mm/字 ：0.01
精度mm ：≤0.5%fs（±0.1mm）
環境溫度（?C）： -20?C—+60?C
濕度環境（相對濕度）：0-
點位布置圖如下。


3 多管路、多臺靜力水準觀測精度分析
3.1 列車正常運營段靜力水準觀測精度分析
受到儀器制造工藝及軟件設計限制，RJ型電容式靜力水準儀模塊控制自動測量的zui短時間間隔為1分鐘，單臺儀器連續測量狀態下的zui短時間間隔為3秒~4秒。為了準確測量地鐵列車運行對靜力水準觀測的影響程度，在列車運營時間，無線遙測安裝在地鐵隧道內的靜力水準儀，從2010年03月18日11：22至13：56按照1分鐘一次的采樣間隔，共計測量了154分鐘，得到154組觀測數據。對這些觀測數據進行統計，分析列車運行對靜力水準觀測的影響。

3.1.1 液面穩定時間
每臺儀器分別以觀測數據的平均值作為初始值，進行計算得到每一臺儀器液面波動的分鐘曲線圖如下。

圖1 整個系統儀器液面波動時間曲線（時間單位為 時：分）

從圖1可以看出，每一條曲線的峰值在不同的時間點出現，即不同儀器的向上、向下波動缺少一致性，而且峰值的大小也不一致。每一臺儀器的采集時間不同以及每一次經過列車的載重、速度不同會導致上述現象。導致儀器不是在同一時刻采集的原因主要有：⑴目前電容式靜力水準儀制作工藝及數據采集技術的限制，單臺靜力水準儀zui短測量間隔為3秒~4秒之間，平均3.7551秒； ②一般情況下，當測量命令發出后，同一個模塊控制的8臺儀器且按序測量，單模塊一次測量周期zui短約為32秒；③液面瞬間震動的頻率較高，同一模塊的8臺儀器分別測量時，液面的狀態可能是處于zui低~zui高的任一位置。

為了便于分析，將11：29至12：29一個小時內的液面狀態的時間曲線按照不同設計管路整理成圖，得到下列6幅液面波動曲線，



從上圖可以看出，波動頻率與地鐵列車通過的頻率明顯相對應。每一條曲線的峰值、平值、谷值基本上都是以7~8分鐘的間隔有規律的出現，頻率與4號線列車的間隔時間7~8分鐘基本一致。曲線峰值、谷值持續的時間約為2分鐘~4分鐘，可以得出，列車運行對靜力水準液面造成震動，液面恢復的時間zui短約2分鐘就恢復平靜狀態。

3.1.2 靜力水準觀測精度
(1) 液面波動范圍
將觀測數據的zui大值減去zui小值可以得到每臺儀器液面的zui大振幅（波動范圍），每次波動的zui大振幅取平均值，得到每臺儀器液面的平均振幅。在實驗的觀測時間內32臺儀器的振幅范圍是0.34mm~1.47mm，總體平均振幅達到0.41mm。
(2) 包含列車震動影響的觀測中誤差
根據中誤差計算公式，計算得到每一臺靜力水準儀觀測數據的中誤差變化范圍±0.045mm ~ ±0.312mm，平均為0.145mm。
(3) 有、無列車通過兩個階段的觀測精度
將液面波動時間內的數據剔除，可以計算得出每一臺靜力水準儀平段（無列車通過）觀測中誤差。只對波動時間內觀測數據進行統計，得到每一臺靜力水準儀波動段（列車通過）觀測中誤差。對32臺儀器的平段中誤差進行統計，得到中誤差范圍±0.010mm ~ ±0.037mm，平均為±0.018mm。對32臺儀器的波段中誤差進行統計，得到中誤差范圍±0.057mm ~ ±0.382mm，平均為±0.185mm。

3.2 列車停運時間段靜力水準觀測
一般，軌道交通4號線該段隧道內每天從晚上23：30到次日凌晨3：30沒有列車通過。在列車停止運行時間，無線遙測安裝在地鐵隧道內的靜力水準儀，從2010年04月08日0：00至00：45按照1分鐘一次的采樣間隔，共計測量了45分鐘，得到45組觀測數據。對這些觀測數據進行統計，分析靜力水準觀測精度。把每臺儀器分別以觀測數據的平均值作為初始值，進行計算得到每一臺儀器液面波動的分鐘曲線圖如下。

圖2 （時間單位為 時：分）

從圖2可以看出，在地鐵列車停運后，靜力水準觀測值變化在很小的范圍內波動。匯總每一臺靜力水準儀觀測的中誤差，得到觀測中誤差變化范圍±0.006mm ~ ±0.012mm，平均為±0.008mm。

4 單臺靜力水準儀觀測精度分析
為了進一步驗證液面波動與列車通過的規律及液面穩定時間，我們對RJ22號儀器進行了從2010年4月9日9點57分37秒到10點10分19秒，共計測量了198次。該點液面波動秒曲線如下。

圖3 （時間單位為 分：秒）

從圖3中得出，液面波動峰值間隔為5分44秒，短于前面數據推算的列車運營間隔（約7分~8分），主要原因是：本次測量是在早高峰時間，地鐵公司加密了列車運行間隔。另外，兩次峰值的振幅不一致，估計與列車載客量及運行速度有關。
*個波動從3分04秒~5分11秒用時2分07秒，波動范圍-0.63mm~0.53mm，振幅1.16mm；第二個波動從8分47秒~10分55秒用時2分08秒，波動范圍-0.53mm~0.19mm，振幅0.72mm。由此也可以得出與上文分析相近的結論：液面穩定時間為2分07秒。
對所有觀測數據進行統計，計算得到總體觀測中誤差±0.18mm。將波動數據剔除，計算得出平段觀測中誤差為±0.016mm。只對波動觀測數據進行計算得到，波動段觀測中誤差為±0.245mm。與上文的分析結果相近。

5 結論
經過上述分析，可以得到以下結論：
(1). 地鐵隧道內列車通過后，靜力水準液面穩定的zui短時間約為2分鐘。
(2). 地鐵隧道內列車按照約7分鐘的間隔有規律的通過觀測點時，多個列車運行周期的靜力水準觀測總體平均中誤差約為±0.2mm，zui大約為±0.3mm。
(3). 地鐵隧道內列車按照約7分鐘的間隔有規律的通過觀測點時，剔除波動觀測數據后平段觀測數據的中誤差小于±0.1mm，平均約為±0.02mm。表明剔除列車震動引起的觀測數據后，靜力水準觀測精度很高。
(4). 地鐵隧道內列車通過觀測點時，觀測數據波動zui大達到1.5mm，觀測值平均中誤差約為±0.2mm。
(5). 列車停運后，靜力水準觀測總體平均觀測中誤差約為±0.01mm。

信息來源：上海巖土工程勘察設計研究院有限公司
作者介紹：付和寬，上海巖土工程勘察設計研究院有限公司軌道交通所所長，工程師，主要從事數字化測量、橋梁和隧道控制測量、建筑變形測量及軌道交通監護監測的研究與運用工作。

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