地铁隧道沉降监测中静力水准观测的精度分析

摘 要：在轨道交通保护区内的重大、危险项目的施工过程中，需要实时了解地铁结构变形情况。静力水准测量是地铁隧道结构自动化垂直位移测量的重要手段。目前，国内对静力水准在地铁隧道内观测精度方面的研究较少。本文通过对布设在地铁隧道内部的静力水准仪进行遥控测量，对采集的观测数据进行整理分析，研究地铁隧道内静力水准的观测精度以及地铁列车运营导致容器内液面震动对观测精度的影响。为类似自动化观测精度分析、观测数据取舍以及变形观测数据可靠性分析提供参考依据。

1 引言
轨道交通的重要作用毋庸置疑，上海市运营的轨道交通总长达到了420公里，一旦轨道交通出现问题会带来一系列的社会问题。随着城市的发展，轨道交通沿线附近的开发、建设工程越来越多，如何减少周边施工对轨道交通结构的影响，一直是工程界研究的重要课题。上海申通地铁公司也成立了专门的监护部门，负责轨道交通结构的监测、保护。一般，在轨道交通保护区内施工，都会有专门的单位负责施工过程中地铁结构的监测。申通地铁公司也对轨道交通结构的监测提出了极高要求。
轨道交通测量人工时间窗口极短，一般每周两天，每天三个小时。监护人员只有在这个时间段内才能进入地铁施工。在一些特殊的、危险的情况下，需要实时了解地铁结构状态，这时大多采用自动化监测。静力水准测量是地铁结构自动化垂直位移监测的重要手段之一。但是由于在地铁运营时间段，列车以一定的时间间隔在隧道内运行，对位于地铁隧道内部的静力水准仪的测量精度会产生较大影响。
地铁列车在隧道内以一定速度通过静力水准监测点时，对监测点的影响主要有以下三种情况，
a) 仪器内部空气压强的变化
由于列车运行使得隧道内部空气流动，导致静力水准容器内空气压强有降低的趋势，最终使得液面产生上升的趋势。
b) 列车震动影响
列车车厢位于监测点附近时，使得监测点下沉，导致静力水准容器内液面上升；列车远离监测点后，监测点上抬，导致导致静力水准容器内液面下降。列车瞬间通过会使容器液面产生上下震动。
c) 基准点的影响
列车经过基准点时，对基准点造成以上A、B两种影响，会传递给监测点相反的作用。

2 项目概况
通过在已运营的地铁隧道内布设一定数量的静力水准仪，按照一定的采样频率采集液面变形数据，定量分析列车运行对静力水准观测精度的影响。在上海轨道交通4号线蓝村路站~塘桥站区间下行线XK10+358~ XK10+525的隧道内部，按照约6m的间距，布设了26个静力水准自动化监测点，编号RJ01~RJ26。考虑数据起算，设置了一个基准点，编号RJ00；由于隧道起伏较大，且仪器安装要求在一个水平面上，在现场增设了5个转点：RJ05-1、RJ12-1、RJ16-1、RJ20-1、RJ23-1。采用RJ20型电容式静力水准仪进行观测，总计安装了32台。隧道结构为单圆盾构隧道，隧道设计内直径5.5m。静力水准仪相关参数如下：
测量范围（fs）mm：20
分辨率mm/字 ：0.01
精度mm ：≤0.5%fs（±0.1mm）
环境温度（C）： -20C—+60C
湿度环境（相对湿度）：0-100%
点位布置图如下。


3 多管路、多台静力水准观测精度分析
3.1 列车正常运营段静力水准观测精度分析
受到仪器制造工艺及软件设计限制，RJ型电容式静力水准仪模块控制自动测量的最短时间间隔为1分钟，单台仪器连续测量状态下的最短时间间隔为3秒~4秒。为了准确测量地铁列车运行对静力水准观测的影响程度，在列车运营时间，无线遥测安装在地铁隧道内的静力水准仪，从2010年03月18日11：22至13：56按照1分钟一次的采样间隔，共计测量了154分钟，得到154组观测数据。对这些观测数据进行统计，分析列车运行对静力水准观测的影响。

3.1.1 液面稳定时间
每台仪器分别以观测数据的平均值作为初始值，进行计算得到每一台仪器液面波动的分钟曲线图如下。

图1 整个系统仪器液面波动时间曲线（时间单位为 时：分）

从图1可以看出，每一条曲线的峰值在不同的时间点出现，即不同仪器的向上、向下波动缺少一致性，而且峰值的大小也不一致。每一台仪器的采集时间不同以及每一次经过列车的载重、速度不同会导致上述现象。导致仪器不是在同一时刻采集的原因主要有：⑴目前电容式静力水准仪制作工艺及数据采集技术的限制，单台静力水准仪最短测量间隔为3秒~4秒之间，平均3.7551秒； ②一般情况下，当测量命令发出后，同一个模块控制的8台仪器且按序测量，单模块一次测量周期最短约为32秒；③液面瞬间震动的频率较高，同一模块的8台仪器分别测量时，液面的状态可能是处于最低~最高的任一位置。

为了便于分析，将11：29至12：29一个小时内的液面状态的时间曲线按照不同设计管路整理成图，得到下列6幅液面波动曲线，



从上图可以看出，波动频率与地铁列车通过的频率明显相对应。每一条曲线的峰值、平值、谷值基本上都是以7~8分钟的间隔有规律的出现，频率与4号线列车的间隔时间7~8分钟基本一致。曲线峰值、谷值持续的时间约为2分钟~4分钟，可以得出，列车运行对静力水准液面造成震动，液面恢复的时间最短约2分钟就恢复平静状态。

3.1.2 静力水准观测精度
(1) 液面波动范围
将观测数据的最大值减去最小值可以得到每台仪器液面的最大振幅（波动范围），每次波动的最大振幅取平均值，得到每台仪器液面的平均振幅。在实验的观测时间内32台仪器的振幅范围是0.34mm~1.47mm，总体平均振幅达到0.41mm。
(2) 包含列车震动影响的观测中误差
根据中误差计算公式，计算得到每一台静力水准仪观测数据的中误差变化范围±0.045mm ~ ±0.312mm，平均为0.145mm。
(3) 有、无列车通过两个阶段的观测精度
将液面波动时间内的数据剔除，可以计算得出每一台静力水准仪平段（无列车通过）观测中误差。只对波动时间内观测数据进行统计，得到每一台静力水准仪波动段（列车通过）观测中误差。对32台仪器的平段中误差进行统计，得到中误差范围±0.010mm ~ ±0.037mm，平均为±0.018mm。对32台仪器的波段中误差进行统计，得到中误差范围±0.057mm ~ ±0.382mm，平均为±0.185mm。

3.2 列车停运时间段静力水准观测
一般，轨道交通4号线该段隧道内每天从晚上23：30到次日凌晨3：30没有列车通过。在列车停止运行时间，无线遥测安装在地铁隧道内的静力水准仪，从2010年04月08日0：00至00：45按照1分钟一次的采样间隔，共计测量了45分钟，得到45组观测数据。对这些观测数据进行统计，分析静力水准观测精度。把每台仪器分别以观测数据的平均值作为初始值，进行计算得到每一台仪器液面波动的分钟曲线图如下。

图2 （时间单位为 时：分）

从图2可以看出，在地铁列车停运后，静力水准观测值变化在很小的范围内波动。汇总每一台静力水准仪观测的中误差，得到观测中误差变化范围±0.006mm ~ ±0.012mm，平均为±0.008mm。

4 单台静力水准仪观测精度分析
为了进一步验证液面波动与列车通过的规律及液面稳定时间，我们对RJ22号仪器进行了从2010年4月9日9点57分37秒到10点10分19秒，共计测量了198次。该点液面波动秒曲线如下。

图3 （时间单位为 分：秒）

从图3中得出，液面波动峰值间隔为5分44秒，短于前面数据推算的列车运营间隔（约7分~8分），主要原因是：本次测量是在早高峰时间，地铁公司加密了列车运行间隔。另外，两次峰值的振幅不一致，估计与列车载客量及运行速度有关。
第一个波动从3分04秒~5分11秒用时2分07秒，波动范围-0.63mm~0.53mm，振幅1.16mm；第二个波动从8分47秒~10分55秒用时2分08秒，波动范围-0.53mm~0.19mm，振幅0.72mm。由此也可以得出与上文分析相近的结论：液面稳定时间为2分07秒。
对所有观测数据进行统计，计算得到总体观测中误差±0.18mm。将波动数据剔除，计算得出平段观测中误差为±0.016mm。只对波动观测数据进行计算得到，波动段观测中误差为±0.245mm。与上文的分析结果相近。

5 结论
经过上述分析，可以得到以下结论：
(1). 地铁隧道内列车通过后，静力水准液面稳定的最短时间约为2分钟。
(2). 地铁隧道内列车按照约7分钟的间隔有规律的通过观测点时，多个列车运行周期的静力水准观测总体平均中误差约为±0.2mm，最大约为±0.3mm。
(3). 地铁隧道内列车按照约7分钟的间隔有规律的通过观测点时，剔除波动观测数据后平段观测数据的中误差小于±0.1mm，平均约为±0.02mm。表明剔除列车震动引起的观测数据后，静力水准观测精度很高。
(4). 地铁隧道内列车通过观测点时，观测数据波动最大达到1.5mm，观测值平均中误差约为±0.2mm。
(5). 列车停运后，静力水准观测总体平均观测中误差约为±0.01mm。

信息来源：上海岩土工程勘察设计研究院有限公司
作者介绍：付和宽，上海岩土工程勘察设计研究院有限公司轨道交通所所长，工程师，主要从事数字化测量、桥梁和隧道控制测量、建筑变形测量及轨道交通监护监测的研究与运用工作。

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