静力水准仪在运营期地铁隧道变形监测中的应用及分析

静力水准仪在运营期地铁隧道变形监测中的应用及分析
作者：孙泽信；张书丰；刘宁





         随着城市轨道交通的不断发展，运营期的地铁线路越来越多，在给人们生活带来便利的同时也大大促进了地铁沿线及周边的开发，但在地铁周边建设过程中，存在着诸多近、大、深基坑，在这些基坑施工过程中，势必会造成运营期地铁隧道变形，严重影响地铁的结构及运行安全。 因此，如何实时监控地铁结构变形，信息化指导基坑施工对确保运营期地铁隧道安全很有必要。 受地铁运营时间限制，常规人工沉降监测已无法满足地铁结构变形对实时化、 高效化的要求，而静力水准仪自动化沉降监测系统以实时化、 自动化、高效化及高精度等特点具有较好应用前景。

1、静力水准仪基本原理

静力水准仪采用连通管原理， 用传感器测量每个测点内液面的相对变化， 通过计算求得各点相对于基点的相对沉降量，并与基准点相比较即可求得测点的绝对沉降量。任何一个测点都可以看作基准点直接相连，基准点 A 与测点 B 相对于基准面H0 的高程分别为 H1，H2， 由联通管原理可得所有容器内的液面相同，与据此，只要用传感器测得任意时刻监测点容器内液面相对于该点顶面安装高程的距离 bi1，bi2，即可求得该时刻监测点 B 相对于基准点 A 的高程变化量，亦即为监测点 B 点在该时刻的累计沉降量。

2、静力水准仪监测精度影响因素分析

根据静力水准仪相关参数可知， 静力水准仪在不受外界条件干扰情况下监测精度可达到 0.1 mm。但在实际监测过程中，受列车运营影响，会导致仪器内气压变化、仪器产生震动；同时监测基准点布设在隧道内，基准点也会产生震动和变形，这些因素都会直接影响静力水准仪的监测精度。 因此，在进行静力水准仪系统监测数据分析时有必要对相关影响进行分析，并结合地铁运营时刻，设定合理的监测频率，从而有效降低地铁运营产生影响，提高监测精度，确保静力水准仪系统的可靠性。

3、实例分析

3.1 工程概况

某项目基坑总占地面积为16200m2， 由主楼、商业裙房及地下室组成，结构高度 195 m，位于地铁某区间南侧， 其基坑围护结构外边线距地铁区间最近距离约为 11.4 m，对应地铁线路长度约为 163 m，基坑开挖深度最深约为22 m，比对应段隧道顶部低约为 13.5 m。

3.2 监测实施

考虑到该基坑施工过程中对地铁隧道结构变形影响，沉降监测采用静力水准仪系统进行监测。基坑对应段每 10 m 布设一个监测点，同时两端各外扩40 m，布设 2 个监测点，区间上下行共计布设 44 个监测点。 基准点布设在远离变形影响区域外附近的地铁车站内。数据采集时，4 台数据采集器串联组网。 控制计算机与数据采集器采用无线移动 DTU 的 GPRS 通读方式。 观测期间使用专用的采集软件进行数据的采集。

3.3 监测数据分析

为了准确评估列车运行对静力水准仪观测精度的影响程度， 分别对列车停运及正常运行时间段内观测数据进行精度分析。观测频率为 9 min/次，观测周期为一个工作日，即00:00:00~23:59:59。 然后对观测数据进行统计， 分析列车正常运行及列车停运时静力水准仪的观测精度。

3.3.1 列车停运期间以列车停运时间段内观测数据的平均值作为真值，分析各台静力水准仪观测数据的波动情况。列车停运时，静力水准仪观测数据波动最大为 0.12 mm，最小为 0.00 mm，所有波动均集中在-0.12~+0.10 mm 之间，且大部分观测数据波动集中在 0.00 mm 处。所统计静力水准仪观测值中误差均小于±0.05 mm。 由于仪器标定精度为±0.10 mm，因此其能够满足监测精度要求。

3.3.2 列车正常运行期间以列车正常运行时间段内观测数据的平均值作为真值，分析各台静力水准仪观测数据的波动情况。列车正常运行时，静力水准仪观测数据大部分呈周期性波动， 波动最大为 1.38 mm，最小为 0.00 mm，所有波动均集中在-0.50~0.50 mm 之间， 且大部分观测数据波动集中在 0.00 mm处；所统计静力水准仪观测值中误差最大为±0.47 mm， 最小为±0.08 mm， 均小于±0.50 mm，高于仪器标定精度±0.10 mm，但能够满足监测±1.00 mm 精度要求。

3.3.3 静力水准仪系统与人工沉降监测数据对比分析为了进一步验证静力水准仪系统观测的可靠性，采用人工沉降监测与静力水准仪系统相结合的手段进行监测。 静力水准仪监测数据选用列车停运时观测数据。以人工观测值作为真值，各监测点人工监测数据与静力水准仪监测数据随时间变化趋势相同， 变化量基本一致； 各监测点人工监测成果与静力水准仪监测成果差异值最大为 1.4 mm，最小为 0.0 mm，且绝大部分差异值均在 1.0 mm 以内，表明静力水准仪监测相对于人工监测能够满足变形精度±1.0 mm 要求； 从变化量较大的 Z11，Z12 和Z13 三个监测点的人工监测与静力水准仪监测对比曲线可以看出，3 个监测点的人工监测数据与静力水准仪监测数据差异较小， 吻合状态良好，两者基本一致。以人工观测值作为真值，各监测点静力水准仪观测值中误差最大为±0.8 mm，最小为±0.3 mm，均小于±1.0 mm 监测精度要求。

4 结 论

（1） 通过对比分析列车停运及列车正常运行情况下静力水准仪监测地铁结构变形精度可知， 在列车停运时较列车正常运行时静力水准仪具有更高的精度，且均能满足变形监测精度要求。

（2） 从静力水准仪监测数据与人工监测数据的对比分析可知，两者观测结果基本保持一直，变形状态吻合良好， 进一步验证了静力水准仪监测系统在运营地地铁监测中的应用可靠性。

（3） 采用静力水准仪监测运营期地铁结构变形，具有实时化、自动化、高效化、高精度等特点，具有较好的应用价值。







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