浅谈静力水准在某地铁隧道工程中的应用

浅谈静力水准在某地铁隧道工程中的应用
作者：无






       随着城市的发展，轨道交通沿线附近地块的开发、建设工程越来越多，尤其是对地铁已运营而周边却是大量未开发的土地情况下，其今后爆发式的开发更是对地铁保护提出了严峻的考验。 随着杭州地铁1号线的开通，也标致着杭州从此进入了地铁时代。新成立的杭港地铁有限公司同样也面临着负责轨道交通结构的监测、保护的艰巨任务。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，因此杭港公司对其关于轨道交通结构的监测必然要提出很高要求。轨道交通隧道内测量充许人工作业时间很短，一般每周两天，每天三到四个小时，监测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，自动化监测已是需要采取的手段。静力水准测量是地铁结构垂直位移自动化监测的重要手段之一。 

1、 实际案例

       该项目为杭州地铁1号线某基坑东西方向与隧道区间对应长度约为165米，平面关系距地铁下行线（北线）仅7米。地铁隧道顶埋深9.3～13.3米，隧道底埋深15.5～19.5米，自西向东逐渐加深，坡度为20.9/1000，也就是说该区段隧道西侧一端盾构体刚好全部在基坑开挖面（开挖深度16米）以上，而东侧一端则一半在开挖面以上一半在开挖面以下。围护结构采用1米厚的连续墙外加三轴搅拌桩、旋喷桩、钻孔桩（隔离桩），其中隔离桩离地铁下行线仅4米；基坑内设三道混泥土支撑。 

      本次观测区段隧道长度为 165 米，每 6 米布设一台静力水准仪，上下行各布设 32 台，其中基准点布设在西侧站体内，由于受隧道坡度局限设两处转点。单台仪器连续测量状态下的短时间间隔 2～4 秒。 

2．1 静力水准仪的稳定性 

       静力水准仪安装后的不稳定性主要表现三个方面，第一膨胀螺丝与管片上钻孔并非完全咬紧，其次支架与储水灌螺丝易松动，最后是受管片上各电缆支架的局限而加长的螺丝丝杆有一定的自然下垂过程，以上三种情况尤其是在列车不断振动的情况下产生或加大，因此在观测初期多注意数据的异常情况，现场多多巡查排查。 

      经试验发现有四台明显波动较大，在列车振动的影响下产生的沉降大于其它仪器，而实际上管片并未产生沉降却是仪器自身不稳定产生的变形。后经过不断的采取措施如钻孔中注入速凝剂重新架设，更改钢度较强的丝杆等，差不多约 2 个月的时间各台仪器基本稳定。因此静力水准仪的安装也非常重要，由于管片是弧形采用直角钢板架必然导致一定长度的丝杆外露，宜采用三角形型钢支架，这样可大大缩短稳定所需的时间。 

2．2 对静力水准仪影响的外界因素 

       隧道水准仪的外界因素主要表现在气压、温度、列车振动三个方面。而现在的静力水准仪基本上专门安装有封闭的通气管，也就是利用通气管将每个储液灌串连在一起，基本消除了因外界气流突变而引起的瞬间各台仪器中水面气压的差异变化；隧道内的气温在一定的短距离内基本没什么差别，因此影响静力水准仪主要的就是列车振动，每台静力水准仪水面在列车振动下会引起一定时间的波动，在波动期间测定的数据误差相对较大。 





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2.2.1 液面波动情况 

       为了准确测量地铁列车运行对静力水准仪观测的影响程度，特意按照每 1 分钟采样间隔，共计测量了 54 分钟，得到了 129 组数据（以平均值为初始值归零）。 

分析知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：

(1)目前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2 秒~4秒之间。

(2)一般情况下，当测量命令发出后，同一个模块控制的 32 台仪器且按序测量，单模块一次测量周期短约为 120 秒左右；

(3)液面瞬间震动的频率较高，同一模块的 32 台仪器分别测量时，液面的状态可能是处于低~高的任一位置。

       为了更准确了解列车对静力水准仪影响时间，以其中一台为例单台采样，采样间隔为 1 秒（实际可能需 3 秒左右）共计测量时间 30 分 52 秒，得到426 个数据（以平均值为初始值归零），绘制时间曲线图。可以看出，波动频率与地铁列车通过的频率明显相对应。每条曲线的峰值、平值、谷值基本上都是以 9~14 分钟的间隔有规律的出现，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，液面恢复的时间短约 2分钟就恢复平静状态。另外也可以看出个别测点曲线峰谷值在+0.25mm～-0.28mm之间波动，大部分测点波动幅度小于 0.1mm，同样也可估算出列车对静力水准观测整体精度的影响程度在 0.04mm 左右。

2.2.2理论精度分析

      综合各表数据可以看出，在没有列车振动情况下，测量数据中误差未超过 0.01mm，在一定程度上也反映出该仪器高灵敏度与较强稳定性。在有列车运行的情况下大部分静力水准仪观测精度也基本上保持在 0.01mm～0.04mm，这与 曲线图反映情况一致。由于数据都很小，有无列车情况下差别也很细微，但总的来讲，静力水准观测精度主要误差来源还是列车的振动，若对于二等水准精度而言，这也可忽略不计。当然这是针对本工程的推算结果，不同的地质情况和盾构施工质量对其观测精度影响程度也不同，而且影响程度差异可能较大。 

3、 结论

     针对该工程该类型静力水准使用情况，通过以上分析得出以下几点结论： 

1) 静力水准仪的安装很重要，对于管片需采用三角形型钢支架且尽量缩短外露丝杆，提高外露丝杆钢度，有利于其在列车震动情况下尽快稳定，以提高观测精度。

2）地铁隧道内列车通过后，静力水准液面稳定时间在 2~4 分钟。

3) 地铁隧道内列车按照约 9~11 分钟的间隔有规律的通过，多个列车运行周期的静力水准观测总体平均中误差基本都小于 0.04mm，但对个别测点影响幅度在+0.25mm～-0.28mm。

4) 在没有列车振动情况下，测量数据中误差几乎都未超过 0.01mm，在一定程度上反映出该仪器高灵敏度与较强稳定性，静力水准观测精度远高于二等水准。

5）隧道内静力水准观测精度主要误差来源列车的振动，但影响有限，大部分测点可忽略不计。