地铁隧道内静力水准观测的精度分析

 地铁隧道内静力水准观测的精度分析
作者：付和宽





     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 420 km ,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。该公司对轨道交通结构的监测提出了极高要求。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。 

1. 1 　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 ,最终使得液面呈上升趋势。

1. 2 　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。

1. 3 　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 6 m 的间距 ,布设 26 个静力水准自动化监测点 , 编号 RJ 01～ RJ 26 。考虑数据起算 ,设置一个基准点 ,编号 RJ 00 。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 5 个转点 : RJ 0521 、RJ 1221 、RJ 1621 、RJ 2021 、 RJ2321 。采用磁致伸缩式静力水准仪进行观测 ,总计安装 32 台。隧道结构为单圆盾构隧道 ,隧道设计内直径 5 . 5 m。

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 ,磁致伸缩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 ,在列车运营期间 ,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可以看出 ,每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。每台仪器的采集时间不同以及每次经过列车的载重、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目前磁致伸缩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，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 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 2～4 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 ,计算得表可以看出 ,在实验的观测时间内 32 台仪器的振幅范围是 0. 34 mm～1. 47 mm ,总体平均振幅达到 0. 41 mm。

(2) 包含列车震动影响的观测中误差

分析数据可以得到观测中误差变化范围 ±0.045 mm ～ ±0. 312 mm ,平均为 0. 145 mm。

(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。分析知 32 台仪器的平段中误差进行统计 ,得

到中误差范围 ±0. 010 mm ～ ±0. 037 mm ,平均为±0. 018 mm。对 32 台仪器的波段中误差进行统计 ,得到中误差范围 ±0. 057 mm ～ ±0. 382 mm ,平均为±0. 185 mm。

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 4 月 8 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。每一台静力水准仪观测的中误差数据可以得到观测中误差变化范围±0. 006 mm ～ ±0. 012 mm ,平均为 ±0. 008 mm。

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 RJ 22 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 7～8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 4 秒～5 分 11 秒用时 2 分 07秒 ,波动范围 - 0. 63 mm～0. 53 mm ,振幅 1. 16 mm;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. 53 mm～0. 19 mm ,振幅 0. 72 mm。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 7秒。对所有观测数据进行统计 ,计算得到总体观测中误差 ±0. 18 mm。将波动数据剔除 ,计算得出平段观测中误差为 ±0. 016 mm。只对波动观测数据进行计算得到 ,波动段观测中误差为 ±0. 245 mm。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. 2 mm ,最大约为±0. 3 mm。

(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. 1 mm ,平均约为 ±0. 02 mm。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. 5 mm ,观测值平均中误差约为±0. 2 mm。

(5) 列车停运后 ,静力水准观测总体平均观测中误差约为 ±0. 01 mm。





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