静力水准测量系统在地铁运营监测中的应用

一、概述

       21世纪是地下工程的世纪，随着国民经济的飞速发展和城市化进程的加速，地铁在各大城市交通各种所占的比重将越来越大。随着地铁运营线路的增加，地铁沿线的开发地块越来越多，影响地铁运营安全问题也越来越突出。如在地铁隧道临近或上方深基坑开挖时，受卸载和基坑降水等的影响，隧道结构的受力情况将发生改变，易产生变形，因此必须对地铁结构进行变形监测。由于在地铁运营监测中有检测周期短、要求时效性强的特点，而在运营期间检测人员无法进入轨道进行测量。允许作业人员进行测量的时间一般只有12：:3至次日凌晨4：30，如遇到特殊情况则允许作业时间更短，所以传统测量方法无法满足地铁运营监测的要求。使用静力水准系统，可以保证24小时不间断进行沉降监测，具有精度高、自动化性能好、操作便利等特点，且无需监测人员下轨作业，是地铁运营监测中进行沉降监测的理想选择。

二、静力水准系统的工作原理

       静力水准仪（连通液体沉降计）是由磁致伸缩液位传感器、液缸、浮子等部件组成。可测得任意时刻液缸内水位变化情况，并输出位移量。静力水准系统是根据利用相连的容器中液体总是寻求具有相同势能的水平原理来测量和监测参考点彼此之间的垂直高度的差异和变化量。

三、影响静力水准系统测量精度的几个因素

       影响静力水准系统测量精度的因素有很多，主要包括重力异常、压力和温度几个方面。

3.1重力异常对静力水准系统测量精度的影响

       静力水准测量之所以能提供垂直方向上的参照，是因为系统中的液体在平衡时总是处在同一等势面上，而这个等势面是由地球的万有引力场产生的。在一般情况下，人们假设地球是个比较规则的圆球或者椭球体，等势面也就假设成比较规则的形状，但是如果工程测量范围比较大，那范围内等势面就很 难决定了，引起这种不规则的因素主要有两种：一种是太阳和月亮的万有引力的作用；另一种是附件巨大物体的万有引力的作用。通常情况下，静力水准系统测量范围为基坑所对应的地铁线路里程向两侧外延60米，测量范围相对较小，顾客已忽略重力异常对静力水准系统测量精度的影响。

3.2压力对静力水准系统测量精度的影响

       由于液体极易受到外界的影响而改变它的物理形态，所以压力对静力水准系统的测量精度有着显著的影响。在实际测量时有很多因素能影响到压力的变化。比如，由于测量系统所在的现场的人员的走动可能引起局部的压力变化，地铁隧道内通风系统的打开和关闭可引起气流的变化从而引起压力的短暂变化，而气候的变化可能引起压力在一定时间段内的变化。

       要消除由于压力的不同而产生的测量误差，一种方法是，在每个钵体中必须安装压力传感器，增加了加工成本；而是压力传感器的数据需要不断采集、处理，增加了数据采集系统个处理系统的成本和计算的复杂性。

       消除压力变化引起的误差的另一个方法就是用密封的气管连接钵体，这样能够保证整个测量系统在相同的压力下，本系统就是采用了整个方法。采用了密封的系统以后，在数百米的范围内，系统内的额压力基本保持不变，从而保证不影响测量精度。

3.3温度对静力水准系统测量精度的影响

       液体的密度是随其温度变化而变化的，液体密度的变化也改变了液体的体积。在系统中如果出现局部的或者不均匀的温度变化，由于温度的变化，产生液体的密度变化，那么在不同的钵体中液面的高度产生不同量的升高或者降低，将严重的影响测量的精度。

       通过实验可知，在温度一定的情况下，传感器的频率与传感器的位移成正比关系；在位移一定的情况下，传感器的频率与传感器的温度成正比关系。据此，本系统在每个钵体中都安装有传感器，系统每次采集数据都同时得到每个钵体的测量数据、温度读数和频率。然后根据温度和频率对测量数据进行改正，得到真实数据。

3.4地铁运行对静力水准系统测量精度的影响

        由于静力水准容器内灌得是液体，地铁列车在隧道内高速运动不可避免会使液体产生震荡，这样会使影响到监测数据的准确性，列车运营对检测数据的影响如何，只有准确的掌握了他的影响规律，才能消除他的影响，使检测数据真实反映隧道的变化，为此我们做了以下实验，即在地铁运营期间挑选几个测点每分钟取一次数据，从实验期间几个测点的历时变化曲线图可以看出，在列车经过时对各测量有一定影响，最大影响将近2毫米，在列车经过后各测量很快恢复原状，一起反映的灵敏度和反映的速度都很高，从图中很容易剔除那些受列车运营影响的数据，从而得到真是的隧道变化数据。

       各传感器测量数据的测量精度最大为±0.071mm，精度高于±0.1mm。比常规测量的精度要高。因此可以得出静力水准一起本身完全可以满足地铁运营监测的要求。

四、工程实例

4.1工程概况

       天津市地铁一号线勤俭道站位于天津市红桥区，地铁埋深约5m。拟于地铁站被测建设康源公寓计商业公建项目，项目拟建两层地下车库，基坑深度约9米，电梯井集水坑深约11.4m，止水帷幕外侧距离地铁入口处最近距离约为14.7,m。

4.2系统检测

        在基坑施工期间，在地铁隧道使用静力水准系统进行了24小时不间断的自动化监测。监测系统分为静力水准仪、液体连接管、数据传输线、数据采集箱和计算机等几个部分组成。

        首先将静力水准仪安装在隧道壁上，并使用液体连接管和数据传输线连接起来。然后使用数据传输线将静力水准仪与数据采集箱连接，数据采集箱可以对静力水准仪做前段的数据采集以及数据进行无线传输。在办公室安装响应的软件后，可以远程控制静力水准系统进行数据采集，并实时做出相应的调整。采集到的的数据经过整理，可形成完整的检测报告，供有关决策人员参考。

五、总结

       理论分析及实际的运行效果表明，作为高精度的沉降监测，经理水准法测量原理简单，方法可靠，长期稳定性高。使用静力水准系统，可轻松实现远程移动式数据采集，并绘制过程线和测值报表。在地铁工程中实现24小时连续监测，为地铁的安全施工计监测地铁的安全运营提供了可靠的检测手段。