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摘 要：在軌道交通保護(hù)區(qū)內(nèi)的重大、危險(xiǎn)項(xiàng)目的施工過程中，需要實(shí)時(shí)了解地鐵結(jié)構(gòu)變形情況。靜力水準(zhǔn)測(cè)量是地鐵隧道結(jié)構(gòu)自動(dòng)化垂直位移測(cè)量的重要手段。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)靜力水準(zhǔn)在地鐵隧道內(nèi)觀測(cè)精度方面的研究較少。本文通過對(duì)布設(shè)在地鐵隧道內(nèi)部的靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行遙控測(cè)量，對(duì)采集的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，研究地鐵隧道內(nèi)靜力水準(zhǔn)的觀測(cè)精度以及地鐵列車運(yùn)營(yíng)導(dǎo)致容器內(nèi)液面震動(dòng)對(duì)觀測(cè)精度的影響。為類似自動(dòng)化觀測(cè)精度分析、觀測(cè)數(shù)據(jù)取舍以及變形觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠性分析提供參考依據(jù)。

1 引言
軌道交通的重要作用毋庸置疑，上海市運(yùn)營(yíng)的軌道交通總長(zhǎng)達(dá)到了420公里，一旦軌道交通出現(xiàn)問題會(huì)帶來一系列的社會(huì)問題。隨著城市的發(fā)展，軌道交通沿線附近的開發(fā)、建設(shè)工程越來越多，如何減少周邊施工對(duì)軌道交通結(jié)構(gòu)的影響，一直是工程界研究的重要課題。上海申通地鐵公司也成立了專門的監(jiān)護(hù)部門，負(fù)責(zé)軌道交通結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)、保護(hù)。一般，在軌道交通保護(hù)區(qū)內(nèi)施工，都會(huì)有專門的單位負(fù)責(zé)施工過程中地鐵結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)。申通地鐵公司也對(duì)軌道交通結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)提出了*要求。
軌道交通測(cè)量人工時(shí)間窗口極短，一般每周兩天，每天三個(gè)小時(shí)。監(jiān)護(hù)人員只有在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)才能進(jìn)入地鐵施工。在一些特殊的、危險(xiǎn)的情況下，需要實(shí)時(shí)了解地鐵結(jié)構(gòu)狀態(tài)，這時(shí)大多采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。靜力水準(zhǔn)測(cè)量是地鐵結(jié)構(gòu)自動(dòng)化垂直位移監(jiān)測(cè)的重要手段之一。但是由于在地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)間段，列車以一定的時(shí)間間隔在隧道內(nèi)運(yùn)行，對(duì)位于地鐵隧道內(nèi)部的靜力水準(zhǔn)儀的測(cè)量精度會(huì)產(chǎn)生較大影響。
地鐵列車在隧道內(nèi)以一定速度通過靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的影響主要有以下三種情況，
a) 儀器內(nèi)部空氣壓強(qiáng)的變化
由于列車運(yùn)行使得隧道內(nèi)部空氣流動(dòng)，導(dǎo)致靜力水準(zhǔn)容器內(nèi)空氣壓強(qiáng)有降低的趨勢(shì)，zui終使得液面產(chǎn)生上升的趨勢(shì)。
b) 列車震動(dòng)影響
列車車廂位于監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近時(shí)，使得監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉，導(dǎo)致靜力水準(zhǔn)容器內(nèi)液面上升；列車遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)點(diǎn)后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)上抬，導(dǎo)致導(dǎo)致靜力水準(zhǔn)容器內(nèi)液面下降。列車瞬間通過會(huì)使容器液面產(chǎn)生上下震動(dòng)。
c) 基準(zhǔn)點(diǎn)的影響
列車經(jīng)過基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)造成以上A、B兩種影響，會(huì)傳遞給監(jiān)測(cè)點(diǎn)相反的作用。

2 項(xiàng)目概況
通過在已運(yùn)營(yíng)的地鐵隧道內(nèi)布設(shè)一定數(shù)量的靜力水準(zhǔn)儀，按照一定的采樣頻率采集液面變形數(shù)據(jù)，定量分析列車運(yùn)行對(duì)靜力水準(zhǔn)觀測(cè)精度的影響。在上海軌道交通4號(hào)線藍(lán)村路站~塘橋站區(qū)間下行線XK10+358~ XK10+525的隧道內(nèi)部，按照約6m的間距，布設(shè)了26個(gè)靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)RJ01~RJ26?？紤]數(shù)據(jù)起算，設(shè)置了一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，編號(hào)RJ00；由于隧道起伏較大，且儀器安裝要求在一個(gè)水平面上，在現(xiàn)場(chǎng)增設(shè)了5個(gè)轉(zhuǎn)點(diǎn)：RJ05-1、RJ12-1、RJ16-1、RJ20-1、RJ23-1。采用RJ20型電容式靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(cè)，總計(jì)安裝了32臺(tái)。隧道結(jié)構(gòu)為單圓盾構(gòu)隧道，隧道設(shè)計(jì)內(nèi)直徑5.5m。靜力水準(zhǔn)儀相關(guān)參數(shù)如下：
測(cè)量范圍（fs）mm：20
分辨率mm/字 ：0.01
精度mm ：≤0.5%fs（±0.1mm）
環(huán)境溫度（?C）： -20?C—+60?C
濕度環(huán)境（相對(duì)濕度）：0-
點(diǎn)位布置圖如下。


3 多管路、多臺(tái)靜力水準(zhǔn)觀測(cè)精度分析
3.1 列車正常運(yùn)營(yíng)段靜力水準(zhǔn)觀測(cè)精度分析
受到儀器制造工藝及軟件設(shè)計(jì)限制，RJ型電容式靜力水準(zhǔn)儀模塊控制自動(dòng)測(cè)量的zui短時(shí)間間隔為1分鐘，單臺(tái)儀器連續(xù)測(cè)量狀態(tài)下的zui短時(shí)間間隔為3秒~4秒。為了準(zhǔn)確測(cè)量地鐵列車運(yùn)行對(duì)靜力水準(zhǔn)觀測(cè)的影響程度，在列車運(yùn)營(yíng)時(shí)間，無線遙測(cè)安裝在地鐵隧道內(nèi)的靜力水準(zhǔn)儀，從2010年03月18日11：22至13：56按照1分鐘一次的采樣間隔，共計(jì)測(cè)量了154分鐘，得到154組觀測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)這些觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析列車運(yùn)行對(duì)靜力水準(zhǔn)觀測(cè)的影響。

3.1.1 液面穩(wěn)定時(shí)間
每臺(tái)儀器分別以觀測(cè)數(shù)據(jù)的平均值作為初始值，進(jìn)行計(jì)算得到每一臺(tái)儀器液面波動(dòng)的分鐘曲線圖如下。

圖1 整個(gè)系統(tǒng)儀器液面波動(dòng)時(shí)間曲線（時(shí)間單位為 時(shí)：分）

從圖1可以看出，每一條曲線的峰值在不同的時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)，即不同儀器的向上、向下波動(dòng)缺少一致性，而且峰值的大小也不一致。每一臺(tái)儀器的采集時(shí)間不同以及每一次經(jīng)過列車的載重、速度不同會(huì)導(dǎo)致上述現(xiàn)象。導(dǎo)致儀器不是在同一時(shí)刻采集的原因主要有：⑴目前電容式靜力水準(zhǔn)儀制作工藝及數(shù)據(jù)采集技術(shù)的限制，單臺(tái)靜力水準(zhǔn)儀zui短測(cè)量間隔為3秒~4秒之間，平均3.7551秒； ②一般情況下，當(dāng)測(cè)量命令發(fā)出后，同一個(gè)模塊控制的8臺(tái)儀器且按序測(cè)量，單模塊一次測(cè)量周期zui短約為32秒；③液面瞬間震動(dòng)的頻率較高，同一模塊的8臺(tái)儀器分別測(cè)量時(shí)，液面的狀態(tài)可能是處于zui低~zui高的任一位置。

為了便于分析，將11：29至12：29一個(gè)小時(shí)內(nèi)的液面狀態(tài)的時(shí)間曲線按照不同設(shè)計(jì)管路整理成圖，得到下列6幅液面波動(dòng)曲線，



從上圖可以看出，波動(dòng)頻率與地鐵列車通過的頻率明顯相對(duì)應(yīng)。每一條曲線的峰值、平值、谷值基本上都是以7~8分鐘的間隔有規(guī)律的出現(xiàn)，頻率與4號(hào)線列車的間隔時(shí)間7~8分鐘基本一致。曲線峰值、谷值持續(xù)的時(shí)間約為2分鐘~4分鐘，可以得出，列車運(yùn)行對(duì)靜力水準(zhǔn)液面造成震動(dòng)，液面恢復(fù)的時(shí)間zui短約2分鐘就恢復(fù)平靜狀態(tài)。

3.1.2 靜力水準(zhǔn)觀測(cè)精度
(1) 液面波動(dòng)范圍
將觀測(cè)數(shù)據(jù)的zui大值減去zui小值可以得到每臺(tái)儀器液面的zui大振幅（波動(dòng)范圍），每次波動(dòng)的zui大振幅取平均值，得到每臺(tái)儀器液面的平均振幅。在實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)32臺(tái)儀器的振幅范圍是0.34mm~1.47mm，總體平均振幅達(dá)到0.41mm。
(2) 包含列車震動(dòng)影響的觀測(cè)中誤差
根據(jù)中誤差計(jì)算公式，計(jì)算得到每一臺(tái)靜力水準(zhǔn)儀觀測(cè)數(shù)據(jù)的中誤差變化范圍±0.045mm ~ ±0.312mm，平均為0.145mm。
(3) 有、無列車通過兩個(gè)階段的觀測(cè)精度
將液面波動(dòng)時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)剔除，可以計(jì)算得出每一臺(tái)靜力水準(zhǔn)儀平段（無列車通過）觀測(cè)中誤差。只對(duì)波動(dòng)時(shí)間內(nèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到每一臺(tái)靜力水準(zhǔn)儀波動(dòng)段（列車通過）觀測(cè)中誤差。對(duì)32臺(tái)儀器的平段中誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到中誤差范圍±0.010mm ~ ±0.037mm，平均為±0.018mm。對(duì)32臺(tái)儀器的波段中誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到中誤差范圍±0.057mm ~ ±0.382mm，平均為±0.185mm。

3.2 列車停運(yùn)時(shí)間段靜力水準(zhǔn)觀測(cè)
一般，軌道交通4號(hào)線該段隧道內(nèi)每天從晚上23：30到次日凌晨3：30沒有列車通過。在列車停止運(yùn)行時(shí)間，無線遙測(cè)安裝在地鐵隧道內(nèi)的靜力水準(zhǔn)儀，從2010年04月08日0：00至00：45按照1分鐘一次的采樣間隔，共計(jì)測(cè)量了45分鐘，得到45組觀測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)這些觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析靜力水準(zhǔn)觀測(cè)精度。把每臺(tái)儀器分別以觀測(cè)數(shù)據(jù)的平均值作為初始值，進(jìn)行計(jì)算得到每一臺(tái)儀器液面波動(dòng)的分鐘曲線圖如下。

圖2 （時(shí)間單位為 時(shí)：分）

從圖2可以看出，在地鐵列車停運(yùn)后，靜力水準(zhǔn)觀測(cè)值變化在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)。匯總每一臺(tái)靜力水準(zhǔn)儀觀測(cè)的中誤差，得到觀測(cè)中誤差變化范圍±0.006mm ~ ±0.012mm，平均為±0.008mm。

4 單臺(tái)靜力水準(zhǔn)儀觀測(cè)精度分析
為了進(jìn)一步驗(yàn)證液面波動(dòng)與列車通過的規(guī)律及液面穩(wěn)定時(shí)間，我們對(duì)RJ22號(hào)儀器進(jìn)行了從2010年4月9日9點(diǎn)57分37秒到10點(diǎn)10分19秒，共計(jì)測(cè)量了198次。該點(diǎn)液面波動(dòng)秒曲線如下。

圖3 （時(shí)間單位為 分：秒）

從圖3中得出，液面波動(dòng)峰值間隔為5分44秒，短于前面數(shù)據(jù)推算的列車運(yùn)營(yíng)間隔（約7分~8分），主要原因是：本次測(cè)量是在早高峰時(shí)間，地鐵公司加密了列車運(yùn)行間隔。另外，兩次峰值的振幅不一致，估計(jì)與列車載客量及運(yùn)行速度有關(guān)。
*個(gè)波動(dòng)從3分04秒~5分11秒用時(shí)2分07秒，波動(dòng)范圍-0.63mm~0.53mm，振幅1.16mm；第二個(gè)波動(dòng)從8分47秒~10分55秒用時(shí)2分08秒，波動(dòng)范圍-0.53mm~0.19mm，振幅0.72mm。由此也可以得出與上文分析相近的結(jié)論：液面穩(wěn)定時(shí)間為2分07秒。
對(duì)所有觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算得到總體觀測(cè)中誤差±0.18mm。將波動(dòng)數(shù)據(jù)剔除，計(jì)算得出平段觀測(cè)中誤差為±0.016mm。只對(duì)波動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到，波動(dòng)段觀測(cè)中誤差為±0.245mm。與上文的分析結(jié)果相近。

5 結(jié)論
經(jīng)過上述分析，可以得到以下結(jié)論：
(1). 地鐵隧道內(nèi)列車通過后，靜力水準(zhǔn)液面穩(wěn)定的zui短時(shí)間約為2分鐘。
(2). 地鐵隧道內(nèi)列車按照約7分鐘的間隔有規(guī)律的通過觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，多個(gè)列車運(yùn)行周期的靜力水準(zhǔn)觀測(cè)總體平均中誤差約為±0.2mm，zui大約為±0.3mm。
(3). 地鐵隧道內(nèi)列車按照約7分鐘的間隔有規(guī)律的通過觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，剔除波動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)后平段觀測(cè)數(shù)據(jù)的中誤差小于±0.1mm，平均約為±0.02mm。表明剔除列車震動(dòng)引起的觀測(cè)數(shù)據(jù)后，靜力水準(zhǔn)觀測(cè)精度很高。
(4). 地鐵隧道內(nèi)列車通過觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，觀測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)zui大達(dá)到1.5mm，觀測(cè)值平均中誤差約為±0.2mm。
(5). 列車停運(yùn)后，靜力水準(zhǔn)觀測(cè)總體平均觀測(cè)中誤差約為±0.01mm。

信息來源：上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司
作者介紹：付和寬，上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司軌道交通所所長(zhǎng)，工程師，主要從事數(shù)字化測(cè)量、橋梁和隧道控制測(cè)量、建筑變形測(cè)量及軌道交通監(jiān)護(hù)監(jiān)測(cè)的研究與運(yùn)用工作。

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