基于靜力水準測量技術的地鐵隧道結構沉降監測

趙棟 張耀國 劉萬松 楊立新

（中材地質工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

1 引言

隨著經濟的發展與農村人口向城市流動的加速，城市公共交通壓力越來越大，許多城市開始修建地下軌道交通系統來應對日益增多的通勤人次。地鐵運力大、高效、便捷，在城市交通系統中發揮著巨大作用，但是因為運行于地下封閉環境，隧道結構在交變載荷作用下容易造成穩定性下降，進而產生安全風險。傳統模式下，使用水準儀測量隧道結構沉降情況需要在列車停運期間進行，作業窗口較短，且無法實現不間斷的連續、實時監測。隨著傳感器技術和在線監測技術的不斷進步和發展，靜力水準自動化監測技術逐漸在隧道監測中得到應用和推廣，該技術實現了地鐵隧道監測由人工向自動化的轉變，同時，不斷升級的傳感檢測技術與遠程在線監測技術進一步優化了靜力水準監測精度及兼容性，使其在現實工程中的應用空間得到進一步拓展。

2 靜力水準測量的作用機理與組成

2.1 靜力水準測量的作用機理

靜力水準儀由液缸、浮筒、精密液位計、保護罩等部件組成，基本技術原理為物理學中的連通液原理，將多個連通器的儲液罐連接，根據連通器水平面相同的原理，所有連通器的儲液罐液面應處在同一水平面，如果某個監測點發生沉降則通過計算儲液的變化高度，得出各個靜力水準儀之間的相對變化量，進而獲取監測點的相對差異沉降信息。

將某測區分為n個沉降觀測點，在各沉降觀測點位置分別布設靜力水準測量儀，使用連通管將所有靜力水準測量儀的儲液罐連通并進行相應的調校，記錄每個靜力水準測量儀的儲液罐液面高度，靜力水準測量儀安裝高程如圖1 所示。

圖1 靜力水準測量儀安裝高程[1]

靜力水準測量儀布設調校后滿足公式（1）：

公式（1）中，Y01、Y0i、Y0j、Y0n分別表示各測點靜力水準測量儀的初始安裝高程；h01、h0i、h0j、h0n分別代表各測點靜力水準測量儀儲液罐內液位值。

若第k次采集監測點數據時觀察到監測點沉降數據出現差異，令各監測點沉降數據分別為Δh1、Δhi、Δhj、Δhn，則相應的各監測點靜力水準測量儀儲液罐內液位變化量分別為Δhk1、Δhki、Δhkj、Δhkn。監測點發生不均勻沉降后的液面變化如圖2 所示。

圖2 監測點發生不均勻沉降后液面變化[1]

由連通器原理，出現沉降后各靜力水準測量儀內液位相同，得到公式（2）：

假定沉降測量基準點為i，則監測點j相對于i點的沉降量滿足公式（3）：

聯合公式（1）至公式（3）可得公式（4）：

由于靜力水準測量儀在布設完畢后進行了相應的調校，可認為其液面初始高度值無偏差，對公式（4）進行簡化可得公式（5）：

分析公式（5）可知，分別采集各靜力水準測量儀的偏差值進行求差處理，即可得到各沉降監測點的沉降量。

2.2 靜力水準測量系統的結構

靜力水準測量系統主要包含傳感器子系統、數據采集系統、數據傳輸系統、監控分析系統[2]。其中傳感器子系統在靜力水準測量系統中的主要作用是精確測量液面的高度和位置；數據采集系統主要收集傳感器子系統采集的數據；數據傳輸系統將采集的監測數據通過網絡等方式傳輸至指定監控系統的存儲硬盤，進行數據存儲[3]；監控分析系統不僅可以24 小時對隧道進行監控，還可根據指定時間定時獲取沉降數據，避免數據冗余，而且當觀測點的沉降差異量超過指定閾值時，監視監控系統會及時提醒。靜力水準測量系統結構如圖3 所示。

圖3 靜力水準測量系統結構

3 工程案例分析

3.1 工程概況

某地鐵隧道保護區范圍內有一道路工程需要施工，為了避免道路施工對地鐵隧道結構安全產生威脅，需要在道路施工過程中實時監測隧道結構沉降情況。經現場勘測、設計圖紙發現，擬建道路位于地鐵軌道結構正上方，與線路大至呈垂直走向，路面與地鐵軌道結構頂部的豎向距離最小為1.198m，沿擬建道路施工方向使用靜力水準測量儀對地鐵軌道結構頂部進行沉降監測，道路兩側分別向外延長50m 連續監測，即監測長度總計為200m。道路施工影響范圍內的地鐵軌道示意圖如圖4 所示。

圖4 道路施工影響范圍內地鐵軌道

為了保證地鐵運營安全與車次要求，使用靜力水準測量儀在監測過程中應保證精度高于0.1mm，同時注意在道路施工前采集監測初始值，在道路施工過程中進行連續監測，施工結束后運營期間再采集測量數據。為了避免在連續監測過程中采集過多數據導致數據冗余，可以結合現場施工情況適當調整數據的采集頻率，但是要保證在道路施工進入關鍵階段后監測數據足夠多且具有較高的精度。依據《建筑變形測量規范》要求，地鐵隧道結構沉降量應小于6mm，相近監測點的相對沉降控制值小于4mm，在道路施工過程中隧道結構一日沉降量不得大于1.5mm，當監測到的沉降量達到控制值的70%時觸發預警，當監測到的沉降量達到控制值的80%時觸發報警，應立即停止施工，查找原因。基于此，項目在施工期間，依據軌道走向布設靜力水準測量儀，通過連續觀測，確保在施工期間實時掌握地表沉降速率，為安全施工提供重要的數據保障。

3.2 靜力水準測量儀的選擇與監測點設置

3.2.1 選擇靜力水準測量儀

常用的靜力水準測量儀有光纖靜力水準測量儀與GPRS 無線靜力水準測量儀，其中光纖靜力水準測量儀較適用于短距離沉降監測，而GPRS 無線靜力水準測量儀在穩定性、抗干擾性、環境兼容性及測量精度等方面優勢較為突出，且隨著無線通信網絡的不斷完善，使用范圍不斷擴大，在工程應用中表現出了較好的可靠性與便捷性[4]。因此，選擇GPRS 無線靜力水準測量儀作為本工程的沉降監測測量儀，JTM-GY8100A 型硅壓式靜力水準儀如圖5 所示。

圖5 JTM-GY8100A型硅壓式靜力水準儀

3.2.2 設置監測點

根據靜力水準測量儀工作原理及工程要求，在隧道兩側分別選定一條沉降監測線，在每條線的沉降區域外各選擇一個沉降監測基準點，以便后期對沉降監測數據進行處理。沿沉降監測線間隔10m 設置一個監測點，并布設一個JTM-GY8100A 型硅壓式靜力水準儀。靜力水準測量儀應安裝在地鐵軌道結構上，安裝好以后需進行水平度調整。首先將水準管中的氣泡調整到中心位置，然后使用水平儀對水準管進行水平校正。調整完畢即可正式使用。需要注意的是，確定初始值時應按照監測要求在某一監測點采集多組觀測值，待觀測值逐漸穩定后再選取多組觀測值求平均值，以求得的平均值作為該監測點的監測初始值[5]。監測初始值確定后，按照監測要求對監測點的沉降數據進行監測，監測點如圖6 所示。

圖6 靜力水準測量監測點

4 數據分析

道路工程于2020 年6 月開始，持續到2020 年12月份，使用靜力水準測量儀對兩條監測線上各監測點的沉降數據進行監測。為消除外部環境因素對監測數據的干擾，取凌晨時分靜力水準測量儀的監測數據[6]。采集監測點沉降值，得到如圖7 所示的地鐵隧道結構沉降監測曲線圖。

圖7 沉降監測曲線

由圖7（a）可知，測線CJY08～CJY14 區間內累計沉降量達到6mm，其他區間沉降累計3mm 以內。經過現場踏勘該位置距離基坑東南角較近，基坑施工過程中開放位置在離地鐵線路較遠處施工，并且施工過程中，土方作業范圍過大，導致基坑周邊存在滑坡位移風險，造成路面荷載增加。該項目及時發現了隧道內部結構異常，并及時追溯原因，不僅有效保護了地鐵交通安全，也為地鐵保護區內的施工單位合理安全施工提供了技術參考。

由圖7（b）可知，測線CJZ09～CJZ16 區間內累計沉降量大于6mm，其他區間沉降累計3mm 以內。結合施工時間，經現場勘驗發現，造成累計沉降量超過允許值的原因是道路施工過程中將土方堆放在施工場地，未及時清運，導致地鐵軌道區間載荷變大。為了避免隧道結構沉降量進一步增大，及時轉移現場堆積的土方，消除了安全風險，保障地鐵運營安全。

5 結語

本文介紹了靜力水準儀的基本原理，以及靜力水準測量系統的組成及工作方法。根據實際工程案例闡述了靜力水準自動測量技術在工程應用中的測量方案，通過對施工期連續不間斷監測和定時數據采集，對監測數據進行分析，及時掌握基坑開挖工程中隧道結構的變化情況，并通過工程實例驗證分析了靜力水準儀保障地鐵運營安全的應用價值。隨著傳感檢測技術的進步與無線通信網絡的發展，未來靜力水準測量技術將在地鐵隧道結構沉降監測領域得到更為廣泛的應用。