靜力水準自動化監測在運營地鐵隧道的應用研究

【摘" " 要】：為了實時獲得地鐵運營時隧道的變化情況，確保地鐵運營的安全性，以靜力水準儀自動化監測在某城市運營地鐵隧道下穿洛河段的應用為例，將人工監測數據和靜力水準自動化監測數據在不同季節進行對比分析，驗證靜力水準自動化監測的可靠性。研究結果顯示，靜力自動化水準儀具有高精度、實時性和可靠性，在地鐵隧道監測中具有較高的應用價值。

【關鍵詞】：靜力水準監測；自動化；地鐵；隧道

【中圖分類號】：U231.1 【文獻標志碼】：C 【文章編號】：1008-3197（2024）02-01-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.02.001

Study on the Application of Automatic Static Leveling Monitoring in the Running Metro Tunnel Crossing the Luohe River

ZHANG Wenjing

（China Railway Liuyuan Group Co. Ltd.， Tianjin 300308，China）

【Abstract】：In order to obtain the changes of tunne in real-time when the subway is in operation and ensure the safety of subway operations， this paper presents a case study on the application of automatic static level monitoring in the Luohe River section of a city subway tunnel. A comparison and analysis between manual monitoring data and automatic static level monitoring data are conducted across different seasons， demonstrating the high reliability of automatic static level monitoring. The results indicate that automatic static level monitoring offers high precision， real-time capabilities， and reliability， making it highly valuable for subway tunnel surveillance.

【Key words】：static leveling monitoring; automation; subway;tunnel

準確及時獲取地鐵監測數據是確保地鐵安全運營的關鍵。人工監測受運營時間限制，需要提前上報作業計劃并且只能在地鐵停運時才能開始作業，不僅大大影響了工作效率，而且費用較高。具有自動化采集、24 h不間斷監測、實時分析、高精度監測的靜力水準儀監測系統替代了傳統的人工監測在運營地鐵中的應用[1]。

陳果等[2]研究環境溫度對壓差式靜力水準儀測試精度影響，通過建立模型進行驗證，表明溫度的變化是影響沉降監測精度最重要的因素。柳飛等[3]研究靜力水準儀測試地鐵隧道整體道床剝離量，發現靜力水準監測得到的剝離量與道床鉆心取樣量相比較小，但是兩者呈現了一致的變形趨勢，具有相同的脫空范圍，證明了靜力水準儀推算道床剝離量的可行性。溫賢培[4]從液壓靜力水準儀工作原理出發，利用差分計算方法分析了數據偏差的原因，找出減小高落差環境對采集數據影響的方法。張建坤等[5]通過選用3σ準則剔除靜力水準自動化監測奇異值并進行相應的數據插補，獲得能夠反映出地鐵盾構下穿上部既有地鐵時測點的真實曲線數據。

地鐵運營期間隨時掌握地鐵運行的安全性是保證乘客安全的大事，通過監控量測掌握該段隧道結構運營期間的變形速率、變化趨勢等情況，以便及時采取有效措施，確保地鐵結構及運營安全[6]。學者對靜力水準自動化系統在不同環境中的應用分析較少，不同季節性數據分析也相對不足。本文論述了靜力水準自動化監測的原理，以靜力水準儀自動化監測在某城市運營地鐵隧道下穿洛河段中的應用為例，對比人工監測數據和靜力水準自動化監測數據在不同季節河水流量變化下變化趨勢，分析兩者之間的關系，多角度對靜力水準自動化監測進行分析評價。

1 靜力水準自動化監測

1.1 靜力水準自動化系統

地鐵隧道結構穩定部位及變形區域分別放置靜力水準儀組成基準點和監測點，強制對中儀器墊板安裝在隧道結構上，儀器之間用連通管串聯，充滿靜力水準監測專用液體，各監測點觀測電纜連接到采集箱，再通過無線傳輸模塊把數據傳送至電腦終端的接收模塊，接到的數據通過數據處理程序可隨時生成所需報表[7]。見圖1。

1.2 靜力水準監測系統原理

靜力水準監測系統是由多個靜力水準儀及安裝支架、液管、氣管、儲液箱、采集箱等組成。基準點置于一個相對穩定的基點，將基準點及多個測點串聯，再連接采集箱進行供電及數據采集，實時接收發送數據給云服務平臺[8]。測點相對基準點發生升降時，將引起各點液位值的變化，通過基準點與測點的液位變化量，來計算各測點相對水平基點的升降變化，從而實現沉降自動化監測[9]。見圖2。

任何一個測點都可以看做與基準點直接相連，基準點A與測點B相對于基準面[H0]的高程分別為[H1]、[H2]，由連通管原理可得所有容器內的液面相同，則

[H1+h1=H2+h2] （1）

[a1=h1+b1] （2）

[a2=h2+b2] （3）

式中：[a1]、[a2]在儀器安裝后為固定值；[b1]、[b2]為歷次測量值。將式（2）和式（3）代入式（1），可得

[H2=H1+a1-a2-b1-b2] （4）

則監測點B第i次沉降量

[?Hi2=Hi2-H02=H1+a1-a2-bi1-bi2-H1+a1-a2-b01-b02=b01-b02-bi1-bi2]利用傳感器測得任意時刻監測點容器內液面相對于該點頂面安裝高程的距離[bi1]、[bi2]，即可求得該時刻測點B相對于基準點A的高程變化量，即為監測點B在該時刻的累計沉降量[10]。

2 案例分析

2.1 工程概況

某城市軌道交通工程區間需盾構下穿洛河。隧道區間左線長2 031.938 m、右線長2 017.440 m，盾構法施工，左右線線間距12.0～14.8 m，監測區段線路最大縱坡為5.0‰，覆土厚度9.6～19.2 m，穿越的主要地層為卵石層，地貌單元為伊洛河一級階地，沿線分布有一定厚度的濕陷性土層。初勘階段進行了濕陷性黃土專項勘察工作，所有土樣自重濕陷系數均＜0.015，為非自重濕陷性場地。為確保地鐵運營安全，通過監控量測掌握下穿河隧道結構運營期間的變形速率、變化趨勢等情況，以便及時采取有效措施。

2.2 監測點位布設

下穿洛河隧道段需要監測的長度為645 m，按照每30 m布設一個監測點位，基準點布設在監測區間影響范圍外穩定處，共計布設46個監測斷面。見圖3。

2.3 監測點位布設方法

1）在隧道結構側壁預監測位置安裝強制對中儀器墊板，墊板上埋設3個螺紋螺桿，埋設時保證各點的墊板盡量在同一水平面上；安設時條件允許情況下用水準儀現場找平，同時保證墊板的水平[11]。

2）儀器之間用PVE連通管連接起來，同時防止垂直方向出現Ω形；連通管關鍵位置采用PVC管加以保護，為加快注液速度，應從同一測段中部向兩端注入液體，趕出連通管中的所有氣泡。

3）各監測點應盡量調整至同一水平位置，必要時可用水準儀進行校正。

4）對安裝過程中的細節進行檢查，如膨脹螺絲的固定，連通管是否漏液體等[12]。

2.4 靜力水準自動化分析

靜力水準儀數據采集頻率根據施工進度調整，24 h不間斷采集，考慮到白天列車運營對靜力水準儀影響比較明顯，曲線波動較大，列車停運后曲線平穩，基本穩定在相同的測量值，為剔除列車運營對數據的影響，在進行沉降分析時采用0：00—4：00的數據，這一時段內除隧道施工的微小影響外，基本沒有其他因素干擾，其他時段數據作為隧道突發沉降的參考。數據采集周期為1 a，采集頻率設置為30 min/次。

以靠近下穿隧道中段的6個點XCD8～XCD13為分析對象，選取2022年5月1日—2023年2月1日的累計沉降變化值來分析地鐵運營對隧道的影響。影響最大值為-0.97 mm，未超過1 mm，沉降值非常小，可以看出地鐵運營對下穿洛河隧道段的影響非常小，表明地鐵運營處于安全穩定狀態。見圖4。

2.5 人工監測與自動化監測對比分析

為了確保數據真實反映地鐵運營對隧道的影響，從靜力水準自動化監測開始，一共進行了5次人工監測，選取其中2次人工監測數據與靜力水準自動監測數據進行數據對比，分析兩者之間的關系。見圖5。

選取7月和1月的數據是考慮到隧道為下穿洛河段，季節和時間不同，河水流量不同。7月份人工數據和自動化數據整體表現出來較好的一致性，只在XCD13～XCD15點差別較大，為0.95 mm；1月份人工數據和自動化數據整體也表現出較好的一致性，在點號XCD1和XCD8差別較大，為0.78。差值均在1mm以內，在允許誤差范圍內。

1月和7月數據曲線都呈“反S”形趨勢，不同月份的數據并沒有因河流流量的變化而改變，均表現出隧道處于穩定狀態。人工監測和自動化監測均變現出較高的可利用性。

3 結語

地鐵下穿洛河段的運營監測對監測儀器設備精度要求高、作業量大，監測實施及布點位置必須科學合理。從數據分析來看，靜力水準自動化監測系統能夠真實反映地鐵隧道下穿洛河段的變化，利用人工數據進行對比驗證了靜力水準自動化監測的高精度和可靠性，能夠精確監控地鐵變化，保證地鐵結構和設備安全，為地鐵后續運營和維護使用提供依據。

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[12]張科峰.靜力水準系統在水工建筑物沉降監測中的應用[J].長江技術經濟，2022，6（S1）：137-139.

收稿日期：2023-03-20

課題項目：中鐵第六勘察設計院集團有限公司測繪院科技開發重點項目（CHKY-2022-06）

作者簡介：張文靜（1990 - ）， 女， 碩士， 河南洛陽人， 工程師， 從事地鐵隧道監測與測量工作。