基于静力水准测量技术的地铁隧道结构沉降监测

赵栋 张耀国 刘万松 杨立新

（中材地质工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

1 引言

随着经济的发展与农村人口向城市流动的加速，城市公共交通压力越来越大，许多城市开始修建地下轨道交通系统来应对日益增多的通勤人次。地铁运力大、高效、便捷，在城市交通系统中发挥着巨大作用，但是因为运行于地下封闭环境，隧道结构在交变载荷作用下容易造成稳定性下降，进而产生安全风险。传统模式下，使用水准仪测量隧道结构沉降情况需要在列车停运期间进行，作业窗口较短，且无法实现不间断的连续、实时监测。随着传感器技术和在线监测技术的不断进步和发展，静力水准自动化监测技术逐渐在隧道监测中得到应用和推广，该技术实现了地铁隧道监测由人工向自动化的转变，同时，不断升级的传感检测技术与远程在线监测技术进一步优化了静力水准监测精度及兼容性，使其在现实工程中的应用空间得到进一步拓展。

2 静力水准测量的作用机理与组成

2.1 静力水准测量的作用机理

静力水准仪由液缸、浮筒、精密液位计、保护罩等部件组成，基本技术原理为物理学中的连通液原理，将多个连通器的储液罐连接，根据连通器水平面相同的原理，所有连通器的储液罐液面应处在同一水平面，如果某个监测点发生沉降则通过计算储液的变化高度，得出各个静力水准仪之间的相对变化量，进而获取监测点的相对差异沉降信息。

将某测区分为n个沉降观测点，在各沉降观测点位置分别布设静力水准测量仪，使用连通管将所有静力水准测量仪的储液罐连通并进行相应的调校，记录每个静力水准测量仪的储液罐液面高度，静力水准测量仪安装高程如图1 所示。

图1 静力水准测量仪安装高程[1]

静力水准测量仪布设调校后满足公式（1）：

公式（1）中，Y01、Y0i、Y0j、Y0n分别表示各测点静力水准测量仪的初始安装高程；h01、h0i、h0j、h0n分别代表各测点静力水准测量仪储液罐内液位值。

若第k次采集监测点数据时观察到监测点沉降数据出现差异，令各监测点沉降数据分别为Δh1、Δhi、Δhj、Δhn，则相应的各监测点静力水准测量仪储液罐内液位变化量分别为Δhk1、Δhki、Δhkj、Δhkn。监测点发生不均匀沉降后的液面变化如图2 所示。

图2 监测点发生不均匀沉降后液面变化[1]

由连通器原理，出现沉降后各静力水准测量仪内液位相同，得到公式（2）：

假定沉降测量基准点为i，则监测点j相对于i点的沉降量满足公式（3）：

联合公式（1）至公式（3）可得公式（4）：

由于静力水准测量仪在布设完毕后进行了相应的调校，可认为其液面初始高度值无偏差，对公式（4）进行简化可得公式（5）：

分析公式（5）可知，分别采集各静力水准测量仪的偏差值进行求差处理，即可得到各沉降监测点的沉降量。

2.2 静力水准测量系统的结构

静力水准测量系统主要包含传感器子系统、数据采集系统、数据传输系统、监控分析系统[2]。其中传感器子系统在静力水准测量系统中的主要作用是精确测量液面的高度和位置；数据采集系统主要收集传感器子系统采集的数据；数据传输系统将采集的监测数据通过网络等方式传输至指定监控系统的存储硬盘，进行数据存储[3]；监控分析系统不仅可以24 小时对隧道进行监控，还可根据指定时间定时获取沉降数据，避免数据冗余，而且当观测点的沉降差异量超过指定阈值时，监视监控系统会及时提醒。静力水准测量系统结构如图3 所示。

图3 静力水准测量系统结构

3 工程案例分析

3.1 工程概况

某地铁隧道保护区范围内有一道路工程需要施工，为了避免道路施工对地铁隧道结构安全产生威胁，需要在道路施工过程中实时监测隧道结构沉降情况。经现场勘测、设计图纸发现，拟建道路位于地铁轨道结构正上方，与线路大至呈垂直走向，路面与地铁轨道结构顶部的竖向距离最小为1.198m，沿拟建道路施工方向使用静力水准测量仪对地铁轨道结构顶部进行沉降监测，道路两侧分别向外延长50m 连续监测，即监测长度总计为200m。道路施工影响范围内的地铁轨道示意图如图4 所示。

图4 道路施工影响范围内地铁轨道

为了保证地铁运营安全与车次要求，使用静力水准测量仪在监测过程中应保证精度高于0.1mm，同时注意在道路施工前采集监测初始值，在道路施工过程中进行连续监测，施工结束后运营期间再采集测量数据。为了避免在连续监测过程中采集过多数据导致数据冗余，可以结合现场施工情况适当调整数据的采集频率，但是要保证在道路施工进入关键阶段后监测数据足够多且具有较高的精度。依据《建筑变形测量规范》要求，地铁隧道结构沉降量应小于6mm，相近监测点的相对沉降控制值小于4mm，在道路施工过程中隧道结构一日沉降量不得大于1.5mm，当监测到的沉降量达到控制值的70%时触发预警，当监测到的沉降量达到控制值的80%时触发报警，应立即停止施工，查找原因。基于此，项目在施工期间，依据轨道走向布设静力水准测量仪，通过连续观测，确保在施工期间实时掌握地表沉降速率，为安全施工提供重要的数据保障。

3.2 静力水准测量仪的选择与监测点设置

3.2.1 选择静力水准测量仪

常用的静力水准测量仪有光纤静力水准测量仪与GPRS 无线静力水准测量仪，其中光纤静力水准测量仪较适用于短距离沉降监测，而GPRS 无线静力水准测量仪在稳定性、抗干扰性、环境兼容性及测量精度等方面优势较为突出，且随着无线通信网络的不断完善，使用范围不断扩大，在工程应用中表现出了较好的可靠性与便捷性[4]。因此，选择GPRS 无线静力水准测量仪作为本工程的沉降监测测量仪，JTM-GY8100A 型硅压式静力水准仪如图5 所示。

图5 JTM-GY8100A型硅压式静力水准仪

3.2.2 设置监测点

根据静力水准测量仪工作原理及工程要求，在隧道两侧分别选定一条沉降监测线，在每条线的沉降区域外各选择一个沉降监测基准点，以便后期对沉降监测数据进行处理。沿沉降监测线间隔10m 设置一个监测点，并布设一个JTM-GY8100A 型硅压式静力水准仪。静力水准测量仪应安装在地铁轨道结构上，安装好以后需进行水平度调整。首先将水准管中的气泡调整到中心位置，然后使用水平仪对水准管进行水平校正。调整完毕即可正式使用。需要注意的是，确定初始值时应按照监测要求在某一监测点采集多组观测值，待观测值逐渐稳定后再选取多组观测值求平均值，以求得的平均值作为该监测点的监测初始值[5]。监测初始值确定后，按照监测要求对监测点的沉降数据进行监测，监测点如图6 所示。

图6 静力水准测量监测点

4 数据分析

道路工程于2020 年6 月开始，持续到2020 年12月份，使用静力水准测量仪对两条监测线上各监测点的沉降数据进行监测。为消除外部环境因素对监测数据的干扰，取凌晨时分静力水准测量仪的监测数据[6]。采集监测点沉降值，得到如图7 所示的地铁隧道结构沉降监测曲线图。

图7 沉降监测曲线

由图7（a）可知，测线CJY08～CJY14 区间内累计沉降量达到6mm，其他区间沉降累计3mm 以内。经过现场踏勘该位置距离基坑东南角较近，基坑施工过程中开放位置在离地铁线路较远处施工，并且施工过程中，土方作业范围过大，导致基坑周边存在滑坡位移风险，造成路面荷载增加。该项目及时发现了隧道内部结构异常，并及时追溯原因，不仅有效保护了地铁交通安全，也为地铁保护区内的施工单位合理安全施工提供了技术参考。

由图7（b）可知，测线CJZ09～CJZ16 区间内累计沉降量大于6mm，其他区间沉降累计3mm 以内。结合施工时间，经现场勘验发现，造成累计沉降量超过允许值的原因是道路施工过程中将土方堆放在施工场地，未及时清运，导致地铁轨道区间载荷变大。为了避免隧道结构沉降量进一步增大，及时转移现场堆积的土方，消除了安全风险，保障地铁运营安全。

5 结语

本文介绍了静力水准仪的基本原理，以及静力水准测量系统的组成及工作方法。根据实际工程案例阐述了静力水准自动测量技术在工程应用中的测量方案，通过对施工期连续不间断监测和定时数据采集，对监测数据进行分析，及时掌握基坑开挖工程中隧道结构的变化情况，并通过工程实例验证分析了静力水准仪保障地铁运营安全的应用价值。随着传感检测技术的进步与无线通信网络的发展，未来静力水准测量技术将在地铁隧道结构沉降监测领域得到更为广泛的应用。