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地鐵隧道沉降監(jiān)測中靜力水準觀測的精度分析

UPTATED:2019/08/08 | 分類:軌道交通
摘 要:在軌道交通保護區(qū)內(nèi)的重大、危險項目的施工過程中,需要實時了解地鐵結(jié)構(gòu)變形情況。靜力水準測量是地鐵隧道結(jié)構(gòu)自動化垂直位移測量的重要手段。目前,國內(nèi)對靜力水準在地鐵隧道內(nèi)觀測精度方面的研究較少。本文通過對布設在地鐵隧道內(nèi)部的靜力水準儀進行遙控測量,對采集的觀測數(shù)據(jù)進行整理分析,研究地鐵隧道內(nèi)靜力水準的觀測精度以及地鐵列車運營導致容器內(nèi)液面震動對觀測精度的影響。為類似自動化觀測精度分析、觀測數(shù)據(jù)取舍以及變形觀測數(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,上海市運營的軌道交通總長達到了420公里,一旦軌道交通出現(xiàn)問題會帶來一系列的社會問題。隨著城市的發(fā)展,軌道交通沿線附近的開發(fā)、建設工程越來越多,如何減少周邊施工對軌道交通結(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)護部門,負責軌道交通結(jié)構(gòu)的監(jiān)測、保護。一般,在軌道交通保護區(qū)內(nèi)施工,都會有專門的單位負責施工過程中地鐵結(jié)構(gòu)的監(jiān)測。申通地鐵公司也對軌道交通結(jié)構(gòu)的監(jiān)測提出了極高要求。
軌道交通測量人工時間窗口極短,一般每周兩天,每天三個小時。監(jiān)護人員只有在這個時間段內(nèi)才能進入地鐵施工。在一些特殊的、危險的情況下,需要實時了解地鐵結(jié)構(gòu)狀態(tài),這時大多采用自動化監(jiān)測。靜力水準測量是地鐵結(jié)構(gòu)自動化垂直位移監(jiān)測的重要手段之一。但是由于在地鐵運營時間段,列車以一定的時間間隔在隧道內(nèi)運行,對位于地鐵隧道內(nèi)部的靜力水準儀的測量精度會產(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監(jiān)測點時,對監(jiān)測點的影響主要有以下三種情況,
a) 儀器內(nèi)部空氣壓強的變化
由于列車運行使得隧道內(nèi)部空氣流動,導致靜力水準容器內(nèi)空氣壓強有降低的趨勢,使得液面產(chǎn)生上升的趨勢。
b) 列車震動影響
列車車廂位于監(jiān)測點附近時,使得監(jiān)測點下沉,導致靜力水準容器內(nèi)液面上升;列車遠離監(jiān)測點后,監(jiān)測點上抬,導致導致靜力水準容器內(nèi)液面下降。列車瞬間通過會使容器液面產(chǎn)生上下震動。
c) 基準點的影響
列車經(jīng)過基準點時,對基準點造成以上A、B兩種影響,會傳遞給監(jiān)測點相反的作用。

2 項目概況
通過在已運營的地鐵隧道內(nèi)布設一定數(shù)量的靜力水準儀,按照一定的采樣頻率采集液面變形數(shù)據(jù),定量分析列車運行對靜力水準觀測精度的影響。在上海軌道交通4號線藍村路站~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,布設了26個靜力水準自動化監(jiān)測點,編號RJ01~RJ26??紤]數(shù)據(jù)起算,設置了一個基準點,編號RJ00;由于隧道起伏較大,且儀器安裝要求在一個水平面上,在現(xiàn)場增設了5個轉(zhuǎn)點:RJ05-1、RJ12-1、RJ16-1、RJ20-1、RJ23-1。采用RJ20型電容式靜力水準儀進行觀測,總計安裝了32臺。隧道結(jié)構(gòu)為單圓盾構(gòu)隧道,隧道設計內(nèi)直徑5.5m。靜力水準儀相關(guān)參數(shù)如下:
測量范圍(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(相對濕度):0-100%
點位布置圖如下。
聚華科技地鐵隧道靜力水準沉降監(jiān)測

3 多管路、多臺靜力水準觀測精度分析
3.1 列車正常運營段靜力水準觀測精度分析
受到儀器制造工藝及軟件設計限制,RJ型電容式靜力水準儀模塊控制自動測量的短時間間隔為1分鐘,單臺儀器連續(xù)測量狀態(tài)下的短時間間隔為3秒~4秒。為了準確測量地鐵列車運行對靜力水準觀測的影響程度,在列車運營時間,無線遙測安裝在地鐵隧道內(nèi)的靜力水準儀,從2010年03月18日11:22至13:56按照1分鐘一次的采樣間隔,共計測量了154分鐘,得到154組觀測數(shù)據(jù)。對這些觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,分析列車運行對靜力水準觀測的影響。

3.1.1 液面穩(wěn)定時間
每臺儀器分別以觀測數(shù)據(jù)的平均值作為初始值,進行計算得到每一臺儀器液面波動的分鐘曲線圖如下。
聚華科技地鐵隧道靜力水準沉降監(jiān)測
圖1 整個系統(tǒng)儀器液面波動時間曲線(時間單位為 時:分)

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

為了便于分析,將11:29至12:29一個小時內(nèi)的液面狀態(tài)的時間曲線按照不同設計管路整理成圖,得到下列6幅液面波動曲線,
聚華科技地鐵隧道靜力水準沉降監(jiān)測
聚華科技地鐵隧道靜力水準沉降監(jiān)測

從上圖可以看出,波動頻率與地鐵列車通過的頻率明顯相對應。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號線列車的間隔時間7~8分鐘基本一致。曲線峰值、谷值持續(xù)的時間約為2分鐘~4分鐘,可以得出,列車運行對靜力水準液面造成震動,液面恢復的時間短約2分鐘就恢復平靜狀態(tài)。

3.1.2 靜力水準觀測精度
(1) 液面波動范圍
將觀測數(shù)據(jù)的大值減去小值可以得到每臺儀器液面的大振幅(波動范圍),每次波動的大振幅取平均值,得到每臺儀器液面的平均振幅。在實驗的觀測時間內(nèi)32臺儀器的振幅范圍是0.34mm~1.47mm,總體平均振幅達到0.41mm。
(2) 包含列車震動影響的觀測中誤差
根據(jù)中誤差計算公式,計算得到每一臺靜力水準儀觀測數(shù)據(jù)的中誤差變化范圍±0.045mm ~ ±0.312mm,平均為0.145mm。
(3) 有、無列車通過兩個階段的觀測精度
將液面波動時間內(nèi)的數(shù)據(jù)剔除,可以計算得出每一臺靜力水準儀平段(無列車通過)觀測中誤差。只對波動時間內(nèi)觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,得到每一臺靜力水準儀波動段(列車通過)觀測中誤差。對32臺儀器的平段中誤差進行統(tǒng)計,得到中誤差范圍±0.010mm ~ ±0.037mm,平均為±0.018mm。對32臺儀器的波段中誤差進行統(tǒng)計,得到中誤差范圍±0.057mm ~ ±0.382mm,平均為±0.185mm。

3.2 列車停運時間段靜力水準觀測
一般,軌道交通4號線該段隧道內(nèi)每天從晚上23:30到次日凌晨3:30沒有列車通過。在列車停止運行時間,無線遙測安裝在地鐵隧道內(nèi)的靜力水準儀,從2010年04月08日0:00至00:45按照1分鐘一次的采樣間隔,共計測量了45分鐘,得到45組觀測數(shù)據(jù)。對這些觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,分析靜力水準觀測精度。把每臺儀器分別以觀測數(shù)據(jù)的平均值作為初始值,進行計算得到每一臺儀器液面波動的分鐘曲線圖如下。
聚華科技地鐵隧道靜力水準沉降監(jiān)測
圖2 (時間單位為 時:分)

從圖2可以看出,在地鐵列車停運后,靜力水準觀測值變化在很小的范圍內(nèi)波動。匯總每一臺靜力水準儀觀測的中誤差,得到觀測中誤差變化范圍±0.006mm ~ ±0.012mm,平均為±0.008mm。

4 單臺靜力水準儀觀測精度分析
為了進一步驗證液面波動與列車通過的規(guī)律及液面穩(wěn)定時間,我們對RJ22號儀器進行了從2010年4月9日9點57分37秒到10點10分19秒,共計測量了198次。該點液面波動秒曲線如下。
聚華科技地鐵隧道靜力水準沉降監(jiān)測
圖3 (時間單位為 分:秒)

從圖3中得出,液面波動峰值間隔為5分44秒,短于前面數(shù)據(jù)推算的列車運營間隔(約7分~8分),主要原因是:本次測量是在早高峰時間,地鐵公司加密了列車運行間隔。另外,兩次峰值的振幅不一致,估計與列車載客量及運行速度有關(guān)。
第一個波動從3分04秒~5分11秒用時2分07秒,波動范圍-0.63mm~0.53mm,振幅1.16mm;第二個波動從8分47秒~10分55秒用時2分08秒,波動范圍-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)定時間為2分07秒。
對所有觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,計算得到總體觀測中誤差±0.18mm。將波動數(shù)據(jù)剔除,計算得出平段觀測中誤差為±0.016mm。只對波動觀測數(shù)據(jù)進行計算得到,波動段觀測中誤差為±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,靜力水準液面穩(wěn)定的短時間約為2分鐘。
(2). 地鐵隧道內(nèi)列車按照約7分鐘的間隔有規(guī)律的通過觀測點時,多個列車運行周期的靜力水準觀測總體平均中誤差約為±0.2mm,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)律的通過觀測點時,剔除波動觀測數(shù)據(jù)后平段觀測數(shù)據(jù)的中誤差小于±0.1mm,平均約為±0.02mm。表明剔除列車震動引起的觀測數(shù)據(jù)后,靜力水準觀測精度很高。
(4). 地鐵隧道內(nèi)列車通過觀測點時,觀測數(shù)據(jù)波動大達到1.5mm,觀測值平均中誤差約為±0.2mm。
(5). 列車停運后,靜力水準觀測總體平均觀測中誤差約為±0.01mm。

信息來源:上海巖土工程勘察設計研究院有限公司
作者介紹:付和寬,上海巖土工程勘察設計研究院有限公司軌道交通所所長,工程師,主要從事數(shù)字化測量、橋梁和隧道控制測量、建筑變形測量及軌道交通監(jiān)護監(jiān)測的研究與運用工作。

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