基于自動化監測技術的地鐵沉降數據一致性分析

詹龍喜， 唐繼民， 張少夏

（1. 國土資源部地面沉降監測與防治重點實驗室，上海 200072；2. 上海地面沉降控制工程技術研究中心，上海 200072；3. 上海市地質調查研究院，上海 200072；4. 上海地鐵維護保障有限公司，上海 200070）

基于自動化監測技術的地鐵沉降數據一致性分析

詹龍喜1,2,3， 唐繼民1,2,3， 張少夏4

（1. 國土資源部地面沉降監測與防治重點實驗室，上海 200072；2. 上海地面沉降控制工程技術研究中心，上海 200072；3. 上海市地質調查研究院，上海 200072；4. 上海地鐵維護保障有限公司，上海 200070）

沉降監測是地鐵安全監護的重要內容，通常采用人工精密水準測量與自動化靜力水準系統。隨著城市軌道交通網的日益擴展，自動化監測技術的應用更趨普遍。因兩種方式的監測點布設于不同的隧道結構位置上等原因，使沉降數據有時存在差異。結合工程實際，分析了人工和自動化監測數據不一致的主要表現形式，并提出了相應的改進措施。

軌道交通；地鐵安全監護；沉降監測；自動化監測技術；數據分析

變形監測是地鐵日常監護確保運行安全的重要內容[1,2]，通常采用人工精密水準測量與自動化靜力水準系統兩種方式。隨著城市軌道交通網的擴展和運能提升，自動化監測技術的應用更趨普遍[3,4]。在上海軌道交通的監護項目中，自動化沉降監測技術應用越來越廣泛，連續實時可靠的自動化監測數據，在軌道交通結構安全運營中發揮了重要作用。在長期監護實踐中發現，人工監測與自動化監測數據有時存在不匹配現象。本文結合具體案例，探討引起人工與自動化沉降數據差異的影響因素，并提出改正措施。

1 地鐵隧道沉降監測技術

目前地鐵隧道沉降監測主要采用人工和自動化兩種方式。

人工監測主要是采用精密水準測量方法，其監測點一般布置于隧道道床上（圖1左中）。

圖1 地鐵隧道沉降測量監測點布設Fig.1 The collocation of subsidence monitoring points in subway tunnel

自動化監測最常用的是靜力水準系統。該系統由于穩定性和精度相對于其他自動化設備都具有明顯優勢，因此被廣泛采用。自動化靜力水準系統測量沉降是依據連通管原理的方法，測量每個測點容器內容器底面安裝高程與液面的相對變化；再通過計算求得各點相對于基點的相對沉降量。由于隧道內安裝的限制，該設備只能安裝在隧道側壁上（圖1右）。

2 沉降數據一致性分析

在長期監護實踐中[5]，發現人工監測與自動化監測數據有時候存在不匹配。造成兩者數據不一致，既有系統性因素，也有偶然性因素，主要表現在以下方面：

2.1 基準點不一致

人工水準基準點一般布設在車站站臺層，而靜力水準儀基準點由于精度、安裝難度、價格等因素則一般位于監測范圍外20～30m的位置。由于基準點位置的不同，會造成人工水準與靜力水準沉降量有一個系統性的差值，具體差值量根據靜力水準點基準點的沉降量而定。因基準點不同引起的沉降數據不一致，可以通過人工水準點高程修正自動化基準點數據進行處理。

2.2 監測起點時間不一致

由于自動化監測設備安裝需要時間，故一般人工監測先實施，而自動化的累計變化量沒有包含設備安裝前一段的變形量。因此造成人工測量累計變化量和自動化累計變化量的不一致。該類不一致可將自動化測量起始作為統一的初值時間，便得到一致的累計變化量。

2.3 設備故障

當靜力水準儀出現微量滲水時，日常巡查常不易發現，可能導致自動化監測數據失真。

2.4 列車振動

地鐵快速經過監測區域時，會引起軌道振動[6]，對監測數據將產生一定影響。列車振動一般可使監測數據產生0.6～1.2mm的變化。故通常取地鐵晚間停運期間或列車經過監測區域之后的監測值作為有效數據。

2.5 隧道收斂影響

當隧道收斂較大時會造成人工水準點與管片側壁的靜力水準之間的高差相對關系的改變，并且收斂越大對結構高差的影響越大，造成人工水準與靜力水準監測點的差值也越大。

當隧道收斂變化較大時，可以用Δh的估算式來進行修正。

2.6 隧道旋轉影響

當隧道因為某些原因，比如注漿，自身會發生微量的旋轉。旋轉同樣會使得靜力水準監測點和道床監測點的相對關系產生變化。

如圖2所示，?h=h1-h2=a×sinα-(T-T×cosα)，一般情況下a=2.75m、T=2.27m，故得?h=2.75sinα+2.27cosα-2.27。當旋轉角為1’時，差值為0.8mm；當旋轉角為0.5°時，差值可達24mm。

由此可以修正因隧道旋轉而造成的靜力水準監測點與道床監測點相對關系的影響。

圖2 隧道旋轉引起靜力水準點與人工監測點幾何關系變化Fig.2 The difference between manual survey data and automaitic survey data caused by rotation of tunnel

3 工程案例

在具體的監測實踐中，基準點不一致、監測起始時間不一致、設備故障和列車振動的案例較多，數據修正或取值比較方便，本文不列舉案例。收斂變化和旋轉變化引起的沉降變化，是在長期的工程實踐中總結而得，本文作詳細解析。

3.1 隧道微量旋轉引起的數據變化

2013月7月10～15日，對某地段地鐵進行了單側注漿，圖3為人工及自動化注漿前后變化量曲線。從圖中可以看出，注漿區域人工自動化差異較大，最大達7mm，平均3.5mm；而未注漿區域和矩形段注漿區域（A18）人工及自動化差異較小，該區域注漿前后收斂變化也非常小。

圖3 注漿地塊人工監測與自動化監測數據對比曲線Fig.3 The curves combined with manual survey data and automatic survey data of one project

3.2 隧道收斂變化引起的數據變化

2013年3月29日～5月20日，某地塊進行了隧道雙側注漿，圖4為注漿后人工和自動化監測的累計沉降曲線?？梢钥闯鲒厔菀恢?，但自動化監測的抬升量明顯大于人工監測數據。該現象主要因隧道收斂引起，該段隧道經過2個月的注漿，最大收斂達到-40mm。隧道變形使側壁的靜力水準和道床人工監測點的高差加大，導致兩者差異較大。圖5是經過修正后的自動化監測得到的累計變化量曲線，其與人工監測數據較為匹配，修正前后人工和自動化差值的方差從1.31mm下降到0.17mm。

圖4 某地塊注漿人工監測與自動化監測數據曲線Fig.4 The curves combined with manual survey data and automatic survey data of one project

圖5 收斂修正后的人工監測與自動化監測數據曲線Fig.5 The curves combined with manual survey data and automatic survey data that has modified by structural deformation data

4 結論

自動化沉降技術是軌道交通結構安全監測的重要手段，尤其在特級和一級監護項目中發揮了無可替代的作用。人工監測與自動化監測數據的匹配，一直是監護管理單位關注的問題。本文從6個方面進行了分析，可為數據分析研究提供一定參考。

References)

[1]中國科學院院士孫鈞教授接受本刊專訪. 城市地下空間開發利用的環境巖土問題及其防治[J]. 上海國土資源,2011,32(4):1-11.

Sun J. Prevention and control of the environmental geotechnical problems in development and utilization of urban underground space[J].Shanghai Land & Resources,2011,32(4):1-11.

[2]王如路,劉建航. 上海地鐵監護實踐[J]. 地下工程與隧道, 2004, (1):27-32,35,57.

Wang R L, Liu J H. Practice of Shanghai metro monitoring[J].Underground Engineering and Tunnels,2004,(1):27-32,35,57.

[3]莊一兵,詹龍喜,許準,等. 基于光纖光柵技術的地鐵隧道沉降監測[J]. 上海國土資源,2012,33(3):76-78.

Zhuang Y B, Zhan L X, Xu Z, et al. Subsidence monitoring of subway tunnel based on fiber bragg grating technique[J].Shanghai Land & Resources,2012,33(3):76-78.

[4]詹龍喜,郁鈞,郁標,等. 連續跟蹤數字化三維自動化監測系統研究[J]. 上海地質,2003,24(4):52-55.

Zhan L X, Yu J, Yu B, et al. Research for digitaly and automaticly continuous monitoring system[J].Shanghai Geology, 2003,24(4): 52-55.

[5]陳基煒,詹龍喜. 上海市地鐵一號線隧道變形測量及規律分析[J].上海地質,2000,21(2):51-56.

Chen J W, Zhan L X. Deformation measuring of the metro tunnel and deformation data analysis of Shanghai metro line No.1[J].Shanghai Geology,2000,21(2):51-56.

[6]朱萬明,楊柏寧,唐繼民. 基于頻譜分析的地鐵列車運行隧道振動加速度研究[J]. 上海地質,2010,31(3):49-52,57.

Zhu W M, Yang B N, Tang J M. The research of the shock of subway based on the frequency analysis[J].Shanghai Geology, 2010,31(3):49-52,57.

The consistency of the subway subsidence data based on automatic monitoring technology

ZHAN Long-Xi1,2,3, TANG Ji-Min1,2,3, ZHANG Shao-Xia4
(1. Key Laboratory of Land Subsidence Monitoring and Prevention, Ministry of Land and Resources of China, Shanghai 200072, China;
2. Shanghai Research Center for Land Subsidence Control Engineering, Shanghai 200072, China;
3. Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072, China;
4. Shanghai Rail Transit Maintenance Support Company Limited, Shanghai 200070, China)

Subsidence monitoring is an important component of the security monitoring regime for subway tunnels, and is usually achieved using either artificial precise leveling or automated static leveling systems. Alongside the expansion of the urban rail transportation network, the application of automatic monitoring technology is becoming increasingly popular. However, subsidence data may sometimes differ because the observation points of the two monitoring systems are at different positions within the tunnel structure. Based on an engineering case, this paper analyzes the major patterns of inconsistency in data from artificial and automatic monitoring approaches, and suggests appropriate improvement measures.

tramroad transportation; security wardship for subway tunnel; subsidence monitoring; automatic monitoring technology; data analysis

P258；P642.26

B

2095-1329(2013)04-0084-03

10.3969/j.issn.2095-1329.2013.04.019

2013-09-05

2013-09-29

詹龍喜(1974-),男,碩士,高級工程師,主要從事地質環境監測研究.

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