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摘要：本文结合工程实例，介绍了使用静力水准测量系统进行地铁运营监测的方法，分析了重力异常、压力和温度对静力水准测量系统精度的影响，提出了解决方法，并进行了系统精度评定，得到结论，使用静力水准测量系统，具有精度高、自动化性能好等特点，是地铁运营监测的理想选择。
关键词：静力水准测量系统，地铁运营监测，自动化。
Abstract:
This paper has introduced the use of static level measurement system of detection of subway operation, by project instance。analyzed the gravity anomaly 、 influence of pressure and temperature on accuracy of static level measurement system ,and came up with an answer. Conducted a systematic assessment of accuracy,and the result shows that thestatic level measurement systemis the best choice for detection of subway operation in the terms of high precision 、good property of automated performance.
Key Words:
static level measurement system/detection of subway operation/automation/
概述
21世纪是地下工程的世纪，随着国民经济的飞速发展和城市化进程的加速，地铁在各大城市交通中所占的比重将越来越大。随着地铁运营线路的增加，地铁沿线的开发地块越来越多，影响地铁运营安全问题也越来越突出。如在地铁隧道临近或上方神深基坑开挖时，受卸载和基坑降水等的影响，隧道结构的受力情况将发生改变，易产生变形，因此必须对地铁结构进行变形监测。
由于在地铁运营监测中有监测周期短、要求时效性强的特点，而在运营期间监测人员无法进入轨道进行测量。允许作业人员进行测量的时间一般只有23:30至次日凌晨4：30，如遇到特殊情况则允许作业时间更短，所以传统测量方法无法满足地铁运营监测的要求。使用静力水准系统，可以保证24小时不间断进行沉降监测，具有精度高、自动化性能好、操作便利等特点，且无需监测人员下轨作业，是地铁运营监测中进行沉降监测的理想选择。
静力水准系统的工作原理
静力水准仪（连通液位沉降计）是一种电感调频的总线型位移计，由电感传感器、液缸、浮子等部件组成。可测得任意时刻液缸内水位变化情况，并输出位移量。
静力水准系统是根据是利用相连的容器中液体总是寻求具有相同势能的水平原理来测量和监测参考点彼此之间的垂直高度的差异和变化量。如图2-1所示：
设共布设有n个测点，1号点为相对基准点，初始状态时各测量安装高程相对与（基准）参考高程面▽H0间的距离则为：Y01、Y02……Y0i…Y0n (i为测点代号0，1……n)；各测点安装高程与液面间的距离则为h 01、h02、h0i…h0n则有：
Y01＋h01＝Y02＋h02＝…Y0i＋h0i＝…Y0n＋h0n (1)
当发生不均匀沉陷后，设各测点安装高程相对于基准参考高程面▽H0的变化量为：Δhj1、Δhj2…Δhji…Δhjn （j为测次代号，j=1，2，3 ……）；各测点容器内液面相对于安装高程的距离为hj1、hj2、…、hji、…、hjn。由图可得：
（Y01＋Δhj1）+hj1＝（Y02＋Δhj2）＋hj2
＝（Y0i＋Δhji）＋hji
＝（Y0n＋Δhjn）＋hjn(2)
则j次测量i点相对于基准点1的相对沉陷量Hi1
Hi1＝Δhji－Δhj1(3)
由（2）式可得：。
Δhj1－Δhji＝(Y0i＋hji)－(Y01＋hj1)
＝(Y0i-Y01)＋(hji-hj1) (4)
由（1）式可得：
(Y0i－Y01)＝－(hoi＋h01) (5)
將（5）式代入(4)得：
Hi1＝(hji－hj1)－(hoi－h01)(6)
在（6）式中，(hji－hj1)为在第i次测量中j点液位传感器测得的相对于初始观测值的位移量，(hoi－h01) 为在第i次测量中1点液位传感器测得的相对于初始观测值的位移量.
即只要测得任意时刻各测点液位传感器测得的相对于初始观测值的位移量，则可求得该时刻各点相对于基准点1的相对高程差。
影响精力水准系统测量精度的几个因素
影响静力水准系统测量精度的因素有很多，主要包括重力异常、压力和温度几个方面。
3.1重力异常对静力水准系统测量精度的影响
静力水准测量之所以能提供垂直方向上的参照，是因为系统中的液体在平衡时总是处在同一等势面上，而这个等势面是由地球的万有引力场产生的。在一般情况下，人们假设地球是个比较规则的圆球或者椭球体，等势面也就假设成比较规则的形状，但是如果工程测量范围比较大，那范围内等势面就很难决定了，引起这种不规则的因素主要有两种：一种是太阳和月亮的万有引力的作用；另一种是附近巨大物体的万有引力的作用。
通常情况下，静力水准系统测量范围为基坑所对应的地铁线路里程向两侧外延60米，测量范围相对较小，故可以忽略重力异常对静力水准系统测量精度的影响。
3.2压力对静力水准系统测量精度的影响
由于液体极易受到外界的影响而改变它的物理形态，所以压力对静力水准系统的测量精度有着显著地影响。在实际测量时有很多因素能影响到压力的变化，这些变化可以是短暂的，也可以是局部的，也可能在一定时间段内是变化的。比如，由于测量系统所在的现场的人员的走动可能引起局部的压力变化，地铁隧道内通风系统的打开和关闭可引起气流的变化从而引起压力的短暂变化，而气候的变化可能引起压力在一定时间段内的变化。
要消除由于压力的不同而产生的测量误差，一种方法是，在每个钵体中安装压力传感器，然后用一个一次项公式作理论上的修正。这种方法的缺点是：一是每个钵体中必须安装压力传感器，增加了加工成本；二是压力传感器的数据需要不断采集、处理，增加了数据采集系统和处理系统的成本和计算的复杂性。
消除压力变化引起的误差的另一个办法是用密封的气管连接钵体，这样能够保证整个测量系统在相同的压力下，本系统就是采用了这个方法。采用了密封的系统以后，在数百米的范围内，系统内的压力基本保持不变，从而保证不影响测量精度。
3.3温度对静力水准系统测量精度的影响
液体的密度是随其温度变化而变化的，液体密度的变化也改变了液体的体积。如果在系统中如果出现局部的或者不均匀的温度变化，由于温度的变化，产生液体的密度变化，那么在不同的钵体中液面的高度产生不同量的升高或者降低，将严重地影响测量的精度。
通过实验可知，在温度一定的情况下，传感器的频率与传感器的位移成正比关系；在位移一定的情况下，传感器的频率与传感器的温度成正比关系。据此，本系统在在每个钵体中都安装有传感器，系统每次采集数据都同时得到每个钵体的测量数据、温度读数和频率。然后根据温度和频率对测量数据进行改正，得到真实数据。
3.4地铁运行对静力水准系统测量精度的影响
由于静力水准容器内灌的是液体，地铁列车在隧道内高速运动不可避免的会使液体产生震荡，这样会使影响到监测数据的准确性，列车运营对监测数据的影响如何，只有准确的掌握了它的影响规律，才能消除它的影响，使监测数据真实反映隧道的变化，为此我们做了以下实验，即在地铁运营期间挑选几个测点每分钟取一次数据，下面是实验期间几个测点的历时变化曲线图：
从图中可以看出，在列车经过时对各测点有一定影响，最大影响将近2毫米，在列车经过后各测点很快恢复原状，仪器反应的灵敏度和反应的速度都很高，从图中很容易剔除那些受列车运营影响的数据，从而得到真实的隧道变化数据。
测点测量数据的最或然值=各个数据之和/n，n为数据的个数；
M²=∑(xi-最或然值) ²/n；
按以上公式计算可得各传感器测量数据的中误差分别为M2=±0.057mm、M3=±0.061mm、M4=±0.067mm、M5=±0.071mm、M6=±0.058mm、M7=±0.067mm、M2=±0.066。从以上可以看出静力水准的测量精度最差为M7=±0.071mm，精度高于±0.1mm。比常规测量的精度要高。因此可以得出静力水准仪器本身完全可以满足地铁运营监测的要求。
工程实例
4.1工程概况
天津市地铁一号线勤俭道站位于天津市红桥区，地铁埋深约5m。拟于地铁站北侧建设康源公寓及商业公建项目，项目拟建两层地下车库，基坑深度约9m，电梯井集水坑坑深约11.4m，止水帷幕外侧距离地铁入口处最近距离约为14.7m。
4.2系统监测
在基坑施工期间，在地铁隧道使用静力水准系统进行了24小时不间断的自动化监测。监测系统分为静力水准仪、液体连接管、数据传输线、数据采集箱和计算机等几个部分组成。
首先将静力水准仪安装在隧道壁上，并使用液体连接管和数据传输线连接起来。其安装效果如图4-2所示：
图4-2安装效果图
然后使用数据传输线将静力水准仪与数据采集箱连接，数据采集箱可以对静力水准仪做前端的数据采集以及将数据进行无线传输.采集箱安装效果如图4-3所示：
图4-3 静力水准系统数据采集箱
在辦公室安装相应的软件后，可以远程控制静力水准系统进行数据采集，并实时作出相应的调整。采集到的数据经过整理，可形成完成的监测报告，供有关决策人员参考。
整个监测过程都是自动化的，其监测网络图如图4-4所示：
通过以上监测数据可以发现，从2011年1月16日至2011年 4月 14日，监测点沉降量最大的点位17号点，沉降量为3.2mm，未发生明显变形。
总结
理论分析及实际的运行效果表明，作为高精度的沉降监测，静力水准法测量原理简单，方法可靠，长期稳定性高。使用静力水准系统，可轻松实现远程移动式数据采集，并绘制过程线和测值报表。在地铁工程中实现24小时连续监测，为地铁的安全施工及监测地铁的安全运营提供了可靠的监测手段。
参考文献
[1] 何晓业.重力异常对静力水准系统测量精度的影响.《大地测量与地球动力学》，2006,26（6）:124-127.
[2] 陈继华.温度不均匀对液体静力水准仪精度的影响.《工程勘察》，2000（1）:51-57.
[3] 崔天麟，肖红渠，王刚.自动化监测技术在新建地铁穿越既有线中的应用.《隧道建设》，2008,28（3）:359-361.
[4] 蔡莹，杨伟，左明，蒋文秀.静力水准系统在水工模型高程测控中的应用，《长江科学院院报》，2010,27（9）:35-42.
[5] 何晓业，黄开席，陈森玉，刘祖平，赵营海。CCD静力水准系统的标定方法和拟合，《大地测量与地球动力学》，2007,27（3）:113-117.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：静力水准测量系统，地铁运营监测，自动化。
Abstract:
This paper has introduced the use of static level measurement system of detection of subway operation, by project instance。analyzed the gravity anomaly 、 influence of pressure and temperature on accuracy of static level measurement system ,and came up with an answer. Conducted a systematic assessment of accuracy,and the result shows that thestatic level measurement systemis the best choice for detection of subway operation in the terms of high precision 、good property of automated performance.
Key Words:
static level measurement system/detection of subway operation/automation/
概述
21世纪是地下工程的世纪，随着国民经济的飞速发展和城市化进程的加速，地铁在各大城市交通中所占的比重将越来越大。随着地铁运营线路的增加，地铁沿线的开发地块越来越多，影响地铁运营安全问题也越来越突出。如在地铁隧道临近或上方神深基坑开挖时，受卸载和基坑降水等的影响，隧道结构的受力情况将发生改变，易产生变形，因此必须对地铁结构进行变形监测。
由于在地铁运营监测中有监测周期短、要求时效性强的特点，而在运营期间监测人员无法进入轨道进行测量。允许作业人员进行测量的时间一般只有23:30至次日凌晨4：30，如遇到特殊情况则允许作业时间更短，所以传统测量方法无法满足地铁运营监测的要求。使用静力水准系统，可以保证24小时不间断进行沉降监测，具有精度高、自动化性能好、操作便利等特点，且无需监测人员下轨作业，是地铁运营监测中进行沉降监测的理想选择。
静力水准系统的工作原理
静力水准仪（连通液位沉降计）是一种电感调频的总线型位移计，由电感传感器、液缸、浮子等部件组成。可测得任意时刻液缸内水位变化情况，并输出位移量。
静力水准系统是根据是利用相连的容器中液体总是寻求具有相同势能的水平原理来测量和监测参考点彼此之间的垂直高度的差异和变化量。如图2-1所示：
设共布设有n个测点，1号点为相对基准点，初始状态时各测量安装高程相对与（基准）参考高程面▽H0间的距离则为：Y01、Y02……Y0i…Y0n (i为测点代号0，1……n)；各测点安装高程与液面间的距离则为h 01、h02、h0i…h0n则有：
Y01＋h01＝Y02＋h02＝…Y0i＋h0i＝…Y0n＋h0n (1)
当发生不均匀沉陷后，设各测点安装高程相对于基准参考高程面▽H0的变化量为：Δhj1、Δhj2…Δhji…Δhjn （j为测次代号，j=1，2，3 ……）；各测点容器内液面相对于安装高程的距离为hj1、hj2、…、hji、…、hjn。由图可得：
（Y01＋Δhj1）+hj1＝（Y02＋Δhj2）＋hj2
＝（Y0i＋Δhji）＋hji
＝（Y0n＋Δhjn）＋hjn(2)
则j次测量i点相对于基准点1的相对沉陷量Hi1
Hi1＝Δhji－Δhj1(3)
由（2）式可得：。
Δhj1－Δhji＝(Y0i＋hji)－(Y01＋hj1)
＝(Y0i-Y01)＋(hji-hj1) (4)
由（1）式可得：
(Y0i－Y01)＝－(hoi＋h01) (5)
將（5）式代入(4)得：
Hi1＝(hji－hj1)－(hoi－h01)(6)
在（6）式中，(hji－hj1)为在第i次测量中j点液位传感器测得的相对于初始观测值的位移量，(hoi－h01) 为在第i次测量中1点液位传感器测得的相对于初始观测值的位移量.
即只要测得任意时刻各测点液位传感器测得的相对于初始观测值的位移量，则可求得该时刻各点相对于基准点1的相对高程差。
影响精力水准系统测量精度的几个因素
影响静力水准系统测量精度的因素有很多，主要包括重力异常、压力和温度几个方面。
3.1重力异常对静力水准系统测量精度的影响
静力水准测量之所以能提供垂直方向上的参照，是因为系统中的液体在平衡时总是处在同一等势面上，而这个等势面是由地球的万有引力场产生的。在一般情况下，人们假设地球是个比较规则的圆球或者椭球体，等势面也就假设成比较规则的形状，但是如果工程测量范围比较大，那范围内等势面就很难决定了，引起这种不规则的因素主要有两种：一种是太阳和月亮的万有引力的作用；另一种是附近巨大物体的万有引力的作用。
通常情况下，静力水准系统测量范围为基坑所对应的地铁线路里程向两侧外延60米，测量范围相对较小，故可以忽略重力异常对静力水准系统测量精度的影响。
3.2压力对静力水准系统测量精度的影响
由于液体极易受到外界的影响而改变它的物理形态，所以压力对静力水准系统的测量精度有着显著地影响。在实际测量时有很多因素能影响到压力的变化，这些变化可以是短暂的，也可以是局部的，也可能在一定时间段内是变化的。比如，由于测量系统所在的现场的人员的走动可能引起局部的压力变化，地铁隧道内通风系统的打开和关闭可引起气流的变化从而引起压力的短暂变化，而气候的变化可能引起压力在一定时间段内的变化。
要消除由于压力的不同而产生的测量误差，一种方法是，在每个钵体中安装压力传感器，然后用一个一次项公式作理论上的修正。这种方法的缺点是：一是每个钵体中必须安装压力传感器，增加了加工成本；二是压力传感器的数据需要不断采集、处理，增加了数据采集系统和处理系统的成本和计算的复杂性。
消除压力变化引起的误差的另一个办法是用密封的气管连接钵体，这样能够保证整个测量系统在相同的压力下，本系统就是采用了这个方法。采用了密封的系统以后，在数百米的范围内，系统内的压力基本保持不变，从而保证不影响测量精度。
3.3温度对静力水准系统测量精度的影响
液体的密度是随其温度变化而变化的，液体密度的变化也改变了液体的体积。如果在系统中如果出现局部的或者不均匀的温度变化，由于温度的变化，产生液体的密度变化，那么在不同的钵体中液面的高度产生不同量的升高或者降低，将严重地影响测量的精度。
通过实验可知，在温度一定的情况下，传感器的频率与传感器的位移成正比关系；在位移一定的情况下，传感器的频率与传感器的温度成正比关系。据此，本系统在在每个钵体中都安装有传感器，系统每次采集数据都同时得到每个钵体的测量数据、温度读数和频率。然后根据温度和频率对测量数据进行改正，得到真实数据。
3.4地铁运行对静力水准系统测量精度的影响
由于静力水准容器内灌的是液体，地铁列车在隧道内高速运动不可避免的会使液体产生震荡，这样会使影响到监测数据的准确性，列车运营对监测数据的影响如何，只有准确的掌握了它的影响规律，才能消除它的影响，使监测数据真实反映隧道的变化，为此我们做了以下实验，即在地铁运营期间挑选几个测点每分钟取一次数据，下面是实验期间几个测点的历时变化曲线图：
从图中可以看出，在列车经过时对各测点有一定影响，最大影响将近2毫米，在列车经过后各测点很快恢复原状，仪器反应的灵敏度和反应的速度都很高，从图中很容易剔除那些受列车运营影响的数据，从而得到真实的隧道变化数据。
测点测量数据的最或然值=各个数据之和/n，n为数据的个数；
M²=∑(xi-最或然值) ²/n；
按以上公式计算可得各传感器测量数据的中误差分别为M2=±0.057mm、M3=±0.061mm、M4=±0.067mm、M5=±0.071mm、M6=±0.058mm、M7=±0.067mm、M2=±0.066。从以上可以看出静力水准的测量精度最差为M7=±0.071mm，精度高于±0.1mm。比常规测量的精度要高。因此可以得出静力水准仪器本身完全可以满足地铁运营监测的要求。
工程实例
4.1工程概况
天津市地铁一号线勤俭道站位于天津市红桥区，地铁埋深约5m。拟于地铁站北侧建设康源公寓及商业公建项目，项目拟建两层地下车库，基坑深度约9m，电梯井集水坑坑深约11.4m，止水帷幕外侧距离地铁入口处最近距离约为14.7m。
4.2系统监测
在基坑施工期间，在地铁隧道使用静力水准系统进行了24小时不间断的自动化监测。监测系统分为静力水准仪、液体连接管、数据传输线、数据采集箱和计算机等几个部分组成。
首先将静力水准仪安装在隧道壁上，并使用液体连接管和数据传输线连接起来。其安装效果如图4-2所示：
图4-2安装效果图
然后使用数据传输线将静力水准仪与数据采集箱连接，数据采集箱可以对静力水准仪做前端的数据采集以及将数据进行无线传输.采集箱安装效果如图4-3所示：
图4-3 静力水准系统数据采集箱
在辦公室安装相应的软件后，可以远程控制静力水准系统进行数据采集，并实时作出相应的调整。采集到的数据经过整理，可形成完成的监测报告，供有关决策人员参考。
整个监测过程都是自动化的，其监测网络图如图4-4所示：
通过以上监测数据可以发现，从2011年1月16日至2011年 4月 14日，监测点沉降量最大的点位17号点，沉降量为3.2mm，未发生明显变形。
总结
理论分析及实际的运行效果表明，作为高精度的沉降监测，静力水准法测量原理简单，方法可靠，长期稳定性高。使用静力水准系统，可轻松实现远程移动式数据采集，并绘制过程线和测值报表。在地铁工程中实现24小时连续监测，为地铁的安全施工及监测地铁的安全运营提供了可靠的监测手段。
参考文献
[1] 何晓业.重力异常对静力水准系统测量精度的影响.《大地测量与地球动力学》，2006,26（6）:124-127.
[2] 陈继华.温度不均匀对液体静力水准仪精度的影响.《工程勘察》，2000（1）:51-57.
[3] 崔天麟，肖红渠，王刚.自动化监测技术在新建地铁穿越既有线中的应用.《隧道建设》，2008,28（3）:359-361.
[4] 蔡莹，杨伟，左明，蒋文秀.静力水准系统在水工模型高程测控中的应用，《长江科学院院报》，2010,27（9）:35-42.
[5] 何晓业，黄开席，陈森玉，刘祖平，赵营海。CCD静力水准系统的标定方法和拟合，《大地测量与地球动力学》，2007,27（3）:113-117.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。