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摘要：地铁保护区监测是确保地铁运营安全的重要环节，自动化监测技术在这一领域的应用日益广泛。地铁保护区是为了确保地铁运营安全，对已建设完成并运营的地铁通常会根据地铁线路的实际情况和地质条件，在地铁线路周围划定的一定范围的区域，在这个区域内，需要对可能影响地铁结构安全的各种活动进行严格控制和监测。因此，及时、准确地监测这些变化对防止结构损坏和确保地铁运营安全具有重要意义。通过静力水准仪和自动化数据采集处理技术，实时跟踪和记录沉降数据，为工程安全提供科学依据。本文主要对自动化静力水准系统在上海地铁13号线保护区内隧道沉降监测过程中的应用进行探讨，希望能够对今后地铁区域内自动化监测提供一定的参考。

关键词：自动化静力水准系统；地铁保护区监测；应用

伴随着现代城市化进程的快速发展，城市轨道交通作为城市交通的重要组成部分，其安全运营直接关系到城市的正常运行和人民的生命财产安全。上海地铁13号线作为城市轨道交通网络的重要干线，其保护区内的隧道沉降监测工作尤为关键。隧道沉降如果超出安全范围，不仅会影响地铁的正常运营，还可能引发安全事故，造成不可估量的损失。

传统的沉降监测方法大多依赖人工定期测量，不仅效率低下，而且难以实现实时监测和预警。为了提高监测效率、实时性和准确性，自动化监测技术应运而生。自动化静力水准系统作为一种先进的自动化监测手段，以其高精度、实时性、全天候等优点，在地铁隧道沉降监测中得到了广泛应用。

自动化静力水准系统通过在隧道内部布置多个监测点，利用连通器原理测量各点的相对沉降，实现对隧道结构变形的实时监测。该系统通过传感器连接、数据数据采集箱传输、监测平台处理分析三部分组成，能够及时准确有效地反映隧道结构的沉降情况，为地铁运营安全提供了强有力的技术保障。

本文将详细介绍自动化静力水准系统在上海地铁13号线保护区内隧道沉降监测中的应用情况，分析其监测精度和实际效果，探讨其在城市轨道交通安全运营中的重要作用。

1.项目概况

拟建金沙江支路200号（jd0036b-05地块）项目位于嘉定区真新街道路东临西浜、西临规划丰庄西路、北临金沙江路、南临规划金沙江支路。项目总用地面积43249.4平方米，金沙江支路200号项目（jd0036b-05地块）工程主要为新建6幢塔楼、2栋改建建筑、二层裙房及二层地下室。jd0036b-05地块地上建筑面积约197082平方米、地下建筑面积约61894平方米（地下一层为生活配套设施、地下二层为停车库）。现状地面标高约3.8m，竣工后地面标高约4.5m。

邻近地铁的B区地墙两侧槽壁加固深度为27.45m，其他区域止水帷幕深度为18.40m。基坑地下二层普遍区域底板厚度800mm，邻近地铁侧1#主楼底板厚度为1700mm，其余主楼底板厚度为1000mm，垫层厚度150mm。基坑地下二层普遍区域开挖深度为10.40m，临边塔楼承台区域开挖深度11.30～11.95m，邻近地铁侧1#主楼区域挖深为11.95m。本工程B区采用三轴水泥土搅拌桩裙边加固（9m宽度），加固体顶标高为自然地面，插入深度不小于坑底以下8m。

依据“项目监测方案”监测项目设置有：1）道床垂直位移监测；2）静力水准仪沉降监测。测点设置：垂直位移人工监测布点间距，正投影区域按照间距5m布置，外延范围按照间距10m布置；布点方法：采用既有的长期沉降监测点，若原点位不符合要求或者被破坏，则使用电钻钻孔，埋设同类型不锈钢钉，并用速干水泥固定；布设要求：不影响结构性能及正常使用，测点标识应注意美观； 垂直位移自动化沉降监测布点间距：正投影区域按照间距5～6m布置；布点方法：在主体结构侧墙上钻孔，安装膨胀螺丝，将仪器支架固定在侧墙上，调整支座处于水平，支架安装稳固后再将静力水准仪固定在支座上；布设要求：仪器及仪器支架保证稳定牢固，传感器连接线、水气管线绑扎固定在侧墙边上，不得侵入地铁运行线，不得影响既有设施的正常运转等。以下是本项目测点布置图：

2.自动化静力水准系统的基本工作原理与主要系统组成

自动化静力水准系统是一种高精度的测量设备，主要用于监测结构物的垂直位移变化，以下是该系统的工作原理和组成：

2.1 工作原理

自动化静力水准系统基于连通管原理，即在连接仪器的两端开口的U型管道中注入一定容量液体后，在大气压力和重力作用下，液体最终会保持在同一高度。系统通过测量不同测点间的液面高度变化来确定被监测物的相对沉降或位移。所有测点的垂直位移都是相对于一个基准点变化的，这个基准点的垂直位移是已知或可准确确定的。

2.2 系统组成

液位罐：作为承载液体的基础，采用不锈钢材料制成，保证罐体不会被锈蚀。

底座：液位罐的底座，保证液位罐有足够的稳定性，采用不锈钢材料制成。

通液管：PU材质水管，通过铜三通和铜直通可以将液位罐连接起来。

气管：保证液位罐内的气体的连通，确保所有监测点的气压保持一致。

传感器数据线：可以将液位罐内置的高精度传感器连接在一起，收集高精度传感器测到的液位变化数据。

高精度传感器：用于测量液面高度变化，是一种电感式的位移传感器。

数据处理软件：将采集到的数据汇总，自动生成图表和报告，帮助用户了解沉降趋势。

通信模块：支持4G无线通讯，实现数据的远程传输和监控。

采集箱：内置不同模块负责收集传输数据，保障内部组件正常运行。

3 地铁保护区施工影响自动化监测方案实施

3.1 基准点、监测点布设

由于本项目涉及轨交13号线丰庄站及附属结构，因此车站基准点可设置在不受施工影响的站台或道床区域，以车站附近深标点为高程测量控制点，并在车站内增布测量基准点（设定编号：BM），基准点BM附近30m范围内再布设2个基准点BM1与BM2用于校核基准点的稳定性，基准点与工作基点每个月至少进行一次联测，以检验其稳定性。按照上海市规范及本项目方案车站主体结构（临近基坑一侧）正投影区域按照间距5m布置，外延范围按照间距10m布置。自动化静力水准监测点与人工监测点位于同一剖面，以便校核。

3.2 设备安装与调试

（1）准备工作：根据项目需求和现场条件，合理布置基准点和监测点。首先确认好基准位置，通过激光水平仪或全站仪确定沉降观测点安装底座需要打孔的高度，确保沉降观测点与基准点标高一致（同一水平面上）。准备好安装时要用到的扳手、生料带、注水工具、水管、气管、防冻液或纯净水（根据外界温度按需求选择），气管接头，读数仪，水平尺等工具。

（2）设备及通液管安装：在车站矩形结构腰部处，用膨胀螺丝将仪器支架固定在矩形结构上，调整支座处于水平，支架安装稳固后再将静力水准仪固定在支座上。根据方案中各个监测点的间距，合理准备好适当长度的水管进行安装。安装注意事项：首先仪器设备的连接下水管长度不应过长，尽量保证低于30厘米；其次总管需拉直拉平，总管最低处不可低于传感器40CM，最高处不可高于传感器底部，切不可成波浪形排管；

（3）液体注入：在输入液体时，应当把首、尾两端传感器的灌盖打开，由其中的一端缓慢注入液体，安装人员可根据水流方向逐步排出水管中气泡，这样可以减少灌液时产生的气泡。液体灌完后需隔两至三天重新检查水管气泡，排出水管中再次生出的气泡，确保液位在液体罐中适当，调整至1/2左右；

（4）气管安装：加液完成后，需要使用气管将各个液位罐的通气口进行连接贯通。同时将传感器的通气口、输液口进行封闭，检查液、气管各连接头密封情况是否完好。

（5）传感器数据线安装：用PVC钢丝软管护套好或将传感器数据线用扎带固牢于管线上，传感器数据线如长度太长切不可缠绕，缠绕后总线阻抗会增大，影响传感器数据传输。

（6）初步检查：在上电前检查所有连接是否正确，包括液管、气管和信号线。

（7）系统上电：为系统供电，检查电源和通信是否正常。

（8）将采集箱内读出的数据导出并判断静力水准仪是否处于要求的合适水平位置，如有需要进行调整。

（9）校零、取初始值 ，对传感器进行校零，做好静力水准仪安装台帐（传感器安装点与人工比对点对应关系、采集仪设置参数：端口号及手机号码等）。待设备液体完全平静之后（一般两天48小时）方可取初始值；

（10）根据测试要求进行测试

若连通管过长，传感器数量过多等，需采用两台及以上设备采样数据时需校准统一所有采集仪内部时间，最好将其控制在同一时间采样数据。

（11）注意事项：

传感器量程为0-85mm，当液体过于满时，读数为0或负数，当液体不足时，传感器读数为80-85，在传感器读数为70左右需及时给罐体补充液体。传感器安装需垂直安装，不可倾斜，倾斜后测杆容易卡住，并且对数据有一定影响，因此在传感器安装完成后需用水平气泡等工具校准传感器垂直度，避免视觉误差。传感器本身已有温度补偿，但液体密度随温度变化后会影响水平面的水平，因此在安装设备时应尽量避免通风口等温度差异过大的地方安装设备，尤其安装转点等。当现场测量范围过长，且现场有一点高差时，且不可将转点装置在风口或温度变化比较明显区域。设备安装尽量安装在同一边管壁或墙壁，跨轨道安装会使液面高度受温度影响比较明显。

3.3 测量精度要求

自动化静力水准系统的测量精度要求通常非常高，因为它被用于监测关键结构的微小垂直位移，本项目使用高精度传感器，系统使用的传感器具有高精度，精度在在0.05%FS（满量程）。分辨率：静力水准系统应具有高分辨率，能够检测到微小的位移变化，分辨率可达0.01mm。为提高自动化监测精度，人工定期对基准点进行联测，本项目设置的高程控制网测量将按照规范及方案的要求采用电子水准仪进行观测，分线路固定仪器及人员测量，作业过程中按规范定期进行i角检测。

3.4 监测数据采集

监测数据采集是自动化监测系统中的基础环节，它涉及从各种监测设备和传感器收集实时数据的过程。采集箱放置供电端并靠近仪器附近，对所接入的设备按照编程的命令固定的时间进行自动测量，并将数据集中采集发送到监测平台中存储，由监测技术人员对集中采集的数据进行处理和分析并编制报表。

4 数据处理与分析

数据处理与分析是监测系统中的关键环节，它涉及到从原始数据中提取有用信息、识别模式、检测异常并做出决策的过程。

本项目在施工过程中采用人工和自动化两种模式进行隧道沉降监测，因隧道内特殊环境，人工监测点统一布设在道床位置，自动化监测点布设在隧道侧墙上，故人工数据与自动化数据存有一定差异，以下是本项目数据采集处理汇总：

结合以上图表可以发现施工正投影范围内的变形比外延范围的变形普遍较大，自动化数据反映较为灵敏，结合工况分析：基坑开挖阶段隧道整体上抬明显，随着结构施工进行整体呈现明显沉降。自动化个别测点因罐体水位减少出现个别测点数据异常，及时对自动化设备巡视检查在整个监测过程中格外重要。本工程的监护测量工作从2022年7月至2024年6月已完成地下结构施工，按照地铁监测的设计要求，按时按要求完成各项内容的监测，做到准确、及时，对轨道交通地铁结构起到保护作用。

5 结束语

随着城市化进程的不断加快，城市轨道交通作为城市交通的重要组成部分，其安全性和可靠性受到了越来越多的关注。上海地铁13号线作为城市交通网络中的重要一环，其保护区内的隧道沉降监测工作对于保障地铁运营安全具有重要意义。本文介绍了自动化静力水准系统在地铁13号线保护区内隧道沉降监测过程中的应用情况。通过该系统的实施，我们不仅实现了对隧道沉降的高精度、实时监测，而且通过数据分析和处理，为地铁结构的稳定性评估和预警提供了科学依据。自动化监测技术的应用，显著提高了监测工作的效率和准确性，降低了人工监测的成本和风险。在实际应用过程中，自动化静力水准系统展现了其独特的优势，如高精度测量、实时数据传输、自动报警功能等。同时，系统的稳定性和可靠性也得到了充分的验证。然而，技术的不断进步和工程需求的日益增长，也对自动化监测系统提出了更高的要求。展望未来，我们有理由相信，随着自动化监测技术的不断发展和完善，以及人工智能、物联网等新技术的融合应用，自动化静力水准系统将在城市轨道交通安全监测领域发挥更大的作用。我们期待这一技术能够为城市轨道交通的安全运营提供更加坚实的保障，并为相关领域的技术进步和创新贡献力量。

参考文献

[1] 刘向明. 静力水准仪系统在高铁桥梁变形监测中的应用[J]. 交通科技与经济， 2020， 22（6）： 6.

[2] 田志刚， 宋厚源， 郭鹏. 激光静力水准技术在土石坝沉降测量中应用[J]. 山东水利， 2020（5）： 3.

[3] 胡云龙， 汪大超. 静力水准系统在沉降监测中的应用[J]. 城市勘测， 2017（3）： 4.

[4] 侯煜， 廖月. 静力水准系统在水工建筑物沉降监测中的应用[J]. 江苏水利， 2019（12）： 4.

[5] 陈果， 李波， 吴琪. 环境温度对压差式静力水准仪测试精度影响试验研究[J]. 南京工业大学学报： 自然科学版， 2022， 44（1）： 92-99.

[6]喻 兵.超长线路静力水准沉降自动化观测系统精度分析[J]. 土工基础， 2021， 35（3）： 400-403.

[7]何晓业.静力水准系统的最新发展及应用[M].中国科学技术大学出版社，2010.