文 献 综 述

一、精力水准测量技术发展概况^[6]

随着城市的快速发展，城事人口的不断增加，交通堵塞也就成为了各大城市发展的问题。为了解决这项烦恼，各大城市大力发展地铁建设，维持了人们正常、方便、快捷的生活。而地铁也成为了人们出行必不可少的一样交通途径。地铁隧道的开通，又大大促进了地铁沿线的开发，地铁周围的商业及基础设施建设越来越多。这些建筑在施工中给运营中或在建的地铁隧道造成影响，严重时可能会危及地铁结构，影响地铁运营及人身安全。在地铁沿线上部或下穿施工时，加强地铁结构的监护测量，保证地铁运营安全显得十分必要。静力水准系统以其高精度、高效率、全天候、自动化等优势在地铁监护测量中被广泛应用^[1]。

1629年，罗马的布兰克运用液体静力学定律研制了一种由两个玻璃管组成的水准测量仪器，即液体静力水准仪，简称为连通管(两玻璃管之间用铅或皮革制成的软管连接起来)^［7－8］。1849年，带有橡皮软管的水管式倾斜仪首次在巴黎工业展览会展出，并开始用于水工、公路、地形及各种工程变形观测^［9］。1879年，法国开始进行静力水准仪测量的试验研究，当时采用的是高2m的管体，长300 m的连接软管，但量测并未达到很高的精度^［10］。1890年，这种试验工作也在俄国进行，其软管长度是20 m，在测站上确定高差的中误差是3 mm^［11］。1936 年，苏联塔什干测量学院将两个刻有毫米分划的玻璃管用盛满蒸馏水的铅管连接组成的液体静力水准仪，用于跨越波罗的海海峡长距离(18 km)静力水准测量，其具体做法是将两端的测管分别安装在两个岛上，铅管置于海峡底部，当时高程测量的中误差为0.09m^［12］。1938年德国完成了跨越2 km的海峡水准测量，其误差是0.1 m^［13］。1952年，在比利时的”什力多河”跨越4 km的高程传递中误差是0.14 m^［14］。

20世纪50年代末，丹麦应用流体静力水准仪测量了相距20km的菲奥尼岛和西兰岛的水平面关系，翻开了静力水准测量技术应用的一个新篇章^［15］。此后，流体静力水准测量在各种高程测量和精密工程测量中开始推广使用。当前国内外制造的多种型号的流体静力水准仪，可用于工程建筑物和沉陷观测、地震和大型机械安装测量等。例如卡尔蔡司的”弗赖贝克流体静力水准仪”，当软管长为30～40 m，而且测量条件较好时，测高精度可达#177;0.01mm^［16］。由苏联契尔尼科夫设计，新西伯利亚导管振荡器厂生产的IITT3型液体静力水准仪，可用于工业建筑物、机床等的沉陷观测^［17］。例如检查安装在基础上的机床、电站的涡轮及其基础本身的沉陷以及检核玻璃冷加工的传递带、吊车轨道垂直变形、岩层滑坡或变形等。建设部综合勘察院陈茂棋等研制了ZJS－1型组合式静力水准仪，该仪器的主要技术指标为:测量范围0～150mm，分度值0.02 mm，示值误差#177;0.03 mm^［18］。国家地震局地震研究所的DGIA型(目视型)仪器，两测头之间高差的测量中误差优于#177;0.07 mm，DG2(自动型)仪器的灵敏度达到1#215;10^－7［19］。国家地震局香山台使用的流体静力水准仪的测量精度达#177;2～3μm^［20］。

20世纪末以来，以新一代高能粒子加速器为代表的大科学高精密工程建设，有力地推动了HLS技术的进步和发展^{［21－25］}。例如:欧洲同步辐射装置(ES－FR)，将自主研发的高精度HLS用于粒子加速器的位置检测，可以保证储存环中关键部件的垂直精度在#177;0.1 mm 以内;美国SLAC实验室的FFTB装置，将自主研发名为H5的便携式HLS系统用于检测四级铁安装的垂直度，精度达到#177;0.005 mm，远高于要求的#177;0.03 mm，比常规光学测量精度高十倍以上^［26］。这些具有自主知识产权的高精度HLS有的已经在土木工程领域应用。目前常用的静力水准仪有CCD、差动变压器（LVDT）、超声波和磁致伸缩等原理类型。

二、静力水准原理和计算方法

该系统主要由静力水准仪和静力水准管路组成，静力水准仪包括主体容器、连通管、传感器等部件。静力水准仪是利用连通液的原理进行沉降观测，多支通用连通管连接在一起的储液面总是在同一水平面上，通过测量不同储液罐的液面高度，经过计算可以得出各个静力水准仪的相对差异沉降。用传感器测量每个测点内液面的相对变化，通过计算求得各点相对于基点的相对沉降量，并与基准点相比较即可求得测点的绝对沉降^［2］

图 1 静力水准测量原理示意图

如图1所示，共布设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对于(基准) 参考高程面间的距离为:，#8230;，，#8230;， (i为测点代号，i=0，1，#8230;，n);各测点安装高程与液面间的距离则为，，#8230;，则有: