電水平尺自動化監(jiān)測系統(tǒng)在地鐵安全保護監(jiān)測中的應(yīng)用

趙太東

(中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州 450000)

0 引言

在地鐵沿線及其保護區(qū)內(nèi)進行物業(yè)、房地產(chǎn)等建設(shè)項目開發(fā)時，基坑開挖、降水等施工必將會對既有地鐵線產(chǎn)生一定影響，甚至影響到地鐵的運營安全。目前，國內(nèi)監(jiān)測大多是依據(jù)文獻［1－4］采用人工監(jiān)測，受時間、環(huán)境等因素影響較大，不僅要浪費大量的人力、物力、財力，而且會對現(xiàn)場監(jiān)測人員的安全構(gòu)成一定威脅。文獻［5－7］介紹了采用測量機器人對運營地鐵的自動化監(jiān)測;文獻［8］介紹了利用靜力水準(zhǔn)、測縫計等對既有線的自動化監(jiān)測;文獻［9］介紹了電水平尺原理和對隧道開挖沉降的自動化監(jiān)測。這些測量方法受時間、隧道內(nèi)環(huán)境影響，精度得不到保證，也做不到連續(xù)監(jiān)測。

為了確保在地鐵保護區(qū)內(nèi)施工時不影響地鐵的正常運營，有必要選擇一種安全、可靠、科學(xué)、高效的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，而電水平尺是一套集數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、報表自動生成等為一體的系統(tǒng)，是現(xiàn)代最新技術(shù)投入實際應(yīng)用的集中體現(xiàn)。

1 工作原理

EL beam是美國Slope Indicator公司推出的測量物體傾斜(即兩點間高差)的儀器，電水平尺的核心部件是電解質(zhì)傾斜傳感器，電解質(zhì)傳感器是精密的氣泡式水準(zhǔn)儀，并能像電橋一樣工作。電橋電路根據(jù)傳感器的傾角變化輸出相應(yīng)比例的電壓信號，將電解質(zhì)傾斜傳感器(組件)安裝在一支空心的剛性直尺內(nèi)，就構(gòu)成了電水平尺(EL beam)(如圖1所示)。對單個水平尺首尾逐個鏈接，沿監(jiān)測區(qū)內(nèi)待測方向展開安裝形成尺鏈，就會反映出監(jiān)測區(qū)域內(nèi)整體沉降情況。

本工程選用電水平尺的尺身長3 m，用錨栓安裝在道床(結(jié)構(gòu)物)上，接著將傾角傳感器調(diào)零，并鎖定在該位置。道床(結(jié)構(gòu)物)的沉降會改變梁的傾角，電水平尺中的電解質(zhì)傾斜傳感器能根據(jù)傾角的變化輸出相應(yīng)比例的電壓信號。將尺鏈上各個電解質(zhì)傾斜傳感器的輸出信號接到一臺CR10X型數(shù)據(jù)自動采集器上，就可以按設(shè)定的時間間隔(可調(diào)整的范圍為幾s到幾h)對所有接入的傳感器進行一次采樣讀數(shù)。每次采樣讀數(shù)所得的數(shù)據(jù)暫存在采集器內(nèi)供定期處理，通過電纜直接把采集器中的數(shù)據(jù)輸送到計算機中，在計算機內(nèi)按預(yù)先設(shè)定的程序?qū)㈦妷盒盘枔Q算成傾角角度，再根據(jù)尺體的長度L計算出沉降量di(i表示尺鏈中第i支尺)，利用矢量相加的方法可以得到尺鏈范圍內(nèi)的實時沉降曲線，電水平尺監(jiān)測沉降工作原理如圖2所示。

1.1 單尺傾斜計算

單個水平尺的傾斜值根據(jù)T=C0+C1E+C2E2+C3E3+C4E4+C5E5進行計算。式中:T為單個水平尺的傾斜值，mm/m;Ci為儀器系數(shù)，由廠家提供;E為單個電水平尺本次測量的電壓值，V。

1.2 高程計算(考慮尺鏈傳遞)

假設(shè)由n個電水平尺組成尺鏈，且1號尺起端為計算基準(zhǔn)點，另一端為高程測試點，其他尺寸同樣表示，則該電水平尺鏈上各測點高程的計算公式為Hn=B+T1L+T2L+T3L+……+TnL。式中:Hn為第n個電水平尺的測點高程，mm;B為基準(zhǔn)點高程，mm;Tn為第n個電水平尺的計算傾斜值，mm/m;L為單個電水平尺的長度，m。

1.3 起算基準(zhǔn)

根據(jù)傳感器的設(shè)計情況進行相應(yīng)選擇。

2 自動系統(tǒng)設(shè)計

使用與EL beam傾斜傳感器配套的CR10X數(shù)字自動記錄儀實現(xiàn)自動化。CR10X數(shù)據(jù)記錄裝置不僅可靠，而且可以兼容幾乎所有的傳感器和數(shù)據(jù)采集單元。獨立的一個數(shù)據(jù)記錄裝置可以讀取小范圍內(nèi)的很多支傳感器，電信號的傳輸會隨著傳輸電纜長度的增長而呈非線性衰減，采取配置信號放大器、防雷濾波器減少隧道內(nèi)因電纜過長而導(dǎo)致的信號衰減以及列車駛過時造成的信號干擾，系統(tǒng)組成見圖3。

3 系統(tǒng)特點

1)高分辨率。電水平尺的最小量程為1″，根據(jù)L(sin θ1－ sin θ0)，在 1 m 長的梁兩端可以檢測到0.005 mm的豎直位移變化。

圖3 系統(tǒng)組成示意圖Fig.3 Components of automatic monitoring system

2)可靠的測量數(shù)據(jù)。當(dāng)電水平尺梁的長度確定后，其傾角的變化量可以精確地換算成梁兩端的沉降位移量，并將多個梁首尾相連，能夠計算出各端點的絕對位移量，與當(dāng)?shù)馗叱滔到y(tǒng)聯(lián)測一個梁端點的高程，可以得出所有梁端點的絕對高程。

3)安裝簡單。電水平尺安裝無須復(fù)雜的工具，且梁的長度可以根據(jù)現(xiàn)場施工條件靈活變化，不受外界條件限制。

4)數(shù)據(jù)自動傳輸。通過有效的電纜可以把實時采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺R10X，并由電腦實時查看原始數(shù)據(jù)，一目了然。

5)遠程監(jiān)控。通過自動化處理軟件對采集到的電信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成直觀的沉降數(shù)值量，并通過現(xiàn)有通信技術(shù)實現(xiàn)定期發(fā)送SMS短信，實現(xiàn)遠程監(jiān)控［10］。

4 應(yīng)用實例

4.1 基本情況

南京明基醫(yī)院位于南京地鐵元通站—中勝站區(qū)間和中勝站西站廳地鐵線路南側(cè)，主要由地鐵廣場樓、住院大樓、辦公樓組成，基坑與地鐵車站站臺邊線的距離為13～25 m。施工場地位于南京河西地區(qū)，場地地貌單元屬于長江漫灘之上，中勝站及地鐵線路所屬區(qū)間場地地表為人工回填土和新近堆填土，地下覆蓋層主要為軟弱黏性土及飽和砂土。場地內(nèi)淤泥質(zhì)土飽含地下水，水位在地面以下0.3～0.5 m，年最大水位變化幅度小于1 m，一般在0.5 m左右。

4.2 監(jiān)測目的

明基醫(yī)院施工屬于中勝站地鐵保護區(qū)范圍內(nèi)，為確保地鐵的運營安全，需布設(shè)測點進行監(jiān)測。

4.3 監(jiān)測方法及項目

以電水平尺法自動監(jiān)測為主，人工監(jiān)測為校核手段，監(jiān)測項目主要有豎向位移監(jiān)測、差異沉降監(jiān)測。

4.4 監(jiān)測點的布置

根據(jù)現(xiàn)場測量，明基醫(yī)院基坑與站臺邊線的最近距離約為13 m，基坑最大開挖深度低于地鐵隧道底標(biāo)高約8 m。為了保證地鐵隧道的安全，選取明基醫(yī)院地鐵廣場樓側(cè)地鐵隧道作為監(jiān)測段，選用成熟可靠的sinco監(jiān)測設(shè)備和軟件，建立自動化監(jiān)測系統(tǒng)。選用35支3 m長的電水平尺，首尾串聯(lián)構(gòu)成約100 m長的監(jiān)測尺鏈線，緊貼地面安裝在軌道的道床上，將CR10X數(shù)據(jù)自動采集器就近安置在隧道側(cè)壁上，同時，在中勝站站臺上設(shè)主控計算機對監(jiān)測段地鐵隧道現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行自動采集、存儲、處理及傳輸。電水平尺、人工監(jiān)測點位置與最近地鐵軌線的水平距離為0.2～0.3 m，監(jiān)測點布設(shè)和電水平尺寸斷面布置如圖4和圖5所示。

在地鐵隧道與車站間的結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)約1 m處的道床上布設(shè)1對沉降監(jiān)測點(如圖3所示)，用于結(jié)構(gòu)差異沉降監(jiān)測。

4.5 電水平尺監(jiān)測系統(tǒng)組成

4.5.1 硬件要求

見表1。

表1 監(jiān)測系統(tǒng)的硬件要求Table 1 Requirements for hardware of automatic monitoring system

4.5.2 軟件要求

1套實時數(shù)據(jù)控制軟件Logger－Net，1套電水平尺自動化處理軟件，分析并處理采集器采集到的數(shù)據(jù)，形成直觀變形曲線圖，如圖6所示。

圖6 自動化處理軟件顯示畫面Fig.6 Display of automatic data processing software

4.5.3 監(jiān)測基準(zhǔn)點的確定

根據(jù)基坑開挖對地鐵的影響范圍，選取在影響范圍外的一支梁的端點作為本次監(jiān)測的基準(zhǔn)點，并與二等水準(zhǔn)基點聯(lián)測，檢測基準(zhǔn)點的穩(wěn)定性。電水平尺基準(zhǔn)點應(yīng)與人工水準(zhǔn)測量點共用，由人工從車站內(nèi)穩(wěn)定基點引測到電水平尺基點，其基點高程變化應(yīng)與水平尺監(jiān)測數(shù)據(jù)進行修正。

4.5.4 初始值的測定

系統(tǒng)調(diào)試完畢后，選擇運行后第1天的24個周期的平均值作為本次監(jiān)測的初始值，每周期數(shù)據(jù)均與初始值作比較，得出每期數(shù)據(jù)的變化量、日變化量和累計變化量。

4.5.5 監(jiān)測頻率及測回數(shù)

電水平尺自動化監(jiān)測系統(tǒng)每1 h對監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、處理一次，定期用二等水準(zhǔn)點進行人工復(fù)核，同時，定期對地鐵隧道與車站間的結(jié)構(gòu)縫差異沉降進行監(jiān)測。

4.5.6 報警設(shè)定

地鐵隧道的最大沉降值應(yīng)≤10 mm，報警值為最大值的1/3，警戒值為最大值的2/3。操作人員可以通過控制軟件的界面對數(shù)據(jù)采集器進行采集間隔時間等工作參數(shù)的設(shè)定或修改，一旦采集到的數(shù)據(jù)達到或超過預(yù)先設(shè)定的報警值，計算機就會以色彩和音響的方式發(fā)出報警信息，自動通過手機短信向有關(guān)單位報警。地鐵隧道與車站間的結(jié)構(gòu)縫差異沉降＞±3 mm時預(yù)警，＞±5 mm時報警。

4.5.7 數(shù)據(jù)分析比較

4.5.7.1 明基醫(yī)院基坑開挖各階段數(shù)據(jù)比較

選取4個時間點對8個典型監(jiān)測點進行沉降值比較。由于845點位于變形區(qū)10 m外，受施工降水影響，沉降不明顯，而850，855，860，870 4 點位于基坑一側(cè)，土體開挖時有較大沉降。其中，2006年7月15日，地鐵保護區(qū)內(nèi)的明基醫(yī)院基坑開挖到底部時地鐵隧道的最大沉降值為7.0 mm，隨著基坑底板澆筑以及地下水回灌后，地鐵隧道底板有不同程度的回彈，沉降曲線見圖7。

圖7 開挖各階段地鐵隧道沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)圖Fig.7 Measured settlement of Metro tunnel

4.5.7.2 地鐵運營和停運對自動監(jiān)測的影響

地鐵運行時，列車震動和隧道內(nèi)空氣濕度均會對電解質(zhì)傳感器造成一定影響，系統(tǒng)在整個施工期間，每天的變化量對運營和停運分析沒有可比性，而提取其中的某一時段作為列車停運與運營對該系統(tǒng)的影響分析則具有一定的可比性。每天00:00至06:00作為地鐵停運期，其他時段作為地鐵運營期，平均后分析比較，列車運行期間與停運期間各點差值很小，最大為0.092 mm，最小為－0.002 mm，總體趨于平緩，列車運行和停運對自動監(jiān)測的影響如圖8所示。

表2 2006年人工監(jiān)測與自動化監(jiān)測累計變化量比較表Table 2 Data measured by manpower VS that measured by automatic monitoring system in 2006

圖8 列車停運期與運營期對自動監(jiān)測的影響Fig.8 Influence on automatic monitoring when there is no train operation VS that when there is train operation

4.5.7.3人工監(jiān)測與自動監(jiān)測數(shù)據(jù)比較

按照二等水準(zhǔn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)布置Y6～Y12監(jiān)測點，采用人工進行沉降監(jiān)測，監(jiān)測頻率為1次/d，監(jiān)測時間為每天00:00至03:00。自2006年7月5日采集初始數(shù)據(jù)后開始正式運行自動化監(jiān)測系統(tǒng)，1.5個月后將人工監(jiān)測的數(shù)據(jù)累計值與自動監(jiān)測的累計值進行比較，其差值均在±0.3 mm，證明二者數(shù)據(jù)是吻合的，不存在明顯差異，同時也證實了自動化監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。人工監(jiān)測與自動化監(jiān)測累計變化量比較如表2和圖9所示。

4.5.7.4 地鐵隧道與車站間結(jié)構(gòu)縫的差異沉降

在地鐵隧道與車站間的結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)約1 m處的道床上布設(shè)1對沉降監(jiān)測點(如圖3所示)，定期或根據(jù)監(jiān)測結(jié)果用精密水準(zhǔn)測量方法監(jiān)測2點間的高差變化，確保基準(zhǔn)網(wǎng)的正確。

圖9 人工監(jiān)測與自動化監(jiān)測累計變化量示意圖Fig.9 Curves of data measured by manpower VS that measured by automatic monitoring system

5 結(jié)論與討論

1)在確保地鐵隧道正常運營的情況下，使用電水平尺自動化監(jiān)測系統(tǒng)是可行的。電水平尺是一套集數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、報表自動生成等為一體的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r提供監(jiān)測數(shù)據(jù)和監(jiān)測曲線，為地鐵安全提供重要保障。

2)選用電水平尺及成熟可靠的sinco監(jiān)測設(shè)備和軟件時，其監(jiān)測精度可達到0.005 mm。本工程中，自動化監(jiān)測與人工測量的差值在±0.3 mm，當(dāng)明基醫(yī)院基坑開挖到底部時，地鐵隧道的最大沉降值為7.0 mm。

3)電水平尺自動化監(jiān)測系統(tǒng)能夠自動記錄監(jiān)測過程，節(jié)約大量的人力、物力和財力，并能保證人員的安全。一旦采集到的數(shù)據(jù)達到或超過預(yù)先設(shè)定的報警值，系統(tǒng)可以自動向相關(guān)單位報警。

在地鐵保護區(qū)內(nèi)動土施工時，僅僅對地鐵隧道進行沉降監(jiān)測是遠遠不夠的，還需要結(jié)合其他方法對地鐵隧道的水平變形、扭轉(zhuǎn)等進行監(jiān)測，從而達到全方位監(jiān)測的目的。監(jiān)測過程中通常采用附合水準(zhǔn)線路，應(yīng)加強對監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)的復(fù)測和對點的穩(wěn)定性檢驗，特別是要重點關(guān)注地鐵隧道與車站間結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)的差異沉降情況，從而避免附合水準(zhǔn)路線的閉合差超限。

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