靜力水準(zhǔn)在城市軌道交通既有線變形監(jiān)測中的應(yīng)用研究

韓三琪

(寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江寧波　315000)

The Research of Hydrostatic Level Applied in Existing Urban Rail Transitline Deformation Monitoring

HAN Sanqi

靜力水準(zhǔn)在城市軌道交通既有線變形監(jiān)測中的應(yīng)用研究

韓三琪

(寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江寧波315000)

The Research of Hydrostatic Level Applied in Existing Urban Rail Transitline Deformation Monitoring

HAN Sanqi

摘要針對城市軌道交通工程近接既有線施工的特點，采用靜力水準(zhǔn)測量監(jiān)測系統(tǒng)來實現(xiàn)對既有線的自動化變形監(jiān)測，保證了既有線施工過程中的安全。靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)具有測量原理簡單，效率高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、精度高、實時監(jiān)測等特點，可為施工風(fēng)險的預(yù)警、防范和控制提供決策支持。

關(guān)鍵詞城市軌道交通近接施工靜力水準(zhǔn)變形監(jiān)測

在城市軌道交通工程的大規(guī)模建設(shè)施工過程中，運營中的軌道線路、周圍的建(構(gòu))筑物及基礎(chǔ)設(shè)施因受施工影響而產(chǎn)生變形，嚴(yán)重時可能會危及線路及其附屬結(jié)構(gòu)安全，影響城市軌道交通的運營。在運營線路附近施工時，加強運營線路道床及其附屬結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，保證城市軌道交通的運營安全顯得十分必要。靜力水準(zhǔn)測量系統(tǒng)是利用相連容器中的液體總是具有相同勢能的原理，測量和監(jiān)測參考點彼此之間的垂直高度差異和變化量，適用于多點相對沉降測量，以其精度高、效率高、全天候，自動化性能高等優(yōu)勢在城市軌道交通既有線的運營監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。

1靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)工作原理

1.1　靜力水準(zhǔn)儀測量原理

靜力水準(zhǔn)儀利用相連容器中的液體總是具有相同勢能的原理，用電容傳感器測量每個測點容器內(nèi)液面的相對變化，經(jīng)過計算得出各靜力水準(zhǔn)儀的相對差異沉降。假設(shè)共有n個觀測點，各觀測點之間采用連通管連通，初始狀態(tài)時測量各測點的高程分別為Y01…Y0i…Y0j…Y0n，各測點的液面高度分別為h01…h(huán)0i…h(huán)0j…h(huán)0n(如圖1)。

圖1　靜力水準(zhǔn)測量原理(一)

對于初始狀態(tài)，顯然有

(1)

當(dāng)?shù)趉次發(fā)生不均勻沉降后，各測點由于沉降的而引起的變化量分別為Δh1…Δhi…Δhj…Δhn，各測點的液面高度變化為hk1…h(huán)ki…h(huán)kj…h(huán)kn。

圖2　靜力水準(zhǔn)測量原理(二)

由于液面的高度還是相同的，因此有

(2)

第j個觀測點相對于基準(zhǔn)點i的相對沉降量為

(3)

由式(2)可以得出

(4)

由式(1)可以得出

(5)

將式(5)代入式(4)，即可得出第j個觀測點相對于基準(zhǔn)點i的相對沉降量

(6)

由式(6)可以看出，只要能夠測出各點不同時間的液面高度值，即可計算出各點在不同時刻的相對差異沉降值。

1.2　靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的工作原理

靜力水準(zhǔn)測量系統(tǒng)主要由電容感應(yīng)式靜力水準(zhǔn)儀、數(shù)據(jù)自動采集模塊、數(shù)據(jù)發(fā)射和接收模塊以及數(shù)據(jù)采集及分析四個部分組成。電容感應(yīng)式靜力水準(zhǔn)儀通過連通器的原理得出基準(zhǔn)點及各監(jiān)測點上靜力水準(zhǔn)儀的測量值，數(shù)據(jù)自動采集模塊通過集成各測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)后通過GPRS無線電臺發(fā)射出去，在辦公室內(nèi)通過數(shù)據(jù)接收模塊獲取變形監(jiān)測值，之后通過數(shù)據(jù)處理及分析軟件得出監(jiān)測點相對基準(zhǔn)點的沉降變化量及變化速率，并繪制累計變形沉降量-時間曲線和變化速率-時間曲線，進(jìn)而分析監(jiān)測對象的變形情況。該系統(tǒng)組成如圖3。

圖3　靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)工作原理

(1)數(shù)據(jù)自動采集模塊

各監(jiān)測點采用 RJ 型電容式靜力水準(zhǔn)儀，數(shù)據(jù)自動采集模塊由DAU 2000 標(biāo)準(zhǔn)型模塊化智能數(shù)據(jù)采集單元構(gòu)成。將DAU 2000 型模塊化數(shù)據(jù)采集單元接入RJ 型電容式靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，各數(shù)據(jù)采集智能模塊均有CPU、時鐘、數(shù)據(jù)存貯、通信等功能，可對建(構(gòu))筑物，巖土工程，水位等項目的變形、應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行自動監(jiān)測。由于DAU2000 內(nèi)部數(shù)據(jù)采集模塊的獨立性和智能化，使得分布式數(shù)據(jù)采集工作分散到模塊一級，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)故障的風(fēng)險，大大提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速度和可靠性。由DAU 2000標(biāo)準(zhǔn)型模塊化智能數(shù)據(jù)采集單元和RS-485 現(xiàn)場總線架構(gòu)的DAMS-IV系統(tǒng)能滿足大、中、小型分布式安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用。

(2)數(shù)據(jù)發(fā)射及接收

目前的數(shù)據(jù)發(fā)射與接收方法有GPRS傳輸、無線電臺傳輸、有線直連傳輸?shù)?。GPRS傳輸模式是將數(shù)據(jù)采集端與DAU模塊相連接，通過裝置接入GPRS網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。它具有不受距離限制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的優(yōu)點，目前運營的城市軌道交通線路已經(jīng)覆蓋了無線網(wǎng)絡(luò)信號；無線電臺傳輸模式通過采集端無線電臺發(fā)射裝置發(fā)射無線電信號，另一端通過無線電接收裝置接收信號數(shù)據(jù)的方式完成數(shù)據(jù)傳輸，因其傳播受到傳播介質(zhì)、發(fā)射源發(fā)射信號的強弱以及接收端與信號源的距離等，穩(wěn)定性弱，會產(chǎn)生丟失數(shù)據(jù)的情況；有線傳輸模式通過網(wǎng)線把采集終端與接收終端直接相連，從而獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，受布線方式、布線位置及布線距離等的影響，除非在近距離、有布線條件的情況下采用。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)射與接收系統(tǒng)采用GPRS無線傳輸，既節(jié)約成本，又節(jié)省布線空間。

安裝好靜力水準(zhǔn)儀之后，首先在自動化檢測軟件上設(shè)置好參數(shù)(如采集的間隔時間、系統(tǒng)報警和短信報警值等)；運行軟件后，無線發(fā)送儀根據(jù)軟件設(shè)置的采集時間從靜力水準(zhǔn)儀采集數(shù)據(jù)，然后通過無線模塊發(fā)送給數(shù)據(jù)接收儀，數(shù)據(jù)接收儀再進(jìn)行分析處理(如果采用GPRS傳輸，直接通過無線采集儀發(fā)送給電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)分析)。

(3)數(shù)據(jù)處理分析

數(shù)據(jù)處理分析采用配套軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、顯示、操作及綜合管理功能。數(shù)據(jù)通信功能主要實現(xiàn)測控單元之間或測控單元與管理中心監(jiān)控主機之間的雙向數(shù)據(jù)通信；顯示功能主要是顯示建(構(gòu))筑物及其他監(jiān)測對象的監(jiān)測布點圖、監(jiān)測系統(tǒng)和各監(jiān)測子系統(tǒng)的總貌及概貌、監(jiān)測過程曲線圖、實時監(jiān)控圖、報警狀態(tài)顯示等；操作功能是指在管理中心監(jiān)控主機上實現(xiàn)監(jiān)視操作、獲取實時測值、調(diào)用歷史數(shù)據(jù)、輸入/輸出、報告打印、評估系統(tǒng)運行狀態(tài)、修改系統(tǒng)配置、系統(tǒng)測試、系統(tǒng)維護(hù)等；系統(tǒng)綜合管理功能主要實現(xiàn)項目在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)離線分析、狀態(tài)預(yù)測預(yù)報、成果圖表制作、成果圖文資料管理、數(shù)據(jù)庫管理及安全評估等。數(shù)據(jù)處理分析功能模塊具備功能強大、界面友好、操作方便的特點。

2應(yīng)用實例

2.1　工程概況

本工程為運營軌道交通車站的近接基坑開挖施工，開挖車站類型為明挖地下三層島式車站，車站主體建筑外包總長120 m，主體建筑寬度20 m，車站埋深為34 m，覆土厚度4 m，與既有線車站主體建筑的水平距離范圍約介于16～24 m之間，車站基坑埋深大，地質(zhì)條件非常復(fù)雜，施工風(fēng)險大。

通過本監(jiān)測工作的實施，可以及時、準(zhǔn)確地掌握施工影響范圍內(nèi)既有線隧道和軌道結(jié)構(gòu)的變化，為建設(shè)、設(shè)計和運營管理單位提供及時可靠的數(shù)據(jù)信息，第一時間對既有線結(jié)構(gòu)安全和線路安全進(jìn)行判斷，避免惡性事故的發(fā)生，確保既有線安全運營，為管理決策提供科學(xué)依據(jù)。

2.2　監(jiān)測實施

(1)基準(zhǔn)點設(shè)置

根據(jù)靜力水準(zhǔn)測量系統(tǒng)的布設(shè)原理，本監(jiān)測項目在上、下行線各設(shè)置1條測線，每條測線設(shè)置1個基準(zhǔn)點，基準(zhǔn)點布設(shè)在變形區(qū)外，距離最外側(cè)觀測斷面50 m左右的軌道結(jié)構(gòu)外側(cè)?；鶞?zhǔn)網(wǎng)點采用獨立坐標(biāo)系統(tǒng)。

(2)監(jiān)測點設(shè)置

本次監(jiān)測對影響段150 m范圍區(qū)間進(jìn)行安全監(jiān)測，主要通過靜力水準(zhǔn)測量系統(tǒng)對該影響區(qū)間進(jìn)行豎向位移監(jiān)測。在150 m區(qū)間范圍內(nèi)的軌道外側(cè)道床結(jié)構(gòu)上安裝靜力水準(zhǔn)設(shè)備，左、右線各設(shè)置10個測點，每隔12 m布設(shè)，共布設(shè)20個靜力水準(zhǔn)監(jiān)測點。監(jiān)測點的平面布設(shè)位置見圖4。

圖4　監(jiān)測點布置示意

2.3　數(shù)據(jù)采集及分析

本工程的監(jiān)測工作從2011年2月進(jìn)場至2011年10月結(jié)束，歷時8個月時間。整個觀測周期從淺坑開挖開始至下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工結(jié)束，共進(jìn)行42次監(jiān)測。在擬建車站基坑尚未開挖時，對監(jiān)測點采取初值，在基坑開挖過程中，每3天自動采集監(jiān)測數(shù)據(jù)1次，沉降監(jiān)測點的累計沉降量-時間變化曲線如圖5、圖6。

圖5　上行線累計沉降量-時間變化曲線

序號監(jiān)測項目最終累計變化量最大值預(yù)警值備注1上行線靜力水準(zhǔn)最終累計沉陷數(shù)據(jù)2.68mm(JS08)10.0mm正常2下行線靜力水準(zhǔn)最終累計沉陷數(shù)據(jù)2.07mm(JX08)10.0mm正常

圖6　下行線累計沉降量-時間變化曲線

從圖5、圖6可以看出，上、下行線累計沉降量隨時間的變化趨勢基本上一致，并且其變化最大值均小于4 mm，小于設(shè)計給定的預(yù)警值10 mm；從表1的統(tǒng)計中可以看出，上、下行線的最終累計沉降量最大值是2.68 mm(JS08)，小于設(shè)計給定的預(yù)警值10 mm；總體上看，擬建車站基坑開挖施工對既有線的影響較小。

3結(jié)束語

近年來，隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，我國的城市軌道交通建設(shè)也進(jìn)入了快速發(fā)展時期。在城市軌道交通工程的建設(shè)過程中，新建線路近接、下穿既有線路是一個不可避免的問題，需要結(jié)合既有線路的運營現(xiàn)狀，開發(fā)一種新的監(jiān)測技術(shù)。靜力水準(zhǔn)監(jiān)測系統(tǒng)的實施，實現(xiàn)了對既有線結(jié)構(gòu)非接觸式、高分辨率、高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性、快速響應(yīng)的監(jiān)測，有效指導(dǎo)了現(xiàn)場施工，保證了既有線在施工過程中的安全，為城市軌道交通的信息化變形監(jiān)測積累了實踐經(jīng)驗。

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中圖分類號：TU196

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)02-0008-03

作者簡介：韓三琪(1975—)，男，1999年畢業(yè)于西南科技大學(xué)(原西南工學(xué)院)測繪工程專業(yè)，高級工程師。

收稿日期：2015-01-15