基于ZigBee技術(shù)的地鐵隧道縱向不均勻沉降檢測方法

曲銳

(中鐵九局集團(tuán)第六工程有限公司, 工管部，遼寧, 沈陽 110000)

0 引言

近些年來，不少城市都修筑了地鐵，地鐵建成之后，會因為不同埋深、滲漏、不同地質(zhì)、不同施工因素、列車振動荷載、不同地面荷載等因素導(dǎo)致地鐵隧道產(chǎn)生縱向沉降變形[1-2]。地鐵隧道的抗縱向沉降能力較為弱小，容易引起隧道不定期地出現(xiàn)不均勻沉降。為了確保地鐵的安全運(yùn)行與延長地鐵隧道的使用壽命，對地鐵隧道縱向不均勻沉降進(jìn)行研究與檢測就顯得尤為關(guān)鍵。不少學(xué)者對此進(jìn)行了研究，取得了一定的進(jìn)展。卜康正等[3]提出明挖卸荷引起樁側(cè)摩阻力作用下的地鐵隧道豎向變形計算，通過雙面彈性地基梁模型進(jìn)行地鐵總豎向附加應(yīng)力計算，能夠有效提升地鐵隧道變形監(jiān)測效率，但是缺少預(yù)測功能，無法有效預(yù)測安全隱患問題。張云毅等[4]提出巖溶破碎帶盾構(gòu)下穿建筑物沉降分析及控制方法，通過施工過程中沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)對現(xiàn)場沉降控制措施進(jìn)行評估,該注漿技術(shù)可有效控制沉降，但是這種算法較為復(fù)雜，難以為工程界所應(yīng)用。

ZigBee技術(shù)在進(jìn)行通信檢測時，通信穩(wěn)定性不佳，衍射能力較弱，但是將ZigBee技術(shù)應(yīng)用在地鐵隧道沉降檢測中時能夠降低檢測成本，并在近距離檢測時功耗較低，檢測的網(wǎng)絡(luò)容量較大，同時在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時安全性與可靠性都較好，能夠提升地鐵隧道縱向不均勻沉降檢測數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。為此，本文引入ZigBee技術(shù)進(jìn)行地鐵隧道縱向不均勻沉降的檢測。

1 基于ZigBee技術(shù)的無線檢測網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

無線網(wǎng)絡(luò)是一種存在多信道與多邏輯能力的層次型分簇拓?fù)浼軜?gòu)。底層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過檢測區(qū)域中的葉子節(jié)點(diǎn)[5]與其網(wǎng)絡(luò)中的父基站節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，葉子節(jié)點(diǎn)主要檢測數(shù)據(jù)的收集，其即整體無線網(wǎng)絡(luò)檢測架構(gòu)的基礎(chǔ)，父基站節(jié)點(diǎn)主要采集子節(jié)點(diǎn)的信息，同時將其傳輸至統(tǒng)一信道的上層簇頭內(nèi)，其即網(wǎng)絡(luò)信道的底座，上級網(wǎng)絡(luò)即通過父節(jié)點(diǎn)形成的簇頭節(jié)點(diǎn)與其子收集節(jié)點(diǎn)形成的檢測網(wǎng)絡(luò)，簇頭節(jié)點(diǎn)主要采集檢測信息，同時依靠信道向上傳輸，對整體多信道網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層次有著重要的作用，最后檢測數(shù)據(jù)通過Sink節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過串口的形式，把信道里的數(shù)據(jù)以此傳輸?shù)浇K端檢測控制器內(nèi)。

1.2 同步采集

擬定目前的時間戳為T01，同時儲存在不同報文1內(nèi)并進(jìn)行廣播。測節(jié)點(diǎn)在得到同步報文1之后，憑借時間計數(shù)器，對節(jié)點(diǎn)時刻T11進(jìn)行標(biāo)記。在延遲10 s之后，在下次報文1開始時，信道管理基站與節(jié)點(diǎn)會分別統(tǒng)計同步報文T12與時間戳T02的抵達(dá)時間，進(jìn)而就能夠計算出基站與檢測節(jié)點(diǎn)的相對頻率偏差是ais=(T02-T01)/(T12-T11)。節(jié)點(diǎn)在T13時刻，把本地時刻校準(zhǔn)成T02+ais(nt+(T13-T12))。

2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)下地鐵隧道縱向沉降因素分析

2.1 斷裂帶影響下地鐵隧道縱向沉降計算

某地鐵隧道在構(gòu)建時穿越了一條斷裂帶[6]，由于斷裂帶長時間的多期活動，其左右兩邊的巖層產(chǎn)生了相對位移，所以導(dǎo)致了斷裂帶兩側(cè)的下臥土層[7]出現(xiàn)沉降的現(xiàn)象發(fā)生。

通過分層總和法運(yùn)算不同地質(zhì)條件下地鐵隧道的縱向不均勻沉降影響因素，需要進(jìn)行以下擬定。

擬定1：列車在軌道中長期運(yùn)行，運(yùn)算時把地鐵承載的地鐵振動荷載等效進(jìn)行均勻分布處理。

擬定2：地鐵隧道下的土體測量不會產(chǎn)生橫向變形，只會出現(xiàn)縱向變形。

通過分層總和法運(yùn)算隧道不均勻沉降計算的過程如下所示。

(1)土的分層。擬定成層面與地下水面當(dāng)作分層面。

(2)運(yùn)算所有分層土的自重應(yīng)力。土的自重應(yīng)力從天然地面開始起算。

(3)確準(zhǔn)地基沉降深度。附著的應(yīng)力會隨著不斷提升的深度而出現(xiàn)遞減，在達(dá)到一定值之后，附著的應(yīng)力會變成零，引發(fā)的壓縮變形能夠不做考慮[8]。

(4)運(yùn)算斷裂帶影響下各層土的壓縮模量ΔSi。用用時εi代表第i層土的壓縮應(yīng)變，Hi代表第i層土的厚度，e1i代表i層土的上層與下層自重應(yīng)力的平均值，e2i代表i層上層與下層附加的土自重應(yīng)力平均值與應(yīng)力平均值總和，Δei表示i層土與下層自重應(yīng)力的空隙比變化量，ai代表第i層相應(yīng)的壓縮系數(shù)，Esi代表第i層相應(yīng)的壓縮模量。具體計算式為

(1)

式中，p1i表示i層土上層與下層附加應(yīng)力，p2i表示i層土縱向附加應(yīng)力，ΔPi代表i層土的附加應(yīng)力變化量。

(5)預(yù)算總沉降量s?？偝两盗康扔诟鲗映两盗康目偤汀?/p>

2.2 地下水位影響下地鐵隧道縱向沉降計算

2.2.1 地下水位變化下土體壓縮模量

在降雨的流程內(nèi)，因為面積較大，近似認(rèn)定需要在完全側(cè)限的情況下進(jìn)行，擬定豎向應(yīng)力增加Δp，那么對應(yīng)的應(yīng)變就需要增加Δε，憑借這個定義能夠獲得：

(2)

其中，Es代表土體側(cè)限壓縮模量[9]，ΔH代表沉降前和沉降之后的高差。

使用三項比例指標(biāo)計算圖對所有指標(biāo)之間存在的關(guān)聯(lián)進(jìn)行計算，擬定土體顆粒體積是Vs=1，土內(nèi)空間縫體積是Vv=e，降水前土內(nèi)空隙體積是Vv=e1，降水之后土內(nèi)空隙體積是Vv=e2。

那么在無側(cè)向變形的狀態(tài)下，就是橫截面積不出現(xiàn)變化的狀態(tài)下，根據(jù)土粒所占高度不變的條件，ΔH就能夠通過對應(yīng)的空隙比的變化Δe=e1-e2來進(jìn)行描述。

(3)

以此獲得：

(4)

把式(4)代入式(2)內(nèi)得到：

(5)

式中，

(6)

其中，a代表壓縮系數(shù)，與壓縮模量Es相同，其都不是常數(shù)，會隨著壓力的大小產(chǎn)生改變。

2.2.2 基于附加應(yīng)力算法的地層沉降值計算

對土骨架支架存在的應(yīng)力進(jìn)行分析，擬定在干燥土層內(nèi)，其自重應(yīng)力的方向為垂直方向，并呈現(xiàn)直線分布，其應(yīng)力的計算方程能夠描述為

σ=γH

(7)

其中，γ代表土體飽和容重，H代表水平面至土體表面的尺寸。

假如地下水水位和地下水線處于平等狀態(tài)，土體處于地下水位線之下，那么其應(yīng)力就與其自重減去其所承受的水浮力相同，因此應(yīng)力σ的計算式為

σ=(γsat-γw)H

(8)

其中，γsat代表土體飽和時的容量，γw代表水的容重，其取值是9.8 N/m3。

假如地下水位線高于地下水位，地下水位線上方?jīng)]有毛細(xì)水，那么其應(yīng)力分布就能夠通過OK曲線段進(jìn)行描述，在水位線下方的應(yīng)力分布就能夠通過KF曲線進(jìn)行描述，這2條曲線是相互平行的，假如地下水位出現(xiàn)下滑，水位線下降到最底層的地下水位線，那么土體應(yīng)力的分布就需要通過OB曲線進(jìn)行描述。在土層內(nèi)，因為地下水的流失，使得地層的附加壓力出現(xiàn)上升，導(dǎo)致地層的沉降值產(chǎn)生上升，繼而干擾地層的沉降范圍和沉降量。地層的沉降量能夠憑借式(9)進(jìn)行計算：

(9)

把式(6)引入式(9)能夠得到：

(10)

其中，ΔP代表地層的附加應(yīng)力，H代表壓縮層厚度，a代表壓縮系數(shù)，e1代表土的原始孔隙率。

由此能夠看出，在地下水位產(chǎn)生變化時，地層的附加應(yīng)力也會隨之產(chǎn)生變化，繼而干擾地層的沉降量。

3 地鐵隧道縱向不均勻沉降檢測實(shí)現(xiàn)

地鐵隧道對縱向曲率的半徑與環(huán)縫的張開量存在一定限制，縱向曲率半徑為ρ≥15 000 m；依靠地鐵隧道構(gòu)建的防水原則，將環(huán)縫張開值擬定為δ≤2 mm；接縫內(nèi)密封點(diǎn)不能漏水，要求δ≤6 mm。依靠材料強(qiáng)度要求，螺栓有屈服強(qiáng)度與極限應(yīng)力，混凝土需要存在抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度等。

在縱向不均勻沉降的過程內(nèi)，達(dá)到臨界值的順序也是互不相同的。在地鐵隧道的曲率半徑上升到界限值15 000 m時，環(huán)縫張開量只是0.3 mm；而在相同的曲率半徑條件下，不同地質(zhì)的地鐵隧道環(huán)縫張開量可能是1.0 mm或1.9 mm。這就需要結(jié)合上述壓縮模量對地質(zhì)影響因素數(shù)值的計算結(jié)果來得到其具體的環(huán)縫張開量，以環(huán)縫張開量作為標(biāo)準(zhǔn)值，如果地鐵隧道沉降達(dá)到了該環(huán)縫張開量，那么就證明，該地鐵隧道的沉降屬于不均與沉降。

4 實(shí)驗證明

為了證明所提算法的實(shí)用性，進(jìn)行實(shí)驗，擬定某一地鐵隧道，在該隧道的四周并沒有安放沉降觀測點(diǎn)，現(xiàn)場對隧道地基梁進(jìn)行閉合水準(zhǔn)觀測，E列通過鄰近建筑遮擋只能夠觀測到5～40軸，實(shí)測地基梁相對高差的曲線如圖1、圖2所示。

圖1 A列相對高差

圖2 E列相對高差

通過圖1、圖2能夠看出，所有檢測點(diǎn)都存在不同程度的沉降：A列的沉降相對集中在中間區(qū)域，其最大差值為30 cm；E列的沉降也集中在中間區(qū)域，最大差值為10 cm。對整體架構(gòu)來說，A列沉降比E列沉降要相對嚴(yán)重，其沉降的原因主要與地下水位線存在關(guān)聯(lián)。

為了進(jìn)一步證明所提方法的有效性，以A列40軸線處軌頂表高當(dāng)作基準(zhǔn)，對隧道頂端標(biāo)高進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，實(shí)測隧道梁相對高差數(shù)據(jù)如圖3～圖5所示。

圖4 E列各軸相對高差

圖5 AE同軸線各軸相對高差

通過圖3～圖5能夠看出，地鐵隧道出現(xiàn)扭曲，并出現(xiàn)了較大沉降，地鐵隧道出現(xiàn)20 cm橫向不均勻沉降差與23 cm縱向隧道最大沉降差，A列相較于E列的沉降更大，這會嚴(yán)重干擾頂梁的正常使用，說明地鐵隧道出現(xiàn)了嚴(yán)重的不均勻沉降。

5 總結(jié)

文章提出基于ZigBee技術(shù)的地鐵隧道縱向不均勻沉降的檢測方法，通過實(shí)驗可知，此方法能夠定量分析沉降指數(shù)，檢測精度高。但因為所提方法的構(gòu)建是依附于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的，這就導(dǎo)致如果無線傳感器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)傳輸波動，就會導(dǎo)致檢測的結(jié)果產(chǎn)生微小的誤差，雖然這些誤差并不會造成較大的影響，但是為了檢測結(jié)果的可靠性，還需要對其進(jìn)行優(yōu)化。