远程自动连续监测系统在复杂地铁工程中的应用

远程自动连续监测系统具有数据采集、交换、处理和反馈4个方面的功能,由现场监测和数据采集系统、主控计算机系统及应用终端系统3部分组成。现场监测和数据采集系统由电水平尺、数码测缝计、智能数码位移计等测试设备和自动数据采集器组成,安装在车站;主控计算机系统安装在站台办公室;应用终端系统分别安装在监测单位、施工单位和运营公司。监测系统可以设定为自动工作,也可以改由操作人员手动控制。通过对监测数据回归分析,可以预测测点可能的最终位移值和既有线路的安全状况。在地铁5号线左线采用浅埋暗挖法下穿地铁2号线雍和宫车站工程中,应用此系统实时监测既有轨道等结构物的变形情况,保障了既有地铁2号线的正常运营。 随着北京新建地铁工程的进展,出现在建地铁线路穿越既有地铁线路的复杂地下工程,比如在建的地铁5号线在崇文门站、雍和宫站—和平里北街站区间线路下穿地铁2号线等。为保证既有线路和车站的安全及正常运营,在施工期间,必须对既有结构进行全天候的实时量测监控。传统监测技术在高密度的行车区间内无法实施,且不能满足对大量数据采集、分析并及时准确地反馈。因此,必须建立和完善地下工程远程自动连续监测系统,对既有结构的安全和工程风险进行实时监测和反馈,从而有效地控制工程事故的发生,为保证既有线运营安全提供科学依据。 1 远程自动连续监测系统的功能 远程自动连续监测系统必须具有数据采集、交换、处理和反馈4个方面的功能[1]。 (1)监测数据自动连续标准化采集。对既有线的结构沉降、水平位移、轨道变形、裂缝开度等数据自动连续实时采集,并按照标准数据格式保存。 (2)可靠的数据传输与共享。数据在监测单位、施工单位、运营公司之间能快速传输和共享, 防止意外情况而引起监测系统异常。系统所涉及的监测仪器、软件、硬件和网络必须稳定可靠。 (3)与施工工况协调。监测单位与施工单位配合,根据监测数据反映出来的规律调整施工措施与施工参数。 (4)后台数据处理与分析判断。对采集的监测数据进行处理,分析、判断数据的可信度和数据代表的工程风险程度,自动进行安全报警。 (5)及时进行信息反馈。利用PDA(PersonalDigitalAssistant)、手机短信、电子邮件等信息终端发布信息,使监测单位、施工单位和运营单位在第一时间自动获取需要的信息。同时提供其他多种形式的数据服务,以满足不同的需求。 (6)方便查阅资料。在实时监测得到的海量监测数据中,可能夹杂错误的数据。应在资料存档阶段进行处理,如剔除错误数据、转成Excel报表等,以方便工程相关人员查阅、研究。 2远程自动连续监测系统组成 系统由现场监测和数据采集系统、主控计算机系统和应用终端系统3部分组成。现场监测和数据采集系统由电水平尺、数码测缝计、智能数码位移计等测试设备和自动数据采集器组成,安装在车站;主控计算机系统安装在站台办公室;应用终端系统分别安装在监测单位、施工单位和运营单位。监测系统可以设定为自动工作,也可以由操作人员改成手动控制[2,3]。监测系统结构如图1所示。

2.1 现场监测项目与仪器 (1)结构沉降采用静力水准仪监测,监测范围约30m。桥梁、地面及轨道的不均匀沉降监测,采用电水平尺,监测范围在30~50m。 静力水准仪是一种用于测量多点相对沉降的高精密液位系统测量仪,一系列的传感器均采用通液管连接,每一容器的液位由一精密振弦式传感器测出,该传感器挂有1个自由浮筒,当液位发生变化,浮筒的悬浮力即被传感器感应。在多点系统中,所有传感器的垂直位移均是相对于基准点的,基准点的垂直位移是相对恒定的,或者是可用于其他人工观测手段准确确定的,以便能精确计算静力水准系统各测点的沉降变化。 电水平尺是由1个电解质倾角传感器固定在1根刚性金属梁内构成,用于检测结构物不同程度的倾斜和移动。梁一般长1~3m,用锚栓安装在结构物上。倾角传感器为精密的气泡式水准仪,象电桥电路一样工作,根据传感器的倾角变化输出相应的位移,此位移就是被监测结构物的移动距离。位移ΔL与倾角的关系是: ΔL=L(sinθ1-sinθ0) 式中:L为梁的长度;θ1为现时倾角值;θ0为初始倾角值。 (2)既有线路结构或者车站结构上的变形缝、结构与道床裂缝,采用可接数据采集器的三向测缝计监测。测缝计是电感调频类智能数码位移传感器,传感器两端的万向结构适用于各种场合的位移测量。测缝计的外型是直径15mm、长170mm的圆柱体,量程达100mm,灵敏度为0.01mm。将测缝计安装在精制的支架上可实现三向变位的监测。 (3)轨距动态扩张采用智能数码位移计监测。位移计的原理与测缝计的原理相同,但它可以连接加长杆,实现较大距离的相对位移的监测。量程达100mm,精度为0.01mm。 2.2 监测数据采集与远程传送[6,7] 待设备布置调试好后,读取各监测项目的监测值,取3次监测数据的算术平均值作为初始监测值。然后根据监测方案,在计算机软件系统中设置监测频率,通过监测设备采集监测数据。 监测设备采集的监测数据通过电缆传输到数据采集器上,数据采集器汇总后通过通讯线路传输到主控计算机,主控计算机处理后通过公共网络传输到监测单位、运营公司和施工单位,实现数据的远程传送。 2.3 监测数据的后台分析处理与反馈 主控计算机接收到监测数据后,通过专业技术软件进行整理、计算、存盘,绘制各种表格及曲线图,当曲线趋于平缓时推算出最终值。各监测项目的原始数据也可以根据需要采用人工方式分析处理。 将计算机数据分析处理结果传输到监测、运营、施工单位,各单位根据现场情况和工程经验,判断地层支护结构的稳定性,决定是否需要调整设计参数、改变施工方法或采用辅助施工措施,从而完成信息的反馈。 整个监测的流程见图2。

3 数据处理 原始数据经过审核、消除错误和取舍之后,形成日变化数量和累计变化值,存入管理数据库。根据数据计算结果,绘出各监测项目观测值与施工工序、施工进度及开挖过程的关系曲线,并按规定格式提交报表[8,9]。

对监测数据进行回归分析,以预测该测点可能出现的最终位移值和既有线路的安全状况。变形与时间、变形与开挖进尺关系曲线按下列函数形式进行回归分析和图形处理。

u=Alg(1 T) (1) u=Ae-B/T (2) u=T/(A BT) (3) u=A(e-B/T-eB/T ) (4) u=AT2 BT C (5) 式中:u为累计变形值;T为量测时间或进尺;A,B和C分别为回归常数。 根据回归曲线的拟合程度,选择相关系数最大或方差最小的函数为该量测数据的回归拟合曲线。以所选择的回归拟合曲线趋势值、变化率与信息反馈基本判别准则进行比较,判断地层被扰动状态和洞室稳定状态。如果出现反常曲线,如图3所示,表明围岩和支护呈不稳定状态,应加强监视和保护措施,立即通知甲方、运营公司、施工单位及相关部门。必要时停止开挖并进行施工处理。 4 工程应用实例 地铁5号线的左线采用浅埋暗挖法下穿地铁2号线雍和宫车站。该浅埋暗挖段从雍和宫站出发,向北穿越环线地铁及护城河,终止于1号和2号盾构井。地铁5号线的顶板与地铁2号线的底板净距离约为36cm,浅埋暗挖法穿越长度为22.9m,采用上、下台阶法施工,断面尺寸为600cm×655cm,由北向南开挖。

对既有线路所造成的影响主要包括车站的沉降、结构的弯曲和扭曲变形、变形缝的扩展和错动。对行车安全造成重大威胁[10,11]。采用远程自动连续监测系统进行监测,主要进行轨道的变位监测、2号线变形缝的监测。监测项目如表1所示,主要测点布设如图5所示。在下穿暗挖施工过程中,进行全程监测,及时处理及时反馈[12]。

图6为计算机显示的某一典型电水平尺测点的沉降历时曲线。通过该曲线可以看到,在曲线急剧下降段,施工对既有2号线轨道结构产生了较大影响,必须采取施工措施进行控制,否则可能造成行车事故。通过施工单位对开挖面及时封闭,进行加强支护后,该测点沉降较快稳定下来。根据该曲线变化趋势进行回归分析,得出最终沉降在3·0mm附近,确保既有线安全运营。 5 结 语 通过远程自动连续监测系统,能够及时准确掌握地下工程施工过程中既有线结构和轨道几何形位的改变,实时准确地反馈结构和道床轨道的当前状态,为及时判断运营安全情况提供依据,确保既有线在穿越过程中能正常和不间断地运营。由于系统为施工单位提供了信息,使施工单位可以在第一时间对施工过程和施工措施进行调整,成功有效地避免了工程事故的发生,确保了该工程顺利进展。