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(cè)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(duì)城市軌道交通工程近接既有線施工的特點(diǎn)，采用靜力水準(zhǔn)測(cè)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)既有線的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)，保證了既有線施工過(guò)程中的安全。靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)具有測(cè)量原理簡(jiǎn)單，效率高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、精度高、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)，可為施工風(fēng)險(xiǎn)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(cè)

在城市軌道交通工程的大規(guī)模建設(shè)施工過(guò)程中，運(yùn)營(yíng)中的軌道線路、周?chē)慕?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(shí)可能會(huì)危及線路及其附屬結(jié)構(gòu)安全，影響城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)。在運(yùn)營(yíng)線路附近施工時(shí)，加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)線路道床及其附屬結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)，保證城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)安全顯得十分必要。靜力水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)是利用相連容器中的液體總是具有相同勢(shì)能的原理，測(cè)量和監(jiān)測(cè)參考點(diǎn)彼此之間的垂直高度差異和變化量，適用于多點(diǎn)相對(duì)沉降測(cè)量，以其精度高、效率高、全天候，自動(dòng)化性能高等優(yōu)勢(shì)在城市軌道交通既有線的運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)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(cè)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(shì)能的原理，用電容傳感器測(cè)量每個(gè)測(cè)點(diǎn)容器內(nèi)液面的相對(duì)變化，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出各靜力水準(zhǔn)儀的相對(duì)差異沉降。假設(shè)共有n個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，各觀測(cè)點(diǎn)之間采用連通管連通，初始狀態(tài)時(shí)測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的高程分別為Y01…Y0i…Y0j…Y0n，各測(cè)點(diǎn)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(cè)量原理(一)

對(duì)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(cè)點(diǎn)由于沉降的而引起的變化量分別為Δh1…Δhi…Δhj…Δhn，各測(cè)點(diǎn)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(cè)量原理(二)

由于液面的高度還是相同的，因此有

(2)

第j個(gè)觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)i的相對(duì)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(gè)觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)i的相對(duì)沉降量

(6)

由式(6)可以看出，只要能夠測(cè)出各點(diǎn)不同時(shí)間的液面高度值，即可計(jì)算出各點(diǎn)在不同時(shí)刻的相對(duì)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(cè)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(dòng)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(gè)部分組成。電容感應(yīng)式靜力水準(zhǔn)儀通過(guò)連通器的原理得出基準(zhǔn)點(diǎn)及各監(jiān)測(cè)點(diǎn)上靜力水準(zhǔn)儀的測(cè)量值，數(shù)據(jù)自動(dòng)采集模塊通過(guò)集成各測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后通過(guò)GPRS無(wú)線電臺(tái)發(fā)射出去，在辦公室內(nèi)通過(guò)數(shù)據(jù)接收模塊獲取變形監(jiān)測(cè)值，之后通過(guò)數(shù)據(jù)處理及分析軟件得出監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的沉降變化量及變化速率，并繪制累計(jì)變形沉降量-時(shí)間曲線和變化速率-時(shí)間曲線，進(jìn)而分析監(jiān)測(cè)對(duì)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(dòng)采集模塊

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用 RJ 型電容式靜力水準(zhǔn)儀，數(shù)據(jù)自動(dòng)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(shí)鐘、數(shù)據(jù)存貯、通信等功能，可對(duì)建(構(gòu))筑物，巖土工程，水位等項(xiàng)目的變形、應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)。由于DAU2000 內(nèi)部數(shù)據(jù)采集模塊的獨(dú)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(jí)，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)，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(chǎng)總線架構(gòu)的DAMS-IV系統(tǒng)能滿(mǎn)足大、中、小型分布式安全監(jiān)測(cè)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(wú)線電臺(tái)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(guò)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(diǎn)，目前運(yùn)營(yíng)的城市軌道交通線路已經(jīng)覆蓋了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)；無(wú)線電臺(tái)傳輸模式通過(guò)采集端無(wú)線電臺(tái)發(fā)射裝置發(fā)射無(wú)線電信號(hào)，另一端通過(guò)無(wú)線電接收裝置接收信號(hào)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(hào)的強(qiáng)弱以及接收端與信號(hào)源的距離等，穩(wěn)定性弱，會(huì)產(chǎn)生丟失數(shù)據(jù)的情況；有線傳輸模式通過(guò)網(wǎng)線把采集終端與接收終端直接相連，從而獲取監(jiān)測(cè)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(wú)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(dòng)化檢測(cè)軟件上設(shè)置好參數(shù)(如采集的間隔時(shí)間、系統(tǒng)報(bào)警和短信報(bào)警值等)；運(yùn)行軟件后，無(wú)線發(fā)送儀根據(jù)軟件設(shè)置的采集時(shí)間從靜力水準(zhǔn)儀采集數(shù)據(jù)，然后通過(guò)無(wú)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(guò)無(wú)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(shí)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(shí)現(xiàn)測(cè)控單元之間或測(cè)控單元與管理中心監(jiān)控主機(jī)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(cè)對(duì)象的監(jiān)測(cè)布點(diǎn)圖、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和各監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的總貌及概貌、監(jiān)測(cè)過(guò)程曲線圖、實(shí)時(shí)監(jiān)控圖、報(bào)警狀態(tài)顯示等；操作功能是指在管理中心監(jiān)控主機(jī)上實(shí)現(xiàn)監(jiān)視操作、獲取實(shí)時(shí)測(cè)值、調(diào)用歷史數(shù)據(jù)、輸入/輸出、報(bào)告打印、評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、修改系統(tǒng)配置、系統(tǒng)測(cè)試、系統(tǒng)維護(hù)等；系統(tǒng)綜合管理功能主要實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)離線分析、狀態(tài)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、成果圖表制作、成果圖文資料管理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理及安全評(píng)估等。數(shù)據(jù)處理分析功能模塊具備功能強(qiáng)大、界面友好、操作方便的特點(diǎn)。

2應(yīng)用實(shí)例

2.1　工程概況

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

通過(guò)本監(jiān)測(cè)工作的實(shí)施，可以及時(shí)、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(jì)和運(yùn)營(yíng)管理單位提供及時(shí)可靠的數(shù)據(jù)信息，第一時(shí)間對(duì)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(yùn)營(yíng)，為管理決策提供科學(xué)依據(jù)。

2.2　監(jiān)測(cè)實(shí)施

(1)基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)靜力水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)的布設(shè)原理，本監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在上、下行線各設(shè)置1條測(cè)線，每條測(cè)線設(shè)置1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)在變形區(qū)外，距離最外側(cè)觀測(cè)斷面50 m左右的軌道結(jié)構(gòu)外側(cè)?；鶞?zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)采用獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)。

(2)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

本次監(jiān)測(cè)對(duì)影響段150 m范圍區(qū)間進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，主要通過(guò)靜力水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)該影響區(qū)間進(jìn)行豎向位移監(jiān)測(cè)。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(gè)測(cè)點(diǎn)，每隔12 m布設(shè)，共布設(shè)20個(gè)靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面布設(shè)位置見(jiàn)圖4。

圖4　監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

2.3　數(shù)據(jù)采集及分析

本工程的監(jiān)測(cè)工作從2011年2月進(jìn)場(chǎng)至2011年10月結(jié)束，歷時(shí)8個(gè)月時(shí)間。整個(gè)觀測(cè)周期從淺坑開(kāi)挖開(kāi)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(cè)。在擬建車(chē)站基坑尚未開(kāi)挖時(shí)，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采取初值，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，每3天自動(dòng)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)1次，沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量-時(shí)間變化曲線如圖5、圖6。

圖5　上行線累計(jì)沉降量-時(shí)間變化曲線

序號(hào)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目最終累計(jì)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(jì)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(jì)沉陷數(shù)據(jù)2.07mm(JX08)10.0mm正常

圖6　下行線累計(jì)沉降量-時(shí)間變化曲線

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

3結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，我國(guó)的城市軌道交通建設(shè)也進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。在城市軌道交通工程的建設(shè)過(guò)程中，新建線路近接、下穿既有線路是一個(gè)不可避免的問(wèn)題，需要結(jié)合既有線路的運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)一種新的監(jiān)測(cè)技術(shù)。靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(cè)，有效指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)施工，保證了既有線在施工過(guò)程中的安全，為城市軌道交通的信息化變形監(jiān)測(cè)積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TU196

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-7479(2015)02-0008-03

作者簡(jiǎn)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(cè)繪工程專(zhuān)業(yè)，高級(jí)工程師。

收稿日期：2015-01-15