陳成剛
(中鐵建設集團有限公司 基礎設施事業(yè)部,北京 100040)
隨著我國高鐵建設迅猛發(fā)展,既有線升級改造工程越來越多。在升級改造中,既要保證既有線正常運營,又要保證臨近既有線工程施工生產(chǎn)安全進行,就需要實時監(jiān)控臨近既有線施工對既有線的影響。受既有線通行影響,常規(guī)變形監(jiān)測費時費力,無法滿足臨近既有線工程施工的高效化、實時化要求,而靜力水準儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)具有自動化、實時化、高效化及高精度等特點,有較好的應用前景[1-4]。從靜力水準儀測量原理出發(fā),結(jié)合京哈高鐵北京朝陽站基坑工程,對既有線沉降監(jiān)測進行分析。
靜力水準儀由儲液罐、連通管、傳感器等部件組成,儲液罐之間由連通管連通[5]。將基準罐置于一個穩(wěn)定的水平基點,其他儲液罐置于標高大致相同的不同位置,當其他儲液罐相對于基準罐發(fā)生升降時,引發(fā)該儲液罐內(nèi)液面升降。測量各儲液罐液位變化,計算得出各靜力水準儀的相對沉降值。靜力水準儀測量原理示意見圖1。
假設共有A、B、C、…、n 個觀測點,以A 點為基準點,各觀測點之間用連通管相連。安裝完畢后,各測點初始高程分別為YA0、YB0、YC0、…、Yn0,各測點液面高度分別為hA0、hB0、hC0、…、hn0,初始狀態(tài)關系為:
圖1 靜力水準儀測量原理示意圖
當?shù)趉 次沉降后,各測點液位高度變化值分別為:ΔhAk、ΔhBk、ΔhCk、…、Δhnk,各測點液面高度變化值為hAk、hBk、hCk、…、hnk。
由于各液面高度仍然相同,則:
第m 個觀測點第k 次相對于基準點A 的相對沉降值為:
由式(2)可知:
由式(1)可知:
將式(5)帶入式(4),得第m 個觀測點第k 次相對于基準點A的相對沉降值為:
由式(6)可知,只要測出各觀測點不同時間的液面高度值,即可計算各觀測點在不同時間的相對差異沉降值[6]。
安裝完畢,待液面穩(wěn)定后,先對傳感器置零,此時各液面初始高度值(偏差值)均為0,式(6)可簡化為:
由式(7)可知,只需讀出各靜力水準儀的偏差值,并將偏差值相減,即可求出各點之間的差異沉降值。
數(shù)據(jù)傳輸模式采用無線傳輸,將傳感器與采集儀相連,通過GPRS無線傳輸系統(tǒng)上傳至云平臺,實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集。該傳輸模式具有傳輸范圍廣、施工方便和安全等優(yōu)點。所采集數(shù)據(jù)可通過監(jiān)測系統(tǒng)云平臺展示,并提供實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)查詢等。GPRS 數(shù)據(jù)傳輸服務器系統(tǒng)工作模式示意見圖2。
圖2 GPRS數(shù)據(jù)傳輸服務器系統(tǒng)工作模式示意圖
自動化監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、供電模塊、云數(shù)據(jù)庫與管理平臺、用戶終端6部分組成。傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊負責各監(jiān)測點的測量、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集;數(shù)據(jù)傳輸模塊將監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)由GPRS 無線傳輸系統(tǒng)上傳至云數(shù)據(jù)庫與管理平臺;云數(shù)據(jù)庫和管理平臺進行數(shù)據(jù)的綜合處理。該系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)與電腦、手機等終端通信,可隨時隨地實時觀察、控制、查詢測站測點變化信息。
自動化監(jiān)測系統(tǒng)的6 部分模塊管理傾斜、分工明確,能保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運行。自動化監(jiān)測系統(tǒng)示意見圖3。
圖3 自動化監(jiān)測系統(tǒng)示意圖
北京朝陽站位于北京市朝陽區(qū)姚家園北街以南、姚家園路以北、駝房營路以東、將臺洼西路以西之間的地塊內(nèi)。車站基坑南北長320 m、東西寬264 m、兩側(cè)風道深12.23 m、中部深14.60 m、地鐵R4 線穿行區(qū)域深17.20 m。結(jié)合站場過渡施工方案,主基坑分2 期施工,既有線西側(cè)為Ⅰ期基坑,東側(cè)為Ⅱ期基坑。Ⅰ期主體結(jié)構(gòu)完成后,將既有線遷移至Ⅰ期B—D 軸,再施工Ⅱ期剩余部分。基坑采用放坡+樁錨支護形式,Ⅰ、Ⅱ期過渡段基坑采用放坡+土釘支護形式?;硬捎? 軸攪拌樁止水帷幕+坑內(nèi)降水。Ⅰ期基坑邊坡距運營線僅20 m,施工期間稍有不慎可能對既有線安全運營造成不可估量的損失和影響。北京朝陽站基坑與既有線相對位置示意見圖4。
圖4 北京朝陽站基坑與既有線相對位置示意圖
3.2.1 監(jiān)測基準點及監(jiān)測點位的選定
根據(jù)施工現(xiàn)場及周邊實際情況,監(jiān)測基準點布設在遠離變形影響區(qū)域外的東側(cè)護欄邊,距Ⅰ期基坑邊約75 m。在3 條既有線受影響區(qū)段布設18 個監(jiān)測斷面、54個監(jiān)測點,左線點號為CJ1-1~CJ1-18,正線點號為CJ2-1~CJ2-18,右線點號為CJ3-1~CJ3-18,監(jiān)測點間距20 m。為驗證靜力水準儀監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性,在靜力水準監(jiān)測點同一斷面布設常規(guī)沉降監(jiān)測點,左線點號為SZ1-1~SZ1-18,正線點號為SZ2-1~SZ2-18,右線點號為SZ3-1~SZ3-18。監(jiān)測點位平面布置示意見圖5。
圖5 監(jiān)測點位平面布置示意圖
3.2.2 監(jiān)測系統(tǒng)安裝
監(jiān)測系統(tǒng)依托協(xié)作單位北京工業(yè)大學的巖土工程結(jié)構(gòu)測位遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)進行搭建,對于施工現(xiàn)場監(jiān)測設備的安裝,僅需將傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊安裝到位即可。
(1)傳感器模塊的安裝。在選定位置建立1個混凝土墩臺(1 000 mm×600 mm×600 mm),用膨脹螺栓將儲液罐固定于墩臺;為避免路基破壞影響行車安全,用強力膠將傳感器粘于枕木端部;注水液體選用純凈水(冬季可選用防凍液),自儲液罐緩慢不間斷地加入液體,打開閥門讓液體順連通管依次注滿各傳感器缽體。注液時,若連通管或傳感器缽內(nèi)產(chǎn)生氣泡,可打開傳感器的排氣孔排出氣泡,或采用循環(huán)加水分段放水沖走氣泡。液體注入完畢,在每個傳感器缽體上倒入適量硅油,防止液體汽化蒸發(fā)。
(2)數(shù)據(jù)采集、傳輸模塊的安裝。將電源線和通信線纜穿過預留孔洞接入數(shù)據(jù)采集箱,接入過程中注意任何接頭不能接反或接錯,否則會損壞傳感器本身和數(shù)據(jù)采集模塊。電源線與通信線纜連接完畢后,對整體接線進行檢查,確認是否有接錯或短路現(xiàn)象。確認無誤后,將電源線外接220 V電源通電。
3.3.1 數(shù)據(jù)可靠性分析
在列車通行天窗期9:00—10:00、16:00—17:00兩個時段,采用天寶DINI03 型電子水準儀(精度±0.3 mm/km)對線路內(nèi)提前設置的監(jiān)測斷面進行豎向位移監(jiān)測。靜力水準儀自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測在相同時段的沉降值對比見圖6。
圖6 靜力水準與人工監(jiān)測在相同時段的沉降值對比
由圖6可以看出,靜力水準儀自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測在同一測點相同時段的沉降值基本一致;在不同測點相同時段的沉降值也基本一致,因此靜力水準儀自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)具有很高的可靠性。
3.3.2 靜力水準儀自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)分析
北京朝陽站Ⅰ期基坑自2019 年1 月底開始土方施工作業(yè),3 月初土方開挖陸續(xù)見底,4 月中旬土方作業(yè)全部完成,6月底Ⅰ期基坑主體結(jié)構(gòu)全部完成。受條件限制,在土方施工階段只能夜間施工;而主體結(jié)構(gòu)施工階段為24 h 施工。主體結(jié)構(gòu)施工期間,白天既有運營線天窗期僅9:00—10:00、16:00—17:00 兩個時段;夜間既有運營線天窗期為20:00—次日6:00,期間偶有臨時列車通行。靜力水準監(jiān)測貫穿Ⅰ期基坑施工全過程,數(shù)據(jù)采集間隔設置為1 次/5 min,并上傳至后臺。設計文件中,對軌道位移和沉降報警值的具體要求為累計報警值10~40 mm。
北京朝陽站Ⅰ期基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)波形見圖7。圖7(a)為離基坑最近的左線1#—18#監(jiān)測斷面在土方施工階段連續(xù)1 周(2019 年2 月20—26 日)的監(jiān)測數(shù)據(jù)波形圖;圖7(b)為正線1#—18#監(jiān)測斷面在結(jié)構(gòu)施工階段連續(xù)1 周(2019 年6 月1—7 日)的監(jiān)測數(shù)據(jù)波形圖;圖7(c)為右線1#—18#監(jiān)測斷面在結(jié)構(gòu)施工階段連續(xù)1 周(2019 年5 月25—31 日)的監(jiān)測數(shù)據(jù)波形圖??梢钥闯觯谕练绞┕ず徒Y(jié)構(gòu)施工2個階段的監(jiān)測數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)有規(guī)律地上升和下沉。夜間線路停運時段,路基有一定程度上升;白天線路運營時段,路基有一定程度下沉。在土方施工階段,左線CJ1-3 監(jiān)測點在2019年2月23日14:19下沉量最大,為-7.10 mm;左線CJ1-18監(jiān)測點在2019年2月25日5:54上升量最大,為11.18 mm。在結(jié)構(gòu)施工階段,正線CJ2-5 監(jiān)測點在2019年6月7日12:36下沉量最大,為-13.30 mm;正線CJ2-18 監(jiān)測點在2019 年6 月6 日5:44 上升量最大,為12.10 mm;右線CJ3-5 監(jiān)測點在2019 年5 月28 日10:59下沉量最大,為-6.40 mm;右線CJ3-7 監(jiān)測點在2019年5月28日16:49上升量最大,為6.60 mm。
圖7 北京朝陽站Ⅰ期基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)波形圖
圖7(d)為左、右、正3 線在土方施工階段于同一斷面(10#監(jiān)測斷面)連續(xù)1 周(2019 年2 月16—22 日)的監(jiān)測數(shù)據(jù)波形圖;圖7(e)為左、右、正3 線在結(jié)構(gòu)施工階段于同一斷面(10#監(jiān)測斷面)連續(xù)1周(2019年5月16—22日)的監(jiān)測數(shù)據(jù)波形圖??梢钥闯觯谕练绞┕ず徒Y(jié)構(gòu)施工2個階段,同一監(jiān)測斷面在左、右、正3線呈現(xiàn)出有規(guī)律地上升和下沉。在土方施工階段,正線10#監(jiān)測斷面在2019 年2 月16 日12:54下沉量最大,為-2.90 mm;右線10#監(jiān)測斷面在2019年2 月19 日19:19 上升量最大,為7.40 mm。在結(jié)構(gòu)施工階段,正線10#監(jiān)測斷面在2019 年5 月19 日11:19 下沉量最大,為-7.00 mm;右線10#監(jiān)測斷面在2019 年5 月19日上升量最大,為7.40 mm。
通過以上監(jiān)測數(shù)據(jù)的研究分析發(fā)現(xiàn),在結(jié)構(gòu)施工階段,線路周邊擾動對監(jiān)測數(shù)據(jù)影響大于土方施工階段;在線路運營時段,隨著列車通過,荷載增加,路基出現(xiàn)下沉;在線路停運時段,路基緩慢上升,整體處于一個周期循環(huán)中;列車通行密度較高的正線,路基沉降值大于左、右線;距離基坑較近的左線沉降值大于右線;監(jiān)測數(shù)據(jù)沉降值最大為-13.30 mm,設計文件允許沉降值為10~40 mm,沉降值處于允許范圍內(nèi),因此既有線沉降變形安全可靠。
采用對既有線運營影響較小的靜力水準儀自動化監(jiān)測系統(tǒng),能夠?qū)崟r獲取沉降變化數(shù)據(jù),及時了解變化信息,可彌補在列車通行期間無法進行人工監(jiān)測的不足,達到實時掌握施工期間運營線沉降變化的目的。靜力水準儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)在北京朝陽站項目的成功應用,保障了既有線運營和施工安全,取得了良好的應用效果。