連巧娜，王曉萌

（1. 同方泰德國際科技（北京）有限公司，北京 100083；2. 同方股份有限公司，北京 100083）

1 引言

城市軌道交通運營線路結(jié)構(gòu)主要包含高架橋梁和地下隧道（以下簡稱“橋隧”），其健康水平直接影響列車運行安全與乘客乘坐體驗。在城市軌道交通的建設(shè)和運營過程中，由于施工建設(shè)、地質(zhì)條件和降水等原因，容易誘發(fā)應(yīng)力失衡進(jìn)而導(dǎo)致橋隧基礎(chǔ)變形。地質(zhì)條件及隧道埋深的不同，橋隧變形的表現(xiàn)形式也不相同，主要有橋體移動與變形、隧道管縫擠壓與錯臺、結(jié)構(gòu)裂縫等。目前，城市軌道交通運營單位對于橋隧養(yǎng)護(hù)大多采用人工分區(qū)分段巡檢+手持探傷儀器相結(jié)合的形式，無法做到全天候24 h實時監(jiān)測，其養(yǎng)護(hù)巡檢監(jiān)測數(shù)據(jù)碎片化，缺乏有效統(tǒng)一整合，事件處置仍以現(xiàn)場巡檢人員的個人經(jīng)驗為主，缺少應(yīng)急處置流程和專家?guī)熘С郑Ｇ樘崆邦A(yù)警功能缺失。為解決以上傳統(tǒng)橋隧養(yǎng)護(hù)過程中的不足和問題，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入城市軌道交通橋隧日常養(yǎng)護(hù)管理，本文提出針對橋隧不同結(jié)構(gòu)類型從設(shè)備布設(shè)到智慧養(yǎng)護(hù)的完整解決方案，打造多功能橋隧綜合監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)深度挖掘與分析、全天候24 h實時監(jiān)測與預(yù)警、智能評估與主動防治等，達(dá)到加強(qiáng)運營安全服務(wù)、提高運營工作效率、減少運營維護(hù)成本等目的。

2 橋隧綜合監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

橋隧綜合監(jiān)測系統(tǒng)由就地智能傳感器監(jiān)測系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)和橋隧綜合監(jiān)測平臺3部分組成。在橋隧關(guān)鍵部位布設(shè)變形、應(yīng)變、振動、環(huán)境等類型傳感器，借助無線或總線通信實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時上傳至橋隧綜合監(jiān)測平臺。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 橋隧綜合監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成圖

（1）就地智能傳感器監(jiān)測系統(tǒng)。包括傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置、供電裝置及防雷裝置等，主要承擔(dān)橋梁、隧道及區(qū)域地表變形的相關(guān)物理量監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。由于城市軌道交通工程所在區(qū)域通常是狹長形或者空曠的區(qū)域，監(jiān)測傳感器可采用無線傳輸或者總線傳輸方式與監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

（3）橋隧綜合監(jiān)測平臺。主要針對隱患點及重點防御監(jiān)測點建立與橋隧基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，同時基于結(jié)構(gòu)物變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型對結(jié)構(gòu)的運行性態(tài)進(jìn)行預(yù)警范圍和預(yù)警等級分析，提供對橋隧結(jié)構(gòu)實時監(jiān)控、分析預(yù)警和橋隧養(yǎng)護(hù)計劃等重要信息，可供巡檢人員日常查詢。

3 監(jiān)測系統(tǒng)傳感器布局設(shè)計

3.1 隧道

地鐵隧道結(jié)構(gòu)主要分為礦山法隧道與盾構(gòu)隧道2種。隧道變形主要與鄰近施工、結(jié)構(gòu)形式、混凝土配筋等因素有關(guān)。

3.1.1 礦山法隧道

襯砌開裂是礦山法隧道病害的主要因素。襯砌開裂與隧道變形直接相關(guān)，同時還受拱頂沉降、隧道凈空收斂等方面影響。襯砌開裂的主要原因是混凝土與空氣中的二氧化碳發(fā)生碳化反應(yīng)，使混凝土堿性降低，從而引發(fā)鋼筋銹蝕、增大結(jié)構(gòu)脆性。另外，在施工階段，隧道二次襯砌拱部混凝土的澆筑質(zhì)量難以保證，由于重力作用，可能會導(dǎo)致襯砌拱部出現(xiàn)空洞，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而誘發(fā)襯砌開裂[1]。

以半斷面開挖隧道為例，為預(yù)測拱頂沉降和隧道凈空收斂狀況[2]，選取垂直于隧道軸線的橫向監(jiān)測斷面布設(shè)內(nèi)空變位計和傾角計。另外，隧道內(nèi)壁縫隙是襯砌開裂的直接表現(xiàn)形式，通過在內(nèi)壁布設(shè)裂縫計，讀取內(nèi)壁裂縫不同方位長度等參數(shù)判斷開裂程度，為后期維保提供數(shù)據(jù)依據(jù)。礦山法隧道監(jiān)測內(nèi)容如圖2所示。

3.1.2 盾構(gòu)隧道

管片接縫變形是盾構(gòu)隧道病害的主要因素，會引起盾構(gòu)斷面的變形、管片的錯位等[1]。

盾構(gòu)隧道主要監(jiān)測管片結(jié)構(gòu)凈空收斂、管片結(jié)構(gòu)豎向/水平位移等情況[2-3]。管片結(jié)構(gòu)凈空收斂選取隧道斷面作為監(jiān)測點，通過收斂計和傾角計監(jiān)測管片結(jié)構(gòu)是否變形，管片間增加裂縫計監(jiān)測管片結(jié)構(gòu)豎向/水平位移變化。盾構(gòu)隧道監(jiān)測內(nèi)容如圖3所示。

無論是何種隧道結(jié)構(gòu)形態(tài)，列車運行安全性與地表平順性也密切相關(guān)，可通過布設(shè)靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測地表沉降情況，挖掘安全影響因子。除此之外，道床積水超過一定值時，會直接影響列車運行，因此需設(shè)置地下水位觀測孔，實時監(jiān)測道床水位。通過增設(shè)溫濕度傳感器實時監(jiān)測列車運行環(huán)境與維保人員夜間施工環(huán)境。同時為了方便巡檢，設(shè)置監(jiān)控攝像機(jī)，對隧道的整體狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。具體監(jiān)測內(nèi)容詳見圖2和圖3。

圖2 礦山法隧道監(jiān)測內(nèi)容

圖3 盾構(gòu)隧道監(jiān)測內(nèi)容

3.2 橋梁

城市軌道交通高架線路橋梁結(jié)構(gòu)一般分為梁橋和斜拉橋2種。

3.2.1 梁橋

梁橋作為高架線路的主要結(jié)構(gòu)形式，地表以上主要由橋跨、支座及橋墩組成[4-5]。梁橋監(jiān)測內(nèi)容如圖4所示。

圖4 梁橋監(jiān)測內(nèi)容

（1）橋跨。為保證軌道平順性且防止傾覆，需對橋跨梁板撓度進(jìn)行監(jiān)測，包括橋跨自身水平及豎向位移監(jiān)測、梁板間錯動監(jiān)測[4-6]。目前可通過激光測距儀與反射標(biāo)靶構(gòu)成的監(jiān)測系統(tǒng)判斷橋跨位移是否構(gòu)成威脅[7]，同時在梁板間結(jié)構(gòu)縫隙中增設(shè)三向位移計，判斷錯位情況。為預(yù)防橋跨受荷載長期壓力而變形，需對橋跨梁板的力學(xué)性能進(jìn)行評估和預(yù)警，同時考慮到梁板混凝土結(jié)構(gòu)本身會隨外界氣溫變化產(chǎn)生較大的變形（熱脹冷縮效應(yīng)），因此需在橋跨斷面布設(shè)應(yīng)變計監(jiān)測受力情況，布設(shè)溫度計對溫度場分布狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，二者結(jié)合對橋跨耐久性評估[8]。列車通過高架軌道時，由于移動荷載等原因會產(chǎn)生振動，此振動日積月累對橋梁結(jié)構(gòu)本身有嚴(yán)重的影響，可在橋跨布設(shè)振動傳感器，實現(xiàn)振動監(jiān)測，進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)。

（2）橋墩。當(dāng)高架橋結(jié)構(gòu)附近出現(xiàn)樁基施工、荷載加載等情況時，橋墩附近的土層會受到一定擾動，橋墩在側(cè)向水土壓力的作用下，易產(chǎn)生傾斜或不均勻沉降，進(jìn)而影響橋跨梁板。因此，橋墩傾斜與沉降應(yīng)作為監(jiān)測的重點?？赏ㄟ^在橋墩側(cè)壁布設(shè)靜力水準(zhǔn)儀測量橋墩的沉降情況，在橋墩頂部布設(shè)傾斜儀測量橋墩的傾斜角度，多維度監(jiān)測橋墩的狀態(tài)。

（3）支座。支座作為橋跨與橋墩間的關(guān)鍵受力構(gòu)件，支座反力的分布直接反映了橋跨結(jié)構(gòu)內(nèi)力和橋墩支撐狀態(tài)?？赏ㄟ^選用智能測力支座[9]，全方位監(jiān)測支座的健康狀態(tài)。

（4）環(huán)境。列車的安全運行不僅與高架結(jié)構(gòu)相關(guān)，也與高架線路的天氣環(huán)境息息相關(guān)。因此，通過布設(shè)雨量計[10]和激光雪深傳感器[11]，實時感知高架列車運行環(huán)境，為行車調(diào)度員提供判斷依據(jù)，最大限度保證高質(zhì)量的運營服務(wù)。

3.2.2 斜拉橋

城市軌道交通高架結(jié)構(gòu)斜拉橋主要用于軌道交通線路梁橋之間跨江（河）等特殊場合。斜拉橋地表以上結(jié)構(gòu)主要包括主梁、索塔、斜拉索等部分[12]。斜拉橋監(jiān)測內(nèi)容如圖5所示。

圖5 斜拉橋監(jiān)測內(nèi)容

（1）主梁。斜拉橋主梁結(jié)構(gòu)與上述梁橋的橋跨梁板結(jié)構(gòu)相同，監(jiān)測儀器及監(jiān)測項目基本一致。

（2）斜拉索。斜拉索選取索力最大的索、應(yīng)力幅最大的索及安全系數(shù)最小的索進(jìn)行監(jiān)測[9]，通過布設(shè)錨索計監(jiān)測斜拉索的應(yīng)力，對可能產(chǎn)生的斷裂進(jìn)行預(yù)警。

（3）索塔。索塔與主梁撓度關(guān)系密切。索塔位移是關(guān)鍵監(jiān)測內(nèi)容，可通過布設(shè)傾角儀實時監(jiān)測索塔傾斜度。同時，索塔位移受風(fēng)力和風(fēng)向影響較大，故需在索塔頂部布設(shè)風(fēng)速風(fēng)向儀進(jìn)行監(jiān)測，對索塔周圍的極端大風(fēng)天氣情況進(jìn)行預(yù)警。由于索塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在溫度等作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和內(nèi)力狀態(tài)會發(fā)生變化，因此需在其斷面布置應(yīng)變計和溫度傳感器，為疲勞損傷壽命、結(jié)構(gòu)損傷識別、結(jié)構(gòu)狀態(tài)等方面評估提供依據(jù)，以此來判斷結(jié)構(gòu)是否有損壞或潛在損壞[13]。

4 橋隧綜合監(jiān)測平臺功能設(shè)計

根據(jù)GB 50911-2013 《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中對橋隧監(jiān)測的相關(guān)要求，為進(jìn)一步提升橋隧監(jiān)測與養(yǎng)護(hù)的數(shù)字化和信息化水平，城市軌道交通橋隧綜合監(jiān)測平臺兼具實時監(jiān)控、分析預(yù)警、養(yǎng)護(hù)巡檢和資產(chǎn)管理四大功能模塊，如圖6所示。

4.1 實時監(jiān)控

通過智能傳感器及視頻分析技術(shù)手段對橋隧設(shè)施實現(xiàn)全天候不間斷地實時監(jiān)護(hù)。橋隧綜合監(jiān)測平臺主要考慮設(shè)備和設(shè)施2類監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（1）設(shè)備類監(jiān)測針對現(xiàn)場采集層所配置的各個傳感器，對其狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，包括在線/離線、讀數(shù)異常等。

（2）設(shè)施類監(jiān)測是結(jié)合環(huán)境、變形、應(yīng)變、振動等不同類型傳感器的采集數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)綜合研判分析，給出基于土建設(shè)施的病害信息，如區(qū)間內(nèi)累計降雨量超限、梁體應(yīng)力超限等。

橋隧綜合監(jiān)測平臺全天候24 h進(jìn)行實時監(jiān)測，無論是設(shè)備單點還是基于綜合研判的區(qū)間設(shè)施報警信息均可在GIS地圖上顯示。操作人員結(jié)合報警信息及現(xiàn)場視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供的實時影像進(jìn)行情況確認(rèn)，以減少誤判事件的發(fā)生，提升故障處置效率。實時監(jiān)控功能界面如圖 7所示。

圖7 實時監(jiān)控功能界面

4.2 分析預(yù)警

基于預(yù)警機(jī)制設(shè)定預(yù)警閾值，并根據(jù)數(shù)據(jù)觸發(fā)預(yù)警通知，實現(xiàn)動態(tài)預(yù)警。基于采集層的各類傳感器數(shù)據(jù)，通過分析預(yù)警模塊將碎片化的數(shù)據(jù)有效整合。除綜合顯示當(dāng)前的設(shè)備、區(qū)間等健康度排行外，還可按土建設(shè)施監(jiān)測、土建設(shè)施預(yù)警、監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)、綜合統(tǒng)計與評估等不同維度進(jìn)行分析，為操作員提供直觀的監(jiān)測統(tǒng)分?jǐn)?shù)據(jù)，并提供病害發(fā)展趨勢和病害影響因素分析。在提升操作人員工作效率的同時，減少由于經(jīng)驗不足而導(dǎo)致的誤判。

橋隧綜合監(jiān)測平臺可以進(jìn)行病害趨勢預(yù)警，操作人員可同時查看某區(qū)間段預(yù)警指標(biāo)的當(dāng)前值和預(yù)測值，如預(yù)測值超出閾值，監(jiān)測平臺則會推送提示操作人員持續(xù)關(guān)注并進(jìn)行現(xiàn)場檢修確認(rèn)。此外，操作人員也可自行選擇任意的區(qū)間段和設(shè)施，查看其探測指標(biāo)的當(dāng)前值和預(yù)測值。分析預(yù)警功能界面如圖8所示。

圖8 分析預(yù)警功能界面

4.3 養(yǎng)護(hù)巡檢

實現(xiàn)信息化閉環(huán)管理，把巡檢管理工作精細(xì)化，發(fā)現(xiàn)問題由系統(tǒng)自動評分，簡化流程提高定檢效率。養(yǎng)護(hù)巡檢由養(yǎng)護(hù)巡檢信息匯總、工單管理、知識庫3部分組成。在工單管理模塊中，支持新建病害跟蹤、新建工單以及編制巡檢計劃，操作人員可結(jié)合分析預(yù)警模塊提供的預(yù)警信息建立病害跟蹤，對預(yù)警問題持續(xù)跟進(jìn)。也可通過新建工單的方式派維修人員現(xiàn)場進(jìn)行維修、確認(rèn)，操作人員所做的全部操作及維修人員的維護(hù)進(jìn)度均可在監(jiān)測平臺中查詢。此模塊使智能診斷、精準(zhǔn)施修形成閉環(huán)，改善了維修人員的工作模式，實現(xiàn)了從傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)定期“計劃修”向智能精準(zhǔn)“狀態(tài)修” “預(yù)測修”的轉(zhuǎn)變。

同時，為更好地支持操作人員和維修人員，橋隧綜合監(jiān)測平臺還提供養(yǎng)護(hù)巡檢知識庫，通過與本地資源和專業(yè)數(shù)據(jù)庫的聯(lián)動，為工作人員提供作業(yè)指導(dǎo)書、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)知識庫、部門規(guī)章等一系列文獻(xiàn)、媒體資料，實時為工作人員提供疑難解答，進(jìn)一步提升業(yè)務(wù)水平。養(yǎng)護(hù)巡檢功能界面如圖9所示。

圖9 養(yǎng)護(hù)巡檢功能界面

4.4 資產(chǎn)管理

基于建立的設(shè)備檔案，資產(chǎn)管理模塊使管理更加直觀。橋隧綜合監(jiān)測平臺中的資產(chǎn)包括橋隧監(jiān)測相關(guān)設(shè)備、監(jiān)測區(qū)段以及輔助視頻監(jiān)控設(shè)備等，資產(chǎn)管理模塊可結(jié)合橋隧結(jié)構(gòu)BIM模型對監(jiān)測區(qū)段、設(shè)備布點、設(shè)備信息進(jìn)行顯示，同時支持對新增設(shè)備的錄入以及現(xiàn)有設(shè)備的編輯。資產(chǎn)管理功能界面如圖10所示。

圖10 資產(chǎn)管理功能界面

5 結(jié)束語

隨著相關(guān)監(jiān)測技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，城市軌道交通橋隧綜合監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)橋隧日常運維管理的科學(xué)化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化和可視化，在橋隧實時監(jiān)控、日常養(yǎng)護(hù)巡檢、管理和突發(fā)事件應(yīng)急處理等方面發(fā)揮重要作用，有助于城市軌道交通橋隧運維管理的信息化建設(shè)，確保城市軌道交通運營安全。參考文獻(xiàn)

[1] 董飛，房倩，張頂立，等.北京地鐵運營隧道病害狀態(tài)分析[J].土木工程學(xué)報，2017，50（6）：104-113.

[2] GB 50911-2013 城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范 [S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[3] 陳基煒，詹龍喜.上海市地鐵一號線隧道變形測量及規(guī)律分析[J].上海地質(zhì)，2000（2）：51-56.

[4] 王鑫森，侯金波.某輕軌高架橋保護(hù)區(qū)監(jiān)測重點分析及實踐[J].城市勘測，2018（6）：145-148.

[5] 王冰.北京市軌道交通大興線高架橋設(shè)計[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2012（2）：62-65.

[6] 王鑫森，高超，張敏，等.輕軌高架橋保護(hù)區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實施[J].施工技術(shù)，2017，46（S1）：989-991.

[7] 梁曉東，項超群，曾雄鷹，等.一種基于激光測距技術(shù)的橋梁撓度實時監(jiān)測裝置：中國，201721143676.1 [P]. 2018-03-20.

[8] 蘇家仲，賈志絢，黃小芳，等.城市高架橋健康監(jiān)測方案設(shè)計[J].太原科技大學(xué)學(xué)報，2016，37（3）：229-233.

[9] GB 50982-2014 建筑與橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[10] 賀文軒，栗文韜，李亞群，等.高速鐵路風(fēng)雨監(jiān)測設(shè)備現(xiàn)場核查關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國鐵路，2021（10）：22-28.

[11] 闞成勇，高旭東，邢宗義，等.基于激光傳感器的高鐵雪深多點測量研究[J].機(jī)械制造與自動化，2017，46（5）：214-218.

[12] 肖海珠，張強(qiáng)，高宗余.北京地鐵五號線曲線斜拉橋設(shè)計[J].橋梁建設(shè)，2006（4）：38-41.

[13] 于明策，韓冰玉，鄧小軍.獨塔雙索面斜拉橋健康監(jiān)測方案設(shè)計[J].黑龍江交通科技，2020，43（5）：96-98.

[14] 何天濤，劉國銜，張一林.運營期城市橋梁群結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測及系統(tǒng)集成應(yīng)用[J].市政技術(shù)，2021，39（S1）：139-142，190.

[15] 張憲國.市域鐵路橋梁總體設(shè)計研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2021（10）：13-17.

[16] 孫恒. BIM技術(shù)在高速公路橋梁養(yǎng)護(hù)綜合管理中的應(yīng)用[J].交通世界，2021（36）：6-7.

[17] 康直.地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有高鐵隧道施工影響研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2019（12）：27-31.

[18] 李海堂.復(fù)合地層曲線盾構(gòu)隧道對鄰近樁基變形影響研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2021（7）：47-51.

[19] 王敏，汪依帆，高海霞，等.基于大數(shù)據(jù)的橋梁安全監(jiān)測綜合預(yù)警平臺[J].中國新通信，2019，21（7）：89-90.

[20] 馮琦.天津地鐵9號線運營期橋隧結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2015（5）：45-47，51.