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)
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。
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。
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
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]。
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。
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
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
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
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
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)
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