長距離運營地鐵高架自動化監(jiān)測技術(shù)

陸 正

上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司 上海 200002

為保證新建工程施工時既有高架的安全運營，對既有高架進行實時變形監(jiān)測是一項必要工作。目前，高架監(jiān)測手段主要有人工測量、測量機器人和自動化靜力水準等。由于測量條件的限制，人工監(jiān)測、測量機器人等監(jiān)測方式，不能滿足對大量數(shù)據(jù)采集、分析、及時準確反饋的要求。本文介紹長距離運營地鐵高架自動化靜力水準監(jiān)測技術(shù)，通過應用，達到了實時、穩(wěn)定、準確的監(jiān)測要求[1-2]。

1 工程概況

微山路站—財經(jīng)大學站區(qū)間從微山路站出發(fā)約300 m后，與運營地鐵1號線高架線曲線段交叉，之后與1號線高架橋以接近平行的方式延伸至財經(jīng)大學站（表1、圖1）。

圖1 穿越區(qū)域1號線高架布置形式

表1 穿越區(qū)域1號線高架情況

天津市地鐵1號線高架線，主橋部分地鐵線路雙向通行，樁基礎(chǔ)采用每個承臺下4～6根φ1 m、長38～48 m的鉆孔灌注樁。樁基上接承臺，制動墩承臺厚2.5 m，其余墩厚1.8 m。承臺頂上為墩柱、門架，墩柱、門架頂設(shè)墊石，墊石頂為JHPZ型抗振盆式橡膠支座。支座頂為預應力鋼筋混凝土多跨連續(xù)箱梁，箱梁高分為3種，即1.5、1.6、1.7 m，長度25 m（局部為30 m），箱梁為2～3跨連續(xù)梁，橋面寬度為9.52 m。箱梁上部為道床、軌道、隔聲屏等結(jié)構(gòu)設(shè)施。

2 監(jiān)測難點分析

1）自動化監(jiān)測系統(tǒng)安裝位于戶外，相對于室內(nèi)環(huán)境，不利于監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性。若使用測量機器人進行監(jiān)測，不利于保持通視及設(shè)備的維護。

2）需監(jiān)測的高架線路較長，約1 150 m。若布設(shè)電子水平尺，則投入的監(jiān)測設(shè)備數(shù)量過大，且累計誤差較大。

3）由于高架線路坡度較大，實測高差大于4 m，超過通常的靜力水準量程。

4）監(jiān)測周期較長，在監(jiān)測周期內(nèi)，溫度差變化超過40 ℃。靜力水準傳感器及管路表面溫度差超過50 ℃，這對靜力水準系統(tǒng)傳感器自身長期的穩(wěn)定性要求極高。

5）列車運行時的振動會對監(jiān)測精度造成不利影響。由于戶外安裝，風力對通液管作用產(chǎn)生的管路晃動，會使系統(tǒng)內(nèi)的恒壓不穩(wěn)定，導致數(shù)據(jù)失真。地鐵的電力線纜會對監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生電磁干擾，造成監(jiān)測數(shù)據(jù)波動[3-4]。

綜上所述，采取常規(guī)自動化監(jiān)測手段無法保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確及時，需根據(jù)上述特點采取針對性的解決措施。

3 自動化監(jiān)測實施

3.1 選擇監(jiān)測方法

3.1.1 傳感器類型

綜合監(jiān)測環(huán)境情況，自動化壓差式靜力水準系統(tǒng)為最優(yōu)選擇，可實時監(jiān)測高架墩柱上部箱梁的垂直位移。自動化壓差式靜力水準系統(tǒng)由儲液箱、通液管、傳感器、通氣管、儀器電纜、無線傳輸數(shù)據(jù)處理器等組成（圖2），相比傳統(tǒng)靜力水準系統(tǒng)，這種壓力傳感器系統(tǒng)允許每個傳感器有更大的安裝高程差，占據(jù)更小的空間位置。由于傳感器之間是測定壓力差值變化，壓力傳遞方式相比常規(guī)的液位傳遞方式更快，當測點高程發(fā)生改變時，傳感器的反應也能更加迅捷。GK-3655型壓差式沉降系統(tǒng)提供了優(yōu)越的長期穩(wěn)定性、可靠性，且只有極小的溫漂。采用模擬信號傳輸，傳輸可達數(shù)千米，由于其輸出的是電壓信號，因此讀數(shù)受電纜長度影響較小。采用多層屏蔽線，會很好地屏蔽掉周邊環(huán)境對信號的影響。量程越大的傳感器精度越低，本工程采用0.7 kPa和1.7 kPa量程的傳感器，量程為0.68 m和1.73 m，精度為1.02 mm和1.73 mm，滿足監(jiān)測要求。

圖2 GK-3655靜力水準儀

3.1.2 自動化監(jiān)測系統(tǒng)組成

整個自動化系統(tǒng)監(jiān)測由無線接收儀（天線、防雷模塊、無線模塊、數(shù)據(jù)處理模塊）、無線發(fā)送儀（天線、防雷模塊、無線模塊、采集模塊）、靜力水準儀、485總線、連通水管（2個靜力水準儀之間都要用水管連接）和自動化監(jiān)測軟件組成（圖3）。

圖3 靜力水準系統(tǒng)

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)安裝位置及方式

3.2.1 安裝位置

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，為最大限度減少外部影響和列車運行對監(jiān)測系統(tǒng)的影響，考慮到1號線高架段軌道結(jié)構(gòu)與箱梁為整體結(jié)構(gòu)，本次自動化監(jiān)測系統(tǒng)安裝在箱梁北面?zhèn)缺谏希總€墩柱上部安裝1個傳感器。安裝1條監(jiān)測線路，選擇此安裝位置的優(yōu)點如下：

1）可以避免夏季高溫天氣太陽光對監(jiān)測系統(tǒng)直射和冬季冰雪覆蓋，可提高監(jiān)測系統(tǒng)因溫度影響的穩(wěn)定性。

2）大幅度減少列車運行振動對監(jiān)測系統(tǒng)的影響。大多數(shù)靜力水準監(jiān)測系統(tǒng)在白天列車運營時，數(shù)據(jù)異常波動明顯。本項目結(jié)合自身環(huán)境特點，安裝在箱梁側(cè)壁，可以最大限度減少列車運行振動對監(jiān)測系統(tǒng)的影響。

3）盾構(gòu)掘進施工首先對高架樁基產(chǎn)生影響，受力、變形或位移通過承臺、墩柱、箱梁、道床依次向上傳遞，直至列車軌道，箱梁位移控制在允許范圍內(nèi)，則基本可以保障上部運營的安全。安裝在墩柱上部的箱梁位置，也可以與墩柱位移的人工監(jiān)測情況進行對比、校核。

4）安裝位置位于線下，對系統(tǒng)安裝作業(yè)、調(diào)試、維護工作時間有利，并可以避免監(jiān)測系統(tǒng)安裝對列車運行安全隱患的影響。

本項目設(shè)置監(jiān)測點44個，每個點安裝1臺靜力水準儀傳感器。由于線路高差較大，監(jiān)測系統(tǒng)分3段安裝，設(shè)置起算點1個，共安裝靜力水準儀傳感器45個（圖4）。

圖4 自動化監(jiān)測系統(tǒng)安裝位置

3.2.2 安裝方式

1）分段安裝。由于1號線高架橋橋面最大高差為4.2 m，超過傳感器最大量程1.73 m，所以需要對整個靜力水準監(jiān)測系統(tǒng)進行分段布置，每段靜力水準監(jiān)測系統(tǒng)獨立監(jiān)測、上傳數(shù)據(jù)。分段不宜太多，否則會影響系統(tǒng)性，根據(jù)現(xiàn)場情況，分3段安裝。第1段靠近財經(jīng)大學站，監(jiān)測長度300 m，為1～12號傳感器，橋面高差約3 m，傳感器安裝于箱梁側(cè)壁，利用箱梁側(cè)壁面高度，減小傳感器之間的高差，最終傳感器最大高差1.6 m，采用1.7 kPa、1.73 m量程的傳感器；第2段監(jiān)測長度350 m，為13～26號傳感器，橋面高差約3 m，傳感器安裝于箱梁側(cè)壁，利用箱梁側(cè)壁面高度，減小傳感器之間的高差，最終傳感器最大高差1.6 m，采用1.7 kPa、1.73 m量程的傳感器；第3段監(jiān)測長度480 m，為27～44號傳感器，橋面高差約1.5 m，傳感器安裝于箱梁側(cè)壁，利用箱梁側(cè)壁面高度，減小傳感器之間的高差，最終傳感器最大高差0.6 m，采用0.7 kPa、0.68 m量程的傳感器。

2）傳感器的安裝。第一步是確定傳感器和儲液罐的高程。儲液罐應位于所有傳感器的上方，儲液罐和任何傳感器之間的高程差應處在壓力變換器的總測量范圍內(nèi)。常規(guī)傳感器安裝方法（圖5）如下：使用錨頭或焊接或螺栓等方式，將提供的支架附著在箱梁側(cè)壁表面上。為減小振動影響，本工程設(shè)計專用安裝支架，設(shè)置減振膠墊，先將減振支架固定于箱梁，再將傳感器安裝于支架上（圖6）。安裝支架與減振膠墊能有效消除列車運行產(chǎn)生的振動，提高傳感器監(jiān)測精度。

圖5 常規(guī)安裝方式

圖6 安裝減振支架的方式

3）聯(lián)通管道安裝。在安裝管道前，應將傳感器和儲液罐固定好位置。液體管道的走向應盡量筆直，無上升和驟降，如果可能的話，大體地朝著儲液罐方向逐步上升，且應盡可能地避免產(chǎn)生虹吸管現(xiàn)象。排氣管相對沒那么重要，但是為了方便起見，排氣管走向可與液體管線平行。液體管線和空氣管線都配有三通接頭，儲液罐配有管接頭和蓋子，這取決于系統(tǒng)是級聯(lián)系統(tǒng)還是“樹狀”系統(tǒng)或二者的結(jié)合。聯(lián)通管安裝時，選用帶減振膠墊的R型管箍（圖7）固定管路，并使用加長膨脹螺栓，使管路不與箱梁側(cè)壁貼合，在減少箱梁側(cè)壁振動對通液管路影響的同時，將聯(lián)通管固定牢固，避免刮風吹動聯(lián)通管。

圖7 帶減振膠墊的R型管箍

4）排氣。儲液系統(tǒng)有時是最困難的工作，因為會存在與殘留的氣泡相關(guān)的難題，還要解決如何清除氣泡的問題。填充該系統(tǒng)的理想方法是使用截止閥將大量填充物連接至離儲液罐最遠點的系統(tǒng)，然后拔除儲液罐末端的液體管線，再使用真空泵往管線充入少量的真空。填充真空后，即可讓液體流動并填充管線，直至到達每個傳感器?？赡軙猩倭靠諝馀苓M傳感器內(nèi)部，可以通過如下方法排掉空氣：移除傳感器上的位于三通接頭頂部的密封螺絲，使用提供的注射器，將傳感器中的空氣或液體通過密封螺絲孔吸取出來。

3.3 數(shù)據(jù)采集與傳輸

3.3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是由GK-Micro-40型自動化數(shù)據(jù)采集儀測量系統(tǒng)來實現(xiàn)的。由計算機、BGK-Logger安全監(jiān)測系統(tǒng)軟件、BGK-Micro-40自動化數(shù)據(jù)采集儀（內(nèi)置測量模塊）、智能式儀器（可獨立作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的儀器）等組成，可完成各類工程安全監(jiān)測儀器的自動測量、數(shù)據(jù)處理、圖表制作、異常測值報警等工作。本工程附近有較強電磁場，由于數(shù)據(jù)采集為有線方式，且傳輸距離較長，考慮電磁場對數(shù)據(jù)傳輸影響，采用雙層屏蔽數(shù)據(jù)線。數(shù)據(jù)采集為模擬量電壓采集，采集儀采用一對一獨立采集，且采集前穩(wěn)定20 s，可提高采集精度。

3.3.2 數(shù)據(jù)計算方法

讀數(shù)可用于計算每個傳感器的高程，并繪制成隨時間變化的曲線圖，傳感器的高程E＝E0－(R1-R0)G×0.102 2－ΔERES。此處，E0為傳感器的安裝高程，單位是m；ΔERES為儲液罐中的液位變化，如果液位下降，ΔERES是負數(shù)，如果液位上升，ΔERES是正數(shù)；R0為初始的傳感器讀數(shù)，單位是mA；R1為隨后的傳感器讀數(shù)，單位是mA；G是傳感器提供的校準系數(shù)，單位是kPa/mA；0.102 2是純凈水的換算系數(shù)，單位是m/kPa。

3.3.3 通信方式

通過GPRS/網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，完成對感器數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控，如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)傳輸示意

3.4 數(shù)據(jù)處理

3.4.1 數(shù)據(jù)處理軟件

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的具體操作流程如下：

1）軟件安裝與注冊：軟件安裝完成后，點擊桌面快捷圖標，運行軟件。如果軟件沒有進行注冊，會進入軟件的注冊界面進行軟件注冊，注冊完成后方可使用軟件。軟件是與計算機相關(guān)的，每臺計算機安裝都需要一個注冊碼，該注冊碼對于同一臺計算機可重復使用。

2）軟件通信設(shè)置：數(shù)據(jù)采集前首先進行通信設(shè)置，設(shè)置通信端口設(shè)置及監(jiān)測頻率設(shè)定。

3）測點管理：進行測點個數(shù)及屬性管理。具有增加測點、刪除測點、修改測點功能。

4）監(jiān)測數(shù)據(jù)管理：查詢歷史數(shù)據(jù)并導出測點數(shù)據(jù)，生成變化量曲線圖。

5）數(shù)據(jù)報表輸出：預覽輸出監(jiān)測數(shù)據(jù)報表。

3.4.2 溫度影響修正

靜力水準傳感器自身受溫度影響極小，計算時可以忽略不計。而溫度變化對系統(tǒng)影響較大，而且這種影響十分復雜，包括液體自身隨溫度變化導致的密度變化、通液管的熱脹冷縮導致的液體體積變化等。最直觀的影響主因為液體隨溫度的變化而使密度發(fā)生變化，致使液體自身相對密度發(fā)生變化導致測值偏離真實值。想要測取最接近真實的測值，需要對每個傳感器計算出的液位值進行溫度修正。修正公式為：

計算時參考修正公式及修正系數(shù)取值范圍，但每個傳感器還需要反復進行取值計算，才能得出合理的取值。

取測點G08為例，選取溫差較大的時間段數(shù)據(jù)分別進行溫度修正前后計算（圖9）。從圖9中看出，測點沒有進行溫度修正時的線形變化趨勢與溫度變化基本一致。通過修正后，基本可以將溫度影響降為最低，達到良好效果。

圖9 溫度修正前后對比

4 實施效果

圖10、圖11分別為7 kPa和17 kPa傳感器的一段監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以看出，在采取了一系列的安裝措施及溫差改正后，監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠達到實時、準確反映地鐵1號線高架變化的效果。

圖10 7 kPa傳感器數(shù)據(jù)

圖11 17 kPa傳感器數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

目前，既有高架橋梁處于在建工程影響范圍內(nèi)的案例越來越多，本文通過對被監(jiān)測高架的結(jié)構(gòu)形式和監(jiān)測環(huán)境的具體特點進行分析研究，選擇最優(yōu)的監(jiān)測方法、安裝位置、安裝方式、數(shù)據(jù)采集傳輸方式、數(shù)據(jù)處理措施，能夠?qū)崟r準確反映高架的結(jié)構(gòu)位移及變形情況，從而指導在建工程調(diào)整施工，以減小在建工程對既有高架的影響，進而保障既有高架的安全。在實際施工中還需根據(jù)既有高架的情況，輔以人工監(jiān)測，采用人工監(jiān)測與自動監(jiān)測相結(jié)合的方式，更全面地掌握既有高架的結(jié)構(gòu)位移及變形情況。