趙太東

(中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州 450000)

0 引言

在地鐵沿線及其保護(hù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行物業(yè)、房地產(chǎn)等建設(shè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)，基坑開(kāi)挖、降水等施工必將會(huì)對(duì)既有地鐵線產(chǎn)生一定影響，甚至影響到地鐵的運(yùn)營(yíng)安全。目前，國(guó)內(nèi)監(jiān)測(cè)大多是依據(jù)文獻(xiàn)［1－4］采用人工監(jiān)測(cè)，受時(shí)間、環(huán)境等因素影響較大，不僅要浪費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力，而且會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)人員的安全構(gòu)成一定威脅。文獻(xiàn)［5－7］介紹了采用測(cè)量機(jī)器人對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵的自動(dòng)化監(jiān)測(cè);文獻(xiàn)［8］介紹了利用靜力水準(zhǔn)、測(cè)縫計(jì)等對(duì)既有線的自動(dòng)化監(jiān)測(cè);文獻(xiàn)［9］介紹了電水平尺原理和對(duì)隧道開(kāi)挖沉降的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。這些測(cè)量方法受時(shí)間、隧道內(nèi)環(huán)境影響，精度得不到保證，也做不到連續(xù)監(jiān)測(cè)。

為了確保在地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)施工時(shí)不影響地鐵的正常運(yùn)營(yíng)，有必要選擇一種安全、可靠、科學(xué)、高效的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而電水平尺是一套集數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、報(bào)表自動(dòng)生成等為一體的系統(tǒng)，是現(xiàn)代最新技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用的集中體現(xiàn)。

1 工作原理

EL beam是美國(guó)Slope Indicator公司推出的測(cè)量物體傾斜(即兩點(diǎn)間高差)的儀器，電水平尺的核心部件是電解質(zhì)傾斜傳感器，電解質(zhì)傳感器是精密的氣泡式水準(zhǔn)儀，并能像電橋一樣工作。電橋電路根據(jù)傳感器的傾角變化輸出相應(yīng)比例的電壓信號(hào)，將電解質(zhì)傾斜傳感器(組件)安裝在一支空心的剛性直尺內(nèi)，就構(gòu)成了電水平尺(EL beam)(如圖1所示)。對(duì)單個(gè)水平尺首尾逐個(gè)鏈接，沿監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)待測(cè)方向展開(kāi)安裝形成尺鏈，就會(huì)反映出監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)整體沉降情況。

本工程選用電水平尺的尺身長(zhǎng)3 m，用錨栓安裝在道床(結(jié)構(gòu)物)上，接著將傾角傳感器調(diào)零，并鎖定在該位置。道床(結(jié)構(gòu)物)的沉降會(huì)改變梁的傾角，電水平尺中的電解質(zhì)傾斜傳感器能根據(jù)傾角的變化輸出相應(yīng)比例的電壓信號(hào)。將尺鏈上各個(gè)電解質(zhì)傾斜傳感器的輸出信號(hào)接到一臺(tái)CR10X型數(shù)據(jù)自動(dòng)采集器上，就可以按設(shè)定的時(shí)間間隔(可調(diào)整的范圍為幾s到幾h)對(duì)所有接入的傳感器進(jìn)行一次采樣讀數(shù)。每次采樣讀數(shù)所得的數(shù)據(jù)暫存在采集器內(nèi)供定期處理，通過(guò)電纜直接把采集器中的數(shù)據(jù)輸送到計(jì)算機(jī)中，在計(jì)算機(jī)內(nèi)按預(yù)先設(shè)定的程序?qū)㈦妷盒盘?hào)換算成傾角角度，再根據(jù)尺體的長(zhǎng)度L計(jì)算出沉降量di(i表示尺鏈中第i支尺)，利用矢量相加的方法可以得到尺鏈范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)沉降曲線，電水平尺監(jiān)測(cè)沉降工作原理如圖2所示。

1.1 單尺傾斜計(jì)算

單個(gè)水平尺的傾斜值根據(jù)T=C0+C1E+C2E2+C3E3+C4E4+C5E5進(jìn)行計(jì)算。式中:T為單個(gè)水平尺的傾斜值，mm/m;Ci為儀器系數(shù)，由廠家提供;E為單個(gè)電水平尺本次測(cè)量的電壓值，V。

1.2 高程計(jì)算(考慮尺鏈傳遞)

假設(shè)由n個(gè)電水平尺組成尺鏈，且1號(hào)尺起端為計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)，另一端為高程測(cè)試點(diǎn)，其他尺寸同樣表示，則該電水平尺鏈上各測(cè)點(diǎn)高程的計(jì)算公式為Hn=B+T1L+T2L+T3L+……+TnL。式中:Hn為第n個(gè)電水平尺的測(cè)點(diǎn)高程，mm;B為基準(zhǔn)點(diǎn)高程，mm;Tn為第n個(gè)電水平尺的計(jì)算傾斜值，mm/m;L為單個(gè)電水平尺的長(zhǎng)度，m。

1.3 起算基準(zhǔn)

根據(jù)傳感器的設(shè)計(jì)情況進(jìn)行相應(yīng)選擇。

2 自動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

使用與EL beam傾斜傳感器配套的CR10X數(shù)字自動(dòng)記錄儀實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。CR10X數(shù)據(jù)記錄裝置不僅可靠，而且可以兼容幾乎所有的傳感器和數(shù)據(jù)采集單元。獨(dú)立的一個(gè)數(shù)據(jù)記錄裝置可以讀取小范圍內(nèi)的很多支傳感器，電信號(hào)的傳輸會(huì)隨著傳輸電纜長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而呈非線性衰減，采取配置信號(hào)放大器、防雷濾波器減少隧道內(nèi)因電纜過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致的信號(hào)衰減以及列車駛過(guò)時(shí)造成的信號(hào)干擾，系統(tǒng)組成見(jiàn)圖3。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

1)高分辨率。電水平尺的最小量程為1″，根據(jù)L(sin θ1－ sin θ0)，在 1 m 長(zhǎng)的梁兩端可以檢測(cè)到0.005 mm的豎直位移變化。

圖3 系統(tǒng)組成示意圖Fig.3 Components of automatic monitoring system

2)可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)。當(dāng)電水平尺梁的長(zhǎng)度確定后，其傾角的變化量可以精確地?fù)Q算成梁兩端的沉降位移量，并將多個(gè)梁首尾相連，能夠計(jì)算出各端點(diǎn)的絕對(duì)位移量，與當(dāng)?shù)馗叱滔到y(tǒng)聯(lián)測(cè)一個(gè)梁端點(diǎn)的高程，可以得出所有梁端點(diǎn)的絕對(duì)高程。

3)安裝簡(jiǎn)單。電水平尺安裝無(wú)須復(fù)雜的工具，且梁的長(zhǎng)度可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件靈活變化，不受外界條件限制。

4)數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸。通過(guò)有效的電纜可以把實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺R10X，并由電腦實(shí)時(shí)查看原始數(shù)據(jù)，一目了然。

5)遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過(guò)自動(dòng)化處理軟件對(duì)采集到的電信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成直觀的沉降數(shù)值量，并通過(guò)現(xiàn)有通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)定期發(fā)送SMS短信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控［10］。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 基本情況

南京明基醫(yī)院位于南京地鐵元通站—中勝站區(qū)間和中勝站西站廳地鐵線路南側(cè)，主要由地鐵廣場(chǎng)樓、住院大樓、辦公樓組成，基坑與地鐵車站站臺(tái)邊線的距離為13～25 m。施工場(chǎng)地位于南京河西地區(qū)，場(chǎng)地地貌單元屬于長(zhǎng)江漫灘之上，中勝站及地鐵線路所屬區(qū)間場(chǎng)地地表為人工回填土和新近堆填土，地下覆蓋層主要為軟弱黏性土及飽和砂土。場(chǎng)地內(nèi)淤泥質(zhì)土飽含地下水，水位在地面以下0.3～0.5 m，年最大水位變化幅度小于1 m，一般在0.5 m左右。

4.2 監(jiān)測(cè)目的

明基醫(yī)院施工屬于中勝站地鐵保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，為確保地鐵的運(yùn)營(yíng)安全，需布設(shè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4.3 監(jiān)測(cè)方法及項(xiàng)目

以電水平尺法自動(dòng)監(jiān)測(cè)為主，人工監(jiān)測(cè)為校核手段，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有豎向位移監(jiān)測(cè)、差異沉降監(jiān)測(cè)。

4.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，明基醫(yī)院基坑與站臺(tái)邊線的最近距離約為13 m，基坑最大開(kāi)挖深度低于地鐵隧道底標(biāo)高約8 m。為了保證地鐵隧道的安全，選取明基醫(yī)院地鐵廣場(chǎng)樓側(cè)地鐵隧道作為監(jiān)測(cè)段，選用成熟可靠的sinco監(jiān)測(cè)設(shè)備和軟件，建立自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。選用35支3 m長(zhǎng)的電水平尺，首尾串聯(lián)構(gòu)成約100 m長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)尺鏈線，緊貼地面安裝在軌道的道床上，將CR10X數(shù)據(jù)自動(dòng)采集器就近安置在隧道側(cè)壁上，同時(shí)，在中勝站站臺(tái)上設(shè)主控計(jì)算機(jī)對(duì)監(jiān)測(cè)段地鐵隧道現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、處理及傳輸。電水平尺、人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置與最近地鐵軌線的水平距離為0.2～0.3 m，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)和電水平尺寸斷面布置如圖4和圖5所示。

在地鐵隧道與車站間的結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)約1 m處的道床上布設(shè)1對(duì)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)(如圖3所示)，用于結(jié)構(gòu)差異沉降監(jiān)測(cè)。

4.5 電水平尺監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

4.5.1 硬件要求

見(jiàn)表1。

表1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件要求Table 1 Requirements for hardware of automatic monitoring system

4.5.2 軟件要求

1套實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)控制軟件Logger－Net，1套電水平尺自動(dòng)化處理軟件，分析并處理采集器采集到的數(shù)據(jù)，形成直觀變形曲線圖，如圖6所示。

圖6 自動(dòng)化處理軟件顯示畫(huà)面Fig.6 Display of automatic data processing software

4.5.3 監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)的確定

根據(jù)基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵的影響范圍，選取在影響范圍外的一支梁的端點(diǎn)作為本次監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)點(diǎn)，并與二等水準(zhǔn)基點(diǎn)聯(lián)測(cè)，檢測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性。電水平尺基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)與人工水準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)共用，由人工從車站內(nèi)穩(wěn)定基點(diǎn)引測(cè)到電水平尺基點(diǎn)，其基點(diǎn)高程變化應(yīng)與水平尺監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

4.5.4 初始值的測(cè)定

系統(tǒng)調(diào)試完畢后，選擇運(yùn)行后第1天的24個(gè)周期的平均值作為本次監(jiān)測(cè)的初始值，每周期數(shù)據(jù)均與初始值作比較，得出每期數(shù)據(jù)的變化量、日變化量和累計(jì)變化量。

4.5.5 監(jiān)測(cè)頻率及測(cè)回?cái)?shù)

電水平尺自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每1 h對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、處理一次，定期用二等水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行人工復(fù)核，同時(shí)，定期對(duì)地鐵隧道與車站間的結(jié)構(gòu)縫差異沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4.5.6 報(bào)警設(shè)定

地鐵隧道的最大沉降值應(yīng)≤10 mm，報(bào)警值為最大值的1/3，警戒值為最大值的2/3。操作人員可以通過(guò)控制軟件的界面對(duì)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行采集間隔時(shí)間等工作參數(shù)的設(shè)定或修改，一旦采集到的數(shù)據(jù)達(dá)到或超過(guò)預(yù)先設(shè)定的報(bào)警值，計(jì)算機(jī)就會(huì)以色彩和音響的方式發(fā)出報(bào)警信息，自動(dòng)通過(guò)手機(jī)短信向有關(guān)單位報(bào)警。地鐵隧道與車站間的結(jié)構(gòu)縫差異沉降＞±3 mm時(shí)預(yù)警，＞±5 mm時(shí)報(bào)警。

4.5.7 數(shù)據(jù)分析比較

4.5.7.1 明基醫(yī)院基坑開(kāi)挖各階段數(shù)據(jù)比較

選取4個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)8個(gè)典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行沉降值比較。由于845點(diǎn)位于變形區(qū)10 m外，受施工降水影響，沉降不明顯，而850，855，860，870 4 點(diǎn)位于基坑一側(cè)，土體開(kāi)挖時(shí)有較大沉降。其中，2006年7月15日，地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)的明基醫(yī)院基坑開(kāi)挖到底部時(shí)地鐵隧道的最大沉降值為7.0 mm，隨著基坑底板澆筑以及地下水回灌后，地鐵隧道底板有不同程度的回彈，沉降曲線見(jiàn)圖7。

圖7 開(kāi)挖各階段地鐵隧道沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖Fig.7 Measured settlement of Metro tunnel

4.5.7.2 地鐵運(yùn)營(yíng)和停運(yùn)對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的影響

地鐵運(yùn)行時(shí)，列車震動(dòng)和隧道內(nèi)空氣濕度均會(huì)對(duì)電解質(zhì)傳感器造成一定影響，系統(tǒng)在整個(gè)施工期間，每天的變化量對(duì)運(yùn)營(yíng)和停運(yùn)分析沒(méi)有可比性，而提取其中的某一時(shí)段作為列車停運(yùn)與運(yùn)營(yíng)對(duì)該系統(tǒng)的影響分析則具有一定的可比性。每天00:00至06:00作為地鐵停運(yùn)期，其他時(shí)段作為地鐵運(yùn)營(yíng)期，平均后分析比較，列車運(yùn)行期間與停運(yùn)期間各點(diǎn)差值很小，最大為0.092 mm，最小為－0.002 mm，總體趨于平緩，列車運(yùn)行和停運(yùn)對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的影響如圖8所示。

表2 2006年人工監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)累計(jì)變化量比較表Table 2 Data measured by manpower VS that measured by automatic monitoring system in 2006

圖8 列車停運(yùn)期與運(yùn)營(yíng)期對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的影響Fig.8 Influence on automatic monitoring when there is no train operation VS that when there is train operation

4.5.7.3人工監(jiān)測(cè)與自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較

按照二等水準(zhǔn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)布置Y6～Y12監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用人工進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率為1次/d，監(jiān)測(cè)時(shí)間為每天00:00至03:00。自2006年7月5日采集初始數(shù)據(jù)后開(kāi)始正式運(yùn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，1.5個(gè)月后將人工監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)累計(jì)值與自動(dòng)監(jiān)測(cè)的累計(jì)值進(jìn)行比較，其差值均在±0.3 mm，證明二者數(shù)據(jù)是吻合的，不存在明顯差異，同時(shí)也證實(shí)了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性。人工監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)累計(jì)變化量比較如表2和圖9所示。

4.5.7.4 地鐵隧道與車站間結(jié)構(gòu)縫的差異沉降

在地鐵隧道與車站間的結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)約1 m處的道床上布設(shè)1對(duì)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)(如圖3所示)，定期或根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果用精密水準(zhǔn)測(cè)量方法監(jiān)測(cè)2點(diǎn)間的高差變化，確?；鶞?zhǔn)網(wǎng)的正確。

圖9 人工監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)累計(jì)變化量示意圖Fig.9 Curves of data measured by manpower VS that measured by automatic monitoring system

5 結(jié)論與討論

1)在確保地鐵隧道正常運(yùn)營(yíng)的情況下，使用電水平尺自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是可行的。電水平尺是一套集數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、報(bào)表自動(dòng)生成等為一體的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)曲線，為地鐵安全提供重要保障。

2)選用電水平尺及成熟可靠的sinco監(jiān)測(cè)設(shè)備和軟件時(shí)，其監(jiān)測(cè)精度可達(dá)到0.005 mm。本工程中，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與人工測(cè)量的差值在±0.3 mm，當(dāng)明基醫(yī)院基坑開(kāi)挖到底部時(shí)，地鐵隧道的最大沉降值為7.0 mm。

3)電水平尺自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠自動(dòng)記錄監(jiān)測(cè)過(guò)程，節(jié)約大量的人力、物力和財(cái)力，并能保證人員的安全。一旦采集到的數(shù)據(jù)達(dá)到或超過(guò)預(yù)先設(shè)定的報(bào)警值，系統(tǒng)可以自動(dòng)向相關(guān)單位報(bào)警。

在地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)動(dòng)土施工時(shí)，僅僅對(duì)地鐵隧道進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要結(jié)合其他方法對(duì)地鐵隧道的水平變形、扭轉(zhuǎn)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而達(dá)到全方位監(jiān)測(cè)的目的。監(jiān)測(cè)過(guò)程中通常采用附合水準(zhǔn)線路，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)的復(fù)測(cè)和對(duì)點(diǎn)的穩(wěn)定性檢驗(yàn)，特別是要重點(diǎn)關(guān)注地鐵隧道與車站間結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)的差異沉降情況，從而避免附合水準(zhǔn)路線的閉合差超限。

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