论文部分内容阅读
【摘 要】 本文阐述了如何基于利用先进的计算机信息技术、自动化监测技术、无线传输技术实现自动化监测及信息管理的综合系统。该系统实现了对既有地铁的自动化监测和集中管理,有效的提高了监测单位的生产效率,降低管理成本。该自动化监测信息管理系统具有自动化程度高、监测精度高、传输稳定性强等特点,在北京站至北京西站地下直径线工程平行既有地铁2号线长椿街站西喇叭口区间试验段变形监测实施过程中取得了理想的控制效果,保证了施工期间既有地铁线路的安全运营。
【关键词】 自动化监测;无线传输;信息系统;既有地铁;变形监测
1 前言
近年来,我国地铁工程建设发展迅速,受城市地下空间的限制,新建工程不可避免的面临着近距离穿越既有地铁线路施工的问题。拟建地下直径线为连接北京站与北京西站之间的铁路线,直径线大致与北京地铁2号线南环平行,与2号线主体结构平均净距约16m,为确保既有地铁的安全状态及正常运营是新建铁路施工的重中之重。采取远程自动化监测手段观测新建铁路施工过程中既有地铁的变形情况成为施工中的必要手段。
本文阐述了基于无线传输方式,并采用静力水准监测技术,实现自动化监测及信息管理的综合系统在既有地铁监测中的应用。
2 工程简介
2.1工程概况
直径线位于北京市中心区,线路大致呈东西走向,沿途经过崇文门、前门、和平门、宣武门、西便门、天宁寺、小马场。线路隧道全长7.285km,隧道顶部最大埋深达29m,平均约13m。主要采用盾构法施工(双线单洞断面,外径12.04m)。
图1 直径线线路平面位置示意图
为了掌握直径线盾构施工对既有地铁线的影响情况,选取盾构施工进入既有地铁2号线复兴门~长椿街区间B167+30~B168+80(对应直径线里程K5+710~K5+560),长度为150m,作为试验段,直径线在该段与地铁2号线长椿街西喇叭口区间斜向并行,水平距离由约17.4m渐变到2.2m。平面关系如图2所示。
图2 直径线线路与既有2号线关系示意图
2.2自动化监测项目、精度、频率及周期
结合直径线工程特点及地铁运营情况,在试验段监测过程中,主要对地铁隧道结构竖向变形及差异变形采用自动化监测手段。具体监测项目、精度、频率及周期见表1。
表1 监测项目、精度、频率及周期情况统计表
监测项目 监测仪器 监测精度 监测频率 监测周期
隧道结构
竖向变形及差异变形 静力
水准 0.1mm 1)施工关键期1次/20分钟记录一次数据,每天四小时一次提交监测报表;平时状态:两小时记录一次数据。
2)盾构出现异常情况时,加密自动化监测频率至5~10分钟采集一次数据。 盾构掘进前6B测得可靠的初始数据,掘进后10B,监测数据稳定后。
注:B为盾构直径
3 监测信息管理系统组建
系统由传感器(静力水准仪)、数据采集单元(NDA1303)、计算机、信息管理软件及通讯网络构成。现场数据采集单元(DAU)对所辖的静力水准仪按照监测频率自动测量,并将全部数据暂存于DAU中,依靠无线传输系统向监测主机传送所测数据;监控主机对实测数据进行检查和在线监控,并向管理主机传送經过检验的数据入库;技术人员对存储在管理主机的数据进行处理和分析,实时报告监测信息。通过实现实时采集监测数据,自动计算监测成果,自动判断监测成果状态,整个处理过程由系统自动完成,避免由于人工操作而造成错误。监测系统组成见图3。
3.1自动化测点布设
直径线工程试验段施工影响范围内的既有地铁2号线隧道结构竖向变形及差异变形自动化测点,布设在影响范围内每条洞体主体结构变形缝两侧,共布设40个测点。监测点平面布置见图4,其布设形式及数据采集单元见图5、图6。
3.2无线传输系统
图3 自动化监测系统流程图
图4 直径线区间试验段内自动化监测布点图
图5 自动化监测布点形式图 图6 数据采集单元
本系统采用GPRSDTU的无线传输方式即一端为DTU一端为无线数据服务中心的中心对多点工作模式进行传输,现场无线传输DTU设备对应控制计算机的1个虚拟COM口(专业软件设置),确保收发指令及数据的一一对应。由安装于采集计算机的无线数据服务中心对现场GPRSDTU进行集中管理。
该系统对2号线内现场设备无特殊要求,只要现场信号强,能够保证传输效果即可。该传输方式具有透明数据传输,无需后台计算机支持,永远在线,按流量计费,高速传输,组网简单、迅速、灵活,对等数据传输,传输时延小等特点。试验段监测过程中,对现场单条隧道的全部监测数据进行一次数据发布到获取的过程约需1分钟,通信效率较高,满足高频率通信的要求。
3.3自动化监测控制程序
既有地铁2号线试验段监测过程中,自动化监测仪器每20分钟采集并记录一次数据,采集数据通过无线传输至控制计算机后,进行自动解算,从对现场40台仪器自发布取数命令至解算并删除现场数据完成整个过程约需3分钟,并将各传感器原始观测成果及解算成果存储于自动化监测控制程序数据库。快速高效,实时可靠采用的静力水准测量系统测试时间短,数据实时性佳,测量结果受人员影响小。
3.4监测数据发布系统
通过监测数据发布系统,将发布系统数据库最新数据调入查询界面,并更新数据变形曲线,便于信息查阅人对监测数据实时把控。该系统作为自动化监测数据的发布系统,操作比较简洁,目前主要有如下功能:单点时程曲线和速率曲线查阅;监测数据报警;断面曲线查阅;监测频率调整;导出监测数据;文档资料和现场巡视管理等。本项目发布系统主要界面如下图7、图8: 图7 系统主界面
该系统在试验段2个月监测应用过程中,未出现数据丢包现象。“发布取数指令——无线传输——自动解算——结果存储——清空采集单元数据”的流程各步衔接紧密,稳定性强。
图8 监测数据查询界面
4 自动化监测成果分析
4.1监测成果
从2010年3月3日~30日,自动化监测项目以每20分钟一次的频率进行监测。
(1)内环自动化监测成果分析
图9 内环自动化隧道结构监测断面图
通过图9可以看出,自动化监测内环隧道结构竖向变形,整体变形表现为上浮,在5~13断面上浮量最大,该范围对应地铁里程B167+70~B168+43,该段范围直径线外皮距地铁2号线距离为11.5m~3.2m。
图10 内环自动化隧道结构监测时程曲线图
通过图10可以看出,自动化监测内环隧道结构竖向变形介于+0.22mm~+1.0mm。累计变形最大测点为ZJA12,值为+1.0mm(对应地铁里程B168+28)。平均变形速率为+0.03mm/d。
(2)外环自动化监测成果分析
图11 外环自动化隧道结构监测断面图
通过图11可以看出,自9~10断面,外环隧道结构开始有较明显的沉降趋势,沉降值超过-1.0mm。此处对应地铁里程B168+10,与直径线净距约为6.58m。
图12 外环自动化隧道结构监测时程曲线图
通过图12可以看出,外环隧道结构竖向变形介于-1.63mm~+0.24mm。累计变形最大测点为YJA17,值为-1.63mm(对应地铁里程B168+80)。自2010年3月20日起,外环隧道结构累计沉降量开始超过-1mm。此时直径线掘进至里程B168+25.5,此时在9-10断面(B168+10)開始有较明显的沉降趋势,此处为盾构机盾尾位置。
4.2监测分析
通过对隧道结构自动化数据综合分析,得出如下结论:
内环隧道结构受影响较小,影响体现为微量上浮;盾构机与既有2号线净间距小于6.5m时,外环隧道结构出现较明显沉降趋势(沉降量最大为-1.9mm);
受影响的隧道结构竖向变形监测断面在盾构机头到达监测断面前有轻微隆起现象,在盾构机尾部通过时为沉降较为明显,在盾构机尾部通过后2~3天,变形开始趋于稳定。影响距离大约为盾构机前后20~30m。
5 结语
(1)基于先进的计算机信息技术、自动化监测技术、无线传输技术的监测信息管理系统在地下直径线工程平行既有地铁2号线区间试验段变形监测实施过程中,实时采集既有地铁结构的变形数据信息,记录的数据连续可靠,实时反映了既有地铁的沉降过程和变形规律,为分析和判断大直径盾构侧穿既有地铁线对既有线隧道结构的影响程度提供了科学依据,为建设单位及运营单位提供准确的监测数据和信息,为后续工程施工、轨道防护及监测等方案的完善提供参考数据。
(2)系统通过高密度、长时间、自动化观测,解决了传统监测技术无法在高密度行车区间内实施作业的技术难题。同时大量监测数据自动传输至监测中心,进行数据存储、查询和比较验证,系统配套软件迅速对比数据进行分析,及时向各方反馈信息,确保了既有线安全、不间断运营,也为监测单位提高了生产效率,降低了人工成本。
(3)该监测系统采用高新技术,可自动化数字化遥测,是一种分散采集、集中管理的安全监测系统,系统布局灵活、扩展方便,具有遥测、遥控、数据远程传输、预警、一体化网络功能,该系统自动化程度高、监测精度高、传输稳定性强,不仅在既有地铁自动化监测领域,而且在类似的市政设施、地质灾害、大坝等领域复杂工程变形监测和长期健康观测提供了科学可靠的测量方法。
参考文献:
[1]刘朝明.文志云,远程监控管理技术及在轨道交通建设中的应用[J].上海建设科技,2005,(5):11-12.
[2]肖晋辉.袁越华,余渊等.CCTV主楼基础沉降静力水准测量技术[J].施工技术,2010(3).
[3]符欲梅.朱永等,桥梁远程状态自动监测系统的研究、开发及实际应用[J].土木工程学报,2003(2).
[4]张成平.张顶立,骆建军等,地铁车站下穿既有线隧道施工中的远程监测系统[J].岩土力学,2009(6).
[5]崔天麟.肖红渠.王刚,自动化监测技术在新建地铁穿越既有线中的应用[J].隧道建设,2008(3).
[6]刘军.张飞进等,远程自动连续监测系统在复杂地铁工程中的应用[J].中国铁道科学,2007(5).
[7]张书华.蒋瑞波,基于测量机器人的隧道变形自动监测系统的设计与实现[J].测绘科学,2009(5).
[8]张秦劳.禹洪海.范文俊,三门峡大坝静力水准自动化量测系统[J].大坝观测与土工测试,1996(12).
【关键词】 自动化监测;无线传输;信息系统;既有地铁;变形监测
1 前言
近年来,我国地铁工程建设发展迅速,受城市地下空间的限制,新建工程不可避免的面临着近距离穿越既有地铁线路施工的问题。拟建地下直径线为连接北京站与北京西站之间的铁路线,直径线大致与北京地铁2号线南环平行,与2号线主体结构平均净距约16m,为确保既有地铁的安全状态及正常运营是新建铁路施工的重中之重。采取远程自动化监测手段观测新建铁路施工过程中既有地铁的变形情况成为施工中的必要手段。
本文阐述了基于无线传输方式,并采用静力水准监测技术,实现自动化监测及信息管理的综合系统在既有地铁监测中的应用。
2 工程简介
2.1工程概况
直径线位于北京市中心区,线路大致呈东西走向,沿途经过崇文门、前门、和平门、宣武门、西便门、天宁寺、小马场。线路隧道全长7.285km,隧道顶部最大埋深达29m,平均约13m。主要采用盾构法施工(双线单洞断面,外径12.04m)。
图1 直径线线路平面位置示意图
为了掌握直径线盾构施工对既有地铁线的影响情况,选取盾构施工进入既有地铁2号线复兴门~长椿街区间B167+30~B168+80(对应直径线里程K5+710~K5+560),长度为150m,作为试验段,直径线在该段与地铁2号线长椿街西喇叭口区间斜向并行,水平距离由约17.4m渐变到2.2m。平面关系如图2所示。
图2 直径线线路与既有2号线关系示意图
2.2自动化监测项目、精度、频率及周期
结合直径线工程特点及地铁运营情况,在试验段监测过程中,主要对地铁隧道结构竖向变形及差异变形采用自动化监测手段。具体监测项目、精度、频率及周期见表1。
表1 监测项目、精度、频率及周期情况统计表
监测项目 监测仪器 监测精度 监测频率 监测周期
隧道结构
竖向变形及差异变形 静力
水准 0.1mm 1)施工关键期1次/20分钟记录一次数据,每天四小时一次提交监测报表;平时状态:两小时记录一次数据。
2)盾构出现异常情况时,加密自动化监测频率至5~10分钟采集一次数据。 盾构掘进前6B测得可靠的初始数据,掘进后10B,监测数据稳定后。
注:B为盾构直径
3 监测信息管理系统组建
系统由传感器(静力水准仪)、数据采集单元(NDA1303)、计算机、信息管理软件及通讯网络构成。现场数据采集单元(DAU)对所辖的静力水准仪按照监测频率自动测量,并将全部数据暂存于DAU中,依靠无线传输系统向监测主机传送所测数据;监控主机对实测数据进行检查和在线监控,并向管理主机传送經过检验的数据入库;技术人员对存储在管理主机的数据进行处理和分析,实时报告监测信息。通过实现实时采集监测数据,自动计算监测成果,自动判断监测成果状态,整个处理过程由系统自动完成,避免由于人工操作而造成错误。监测系统组成见图3。
3.1自动化测点布设
直径线工程试验段施工影响范围内的既有地铁2号线隧道结构竖向变形及差异变形自动化测点,布设在影响范围内每条洞体主体结构变形缝两侧,共布设40个测点。监测点平面布置见图4,其布设形式及数据采集单元见图5、图6。
3.2无线传输系统
图3 自动化监测系统流程图
图4 直径线区间试验段内自动化监测布点图
图5 自动化监测布点形式图 图6 数据采集单元
本系统采用GPRSDTU的无线传输方式即一端为DTU一端为无线数据服务中心的中心对多点工作模式进行传输,现场无线传输DTU设备对应控制计算机的1个虚拟COM口(专业软件设置),确保收发指令及数据的一一对应。由安装于采集计算机的无线数据服务中心对现场GPRSDTU进行集中管理。
该系统对2号线内现场设备无特殊要求,只要现场信号强,能够保证传输效果即可。该传输方式具有透明数据传输,无需后台计算机支持,永远在线,按流量计费,高速传输,组网简单、迅速、灵活,对等数据传输,传输时延小等特点。试验段监测过程中,对现场单条隧道的全部监测数据进行一次数据发布到获取的过程约需1分钟,通信效率较高,满足高频率通信的要求。
3.3自动化监测控制程序
既有地铁2号线试验段监测过程中,自动化监测仪器每20分钟采集并记录一次数据,采集数据通过无线传输至控制计算机后,进行自动解算,从对现场40台仪器自发布取数命令至解算并删除现场数据完成整个过程约需3分钟,并将各传感器原始观测成果及解算成果存储于自动化监测控制程序数据库。快速高效,实时可靠采用的静力水准测量系统测试时间短,数据实时性佳,测量结果受人员影响小。
3.4监测数据发布系统
通过监测数据发布系统,将发布系统数据库最新数据调入查询界面,并更新数据变形曲线,便于信息查阅人对监测数据实时把控。该系统作为自动化监测数据的发布系统,操作比较简洁,目前主要有如下功能:单点时程曲线和速率曲线查阅;监测数据报警;断面曲线查阅;监测频率调整;导出监测数据;文档资料和现场巡视管理等。本项目发布系统主要界面如下图7、图8: 图7 系统主界面
该系统在试验段2个月监测应用过程中,未出现数据丢包现象。“发布取数指令——无线传输——自动解算——结果存储——清空采集单元数据”的流程各步衔接紧密,稳定性强。
图8 监测数据查询界面
4 自动化监测成果分析
4.1监测成果
从2010年3月3日~30日,自动化监测项目以每20分钟一次的频率进行监测。
(1)内环自动化监测成果分析
图9 内环自动化隧道结构监测断面图
通过图9可以看出,自动化监测内环隧道结构竖向变形,整体变形表现为上浮,在5~13断面上浮量最大,该范围对应地铁里程B167+70~B168+43,该段范围直径线外皮距地铁2号线距离为11.5m~3.2m。
图10 内环自动化隧道结构监测时程曲线图
通过图10可以看出,自动化监测内环隧道结构竖向变形介于+0.22mm~+1.0mm。累计变形最大测点为ZJA12,值为+1.0mm(对应地铁里程B168+28)。平均变形速率为+0.03mm/d。
(2)外环自动化监测成果分析
图11 外环自动化隧道结构监测断面图
通过图11可以看出,自9~10断面,外环隧道结构开始有较明显的沉降趋势,沉降值超过-1.0mm。此处对应地铁里程B168+10,与直径线净距约为6.58m。
图12 外环自动化隧道结构监测时程曲线图
通过图12可以看出,外环隧道结构竖向变形介于-1.63mm~+0.24mm。累计变形最大测点为YJA17,值为-1.63mm(对应地铁里程B168+80)。自2010年3月20日起,外环隧道结构累计沉降量开始超过-1mm。此时直径线掘进至里程B168+25.5,此时在9-10断面(B168+10)開始有较明显的沉降趋势,此处为盾构机盾尾位置。
4.2监测分析
通过对隧道结构自动化数据综合分析,得出如下结论:
内环隧道结构受影响较小,影响体现为微量上浮;盾构机与既有2号线净间距小于6.5m时,外环隧道结构出现较明显沉降趋势(沉降量最大为-1.9mm);
受影响的隧道结构竖向变形监测断面在盾构机头到达监测断面前有轻微隆起现象,在盾构机尾部通过时为沉降较为明显,在盾构机尾部通过后2~3天,变形开始趋于稳定。影响距离大约为盾构机前后20~30m。
5 结语
(1)基于先进的计算机信息技术、自动化监测技术、无线传输技术的监测信息管理系统在地下直径线工程平行既有地铁2号线区间试验段变形监测实施过程中,实时采集既有地铁结构的变形数据信息,记录的数据连续可靠,实时反映了既有地铁的沉降过程和变形规律,为分析和判断大直径盾构侧穿既有地铁线对既有线隧道结构的影响程度提供了科学依据,为建设单位及运营单位提供准确的监测数据和信息,为后续工程施工、轨道防护及监测等方案的完善提供参考数据。
(2)系统通过高密度、长时间、自动化观测,解决了传统监测技术无法在高密度行车区间内实施作业的技术难题。同时大量监测数据自动传输至监测中心,进行数据存储、查询和比较验证,系统配套软件迅速对比数据进行分析,及时向各方反馈信息,确保了既有线安全、不间断运营,也为监测单位提高了生产效率,降低了人工成本。
(3)该监测系统采用高新技术,可自动化数字化遥测,是一种分散采集、集中管理的安全监测系统,系统布局灵活、扩展方便,具有遥测、遥控、数据远程传输、预警、一体化网络功能,该系统自动化程度高、监测精度高、传输稳定性强,不仅在既有地铁自动化监测领域,而且在类似的市政设施、地质灾害、大坝等领域复杂工程变形监测和长期健康观测提供了科学可靠的测量方法。
参考文献:
[1]刘朝明.文志云,远程监控管理技术及在轨道交通建设中的应用[J].上海建设科技,2005,(5):11-12.
[2]肖晋辉.袁越华,余渊等.CCTV主楼基础沉降静力水准测量技术[J].施工技术,2010(3).
[3]符欲梅.朱永等,桥梁远程状态自动监测系统的研究、开发及实际应用[J].土木工程学报,2003(2).
[4]张成平.张顶立,骆建军等,地铁车站下穿既有线隧道施工中的远程监测系统[J].岩土力学,2009(6).
[5]崔天麟.肖红渠.王刚,自动化监测技术在新建地铁穿越既有线中的应用[J].隧道建设,2008(3).
[6]刘军.张飞进等,远程自动连续监测系统在复杂地铁工程中的应用[J].中国铁道科学,2007(5).
[7]张书华.蒋瑞波,基于测量机器人的隧道变形自动监测系统的设计与实现[J].测绘科学,2009(5).
[8]张秦劳.禹洪海.范文俊,三门峡大坝静力水准自动化量测系统[J].大坝观测与土工测试,1996(12).