長距離運營地鐵高架自動化監測技術

陸 正

上海市基礎工程集團有限公司 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測是一項必要工作。目前，高架監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，人工監測、測量機器人等監測方式，不能滿足對大量數據采集、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測技術，通過應用，達到了實時、穩定、準確的監測要求[1-2]。

1 工程概況

微山路站—財經大學站區間從微山路站出發約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大學站（表1、圖1）。

圖1 穿越區域1號線高架布置形式

表1 穿越區域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跨連續梁，橋面寬度為9.52 m。箱梁上部為道床、軌道、隔聲屏等結構設施。

2 監測難點分析

1）自動化監測系統安裝位于戶外，相對于室內環境，不利于監測系統的穩定性。若使用測量機器人進行監測，不利于保持通視及設備的維護。

2）需監測的高架線路較長，約1 150 m。若布設電子水平尺，則投入的監測設備數量過大，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）監測周期較長，在監測周期內，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 ℃，這對靜力水準系統傳感器自身長期的穩定性要求極高。

5）列車運行時的振動會對監測精度造成不利影響。由于戶外安裝，風力對通液管作用產生的管路晃動，會使系統內的恒壓不穩定，導致數據失真。地鐵的電力線纜會對監測系統的數據傳輸產生電磁干擾，造成監測數據波動[3-4]。

綜上所述，采取常規自動化監測手段無法保證監測數據的準確及時，需根據上述特點采取針對性的解決措施。

3 自動化監測實施

3.1 選擇監測方法

3.1.1 傳感器類型

綜合監測環境情況，自動化壓差式靜力水準系統為最優選擇，可實時監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由儲液箱、通液管、傳感器、通氣管、儀器電纜、無線傳輸數據處理器等組成（圖2），相比傳統靜力水準系統，這種壓力傳感器系統允許每個傳感器有更大的安裝高程差，占據更小的空間位置。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的液位傳遞方式更快，當測點高程發生改變時，傳感器的反應也能更加迅捷。GK-3655型壓差式沉降系統提供了優越的長期穩定性、可靠性，且只有極小的溫漂。采用模擬信號傳輸，傳輸可達數千米，由于其輸出的是電壓信號，因此讀數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，滿足監測要求。

圖2 GK-3655靜力水準儀

3.1.2 自動化監測系統組成

整個自動化系統監測由無線接收儀（天線、防雷模塊、無線模塊、數據處理模塊）、無線發送儀（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）和自動化監測軟件組成（圖3）。

圖3 靜力水準系統

3.2 監測系統安裝位置及方式

3.2.1 安裝位置

經過現場調研，為最大限度減少外部影響和列車運行對監測系統的影響，考慮到1號線高架段軌道結構與箱梁為整體結構，本次自動化監測系統安裝在箱梁北面側壁上，每個墩柱上部安裝1個傳感器。安裝1條監測線路，選擇此安裝位置的優點如下：

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

2）大幅度減少列車運行振動對監測系統的影響。大多數靜力水準監測系統在白天列車運營時，數據異常波動明顯。本項目結合自身環境特點，安裝在箱梁側壁，可以最大限度減少列車運行振動對監測系統的影響。

3）盾構掘進施工首先對高架樁基產生影響，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，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測情況進行對比、校核。

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

本項目設置監測點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，監測系統分3段安裝，設置起算點1個，共安裝靜力水準儀傳感器45個（圖4）。

圖4 自動化監測系統安裝位置

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測系統進行分段布置，每段靜力水準監測系統獨立監測、上傳數據。分段不宜太多，否則會影響系統性，根據現場情況，分3段安裝。第1段靠近財經大學站，監測長度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壁，利用箱梁側壁面高度，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壁，利用箱梁側壁面高度，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壁，利用箱梁側壁面高度，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。常規傳感器安裝方法（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壁表面上。為減小振動影響，本工程設計專用安裝支架，設置減振膠墊，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生的振動，提高傳感器監測精度。

圖5 常規安裝方式

圖6 安裝減振支架的方式

3）聯通管道安裝。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生虹吸管現象。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，這取決于系統是級聯系統還是“樹狀”系統或二者的結合。聯通管安裝時，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，使管路不與箱梁側壁貼合，在減少箱梁側壁振動對通液管路影響的同時，將聯通管固定牢固，避免刮風吹動聯通管。

圖7 帶減振膠墊的R型管箍

4）排氣。儲液系統有時是最困難的工作，因為會存在與殘留的氣泡相關的難題，還要解決如何清除氣泡的問題。填充該系統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，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。可能會有少量空氣跑進傳感器內部，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 數據采集與傳輸

3.3.1 數據采集

數據采集是由GK-Micro-40型自動化數據采集儀測量系統來實現的。由計算機、BGK-Logger安全監測系統軟件、BGK-Micro-40自動化數據采集儀（內置測量模塊）、智能式儀器（可獨立作為網絡節點的儀器）等組成，可完成各類工程安全監測儀器的自動測量、數據處理、圖表制作、異常測值報警等工作。本工程附近有較強電磁場，由于數據采集為有線方式，且傳輸距離較長，考慮電磁場對數據傳輸影響，采用雙層屏蔽數據線。數據采集為模擬量電壓采集，采集儀采用一對一獨立采集，且采集前穩定20 s，可提高采集精度。

3.3.2 數據計算方法

讀數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，如果液位上升，ΔERES是正數；R0為初始的傳感器讀數，單位是mA；R1為隨后的傳感器讀數，單位是mA；G是傳感器提供的校準系數，單位是kPa/mA；0.102 2是純凈水的換算系數，單位是m/kPa。

3.3.3 通信方式

通過GPRS/網絡進行數據傳輸，完成對感器數據的采集和監控，如圖8所示。

圖8 數據傳輸示意

3.4 數據處理

3.4.1 數據處理軟件

數據采集系統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）軟件通信設置：數據采集前首先進行通信設置，設置通信端口設置及監測頻率設定。

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

4）監測數據管理：查詢歷史數據并導出測點數據，生成變化量曲線圖。

5）數據報表輸出：預覽輸出監測數據報表。

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生變化，致使液體自身相對密度發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據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傳感器的一段監測數據，可以看出，在采取了一系列的安裝措施及溫差改正后，監測數據能夠達到實時、準確反映地鐵1號線高架變化的效果。

圖10 7 kPa傳感器數據

圖11 17 kPa傳感器數據

5 結語

目前，既有高架橋梁處于在建工程影響范圍內的案例越來越多，本文通過對被監測高架的結構形式和監測環境的具體特點進行分析研究，選擇最優的監測方法、安裝位置、安裝方式、數據采集傳輸方式、數據處理措施，能夠實時準確反映高架的結構位移及變形情況，從而指導在建工程調整施工，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既有高架的情況，輔以人工監測，采用人工監測與自動監測相結合的方式，更全面地掌握既有高架的結構位移及變形情況。