城市軌道交通橋隧綜合監測系統設計

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）

1 引言

城市軌道交通運營線路結構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和運營過程中，由于施工建設、地質條件和降水等原因，容易誘發應力失衡進而導致橋隧基礎變形。地質條件及隧道埋深的不同，橋隧變形的表現形式也不相同，主要有橋體移動與變形、隧道管縫擠壓與錯臺、結構裂縫等。目前，城市軌道交通運營單位對于橋隧養護大多采用人工分區分段巡檢+手持探傷儀器相結合的形式，無法做到全天候24 h實時監測，其養護巡檢監測數據碎片化，缺乏有效統一整合，事件處置仍以現場巡檢人員的個人經驗為主，缺少應急處置流程和專家庫支持，危情提前預警功能缺失。為解決以上傳統橋隧養護過程中的不足和問題，將物聯網技術融入城市軌道交通橋隧日常養護管理，本文提出針對橋隧不同結構類型從設備布設到智慧養護的完整解決方案，打造多功能橋隧綜合監測系統，實現海量數據深度挖掘與分析、全天候24 h實時監測與預警、智能評估與主動防治等，達到加強運營安全服務、提高運營工作效率、減少運營維護成本等目的。

2 橋隧綜合監測系統構成

橋隧綜合監測系統由就地智能傳感器監測系統、網絡傳輸系統和橋隧綜合監測平臺3部分組成。在橋隧關鍵部位布設變形、應變、振動、環境等類型傳感器，借助無線或總線通信實現監測數據實時上傳至橋隧綜合監測平臺。系統構成如圖1所示。

圖1 橋隧綜合監測系統構成圖

（1）就地智能傳感器監測系統。包括傳感器、數據采集裝置、供電裝置及防雷裝置等，主要承擔橋梁、隧道及區域地表變形的相關物理量監測和數據采集。

（2）網絡傳輸系統。由于城市軌道交通工程所在區域通常是狹長形或者空曠的區域，監測傳感器可采用無線傳輸或者總線傳輸方式與監控中心進行數據傳輸。

（3）橋隧綜合監測平臺。主要針對隱患點及重點防御監測點建立與橋隧基礎設施結構相關聯的監測數據庫，同時基于結構物變形的監測數據，應用數學模型對結構的運行性態進行預警范圍和預警等級分析，提供對橋隧結構實時監控、分析預警和橋隧養護計劃等重要信息，可供巡檢人員日常查詢。

3 監測系統傳感器布局設計

3.1 隧道

地鐵隧道結構主要分為礦山法隧道與盾構隧道2種。隧道變形主要與鄰近施工、結構形式、混凝土配筋等因素有關。

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，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生碳化反應，使混凝土堿性降低，從而引發鋼筋銹蝕、增大結構脆性。另外，在施工階段，隧道二次襯砌拱部混凝土的澆筑質量難以保證，由于重力作用，可能會導致襯砌拱部出現空洞，進而導致應力集中現象，從而誘發襯砌開裂[1]。

以半斷面開挖隧道為例，為預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測斷面布設內空變位計和傾角計。另外，隧道內壁縫隙是襯砌開裂的直接表現形式，通過在內壁布設裂縫計，讀取內壁裂縫不同方位長度等參數判斷開裂程度，為后期維保提供數據依據。礦山法隧道監測內容如圖2所示。

3.1.2 盾構隧道

管片接縫變形是盾構隧道病害的主要因素，會引起盾構斷面的變形、管片的錯位等[1]。

盾構隧道主要監測管片結構凈空收斂、管片結構豎向/水平位移等情況[2-3]。管片結構凈空收斂選取隧道斷面作為監測點，通過收斂計和傾角計監測管片結構是否變形，管片間增加裂縫計監測管片結構豎向/水平位移變化。盾構隧道監測內容如圖3所示。

無論是何種隧道結構形態，列車運行安全性與地表平順性也密切相關，可通過布設靜力水準儀監測地表沉降情況，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，因此需設置地下水位觀測孔，實時監測道床水位。通過增設溫濕度傳感器實時監測列車運行環境與維保人員夜間施工環境。同時為了方便巡檢，設置監控攝像機，對隧道的整體狀態進行監測。具體監測內容詳見圖2和圖3。

圖2 礦山法隧道監測內容

圖3 盾構隧道監測內容

3.2 橋梁

城市軌道交通高架線路橋梁結構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構形式，地表以上主要由橋跨、支座及橋墩組成[4-5]。梁橋監測內容如圖4所示。

圖4 梁橋監測內容

（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行監測，包括橋跨自身水平及豎向位移監測、梁板間錯動監測[4-6]。目前可通過激光測距儀與反射標靶構成的監測系統判斷橋跨位移是否構成威脅[7]，同時在梁板間結構縫隙中增設三向位移計，判斷錯位情況。為預防橋跨受荷載長期壓力而變形，需對橋跨梁板的力學性能進行評估和預警，同時考慮到梁板混凝土結構本身會隨外界氣溫變化產生較大的變形（熱脹冷縮效應），因此需在橋跨斷面布設應變計監測受力情況，布設溫度計對溫度場分布狀態進行監測，二者結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生振動，此振動日積月累對橋梁結構本身有嚴重的影響，可在橋跨布設振動傳感器，實現振動監測，進行預測性維護。

（2）橋墩。當高架橋結構附近出現樁基施工、荷載加載等情況時，橋墩附近的土層會受到一定擾動，橋墩在側向水土壓力的作用下，易產生傾斜或不均勻沉降，進而影響橋跨梁板。因此，橋墩傾斜與沉降應作為監測的重點。可通過在橋墩側壁布設靜力水準儀測量橋墩的沉降情況，在橋墩頂部布設傾斜儀測量橋墩的傾斜角度，多維度監測橋墩的狀態。

（3）支座。支座作為橋跨與橋墩間的關鍵受力構件，支座反力的分布直接反映了橋跨結構內力和橋墩支撐狀態。可通過選用智能測力支座[9]，全方位監測支座的健康狀態。

（4）環境。列車的安全運行不僅與高架結構相關，也與高架線路的天氣環境息息相關。因此，通過布設雨量計[10]和激光雪深傳感器[11]，實時感知高架列車運行環境，為行車調度員提供判斷依據，最大限度保證高質量的運營服務。

3.2.2 斜拉橋

城市軌道交通高架結構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。斜拉橋地表以上結構主要包括主梁、索塔、斜拉索等部分[12]。斜拉橋監測內容如圖5所示。

圖5 斜拉橋監測內容

（1）主梁。斜拉橋主梁結構與上述梁橋的橋跨梁板結構相同，監測儀器及監測項目基本一致。

（2）斜拉索。斜拉索選取索力最大的索、應力幅最大的索及安全系數最小的索進行監測[9]，通過布設錨索計監測斜拉索的應力，對可能產生的斷裂進行預警。

（3）索塔。索塔與主梁撓度關系密切。索塔位移是關鍵監測內容，可通過布設傾角儀實時監測索塔傾斜度。同時，索塔位移受風力和風向影響較大，故需在索塔頂部布設風速風向儀進行監測，對索塔周圍的極端大風天氣情況進行預警。由于索塔為鋼筋混凝土結構，在溫度等作用下的結構應力和內力狀態會發生變化，因此需在其斷面布置應變計和溫度傳感器，為疲勞損傷壽命、結構損傷識別、結構狀態等方面評估提供依據，以此來判斷結構是否有損壞或潛在損壞[13]。

4 橋隧綜合監測平臺功能設計

根據GB 50911-2013 《城市軌道交通工程監測技術規范》中對橋隧監測的相關要求，為進一步提升橋隧監測與養護的數字化和信息化水平，城市軌道交通橋隧綜合監測平臺兼具實時監控、分析預警、養護巡檢和資產管理四大功能模塊，如圖6所示。

4.1 實時監控

通過智能傳感器及視頻分析技術手段對橋隧設施實現全天候不間斷地實時監護。橋隧綜合監測平臺主要考慮設備和設施2類監測數據。

（1）設備類監測針對現場采集層所配置的各個傳感器，對其狀態進行實時監測，包括在線/離線、讀數異常等。

（2）設施類監測是結合環境、變形、應變、振動等不同類型傳感器的采集數據，通過大數據綜合研判分析，給出基于土建設施的病害信息，如區間內累計降雨量超限、梁體應力超限等。

橋隧綜合監測平臺全天候24 h進行實時監測，無論是設備單點還是基于綜合研判的區間設施報警信息均可在GIS地圖上顯示。操作人員結合報警信息及現場視頻監控系統提供的實時影像進行情況確認，以減少誤判事件的發生，提升故障處置效率。實時監控功能界面如圖 7所示。

圖7 實時監控功能界面

4.2 分析預警

基于預警機制設定預警閾值，并根據數據觸發預警通知，實現動態預警。基于采集層的各類傳感器數據，通過分析預警模塊將碎片化的數據有效整合。除綜合顯示當前的設備、區間等健康度排行外，還可按土建設施監測、土建設施預警、監測設備狀態、綜合統計與評估等不同維度進行分析，為操作員提供直觀的監測統分數據，并提供病害發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，減少由于經驗不足而導致的誤判。

橋隧綜合監測平臺可以進行病害趨勢預警，操作人員可同時查看某區間段預警指標的當前值和預測值，如預測值超出閾值，監測平臺則會推送提示操作人員持續關注并進行現場檢修確認。此外，操作人員也可自行選擇任意的區間段和設施，查看其探測指標的當前值和預測值。分析預警功能界面如圖8所示。

圖8 分析預警功能界面

4.3 養護巡檢

實現信息化閉環管理，把巡檢管理工作精細化，發現問題由系統自動評分，簡化流程提高定檢效率。養護巡檢由養護巡檢信息匯總、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，操作人員可結合分析預警模塊提供的預警信息建立病害跟蹤，對預警問題持續跟進。也可通過新建工單的方式派維修人員現場進行維修、確認，操作人員所做的全部操作及維修人員的維護進度均可在監測平臺中查詢。此模塊使智能診斷、精準施修形成閉環，改善了維修人員的工作模式，實現了從傳統養護定期“計劃修”向智能精準“狀態修” “預測修”的轉變。

同時，為更好地支持操作人員和維修人員，橋隧綜合監測平臺還提供養護巡檢知識庫，通過與本地資源和專業數據庫的聯動，為工作人員提供作業指導書、行業標準、行業知識庫、部門規章等一系列文獻、媒體資料，實時為工作人員提供疑難解答，進一步提升業務水平。養護巡檢功能界面如圖9所示。

圖9 養護巡檢功能界面

4.4 資產管理

基于建立的設備檔案，資產管理模塊使管理更加直觀。橋隧綜合監測平臺中的資產包括橋隧監測相關設備、監測區段以及輔助視頻監控設備等，資產管理模塊可結合橋隧結構BIM模型對監測區段、設備布點、設備信息進行顯示，同時支持對新增設備的錄入以及現有設備的編輯。資產管理功能界面如圖10所示。

圖10 資產管理功能界面

5 結束語

隨著相關監測技術和數據處理技術的進一步發展，城市軌道交通橋隧綜合監測系統可以實現橋隧日常運維管理的科學化、信息化、標準化和可視化，在橋隧實時監控、日常養護巡檢、管理和突發事件應急處理等方面發揮重要作用，有助于城市軌道交通橋隧運維管理的信息化建設，確保城市軌道交通運營安全。參考文獻

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