靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的應(yīng)用研究

【摘" " 要】：為了實(shí)時(shí)獲得地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)隧道的變化情況，確保地鐵運(yùn)營(yíng)的安全性，以靜力水準(zhǔn)儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在某城市運(yùn)營(yíng)地鐵隧道下穿洛河段的應(yīng)用為例，將人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在不同季節(jié)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的可靠性。研究結(jié)果顯示，靜力自動(dòng)化水準(zhǔn)儀具有高精度、實(shí)時(shí)性和可靠性，在地鐵隧道監(jiān)測(cè)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】：靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)；自動(dòng)化；地鐵；隧道

【中圖分類(lèi)號(hào)】：U231.1 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C 【文章編號(hào)】：1008-3197（2024）02-01-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.02.001

Study on the Application of Automatic Static Leveling Monitoring in the Running Metro Tunnel Crossing the Luohe River

ZHANG Wenjing

（China Railway Liuyuan Group Co. Ltd.， Tianjin 300308，China）

【Abstract】：In order to obtain the changes of tunne in real-time when the subway is in operation and ensure the safety of subway operations， this paper presents a case study on the application of automatic static level monitoring in the Luohe River section of a city subway tunnel. A comparison and analysis between manual monitoring data and automatic static level monitoring data are conducted across different seasons， demonstrating the high reliability of automatic static level monitoring. The results indicate that automatic static level monitoring offers high precision， real-time capabilities， and reliability， making it highly valuable for subway tunnel surveillance.

【Key words】：static leveling monitoring; automation; subway;tunnel

準(zhǔn)確及時(shí)獲取地鐵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是確保地鐵安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵。人工監(jiān)測(cè)受運(yùn)營(yíng)時(shí)間限制，需要提前上報(bào)作業(yè)計(jì)劃并且只能在地鐵停運(yùn)時(shí)才能開(kāi)始作業(yè)，不僅大大影響了工作效率，而且費(fèi)用較高。具有自動(dòng)化采集、24 h不間斷監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)分析、高精度監(jiān)測(cè)的靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)在運(yùn)營(yíng)地鐵中的應(yīng)用[1]。

陳果等[2]研究環(huán)境溫度對(duì)壓差式靜力水準(zhǔn)儀測(cè)試精度影響，通過(guò)建立模型進(jìn)行驗(yàn)證，表明溫度的變化是影響沉降監(jiān)測(cè)精度最重要的因素。柳飛等[3]研究靜力水準(zhǔn)儀測(cè)試地鐵隧道整體道床剝離量，發(fā)現(xiàn)靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)得到的剝離量與道床鉆心取樣量相比較小，但是兩者呈現(xiàn)了一致的變形趨勢(shì)，具有相同的脫空范圍，證明了靜力水準(zhǔn)儀推算道床剝離量的可行性。溫賢培[4]從液壓靜力水準(zhǔn)儀工作原理出發(fā)，利用差分計(jì)算方法分析了數(shù)據(jù)偏差的原因，找出減小高落差環(huán)境對(duì)采集數(shù)據(jù)影響的方法。張建坤等[5]通過(guò)選用3σ準(zhǔn)則剔除靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)奇異值并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)插補(bǔ)，獲得能夠反映出地鐵盾構(gòu)下穿上部既有地鐵時(shí)測(cè)點(diǎn)的真實(shí)曲線(xiàn)數(shù)據(jù)。

地鐵運(yùn)營(yíng)期間隨時(shí)掌握地鐵運(yùn)行的安全性是保證乘客安全的大事，通過(guò)監(jiān)控量測(cè)掌握該段隧道結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期間的變形速率、變化趨勢(shì)等情況，以便及時(shí)采取有效措施，確保地鐵結(jié)構(gòu)及運(yùn)營(yíng)安全[6]。學(xué)者對(duì)靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化系統(tǒng)在不同環(huán)境中的應(yīng)用分析較少，不同季節(jié)性數(shù)據(jù)分析也相對(duì)不足。本文論述了靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的原理，以靜力水準(zhǔn)儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在某城市運(yùn)營(yíng)地鐵隧道下穿洛河段中的應(yīng)用為例，對(duì)比人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在不同季節(jié)河水流量變化下變化趨勢(shì)，分析兩者之間的關(guān)系，多角度對(duì)靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

1 靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

1.1 靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化系統(tǒng)

地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定部位及變形區(qū)域分別放置靜力水準(zhǔn)儀組成基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)，強(qiáng)制對(duì)中儀器墊板安裝在隧道結(jié)構(gòu)上，儀器之間用連通管串聯(lián)，充滿(mǎn)靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)專(zhuān)用液體，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)電纜連接到采集箱，再通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊把數(shù)據(jù)傳送至電腦終端的接收模塊，接到的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)處理程序可隨時(shí)生成所需報(bào)表[7]。見(jiàn)圖1。

1.2 靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由多個(gè)靜力水準(zhǔn)儀及安裝支架、液管、氣管、儲(chǔ)液箱、采集箱等組成。基準(zhǔn)點(diǎn)置于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的基點(diǎn)，將基準(zhǔn)點(diǎn)及多個(gè)測(cè)點(diǎn)串聯(lián)，再連接采集箱進(jìn)行供電及數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)接收發(fā)送數(shù)據(jù)給云服務(wù)平臺(tái)[8]。測(cè)點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)生升降時(shí)，將引起各點(diǎn)液位值的變化，通過(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)的液位變化量，來(lái)計(jì)算各測(cè)點(diǎn)相對(duì)水平基點(diǎn)的升降變化，從而實(shí)現(xiàn)沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè)[9]。見(jiàn)圖2。

任何一個(gè)測(cè)點(diǎn)都可以看做與基準(zhǔn)點(diǎn)直接相連，基準(zhǔn)點(diǎn)A與測(cè)點(diǎn)B相對(duì)于基準(zhǔn)面[H0]的高程分別為[H1]、[H2]，由連通管原理可得所有容器內(nèi)的液面相同，則

[H1+h1=H2+h2] （1）

[a1=h1+b1] （2）

[a2=h2+b2] （3）

式中：[a1]、[a2]在儀器安裝后為固定值；[b1]、[b2]為歷次測(cè)量值。將式（2）和式（3）代入式（1），可得

[H2=H1+a1-a2-b1-b2] （4）

則監(jiān)測(cè)點(diǎn)B第i次沉降量

[?Hi2=Hi2-H02=H1+a1-a2-bi1-bi2-H1+a1-a2-b01-b02=b01-b02-bi1-bi2]利用傳感器測(cè)得任意時(shí)刻監(jiān)測(cè)點(diǎn)容器內(nèi)液面相對(duì)于該點(diǎn)頂面安裝高程的距離[bi1]、[bi2]，即可求得該時(shí)刻測(cè)點(diǎn)B相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)A的高程變化量，即為監(jiān)測(cè)點(diǎn)B在該時(shí)刻的累計(jì)沉降量[10]。

2 案例分析

2.1 工程概況

某城市軌道交通工程區(qū)間需盾構(gòu)下穿洛河。隧道區(qū)間左線(xiàn)長(zhǎng)2 031.938 m、右線(xiàn)長(zhǎng)2 017.440 m，盾構(gòu)法施工，左右線(xiàn)線(xiàn)間距12.0～14.8 m，監(jiān)測(cè)區(qū)段線(xiàn)路最大縱坡為5.0‰，覆土厚度9.6～19.2 m，穿越的主要地層為卵石層，地貌單元為伊洛河一級(jí)階地，沿線(xiàn)分布有一定厚度的濕陷性土層。初勘階段進(jìn)行了濕陷性黃土專(zhuān)項(xiàng)勘察工作，所有土樣自重濕陷系數(shù)均＜0.015，為非自重濕陷性場(chǎng)地。為確保地鐵運(yùn)營(yíng)安全，通過(guò)監(jiān)控量測(cè)掌握下穿河隧道結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期間的變形速率、變化趨勢(shì)等情況，以便及時(shí)采取有效措施。

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)

下穿洛河隧道段需要監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)度為645 m，按照每30 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)在監(jiān)測(cè)區(qū)間影響范圍外穩(wěn)定處，共計(jì)布設(shè)46個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。見(jiàn)圖3。

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)方法

1）在隧道結(jié)構(gòu)側(cè)壁預(yù)監(jiān)測(cè)位置安裝強(qiáng)制對(duì)中儀器墊板，墊板上埋設(shè)3個(gè)螺紋螺桿，埋設(shè)時(shí)保證各點(diǎn)的墊板盡量在同一水平面上；安設(shè)時(shí)條件允許情況下用水準(zhǔn)儀現(xiàn)場(chǎng)找平，同時(shí)保證墊板的水平[11]。

2）儀器之間用PVE連通管連接起來(lái)，同時(shí)防止垂直方向出現(xiàn)Ω形；連通管關(guān)鍵位置采用PVC管加以保護(hù)，為加快注液速度，應(yīng)從同一測(cè)段中部向兩端注入液體，趕出連通管中的所有氣泡。

3）各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡量調(diào)整至同一水平位置，必要時(shí)可用水準(zhǔn)儀進(jìn)行校正。

4）對(duì)安裝過(guò)程中的細(xì)節(jié)進(jìn)行檢查，如膨脹螺絲的固定，連通管是否漏液體等[12]。

2.4 靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化分析

靜力水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)采集頻率根據(jù)施工進(jìn)度調(diào)整，24 h不間斷采集，考慮到白天列車(chē)運(yùn)營(yíng)對(duì)靜力水準(zhǔn)儀影響比較明顯，曲線(xiàn)波動(dòng)較大，列車(chē)停運(yùn)后曲線(xiàn)平穩(wěn)，基本穩(wěn)定在相同的測(cè)量值，為剔除列車(chē)運(yùn)營(yíng)對(duì)數(shù)據(jù)的影響，在進(jìn)行沉降分析時(shí)采用0：00—4：00的數(shù)據(jù)，這一時(shí)段內(nèi)除隧道施工的微小影響外，基本沒(méi)有其他因素干擾，其他時(shí)段數(shù)據(jù)作為隧道突發(fā)沉降的參考。數(shù)據(jù)采集周期為1 a，采集頻率設(shè)置為30 min/次。

以靠近下穿隧道中段的6個(gè)點(diǎn)XCD8～XCD13為分析對(duì)象，選取2022年5月1日—2023年2月1日的累計(jì)沉降變化值來(lái)分析地鐵運(yùn)營(yíng)對(duì)隧道的影響。影響最大值為-0.97 mm，未超過(guò)1 mm，沉降值非常小，可以看出地鐵運(yùn)營(yíng)對(duì)下穿洛河隧道段的影響非常小，表明地鐵運(yùn)營(yíng)處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。見(jiàn)圖4。

2.5 人工監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

為了確保數(shù)據(jù)真實(shí)反映地鐵運(yùn)營(yíng)對(duì)隧道的影響，從靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)開(kāi)始，一共進(jìn)行了5次人工監(jiān)測(cè)，選取其中2次人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與靜力水準(zhǔn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，分析兩者之間的關(guān)系。見(jiàn)圖5。

選取7月和1月的數(shù)據(jù)是考慮到隧道為下穿洛河段，季節(jié)和時(shí)間不同，河水流量不同。7月份人工數(shù)據(jù)和自動(dòng)化數(shù)據(jù)整體表現(xiàn)出來(lái)較好的一致性，只在XCD13～XCD15點(diǎn)差別較大，為0.95 mm；1月份人工數(shù)據(jù)和自動(dòng)化數(shù)據(jù)整體也表現(xiàn)出較好的一致性，在點(diǎn)號(hào)XCD1和XCD8差別較大，為0.78。差值均在1mm以?xún)?nèi)，在允許誤差范圍內(nèi)。

1月和7月數(shù)據(jù)曲線(xiàn)都呈“反S”形趨勢(shì)，不同月份的數(shù)據(jù)并沒(méi)有因河流流量的變化而改變，均表現(xiàn)出隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)。人工監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)均變現(xiàn)出較高的可利用性。

3 結(jié)語(yǔ)

地鐵下穿洛河段的運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)對(duì)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備精度要求高、作業(yè)量大，監(jiān)測(cè)實(shí)施及布點(diǎn)位置必須科學(xué)合理。從數(shù)據(jù)分析來(lái)看，靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠真實(shí)反映地鐵隧道下穿洛河段的變化，利用人工數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證了靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的高精度和可靠性，能夠精確監(jiān)控地鐵變化，保證地鐵結(jié)構(gòu)和設(shè)備安全，為地鐵后續(xù)運(yùn)營(yíng)和維護(hù)使用提供依據(jù)。

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收稿日期：2023-03-20

課題項(xiàng)目：中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司測(cè)繪院科技開(kāi)發(fā)重點(diǎn)項(xiàng)目（CHKY-2022-06）

作者簡(jiǎn)介：張文靜（1990 - ）， 女， 碩士， 河南洛陽(yáng)人， 工程師， 從事地鐵隧道監(jiān)測(cè)與測(cè)量工作。