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自动化监测技术在运营地铁隧道中的应用
日期:2017-9-6 9:24:24 作者:佚名 来源:本站原创
新闻中心
【摘  要】本文以“广州地铁一号线”为案例,分析介绍自动化监测技术在地铁隧道运营中的实际运用。
【关键词】 地铁隧道 运营 监测 自动化
 
      交通问题已经成为制约社会经济发展的一大因素,缓解社会交通压力是政府发挥公共服务职能的关键性工作。地铁工程是国家重点投资的市政项目,在维持社会交通运输活动期间发挥了重大的作用。 隧道是地铁工程的核心部分,加强地铁隧道的
 
一、案例介绍
      广州地铁一号线长寿路至陈家祠区间隧道从华贵路西侧旧民房下穿过。华贵路小区基坑边线距地铁隧道的最小水平净距18m,相邻地铁区间隧道结构顶顶板城建高程约为-2.2~-4.2m。 地铁隧道主要处于淤泥和砂层地质环境中,为了保证施工过程中地铁隧道结构和列车运行安全,需对该区间的局部地段进行自动化监测,以实时掌握隧道结构的动态变化和满足信息化施工的要求。
 
二、地铁隧道自动化监测的主要目的
      广州地铁一号线长~陈区间隧道结构变形自动化监测包括监测点为48个、基准点为7个,共55个测点。 2008年4月2日~2010年2月14日监测期间,共计监测完成监测点86839点·次。 靠长寿路测站完成监测次数1702次, 靠陈家祠测站完成监测次数1418次。以该案例说明地铁隧道实施自动化监测的目的在于:
      1.确定施工参数。 地铁工程是国家投资的重点工程,若施工参数出现错误或误差偏大则直接导致工程质量不达标。将监测数据与设计理论值相比较以判断前一步施工工艺和施工参数是否符合预期要求,以确定和优化下一步的施工参数,为后期施工信息化操作提供了可靠的帮助。
      2.优化设计方案。 设计是地铁工程的总指导,对隧道进行优化设计可引导施工单位采取最优化设计方案,简化整体工程作业的步骤,提高项目施工的效率。将现场监测结果用于信息化反馈优化设计,使设计达到优质安全、经济合理、施工快捷的目的。
      3.提升工艺水平。 良好的工艺流程是施工质量的保证,地铁隧道监测可及时发现工艺方案存在的不足,提醒作业人员尽快修改方案。 如临近地铁基坑施工现场积极引进先进、信息化施工技术,对施工全过程中周边环境进行监测,确保施工安全并提高施工工艺水平。
      4.避免互相干扰。 地铁运营期间无法进行人工监测,采用自动监测模式调控施工,实现全天候实时监测,可以减少监测外业与地铁运营及维护工作的相互影响,保证监测开展的正常性和及时性。 可以灵活调整监测频率,不受行车和其他因素的影响。
 
三、自动化监测基准点及监测点布设
      本案例隧道自动化监测的对象是广州地铁一号线长寿路至陈家祠左线区间 (华贵路基坑段)靠近基坑一侧隧道;涉及到的范围是长寿路至陈家祠左线区间 (ZDK6+432~ZDK6+542) 地段, 长度约110m。 所使用的仪器是高精度的徕卡全站仪(TCA2003,精度0.5″,1+1ppm)。 以此研究自动化监测基准点及监测点布设情况如下:
      1.监测基准点埋设。 基准点须远离变形区,且保证其稳固性。 本案例华贵路基坑东南角在广州地铁一号线长寿路~陈家祠区间隧道的投影中部距长寿路站约100m左右, 由于华贵路基坑东南角边长16.8m,基坑深度10.4m,共布设12个监测断面。 共设监测基准站2个,监测基准点7个,靠长寿路方向的基准站布设基准点3个, 靠陈家祠方向的基准站布设基准点4个,间距均约40m,每组基准点均在变形区域外(最近基准点离监测区域约60~70m),每组监测点与测站构成的角度尽量大。根据现场条件,基准点一部分埋在隧道腰部,一部分在道床。 埋设方法:用冲击钻在隧道结构体上钻孔,打入Ф10的膨胀螺丝,安装L小棱镜。
      2.基准站安装。 安装时应保证稳定性和考虑位置选择的合理性。 本案例中离第一个监测断面约40m处即靠长寿路方向安装1个基准站, 在靠陈家祠方向离监测范围外40m处安装另1个基准站。 基准站安装在隧道一侧靠近底部处(见图1)。 在隧道壁上按一定尺寸钻孔,打入膨胀螺丝,安装固定仪器支座(具有足够的荷载、保证仪器安全并满足设备限界要求)。 数据通讯等附属设备安装在仪器固定支座或其附近。 供电、传输线路等视具体情况铺设。

      3.监测点埋设。 监测点应埋设在变形体变形的范围内,能反映变形特征。本案例中沿长寿路~陈家祠方向, 在监测范围内每间隔10m布设1个监测断面,每个监测断面布设4个测点,测点分布在隧道的顶部、底部及两侧腰部(见图2)。监测点的安装应尽量避开隧道内的障碍物,必要时可加装支架,保证通视。本案例共布设监测断面12个,监测点48个。所有的监测点、基准点及基准站的安装均要满足隧道的限界要求。
 
四、隧道现场监测—GEOMOS自动监测系统
      为保证地铁隧道结构监测工作的正常开展,保证监测成果的及时性、有效性,需建立GEOMOS自动监测系统。 该监测系统包含两部分:第一部分是隧道现场监测部分,第二部分是数据成果的反映部分。 GEOMOS自动监测系统是由瑞士徕卡公司以徕卡全站仪TCA2003及TCA1800开发出来的一套适合各种不同需求的现代高科技实时监测系统。
      1.GEOMOS自动监测系统的组成。根据上述案例的实际要求,自动监测系统需采用多功能性的设备。 主要包括:1台TCA2003、2个集线器、1台IBM笔记本电脑、1台UPS电源、1套GEOMOS徕卡自动监测软件、300m电源线、300m数据线、2个485接线器、2个232与485数据转换线 、55个小棱镜 、1个仪器支架、1个控制箱。
      2.GEOMOS自动监测系统基本原理。 GEOMOS自动监测系统的软件部分是由Microsoft VC++语言开发并结合Microsoft SQL Server数据库系统。 系统主要分为两个部分,监测系统和分析系统,都连接于SQL数据库。 系统在进行坐标计算过程中,采用了多种测量学方法,典型的就是后方交会法计算点位坐标。在GeoMoS中应用了两种交会方式 ,FreeStation(自由设站):这种方式使用测量的距离和方位角进行坐标计算;Distance Intersection (距离交会):这种方式只使用测量的距离进行坐标计算。对于多余观测,系统采用最小二乘原理求得最佳值。对于一个时间段内的数据,采用中值计算技术。以上面案例具体说明一下该系统基本原理:用全站仪按照极坐标测量原理进行观测,测量各点的三维坐标。 如图3所示以全站仪的设站点0为原点,测站的铅垂线为Z轴, 以定向方向为X轴, 建立坐标系0-XYZ,则全站仪测量P点的观测值为水平角α、竖直角β,斜距S,则P点的独立坐标系下的坐标为:

      若在0点安置仪器进行观测时,同时联测3个或3个以上的已知点,则通过后方交会即可计算出0点的坐标,见图4。
 
      在本案例中靠长寿路方向基准站的坐标系为:X轴指向长寿路站,Y轴指向基坑,Z轴向上;靠陈家祠方向基准站坐标系为:X轴指向陈家祠,Y轴背离基坑,Z轴向上。
 
五、数据成果的反映—地铁监测信息系统
      地铁监测信息管理系统是在ORACLE数据库的基础上,用DELPHI程序语言、按B/S、C/S方式开发,能够实现监测数据的及时传输,为保证基坑和隧道安全提供强有力的措施,可以保证监理、施工、业主能够通过互联网直接查询监测数据,及时掌握监测对象的变化情况。系统按照三个层次开发:用户使用层、数据管理层、数据采集层,可以实现快速数据处理、数据无线传输,为信息化施工提供更好的保证。
      1.用户使用层功能。 该系统组成部分是为用户提供各项操作功能的平台,有助于工程人员对地铁施工的自动化调控,及时处理隧道工程建设和运营期间面临的问题。 用户使用功能包括:监测数据报警提示系统、测点查询系统、数据查询系统、图形查询系统、短信提示系统、分析提示系统等,用户操作时可根据实际需要调整功能模块,更好地服务于项目施工。
      2.数据中心层功能。 数据操作模块、数据分析模块,报表校核、审核、批准模块。 数据操作系统主要完成原始数据(计算数据)的入库、建立本期观测数据库和原始数据存档;数据分析系统主要完成生成报表,由数据分析人员对基坑及隧道各测点的稳定性做出判断,同时对计算数据中可能出现的错误进行判断和修改。 对于数据处理存在的问题,利用该层面功能也可及时发现修改。
      3.数据采集层功能。 人工采集系统、自动(半自动)采集系统、数据上传系统,实现现场数据的及时采集与无线传输。在本案例中由TCA2003全站仪配合GEOMOS监测软件实现现场监测数据的自动采集,通过无线网卡将监测数据通过INTEL网传输到服务器上, 再由服务器将数据发送至使用用户,通信技术的运用降低了数据采集的难度。
 
五、结论
      综上所言,运营地铁隧道引进自动化监测技术是必不可少的,这是由地铁工程的隐蔽性、复杂性、科技性等特点所决定的。 随着城市经济的快速发展,社会交通运输压力也不断增大,为缓解地面道路的交通压力,广泛开展地铁项目施工有助于提高交通运营的效率。对运营地铁隧道采取自动化监测技术,不仅保护了地铁隧道的正常使用 ,也是确保地铁运营及乘客人员安全的基本条件。 因而,将自动化监测技术融合于地铁隧道,工程单位应给予高度关注,应积极探讨该技术在工程实际中的运用和发展。
 
参考文献:
[1]工程测量规范GB 50026-2007[S];
[2]城市轨道交通工程测量规范GB 50308-2008[S];
[3]张方,汪博,韩晓健.健康监测系统在隧道结构中的应用研究[J].山西建筑.2011(32);
[4]冯国冠.基于某地铁盾构隧道施工地表沉降的分析研究[J].中国安全生产科学技术.2010(04);
[5]资利军,张晓光.地铁重叠盾构隧道施工过程变形分析[J].科技风.2011(14)。

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