自动化监测技术在新建地铁穿越既有线中的应用

自动化监测技术在新建地铁穿越既有线中的应用

摘要:远程自动化监测系统由测试设备、数据自动采集器和应用终端组成,具有自动化、连续监测的优点。在北京地铁五号线崇文门站下穿既有环线地铁区间工程中,将静力水准、测缝计等组成远程自动化监测系统应用于既有线的结构及道床监测,通过施工期间的实时监测,快速反馈信息,指导施工,保障了新建车站的顺利通过和既有地铁环线的运营安全。

关键词:地铁;自动化监测;静力水准;既有线;纵向沉降

0 引言

远程自动化监测的核心是实现数据的自动化采集和处理[1]。我国自动化监测技术经过近年科技攻关,成功研制了所需的传感器、数据采集系统和信息管理软件,并在水利水电、工民建等行业的建(构)筑物监测中应用,其中以水利水电工程中应用较多。由于地铁工程特殊的环境要求,自动化监测系统的应用处于起步阶段。随着北京新建地铁工程的进展,越来越多的遇到新修地铁穿越(近接)既有地铁工程。如地铁5号线崇文门站及换乘通道下穿2号线、东单站上穿1号线、雍和宫站—和平里北京站区间下穿2号线等一系列工程[2]。在穿越(近接)既有地铁施工中,确保既有地铁的安全状态及正常运营是新建地铁施工的重中之重。采取远程自动化监测手段观测新建地铁施工过程中既有地铁的变形情况成为施工中的必要手段。

1 工程简介

1. 1 工程概况

北京地铁5号线崇文门站位于崇文门路口下,该站结构为双柱三跨岛式暗挖车站。车站为端进式,两端为双层结构,地下一层为站厅层,地下二层为站台层,中间为单层结构,系站台层。

崇文门新建车站中间单层结构施工从既有地铁环线崇文门车站东喇叭口段隧道下方穿过,与既有线隧道底板理论距离不足2m。崇文门车站与既有线空间关系见图1。

1. 2 施工难点[3]

1)在车站K6+988. 1~+968. 1,长20. 0m范围内,车站单层断面结构从环线地铁区间2条单线框架结构隧道的下方穿过。环线区间结构底板与车站拱顶之间净距理论值仅为1. 98m。

2)既有区间K216+67. 776处变形缝位于车站上方,该变形缝与相邻变形缝间距18m,变形缝处如产生不均匀沉降将危及行车安全。

3)既有线区间隧道限制标准非常严格(结构变形≯30mm,轨距增宽≯6mm,轨距减窄≯2mm,单线两轨高差≯4mm)。保证既有区间的变形控制在限制标准内及既有区间的正常行车运营,是工程的难点。

2 自动化监测系统的组建

2. 1 自动化监测在既有线中应用的可行性研究

为保证既有线路安全及正常运营,在施工过程中必须对既有线结构及道床进行实时监控量测,但传统的监测技术基于本工程环境的特殊性,无法实施且不能满足对大量数据采集、分析、反馈。因此,必须建立一个能够做到自动化监测、连续监测的系统,对既有结构的安全进行实时监测,快速、准确地对数据进行分析、反馈[4],为保证既有线运营安全提供保障。

2. 2 监测仪器设备比选

针对既有线特殊环境的要求对国内外远程自动化监测系统进行了筛选。主要对近景摄像测量系统、多通道无线遥测系统、光纤监测系统、全站仪自动量测系统、静力水准仪系统、巴赛特结构收敛系统的性能和价格进行了对比分析。

根据比选的结果,技术上满足既有线监测的系统有光纤监测系统、静力水准系统、巴赛特结构收敛系统;结合价格因素,电容式静力水准系统性价比较高,可以满足现场环境要求和既有线路的限界要求,且在我国水利水电工程中已经得到大量的应用,取得了很好的效果,因此,监测系统选择以电容式静力水准系统作为基本传感器,结合测缝计及梁式倾斜仪组成现场传感器系统,与数据采集系统及工程控制软件共同组成既有线远程自动化监测系统。

2. 3 远程监测系统组建

自动化监测系统一般由传感器、数据采集单元、计算机、信息管理软件及通讯网络构成[5]。各种测量控制单元(DAU)对所辖的仪器按照监控主机的命令设定的时间自动测量,并转换为数字量,暂存于DAU中,并根据监控主机的命令向主机传送所测数据;监控主机根据一定的判据对实测数据进行检查和在线监控,并向管理主机传送经过检验的数据入库;管理主机主要是对存储的数据进行处理和分析,并向各级主管部门发送有关安全方面的信息。系统组成见图2。

2. 4 监测项目及布设[6-7]

监测范围为新建车站上方90m,既有地铁线路的监测对象主要由既有线隧道主体结构的变位及裂缝和运营线路的几何状态2部分构成。监测布点以结构变形缝为重要监测对象,在变形缝两侧布置静力水准仪监测变形缝两侧沉降变形,在变形缝两侧沿水平方向布置测缝计,监测变形缝张开度[8]。轨道结构变形为重要监测项目,该项加密测点布设。监测项目、仪器、数量、频率见表1。

3 监测成果分析

3. 1 既有结构纵向沉降

为了解结构纵向施工过程中整体沉降的全貌,选取各个标志性时段结构沉降曲线,绘制成纵向沉降曲线变化趋势图,如图3。图中显示结构在新线施工过程中,沉降缝两端结构差异沉降最大达到了10mm,结构的最大沉降发生在中洞四导洞贯通之后,其后的各个阶段发展均较为平缓。在新老结构间夹土注浆期间结构达到有效的抬升,其最大抬升达14mm,但抬升得不均匀,中间段左低右高,其差异沉降有所扩大[9]。通过监测,清晰地反映了既有结构随新线施工各个结构体沉降、错动的全过程。

3. 2 变形缝两侧结构及道床差异沉降

图4给出了结构和道床在变形缝两侧的差异沉降情况。左线结构中缝一处的差异沉降明显小于缝二处的差异沉降,且在中洞开挖开始,缝二处的差异沉降已有相当程度的开展,后期侧洞管幕施工和注浆抬升对二者均构成较大影响。对于右线,同样,缝二的差异沉降值明显大于缝一,且二者沉降值均大于左线,同时表明,后期的注浆抬升对差异沉降的减小作用有效[10]。

4 结语

监测系统具有集成化、一体化的特征,具有遥测、遥控、数据远程传输、预警、一体化网络功能。通过自动化监测系统可以对既有线的地铁运营异常、潜在或突发事故实现实时监控。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。借助的系统配套软件,可迅速对此数据进行分析,对既有线结构健康状态进行评估,及时向施工、设计、运营单位反馈信息,确保了既有线在北京地铁五号线崇文门站下穿过程中安全、不间断运营,确保了工程顺利进展。

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]刘军,张飞进,高文学,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, 28(3): 140-144.

[3]王刚.大断面隧道近接既有线施工变形分析[J].隧道建设, 2007(2): 36-39.

[4]杨虎荣,柯在田,邓安雄.大轴力桩基托换监测分析[J].中国铁道科学, 2004, 25(3): 44-49.

[5]王浩,葛修润,邓建辉,等.隧道施工期监测信息管理系统的研制[J].岩石力学与工程学报, 2001, 20(增1): 1684-1686.

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[8]杨祝华.地铁变形监测[J].西部探矿工程, 2006(4): 165-166.

[9]徐小君.城市地铁隧道浅埋暗挖施工对上覆既有结构影响的研究[D].北京:北方交通大学, 1999: 4-15.

[10]张飞进.盾构施工穿越既有线地表沉降规律与施工参数优化[D].北京:北方交通大学, 1999: 4-15.