自動變形監測系統在地鐵結構變形監測中的應用
摘要:介紹了以TCA 自動化全站儀為基礎組成的自動變形監測系統和廣州地鐵“非地鐵施工時地鐵結構變形監測”項目的現場方案及優化設計。實際應用表明,該系統穩定可靠,可以勝任地鐵結構變形監測的工作。
關 鍵 詞:變形觀測;地下工程測量;差分
在城市基礎設施中,城市的交通體系位居首位,而地鐵在城市綜合交通體系中一般都擔當骨干。同時,地鐵沿線非地鐵工程建筑也越來越多。為了保證地鐵的正常運營,必須對地鐵進行變形監測,特別是在非地鐵施工可能影響到地鐵結構時。廣州地鐵一號線已正常運營3 a 。在某一地鐵站附近設立商業城,需要挖掘12 m 深的基坑。為了監測基坑開挖對車站結構的影響,而又不中斷地鐵的正常運營,就不能采取傳統的監測手段, 必須尋求新的監測方法來保證地鐵的安全。受廣州地鐵保護辦的委托,我們開發了自動變形監測系統,對地鐵結構進行變形監測。
1 監測系統組成
如圖1 所示,監測系統由全站儀觀測站、基準點(2 個斷面, J11 、J12 與J21 、J22)、變形點(5 個斷面,D11 、D12 、D13 與D21 、D22 、D23 、D24 等) 、中繼站計算機和遠程監控計算機等組成。全站儀觀測站與中繼站計算機由供電和通訊電纜聯接起來, 遠程計算機通過因特網控制中繼站計算機,可監視并控制監測系統的運行。
圖1 監測系統框圖
2 監測系統現場設備安裝
監測系統在地鐵站的安裝設備分布情況如圖2 所示。
圖2 監測系統設備安裝分布圖
2. 1 全站儀觀測站
特制的儀器墩安裝在地鐵左行線的站臺下, 完全符合“區間直線地段矩形隧道及車輛界限”的有關安全規定,如圖3 所示。
圖3 觀測站與監測點安裝圖
自動化全站儀TCA 通過基座固定在儀器墩上,并用特制的D 型玻璃鋼罩保護起來。為了便于觀察監控,在站臺對面的站墻上安裝一塊60 cm ×80 cm 的平面玻璃鏡,在儀器站兩邊安裝照明設備。這樣管理人員在站臺上就可通過平面鏡來觀察儀器的運行情況。
2. 2 基準點和變形點
基準點和變形點均設置在地鐵站的左行線上。在儀器站到基坑的方向上,從30 m 處開始, 每隔15 m 設置一變形點監測斷面(如圖2 所示), 在每一個斷面上安裝3～4 個反射棱鏡,分布在鐵軌中央1 個,站墻上、中、下各1 個(如圖3 所示) ?；鶞庶c設置在儀器站的另一側,離儀器站65 m 處為第1 個基準斷面,40 m 處為第2 個基準斷面。每個斷面上安裝2 個反射棱鏡,分布在鐵軌中及站墻下。所有反射棱鏡均采用52 mm 直徑的角反射棱鏡,有L 型和O 型兩種,根據不同的現場條件來選用。設置基準點與變形點的位置特別要利用儀器的小視場功能,使之均勻分布在儀器望遠鏡的視場內,相互不受干擾。
2. 3 中繼站計算機
中繼站計算機設置在地鐵站的監控亭內,選用“聯想”商用機。使用的軟件為信息工程大學測繪學院和徠卡鄭州歐亞測量系統有限公司開發的“ADMS 自動變形監測軟件”,完全中文界面,便于操作與二次開發。
2. 4 供電和通訊系統
由于整個系統工作在地鐵運行的環境中,220 V 主電網的供電應該是有保證的,因此無需設置U PS 供電系統。220 V 的交流供電由站臺照明配電室提供線路。由于全站儀觀測站與中繼站計算機的通訊在100 m 以內,經特殊處理后,RS232 接口可直接通訊。
3 監測系統軟件ADMS 簡介
ADMS ( Automatic Deformation Monitoring System) 自動變形監測軟件是在學習、消化、吸收瑞士Leica 公司研制的自動極坐標測量系統AP2 SWin(Automatic Polar System for Windows) 的基礎上,通過實際的工程應用,并結合國內用戶的實際需求,研制出的本地化智能型自動變形監測中文軟件。
ADMS 軟件提供了以下功能:對所要測量的點位進行初始的學習測量;在用戶設置的時段內自動地進行測量;當目標被遮擋及測量超限時智能化地處理;“小視場”功能,當隧道中同一側的測點很多時,全站儀就會照錯棱鏡,該功能使儀器視場變小,從而避免了這個問題;實時多重差分改正,最大限度地消除或減弱多種誤差因素;測量結果實時顯示,并可以以ASCII 碼文件輸出; 變形趨勢實時圖解顯示,并可按照用戶所要求的格式進行報表輸出;變形量超過限差值時自動報警;可以自動地執行用戶編制的外部程序,具有良好的開放性;數據庫容量巨大,測量周期數沒有限制, 并且每個測量周期的測點數也沒有限制。
本軟件還可以對數據庫進行適當的壓縮以更好地利用存儲空間;測量數據可以實時采集,也可以事后輸入;多重差分可以實時改正測量數據,也可以事后進行;計算機突然斷電后,再來電開機, 將自動運行ADMS , 自動初始化全站儀,按照原來設置的各項參數自動開始下一個周期的測量。
4 系統運行配置介紹
系統的變形點19 個,基準點4 個,共計23 個,每個點正倒鏡觀測2 測回,全部測完23 個點稱為1 個周期,用時約20 min 。每個小時測量1 次,每天可采集24 個周期的原始數據。在每小時中, 測量約占20 min , 觀測結束后15 min 全站儀自動關機,25 min 后再次開始下一個周期的測量。
5 測量數據分析
為監測地下商業城南端近地鐵段基坑圍護結構的變形,采用傳統方法在基坑南側(地鐵段) 布設了4 個測斜管(見圖2) ,以觀測地鐵站墻的變形。測斜管采用美國SINCO 公司生產的數字測斜儀,埋設與站墻同深度,為13 m 。每0. 5 m 測試1 點,經過數據處理,得到基坑開挖過程中站墻在不同深度的變形。
表1 為基坑開挖進程。
在基坑開挖進行錨桿施工過程中,1 、3 、4 號圖4 為2 號測斜管從8 月17 日9 月13 日的觀測測斜管受到損壞,只有2 號測斜管可以進行監測。數據按不同的深度繪制的位移量圖形,圖中的位移向基坑內為正,向基坑外為負。靠近2 號測斜管的為第3 、4 變形監測斷面。圖4 所示的虛線(8. 4 m 深度) 處與變形監測點D34 、D44 同高程。圖5 、圖6 為全站儀測得的變形點D34 、D44 從8 月12 日9 月26 日的位移數據,其中X 方向向基坑內為正, 橫軸的日期為月日, 如“812”表示8 月12 日。
圖4 2 號測斜管觀測數據的位移圖
圖5 D34 點的全站儀觀測位移圖
圖6 D44 點的全站儀觀測位移圖
由圖4 、5 、6 可以看出,全站儀觀測的變形趨勢與測斜管觀測的結果一致。由于測斜管埋設在土中,而全站儀觀測的棱鏡安裝在地鐵的結構上, 故棱鏡的位移量較小。
采用ADMS 系統進行地鐵結構的自動變形監測,具有以下特點與優點:
1) 在無人值守的情況下,可以實現全天24 h 連續地自動監測。在列車運行時,系統也可以自動進行監測,克服了傳統測量方法的不足,節約了大量的人力,為地鐵提供了實時的安全運營保障。
2) 建立高精度的基準點,采用實時差分式的測量方案,可以最大限度地消除或減弱多種誤差因素從而大幅度地提高測量結果的精度。
3) 簡化了氣象等附加設備,為系統在計算機控制下實現全自動、高可靠的變形監測,創造了有利條件。
4) 實時進行數據處理、數據分析、報表輸出及提供圖形等。
5) 自動報警。
6) 在短時間內同時求得被測點位的3 維坐標,可根據設計方案的要求作全方位的預報。
7) 系統維護方便,運行成本低。
面對廣泛的非地鐵項目的工程建筑活動,采用ADMS 系統的監控方法,可以有效地保護地鐵結構安全運行。而且這種保護行為,時間上與地鐵運營線路的生命周期共存,空間上與地鐵運營線路的網絡拓展規模同在,其意義重大。
參考文獻:
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