电水平尺自动化监测系统在地铁安全保护监测中的应用

赵太东

(中铁隧道股份有限公司，河南郑州 450000)

0 引言

在地铁沿线及其保护区内进行物业、房地产等建设项目开发时，基坑开挖、降水等施工必将会对既有地铁线产生一定影响，甚至影响到地铁的运营安全。目前，国内监测大多是依据文献［1－4］采用人工监测，受时间、环境等因素影响较大，不仅要浪费大量的人力、物力、财力，而且会对现场监测人员的安全构成一定威胁。文献［5－7］介绍了采用测量机器人对运营地铁的自动化监测;文献［8］介绍了利用静力水准、测缝计等对既有线的自动化监测;文献［9］介绍了电水平尺原理和对隧道开挖沉降的自动化监测。这些测量方法受时间、隧道内环境影响，精度得不到保证，也做不到连续监测。

为了确保在地铁保护区内施工时不影响地铁的正常运营，有必要选择一种安全、可靠、科学、高效的自动化监测系统，而电水平尺是一套集数据采集、传输、处理、报表自动生成等为一体的系统，是现代最新技术投入实际应用的集中体现。

1 工作原理

EL beam是美国Slope Indicator公司推出的测量物体倾斜(即两点间高差)的仪器，电水平尺的核心部件是电解质倾斜传感器，电解质传感器是精密的气泡式水准仪，并能像电桥一样工作。电桥电路根据传感器的倾角变化输出相应比例的电压信号，将电解质倾斜传感器(组件)安装在一支空心的刚性直尺内，就构成了电水平尺(EL beam)(如图1所示)。对单个水平尺首尾逐个链接，沿监测区内待测方向展开安装形成尺链，就会反映出监测区域内整体沉降情况。

本工程选用电水平尺的尺身长3 m，用锚栓安装在道床(结构物)上，接着将倾角传感器调零，并锁定在该位置。道床(结构物)的沉降会改变梁的倾角，电水平尺中的电解质倾斜传感器能根据倾角的变化输出相应比例的电压信号。将尺链上各个电解质倾斜传感器的输出信号接到一台CR10X型数据自动采集器上，就可以按设定的时间间隔(可调整的范围为几s到几h)对所有接入的传感器进行一次采样读数。每次采样读数所得的数据暂存在采集器内供定期处理，通过电缆直接把采集器中的数据输送到计算机中，在计算机内按预先设定的程序将电压信号换算成倾角角度，再根据尺体的长度L计算出沉降量di(i表示尺链中第i支尺)，利用矢量相加的方法可以得到尺链范围内的实时沉降曲线，电水平尺监测沉降工作原理如图2所示。

1.1 单尺倾斜计算

单个水平尺的倾斜值根据T=C0+C1E+C2E2+C3E3+C4E4+C5E5进行计算。式中:T为单个水平尺的倾斜值，mm/m;Ci为仪器系数，由厂家提供;E为单个电水平尺本次测量的电压值，V。

1.2 高程计算(考虑尺链传递)

假设由n个电水平尺组成尺链，且1号尺起端为计算基准点，另一端为高程测试点，其他尺寸同样表示，则该电水平尺链上各测点高程的计算公式为Hn=B+T1L+T2L+T3L+……+TnL。式中:Hn为第n个电水平尺的测点高程，mm;B为基准点高程，mm;Tn为第n个电水平尺的计算倾斜值，mm/m;L为单个电水平尺的长度，m。

1.3 起算基准

根据传感器的设计情况进行相应选择。

2 自动系统设计

使用与EL beam倾斜传感器配套的CR10X数字自动记录仪实现自动化。CR10X数据记录装置不仅可靠，而且可以兼容几乎所有的传感器和数据采集单元。独立的一个数据记录装置可以读取小范围内的很多支传感器，电信号的传输会随着传输电缆长度的增长而呈非线性衰减，采取配置信号放大器、防雷滤波器减少隧道内因电缆过长而导致的信号衰减以及列车驶过时造成的信号干扰，系统组成见图3。

3 系统特点

1)高分辨率。电水平尺的最小量程为1″，根据L(sin θ1－ sin θ0)，在 1 m 长的梁两端可以检测到0.005 mm的竖直位移变化。

图3 系统组成示意图Fig.3 Components of automatic monitoring system

2)可靠的测量数据。当电水平尺梁的长度确定后，其倾角的变化量可以精确地换算成梁两端的沉降位移量，并将多个梁首尾相连，能够计算出各端点的绝对位移量，与当地高程系统联测一个梁端点的高程，可以得出所有梁端点的绝对高程。

3)安装简单。电水平尺安装无须复杂的工具，且梁的长度可以根据现场施工条件灵活变化，不受外界条件限制。

4)数据自动传输。通过有效的电缆可以把实时采集到的数据传输到CR10X，并由电脑实时查看原始数据，一目了然。

5)远程监控。通过自动化处理软件对采集到的电信号数据转化成直观的沉降数值量，并通过现有通信技术实现定期发送SMS短信，实现远程监控［10］。

4 应用实例

4.1 基本情况

南京明基医院位于南京地铁元通站—中胜站区间和中胜站西站厅地铁线路南侧，主要由地铁广场楼、住院大楼、办公楼组成，基坑与地铁车站站台边线的距离为13～25 m。施工场地位于南京河西地区，场地地貌单元属于长江漫滩之上，中胜站及地铁线路所属区间场地地表为人工回填土和新近堆填土，地下覆盖层主要为软弱黏性土及饱和砂土。场地内淤泥质土饱含地下水，水位在地面以下0.3～0.5 m，年最大水位变化幅度小于1 m，一般在0.5 m左右。

4.2 监测目的

明基医院施工属于中胜站地铁保护区范围内，为确保地铁的运营安全，需布设测点进行监测。

4.3 监测方法及项目

以电水平尺法自动监测为主，人工监测为校核手段，监测项目主要有竖向位移监测、差异沉降监测。

4.4 监测点的布置

根据现场测量，明基医院基坑与站台边线的最近距离约为13 m，基坑最大开挖深度低于地铁隧道底标高约8 m。为了保证地铁隧道的安全，选取明基医院地铁广场楼侧地铁隧道作为监测段，选用成熟可靠的sinco监测设备和软件，建立自动化监测系统。选用35支3 m长的电水平尺，首尾串联构成约100 m长的监测尺链线，紧贴地面安装在轨道的道床上，将CR10X数据自动采集器就近安置在隧道侧壁上，同时，在中胜站站台上设主控计算机对监测段地铁隧道现场数据进行自动采集、存储、处理及传输。电水平尺、人工监测点位置与最近地铁轨线的水平距离为0.2～0.3 m，监测点布设和电水平尺寸断面布置如图4和图5所示。

在地铁隧道与车站间的结构缝两侧约1 m处的道床上布设1对沉降监测点(如图3所示)，用于结构差异沉降监测。

4.5 电水平尺监测系统组成

4.5.1 硬件要求

见表1。

表1 监测系统的硬件要求Table 1 Requirements for hardware of automatic monitoring system

4.5.2 软件要求

1套实时数据控制软件Logger－Net，1套电水平尺自动化处理软件，分析并处理采集器采集到的数据，形成直观变形曲线图，如图6所示。

图6 自动化处理软件显示画面Fig.6 Display of automatic data processing software

4.5.3 监测基准点的确定

根据基坑开挖对地铁的影响范围，选取在影响范围外的一支梁的端点作为本次监测的基准点，并与二等水准基点联测，检测基准点的稳定性。电水平尺基准点应与人工水准测量点共用，由人工从车站内稳定基点引测到电水平尺基点，其基点高程变化应与水平尺监测数据进行修正。

4.5.4 初始值的测定

系统调试完毕后，选择运行后第1天的24个周期的平均值作为本次监测的初始值，每周期数据均与初始值作比较，得出每期数据的变化量、日变化量和累计变化量。

4.5.5 监测频率及测回数

电水平尺自动化监测系统每1 h对监测数据采集、处理一次，定期用二等水准点进行人工复核，同时，定期对地铁隧道与车站间的结构缝差异沉降进行监测。

4.5.6 报警设定

地铁隧道的最大沉降值应≤10 mm，报警值为最大值的1/3，警戒值为最大值的2/3。操作人员可以通过控制软件的界面对数据采集器进行采集间隔时间等工作参数的设定或修改，一旦采集到的数据达到或超过预先设定的报警值，计算机就会以色彩和音响的方式发出报警信息，自动通过手机短信向有关单位报警。地铁隧道与车站间的结构缝差异沉降＞±3 mm时预警，＞±5 mm时报警。

4.5.7 数据分析比较

4.5.7.1 明基医院基坑开挖各阶段数据比较

选取4个时间点对8个典型监测点进行沉降值比较。由于845点位于变形区10 m外，受施工降水影响，沉降不明显，而850，855，860，870 4 点位于基坑一侧，土体开挖时有较大沉降。其中，2006年7月15日，地铁保护区内的明基医院基坑开挖到底部时地铁隧道的最大沉降值为7.0 mm，随着基坑底板浇筑以及地下水回灌后，地铁隧道底板有不同程度的回弹，沉降曲线见图7。

图7 开挖各阶段地铁隧道沉降监测数据图Fig.7 Measured settlement of Metro tunnel

4.5.7.2 地铁运营和停运对自动监测的影响

地铁运行时，列车震动和隧道内空气湿度均会对电解质传感器造成一定影响，系统在整个施工期间，每天的变化量对运营和停运分析没有可比性，而提取其中的某一时段作为列车停运与运营对该系统的影响分析则具有一定的可比性。每天00:00至06:00作为地铁停运期，其他时段作为地铁运营期，平均后分析比较，列车运行期间与停运期间各点差值很小，最大为0.092 mm，最小为－0.002 mm，总体趋于平缓，列车运行和停运对自动监测的影响如图8所示。

表2 2006年人工监测与自动化监测累计变化量比较表Table 2 Data measured by manpower VS that measured by automatic monitoring system in 2006

图8 列车停运期与运营期对自动监测的影响Fig.8 Influence on automatic monitoring when there is no train operation VS that when there is train operation

4.5.7.3人工监测与自动监测数据比较

按照二等水准技术标准布置Y6～Y12监测点，采用人工进行沉降监测，监测频率为1次/d，监测时间为每天00:00至03:00。自2006年7月5日采集初始数据后开始正式运行自动化监测系统，1.5个月后将人工监测的数据累计值与自动监测的累计值进行比较，其差值均在±0.3 mm，证明二者数据是吻合的，不存在明显差异，同时也证实了自动化监测系统的可靠性。人工监测与自动化监测累计变化量比较如表2和图9所示。

4.5.7.4 地铁隧道与车站间结构缝的差异沉降

在地铁隧道与车站间的结构缝两侧约1 m处的道床上布设1对沉降监测点(如图3所示)，定期或根据监测结果用精密水准测量方法监测2点间的高差变化，确保基准网的正确。

图9 人工监测与自动化监测累计变化量示意图Fig.9 Curves of data measured by manpower VS that measured by automatic monitoring system

5 结论与讨论

1)在确保地铁隧道正常运营的情况下，使用电水平尺自动化监测系统是可行的。电水平尺是一套集数据采集、传输、处理、报表自动生成等为一体的自动化监测系统，能够实时提供监测数据和监测曲线，为地铁安全提供重要保障。

2)选用电水平尺及成熟可靠的sinco监测设备和软件时，其监测精度可达到0.005 mm。本工程中，自动化监测与人工测量的差值在±0.3 mm，当明基医院基坑开挖到底部时，地铁隧道的最大沉降值为7.0 mm。

3)电水平尺自动化监测系统能够自动记录监测过程，节约大量的人力、物力和财力，并能保证人员的安全。一旦采集到的数据达到或超过预先设定的报警值，系统可以自动向相关单位报警。

在地铁保护区内动土施工时，仅仅对地铁隧道进行沉降监测是远远不够的，还需要结合其他方法对地铁隧道的水平变形、扭转等进行监测，从而达到全方位监测的目的。监测过程中通常采用附合水准线路，应加强对监测基准网的复测和对点的稳定性检验，特别是要重点关注地铁隧道与车站间结构缝两侧的差异沉降情况，从而避免附合水准路线的闭合差超限。

［1］ GB 50308—2008城市轨道交通工程测量规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［2］ GB 50497—2009建筑基坑工程监测技术规范［S］.北京:中国计划出版社，2009.

［3］ JGJ 8—2007建筑变形测量规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2007.

［4］ GB 50026—2007工程测量规范［S］.北京:中国计划出版社，2007.

［5］ 翟万雨，徐顺明，闫文斌.自动化监测在广州地铁工程中的应用［J］.工程建设与设计，2011(6):157－159，164.(ZHAI Wanyu，XU Shunming，YAN Wenbin.The application of automatic monitoring in the Guangzhou Metro［J］.Construction ＆ Design for Project，2011(6):157 － 159，164.(in Chinese))

［6］ 裴运军.测量机器人在地铁隧道自动化变形监测中的应用［J］.湖南水利水电，2011(6):35－37.

［7］ 周拥军.基于小波的运营地铁隧道自动化变形监测数据处理［J］.勘察科学技术，2010(1):28－31.(ZHOU Yongjun.Data processing for operating subway tunnel with automatic deformation monitoring system based on wavelet［J］.Site Investigation Science and Technology，2010(1):28 －31.(in Chinese))

［8］ 崔天麟，肖红渠，王刚.自动化监测技术在新建地铁穿越既有线中的应用［J］.隧道建设，2008，28(3):108－110.(CUI Tianlin，XIAO Hongqu，WANG Gang.Application of automatic monitoring technology in construction of Metro works crossing below existing Metro line［J］.Tunnel Construction，2008，28(3):108 －110.(in Chinese))

［9］ 徐祥其.电水平尺沉降自动遥测系统在地铁监护中的应用［J］.岩土工程界，2009(2):74－77.

［10］ 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):25－26.