自動變形監(jiān)測系統(tǒng)在地鐵結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測中的應(yīng)用

摘要:介紹了以TCA 自動化全站儀為基礎(chǔ)組成的自動變形監(jiān)測系統(tǒng)和廣州地鐵“非地鐵施工時地鐵結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測”項(xiàng)目的現(xiàn)場方案及優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用表明,該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,可以勝任地鐵結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的工作。
關(guān)　鍵　詞:變形觀測;地下工程測量;差分
　　在城市基礎(chǔ)設(shè)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(dān)當(dāng)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(yùn)營,必須對地鐵進(jìn)行變形監(jiān)測,特別是在非地鐵施工可能影響到地鐵結(jié)構(gòu)時。廣州地鐵一號線已正常運(yùn)營3 a 。在某一地鐵站附近設(shè)立商業(yè)城,需要挖掘12 m 深的基坑。為了監(jiān)測基坑開挖對車站結(jié)構(gòu)的影響,而又不中斷地鐵的正常運(yùn)營,就不能采取傳統(tǒng)的監(jiān)測手段, 必須尋求新的監(jiān)測方法來保證地鐵的安全。受廣州地鐵保護(hù)辦的委托,我們開發(fā)了自動變形監(jiān)測系統(tǒng),對地鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形監(jiān)測。
1 　監(jiān)測系統(tǒng)組成
如圖1 所示,監(jiān)測系統(tǒng)由全站儀觀測站、基準(zhǔn)點(diǎn)(2 個斷面, J11 、J12 與J21 、J22)、變形點(diǎn)(5 個斷面,D11 、D12 、D13 與D21 、D22 、D23 、D24 等) 、中繼站計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)等組成。全站儀觀測站與中繼站計(jì)算機(jī)由供電和通訊電纜聯(lián)接起來, 遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過因特網(wǎng)控制中繼站計(jì)算機(jī),可監(jiān)視并控制監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行。

圖1 　監(jiān)測系統(tǒng)框圖
2 　監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備安裝
監(jiān)測系統(tǒng)在地鐵站的安裝設(shè)備分布情況如圖2 所示。

圖2 　監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)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(qū)間直線地段矩形隧道及車輛界限”的有關(guān)安全規(guī)定,如圖3 所示。

圖3 　觀測站與監(jiān)測點(diǎn)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(hù)起來。為了便于觀察監(jiān)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(shè)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(yùn)行情況。
2. 2 　基準(zhǔn)點(diǎn)和變形點(diǎn)
基準(zhǔn)點(diǎn)和變形點(diǎn)均設(shè)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(shè)置一變形點(diǎn)監(jiān)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) 。基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置在儀器站的另一側(cè),離儀器站65 m 處為第1 個基準(zhǔn)斷面,40 m 處為第2 個基準(zhǔn)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(jù)不同的現(xiàn)場條件來選用。設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)與變形點(diǎn)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(yuǎn)鏡的視場內(nèi),相互不受干擾。
2. 3 　中繼站計(jì)算機(jī)
中繼站計(jì)算機(jī)設(shè)置在地鐵站的監(jiān)控亭內(nèi),選用“聯(lián)想”商用機(jī)。使用的軟件為信息工程大學(xué)測繪學(xué)院和徠卡鄭州歐亞測量系統(tǒng)有限公司開發(fā)的“ADMS 自動變形監(jiān)測軟件”,完全中文界面,便于操作與二次開發(fā)。
2. 4 　供電和通訊系統(tǒng)
由于整個系統(tǒng)工作在地鐵運(yùn)行的環(huán)境中,220 V 主電網(wǎng)的供電應(yīng)該是有保證的,因此無需設(shè)置U PS 供電系統(tǒng)。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(jì)算機(jī)的通訊在100 m 以內(nèi),經(jīng)特殊處理后,RS232 接口可直接通訊。
3 　監(jiān)測系統(tǒng)軟件ADMS 簡介
ADMS ( Automatic Deformation Monitoring System) 自動變形監(jiān)測軟件是在學(xué)習(xí)、消化、吸收瑞士Leica 公司研制的自動極坐標(biāo)測量系統(tǒng)AP2 SWin(Automatic Polar System for Windows) 的基礎(chǔ)上,通過實(shí)際的工程應(yīng)用,并結(jié)合國內(nèi)用戶的實(shí)際需求,研制出的本地化智能型自動變形監(jiān)測中文軟件。
ADMS 軟件提供了以下功能:對所要測量的點(diǎn)位進(jìn)行初始的學(xué)習(xí)測量;在用戶設(shè)置的時段內(nèi)自動地進(jìn)行測量;當(dāng)目標(biāo)被遮擋及測量超限時智能化地處理;“小視場”功能,當(dāng)隧道中同一側(cè)的測點(diǎn)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(shí)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(jié)果實(shí)時顯示,并可以以ASCII 碼文件輸出; 變形趨勢實(shí)時圖解顯示,并可按照用戶所要求的格式進(jìn)行報表輸出;變形量超過限差值時自動報警;可以自動地執(zhí)行用戶編制的外部程序,具有良好的開放性;數(shù)據(jù)庫容量巨大,測量周期數(shù)沒有限制, 并且每個測量周期的測點(diǎn)數(shù)也沒有限制。
本軟件還可以對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行適當(dāng)?shù)膲嚎s以更好地利用存儲空間;測量數(shù)據(jù)可以實(shí)時采集,也可以事后輸入;多重差分可以實(shí)時改正測量數(shù)據(jù),也可以事后進(jìn)行;計(jì)算機(jī)突然斷電后,再來電開機(jī), 將自動運(yùn)行ADMS , 自動初始化全站儀,按照原來設(shè)置的各項(xiàng)參數(shù)自動開始下一個周期的測量。
4 　系統(tǒng)運(yùn)行配置介紹
系統(tǒng)的變形點(diǎn)19 個,基準(zhǔn)點(diǎn)4 個,共計(jì)23 個,每個點(diǎn)正倒鏡觀測2 測回,全部測完23 個點(diǎn)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(shù)據(jù)。在每小時中, 測量約占20 min , 觀測結(jié)束后15 min 全站儀自動關(guān)機(jī),25 min 后再次開始下一個周期的測量。
5 　測量數(shù)據(jù)分析
為監(jiān)測地下商業(yè)城南端近地鐵段基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形,采用傳統(tǒng)方法在基坑南側(cè)(地鐵段) 布設(shè)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(chǎn)的數(shù)字測斜儀,埋設(shè)與站墻同深度,為13 m 。每0. 5 m 測試1 點(diǎn),經(jīng)過數(shù)據(jù)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(jìn)程。

在基坑開挖進(jìn)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(jìn)行監(jiān)測。數(shù)據(jù)按不同的深度繪制的位移量圖形,圖中的位移向基坑內(nèi)為正,向基坑外為負(fù)。靠近2 號測斜管的為第3 、4 變形監(jiān)測斷面。圖4 所示的虛線(8. 4 m 深度) 處與變形監(jiān)測點(diǎn)D34 、D44 同高程。圖5 、圖6 為全站儀測得的變形點(diǎn)D34 、D44 從8 月12 日9 月26 日的位移數(shù)據(jù),其中X 方向向基坑內(nèi)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(shù)據(jù)的位移圖

圖5 　D34 點(diǎn)的全站儀觀測位移圖

圖6 　D44 點(diǎn)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(jié)果一致。由于測斜管埋設(shè)在土中,而全站儀觀測的棱鏡安裝在地鐵的結(jié)構(gòu)上, 故棱鏡的位移量較小。
采用ADMS 系統(tǒng)進(jìn)行地鐵結(jié)構(gòu)的自動變形監(jiān)測,具有以下特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn):
1) 在無人值守的情況下,可以實(shí)現(xiàn)全天24 h 連續(xù)地自動監(jiān)測。在列車運(yùn)行時,系統(tǒng)也可以自動進(jìn)行監(jiān)測,克服了傳統(tǒng)測量方法的不足,節(jié)約了大量的人力,為地鐵提供了實(shí)時的安全運(yùn)營保障。
2) 建立高精度的基準(zhǔn)點(diǎn),采用實(shí)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(jié)果的精度。
3) 簡化了氣象等附加設(shè)備,為系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)全自動、高可靠的變形監(jiān)測,創(chuàng)造了有利條件。
4) 實(shí)時進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、報表輸出及提供圖形等。
5) 自動報警。
6) 在短時間內(nèi)同時求得被測點(diǎn)位的3 維坐標(biāo),可根據(jù)設(shè)計(jì)方案的要求作全方位的預(yù)報。
7) 系統(tǒng)維護(hù)方便,運(yùn)行成本低。
面對廣泛的非地鐵項(xiàng)目的工程建筑活動,采用ADMS 系統(tǒng)的監(jiān)控方法,可以有效地保護(hù)地鐵結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行。而且這種保護(hù)行為,時間上與地鐵運(yùn)營線路的生命周期共存,空間上與地鐵運(yùn)營線路的網(wǎng)絡(luò)拓展規(guī)模同在,其意義重大。

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