自动化监测技术在青岛地铁13号线施工中的应用

自动化监测技术在青岛地铁13号线施工中的应用自动化监测技术在青岛地铁13号线施工中的应用于博1,李维洲2 (1.中国交通建设股份有限公司,北京100088;2.中国交建青岛地铁项目总经理部,山东青岛266555) 摘要：为了及时地获取监测数据,采用自动化监测技术对青岛地铁13号线进行在线监测。

该系统可通过短距离无线传输和远程在线监控,对车站基坑围护结构及周边环境的变形、内力、地下水位和爆破振动等变化实现自动化监测,并集成了监测数据分析功能、监测信息预警预报功能和工程资料管理功能。

应用结果表明,自动化监测系统能够在复杂条件下进行快速监测,及时预警可能出现的险情。

关键词：城市地铁;自动监测;险情预警;基坑围护施工0 引言青岛地铁暗挖车站和隧道区间多位于“上软下硬”土岩组合地层,各类基岩面起伏大,风化岩石的工程性状差异大,地质条件复杂;在进行车站基坑围护结构施工和隧道开挖的过程中,存在较大的施工风险。

如何利用现有的施工经验,结合青岛特有的花岗岩地质条件,运用自动化监测技术,准确、快速、实时地掌握车站基坑和隧道的稳定状况,控制好施工过程中的安全问题,就显得尤为重要。

本文以青岛地铁13号线车站深基坑施工为依托,阐述自动化监测系统的工作原理及方案设计,并结合现场采集的监测数据,分析地铁车站围护结构的变形规律,对地铁施工的安全状况做出评价。

1 工程概况青岛市地铁13号线项目位于青岛市西海岸经济新区,起于嘉陵江路站,经经济技术开发区、中央商务区、新区中心区、古镇口创新示范园、董家口经济区,终于董家口火车站,并预留延伸日照的条件。

线路总长68.9 km,其中地下线区间长度为17.8 km,设地下站9座、高架站14座。

自动化监测范围为地下车站基坑、区间明挖段及施工竖井、斜井,监测内容为围护桩深层水平位移、支撑轴力、地下水位和沿线暗挖爆破振动速度。

2 自动化监测系统工作原理 2.1 自动化监测技术的特点目前多数地铁施工监测仍以人工监测为主。

人工监测技术成熟,通用性好,但在现场监测工作的开展中,限于隧道内复杂的作业环境以及监测手段的局限性,监测工作存在一些障碍和困难,如:复杂恶劣环境下监测的准确性和稳定性难以保证,静态单点监测难以满足实时性和自动化要求,应急监测和抢险滞后性明显,监测作业集成化程度较低等。

相比于人工监测,自动化监测系统精度较高,且能够实现分布式连续监测,实时提供监测数据,提高了监测效率,减少监测人员的劳动强度,保证监测数据的准确性和及时性[1-4]。

同时,在隧道施工过程中,自动监测系统能够对各类监测数据进行全天候不间断的跟踪,并自动与报警控制值对比分析,在监测值超过报警值的时候自动报警,及时提醒参建各方采取措施,并辅助工程人员做出合理的决策,使隧道施工处于受控状态[5-8]。

2.2 系统基本组成地铁自动化监测系统由数据采集系统、无线传输系统、监测数据管理平台组成。

按照监测数据管理的功能需求,监测数据管理平台包括监测数据分析功能模块、监测信息预警预报功能模块和工程资料管理功能模块。

数据采集系统由传感器、数据采集设备等组成,用于对现场监测数据的自动采集、存储和预处理。

无线传输系统由中继器、网关、无线数据采集装置和服务器组成,用于数据的远程无线控制,并可在任何有网路的地方经授权后实时查看监测数据[9]。

监测数据分析功能模块主要对获取的监测数据进行关联比较分析,绘制监测数据的历史曲线。

通过分析监测项目变化值或变化速率,获得监测数据的状态信息,并自动生成专业的监测报表。

监测信息预警预报功能模块根据监测控制指标的不同将预警分为三级来进行监测过程管理,并用不同的颜色将三级预警信息反映在GIS地理信息图上[10-12]。

当监测数据在预警阈值之外时,第一时间触发报警机制,通过短信、软件界面、邮件等终端发布预警信息。

工程资料管理功能模块提供工程资料综合管理功能,能够对施工方、监测方、监理方、业主方的各种工程资料进行管理,并提供资料关联功能[13-14]。

另外,工程资料管理模块还定义了文档流转功能,用于实现文档在不同部门间的流转。

3 地铁自动化监测系统 3.1 数据采集系统根据《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911—2013),城市轨道交通工程的监测对象主要有:基坑工程中的支护桩(墙)、支撑、锚杆等,矿山法隧道工程中的初期支护、临时支护、二次衬砌等支护结构,工程周围的岩土体、地下水及地表,工程周边建筑物、地下管线、既有轨道交通等。

根据监测对象的不同,监测内容可分为变形监测、内力监测、地下水位监测和爆破振动监测4类。

为满足青岛轨道交通13号线工程的支护结构安全和周边环境保护要求,根据监测对象的特点、工程监测等级、工程影响分区、设计及施工的要求,确定车站基坑的自动化监测项目分别为变形监测中的深层水平位移监测、内力监测中的支撑轴力监测、地下水位监测和爆破振动监测。

3.1.1 深层水平位移监测围护结构深层水平位移采用导轮式固定测斜仪进行监测。

通过监测不同深度的水平位移,判断结构受力是否存在薄弱区段以及变形状态是否安全。

导轮式固定测斜仪是由一定数量安装在测斜管里的固定测斜仪传感器通过钢导线进行串联而成,主要布置在基坑周边的中部、阳角处、深度变化及有代表性的部位。

使用无线数据采集器采集数据,并通过无线通信传输到节点。

无线数据采集器允许直接连接双轴传感器和三轴传感器。

3.1.2 支撑轴力监测根据支撑构件材料的不同,水平支撑体系可分为钢筋混凝土支撑和钢支撑2类。

支撑轴力的监测应根据钢筋混凝土支撑和钢支撑各自的受力特点,选取合适的振弦式传感器进行。

为了监控基坑施工期间支撑的内力状态,需设置支撑轴力监测点。

轴力监测点布设在基坑中部、阳角部位、深度变化部位、支护结构受力条件复杂部位及在支撑系统中起控制作用的支撑部位,且尽量与围护结构变形监测点在同一个断面。

混凝土支撑采用钢筋计进行轴力监测,钢筋计布置在距支撑端部1/3的混凝土截面4个角部主筋处。

每个监测点位处布设的传感器信号汇聚到采集仪,最终通过无线设备将现场的实时数据发送到监控中心。

3.1.3 地下水位监测地下水位采用电压式水位计进行监测,电压式水位计能够直接测量各种环境下水位的变化。

由于大气压的变化会影响测量结果,在实际中通常搭配气压补偿计使用,用以消除大气压对测量结果的影响,提高测量精度。

3.1.4 爆破振动监测爆破振动一般采用振动传感器进行监测。

振动传感器采用无源闭环伺服技术,以获得良好的超低频特性,提供测点的加速度、速度或位移参量。

振动传感器具有灵敏度高的特点,能够实现频率低、位移大的变量测量。

数据采集器采集爆破振动监测数据,拥有触发采样功能,使采集频率与爆破频率保持一致,保证每次爆破都可采集到数据。

数据采集器将模拟信号转换成数字信号,以无线的方式传输至服务器。

3.2 无线传输系统无线传感器网络是一种分布式传感网络,能够实现数据的采集、处理和传输。

在复杂环境下建立适用于地铁工程的无线传感器网络,应选择适当的无线通信技术进行组网。

常见的无线通信技术包括蓝牙、超宽带技术、ZigBee和Wi-Fi。

在地铁工程进行无限网络传输,需要考虑传感器类型多且数量大、监测区域广、测点布置分散、数据采集低频、组网要求高等特点,故采用可靠性高、成本低、功耗低、安全性高、协议简单的ZigBee技术[15]。

3.2.1 短程无线组网车站基坑中每个监测断面布置1个中继节点,每个车站基坑布置1个网关,中继节点数据发送至网关,网关再将数据统一发送至监控中心。

中继器是基于ZigBee技术的无线节点,内部集成了针对振弦传感器和数字温度传感器的测量电路,并通过开关扩展到4路输出。

节点内置锂电池作为节点电源驱动整个模块工作,同时外置太阳能电池板提供长期的续航能力。

采集节点内置2 MB的存储器,用于备份采集到的数据(循环存储),当网络故障导致节点不能及时上报数据时,云网关可以通过记录中的某个节点的数据断点时间从节点(中继器)中恢复数据。

中继节点在ZigBee网络中实现数据转发的功能,但不实现采集功能,故中继节点的功耗要略小于采集节点。

云网关是一个内置嵌入式处理器的多功能采集模块,内置ZigBee协调器,用于管理附属于该协调器管辖内的所有ZigBee节点。

云网关内置DTU模块,可以将ZigBee协调器收集上来的数据发送至应用端。

3.2.2 无线数传采集无线数传采集装置由无线数传终端和无线数传主机组成,依靠成熟的GPRS/GSM 网络在网络覆盖区域内快速组建数据通讯,进行远程控制,具有简单方便的特点。

无线远程数传采集结构如图1所示。

图1 无线远程数传采集结构3.3 监测数据管理平台3.3.1 平台实现方式监测数据管理平台采用B/S架构开发。

B/S架构即“浏览器/服务器”模式,是基于WEB技术的主流应用开发架构。

B/S架构将系统功能的核心部分集中部署到服务器,用户通过浏览器访问系统,将最新的应用程序加载到本地浏览器中执行,减轻了服务器端的工作负荷,简化了客户端的部署,提高了系统的开发、维护效率。

3.3.2 平台功能架构监测数据管理平台采用SOA(面向服务的体系结构)架构,分为数据层、分析层、服务层和应用层。

系统的主要功能有项目信息综合管理、监测数据分析处理、监测信息预警预报、工程资料管理等。

监测数据管理平台的系统构架如图2所示。

图2 监测数据管理平台体系架构数据层通过实时存储元数据文件与关系数据库文件,在一定时间汇总接收的数据,用于数据的统计分析;自带一整套标准监测数据规范,系统存储的数据按照该套规范进行工作,使得监测数据作为安全监测的基础信息很好地为其他功能模块服务。

分析层执行逻辑计算,实现项目信息管理、数据分析与处理、曲线和报表生成、监测信息预警、工程资料管理等应用功能。

分析层内置监测数据的误差处理、可靠性检验、有效性判断等专业算法,对监测数据进行验证,保证了数据的有效性和可靠性。

服务层提供标准接口监测信息发布服务、网页信息平台、用户管理服务,通过加密的标准XML文档进行传输。

应用层通过网页、数据库、用户客户端编辑器等提供数据展现和用户体验;通过监测数据曲线显示,提供强大的图形与报表展示功能;通过分析监测项目变化值或变化速率获得监测数据分析的专业分析结果,输出监测数据和曲线图形,自动生成监测报表。

4 工程应用青岛轨道交通工程13号线嘉年华车站位于漓江西路下方,站位紧贴漓江西路北侧,漓江西路为双向六车道,车流量较大。

车站为地下二层双柱明挖岛式车站,主体采用明挖顺做法施工,全长168.5 m,标准段宽20.7 m。

基坑围护上部采用直径1 m的吊脚桩(钻孔灌注桩),间距1.4 m,桩间旋喷桩止水,锚索竖向间距为1.5 m。

基坑内设置内支撑体系,竖向设3道内支撑,第1道支撑为800 mm×800 mm的混凝土支撑,水平间距为5.5 m,第2、3道支撑为Φ800 mm钢管支撑,水平间距为3.5 m。