自动化监测技术在青岛地铁13号线施工中的应用.docx

自动化监测技术在青岛地铁13号线施工中的应用.docx

《自动化监测技术在青岛地铁13号线施工中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动化监测技术在青岛地铁13号线施工中的应用.docx（7页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

自动化监测技术在青岛地铁13号线施工中的应用

自动化监测技术在地铁13号线施工中的应用

自动化监测技术在地铁13号线施工中的应用于博1,维洲2（1.中国交通建设股份有限公司,北京100088;2.中国交建地铁项目总经理部,266555）摘要：

为了及时地获取监测数据,采用自动化监测技术对地铁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边环境的变形、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。

如利用现有的施工经验,结合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工程概况市地铁13号线项目位于市西海岸经济新区,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68.9km,其中地下线区间长度为17.8km,设地下站9座、高架站14座。

自动化监测围为地下车站基坑、区间明挖段及施工竖井、斜井,监测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,并可在任有网路的地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、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、监测、监理、业主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》（GB50911—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,工程围的岩土体、地下水及地表,工程边建筑物、地下管线、既有轨道交通等。

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

为满足轨道交通13号线工程的支护结构安全和边环境保护要求,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、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,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。

采集节点置2MB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。

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

云网关置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快速组建数据通讯,进行远程控制,具有简单便的特点。

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,系统存储的数据按照该套规进行工作,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工程应用轨道交通工程13号线嘉年华车站位于漓路下,站位紧贴漓路北侧,漓路为双向六车道,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168.5m,标准段宽20.7m。

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

基坑设置支撑体系,竖向设3道支撑,第1道支撑为800mm×800mm的混凝土支撑,水平间距为5.5m,第2、3道支撑为Φ800mm钢管支撑,水平间距为3.5m。

为满足车站围护结构安全和边环境保护要求,确定车站基坑的自动化监测项目有桩体深层水平位移、支撑轴力和地下水位。

桩体深层水平位移监测和支撑轴力监测如图3、4所示。

图3深层水平位移监测图4支撑轴力监测监测数据管理平台对车站的监测数据进行集成管理,系统界面如图5所示。

5结语对施工期间13号线暗挖车站和隧道区间的围护结构和围岩土体、边环境等重要监测容采用自动化监测系统进行实时监测,该系统的应用情况良好,得出的结论如下。

图5监测数据管理平台界面

（1）地铁自动化监测系统对车站基坑围护结构及边重要结构物的监测数据进行实时采集、存储、传输、分析和管理,连续掌握工程结构的安全状态。

（2）根据城市轨道交通工程不同的监测对象,地铁自动化监测系统选用满足规要求和现场情况的自动监测传感器,对车站基坑围护结构及边环境的变形、力、地下水位和爆破振动等监测容,通过短距离无线传输和远程在线监控,实现自动化监测,并提供分布式、实时、动态、连续的监测信息。

（3）无线传输系统采用ZigBee技术,能够很好地适用于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、组网要求高的地铁工程监测。

通过短程无线组网和无线远程数传,实现采集数据的无线传输和传感器状态的远程控制。

（4）监测数据管理平台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,可提供专业的监测数据分析、数据曲线分析;能够在紧急异常情况下通过多种终端发布预警信息;能够对各种工程资料综合管理。

（5）自动化监测系统在轨道交通工程13号线的应用结果表明,自动化监测系统能够在复杂条件下进行快速监测,动态、及时地提供准确的监测数据,对可能出现的险情及时进行预警,有效地提高了监测数据处理的效率和监测数据反馈的及时性,取得了较好的效果。

参考文献：

[1]宏盛,梁超,童立元,等.深大基坑无线自动化监测系统的开发应用[J].城市轨道交通研究,2016

（2）:

87-91.[2]黄少群,龙红德,曾庆国.地铁5号线施工远程监控管理系统应用研究[J].铁道技术监督,2010,38（4）:

39-42.[3]本现.自动化变形监测技术发展与在地铁中的应用[J].工程建设与设计,2012（10）:

145-147.[4]易双双,向卫国.地铁施工中建筑物安全监控实践与探索[J].土木与建筑,2013（3）:

275.[5]军,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.[6]天麟,肖红渠,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）:

359-361.[7]SHIMIZUN,TAYAMAS,HIRANOH,etal.MonitoringtheGroundStabilityofHighwayTunnelsConstructedinaLandslideAreaUsingaWeb-basedGPSDisplacementMonitoringSystem[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,2006,21（3-4）:

266-267.[8]YANGYW,SBHALLA,CWANG,etal.MonitoringofRocksUsingSmartSensors[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,2007,22

（2）:

206-210.[9]雄耀,雷.无线传感器网络技术的研究进展及其在地铁隧道中的应用挑战[J].岩力学与工程学报,2011,30（S2）:

47-55.[10]叶英,穆千祥,成平.隧道施工多元信息预警与安全管理系统研究[J].岩力学与工程学报,2009,28（5）:

7-9.[11]承军.软土隧道施工的自动监测数据动态分析与安全状态评估法的研究[D].上海:

同济大学,2007.[12]华建革.地铁施工安全风险实时监控系统研究[D].:

东南大学,2005.[13]费广海,小萍,文荣,等.CMIMS:

钻爆法隧道施工监测与多元信息管理系统[J].铁道科学与工程学报,2016,13（4）:

75-82.[14]WANGH,LIL,JIAOY,etal.ARelationship-basedandObject-orientedSoftwareforMonitoringManagementDuringGeotechnicalExcavation[J].AdvancesinEngineeringSoftware,2014（71）:

34-45.[15]梁昊.基于ZigBee的隧道健康监测系统设计[D].:

中国科学院研究生院,2010.[责任编辑:

杜卫华]ApplicationofAutomatedMonitoringTechnologyinConstructionofNo.13QingdaoMetroLineYUBo1,LIWei-zhou2

（1.ChinaCommunicationsConstructionCompanyLtd.,Beijing100088,China;2.GeneralManagementDepartmentofCCCCforQingdaoMetroProject,Qingdao266555,Shandong,China）Abstract：

Inordertoobtaintimelymonitoringdata,theautomatedmonitoringtechnologywasintroducedtoNo.13QingdaoMetroLineforon-linemonitoring.Thesystemcanrealizetheautomatedmonitoringofthedeformationofthefoundationpitandthesurroundingenvironment,internalforce,groundwaterlevelandblastingvibrationthroughshortdistancewirelesstransmissionandremoteon-linemonitoring.Thefunctionsofmonitoringdataanalysis,warningandforecastingofmonitoringinformationandengineeringdatamanagementwerealsointegrated.Applicationresultsshowthattheautomatedmonitoringsystemiscapableofrapidmonitoringundercomplexconditionsandpresentstimelywarningofpossibledanger.Keywords：

citymetro;automaticmonitoring;dangerwarning;constructionoffoundationpitsupport中图分类号：

U414.03文献标志码：

B文章编号：

1000-033X（2017）07-0101-05收稿日期：

2016-12-24作者简介：

于博（1979-）,男,人,高级工程师,工学硕士,研究向为隧道工程。