顶进施工中的线路信息化监控技术

顶进施工中的线路信息化监控技术

刘恒勰

（同济大学上海200092）

摘要：本文介绍了顶进施工过程中采用静力水准仪对路基的沉降进行监测，采用电水平尺对轨道的纵断面变化进行监测两种技术。该技术可以利用数据采集器和电脑在室内对铁路路基及轨道沉降进行监测并分析数据，及时的提出报警值，以确保铁路顶进过程中行车安全。

关键词：顶进信息化监控

近年来采用顶进法修建下穿立交穿越既有铁路得到了广泛应用，而顶进过程中最重要的就是保证既有线行车的绝对安全，必须做到24小时监测线路，其内容包括路基沉降，线路的纵断面变化，以做到防患于未然。以往经常采用的人工检测检查因受列车通行影响，无法全面测量且检测人员的人身安全难于得到保证，因此，本文介绍了现今采用的静力水准仪对路基的沉降进行监测，采用电水平尺对轨道的纵断面变化进行监测，而后利用数据采集器和电脑进行监测和分析的信息化监控技术。

1铁路路基沉降监测

采用静力水准仪对路基的沉降进行监测。静力水准仪的结构、原理及测点的布置等如下。

1.1.静力水准仪结构

静力水准测量系统主要由主体容器、连通管、电容传感器等部分组成，详见下图1.1。当仪器主体安装点发生高程变化时，主体容器内液面发生变化；使相对于浮子上的屏蔽管仪器主体上的电容传感器可变电容发生变化，通过测量仪表测出该点的高程变化。测量电路采用非接触比率测量方式，由二个电容及感应分压器构成自动平衡桥，一个电容的变化，通过自动平衡桥自动平衡给出数字量而测出液面相对于主体的升降量。

1.2.静力水准仪测量原理

静力水准测量原理：液体静力水准测量是一种精密的水准测量方法，对高差的观测精度可达到20微米甚至更高。它根据连通器的原理，利用两根软管将两个或多个容器连接起来见下图，根据液体静力平衡方程可以写出：

P1+ρ1g1H1=P2+ρ2g2H2

其中P为大气压，ρ为液体密度，H为连通管最低点到液面的高(本文称之为高程)。通常两容器相距不远，那么可以认为P1与P2相等，g1与g2相等，则此时有：

ρ1H1=ρ2H2=C

通常情况下连通器中的液体密度均匀或分布对称，也即ρ1=ρ2，则H1=H2，此时两容器中的液面处于同一水平面上，通过测量可以得出h1、h2，那么A、B两点间的高差h=h2-h1。

1.3路基沉降点观测步骤

在布设静力水准仪位置处，布设混凝土预制基座，用水准仪在同一水平位置打上标记，调整基座高度，使得静力水准仪安装在同一标高。

把静力水准仪用螺丝固定在托架上，调整所有静力水准仪的螺杆为大概的同一高度。

仪器之间用PVE连通管连接起来，注入溶液，然后排出连通管中的气泡，直到连通管中无气泡。

观察仪器中的液面高度，调整所有仪器为同一液面高度。

在施工影响范围外，按上述方法布设一静力水准仪，使之与其它静力水准仪相通，作为静力水准监测之基准点。

安装完成后，对所有设备及连线进行检查，如膨胀螺丝的固定、连通管是否漏液体、数据线是否正常等等。

一切正常后，给每个静力水准仪加装保护罩。

安装完毕后进行测试，测试过程如下：

静力水准仪系统的整个监测过程及数据处理都是自动化的，再配以多媒体网络监控系统及远程控制系统，其网络图见下图1.2。

2轨道沉降监测

采用电水平尺对箱涵顶进过程轨道沉降进行监测。电水平尺是测量物体倾斜(即两点间高差)的仪器，将它多个连用，就能监测物体的不均匀沉降。

2.1.电水平尺结构

电水平尺的核心部分是一个电解质倾斜传感器见下图2.1，它是利用电解质来进行水平偏差(即倾斜角)测量的仪器，它的显著特点是测角的灵敏度很高，可达1秒(相当于在1m的直尺上由于两端有10微米高差形成的倾角)，而且有极好的稳定性。

将上述电解质倾斜传感器(组件)安装在一支空心的刚性直尺内，就构成了电水平尺。使用时电水平尺可以单支安装，也可以将多支电水平尺的首尾相连，形成一个“尺链”，在监测区段内沿待测方向展开安装。

2.2.电水平尺工作原理

电水平尺的尺身一般长1～3m，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，则沉降量d=L(sina1－sina0)。此处，L是梁的长度，a1是现时倾角值，a0是初始倾角值。

若将一系列电水平尺首尾相接地安装在道床上，形成上述的所谓“尺链”，就可得出“尺链"范围内的沉降曲线。其原理可见下图4.5。

2.3.监测过程

电水平尺中的电解质倾斜传感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输出的信号均接到一台CRIO型数据自动采集器上，就可按设定的时间间隔(可调整的范围为几秒到几小时，一般可取一小时)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l份数据暂存在采集器内供定期处理，还可通过电缆直接从采集器输送到计算机中，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。

3工程实例

某工程下穿京九线及南昌车站站线共计16股道，该区段停车较多，且通行、发车密集，部分时间达每2分钟左右一趟，顶进过程中采用静力水准仪及电水平尺信息化监控技术。

3.1路基沉降点布设

路基沉降点在南昌站1道~Ⅹ道每股道之间的位置内，平行于钢轨方向，共布设7条测量断面，每条断面5个测点，测点分布为：距箱体断面中间位置布置一个测点、再向两边间距10m各布设一测点，最后再向两边间距10m各布设一测点。这样形成一条由多个测点组成、长约40m的沉降监测断面，整个断面覆盖于箱体的正上方及两侧约40m的范围，使得断面点沉降变化成为一条相互联系的、直观的曲线，便于我们分析顶进施工对铁路的影响。

3.2轨道沉降点布设

以顶进施工范围10m外，轨道不受施工影响而产生沉降变化处为基准，沿京九上、下行线铁路线路纵向前后39m的范围布设13支3m长的电水平尺，形成一条监测长39m的电水平尺链，通过尺链的沉降变化，可以分析出箱体顶进施工对铁轨的影响范围及大小。对于有碴轨道，电水平尺用专用的紧固件固定在轨枕上；对于轨枕板轨道，采取对轨枕中心处钻孔打膨胀螺丝进行固定。

3.3监测结果与箱涵顶进过程线路沉降分析

在箱涵顶进施工过程中，选取一个典型监测断面进行分析，为西面顶进时京九Ⅱ道上行线路基、轨道沉降监测数据，具体见图3.1、图3.2。

根据监测信息可以看到箱涵在正常顶进时，调整挖土量以及调节顶进速度，能有效地控制地表变化。根据监测结果，西面顶进时盾构前方路基最大隆起为28mm，轨面最大隆起量为12mm，路基最大沉降为37mm，轨面最大沉降为7mm；由于线路下方局部存在大块混凝土障碍物，在超挖清除时造成局部空隙较大，使得个别点路基累计沉降达到37mm。当轨道隆起或沉降值超限时，根据监测结果及时采取落道或起道措施，并调整后续顶进参数控制地面变形。

4结论

⑴、通过南昌洛阳路工程实例，对顶程长，且需穿越多股线路的顶进施工，如采用常规的人工检测检查手段，检查及检测人员无法在短时间内完成对多股线路及路基的几何状况检查监测，且由于车站列车通行发车密集，检测人员的人身安全难于得到保证。因此，采用静力水准仪及电水平尺的信息化监控在室内就可完成监控及数据分析，有着安全、方便、及时。准确的优势。

⑵、顶进施工中通过线路内布置的静力水准仪和电水平尺，在室内利用数据采集器和电脑对铁路路基及轨道沉降进行24小时实时监测，实现了信息化管理，可以方便各方及时了解框架桥顶进过程中线路的变化情况，以更好的指导施工，确保铁路运行的绝对安全。