北京城市鐵路的變形監(jiān)測(cè)

摘　要　介紹北京城市鐵路圓明園段運(yùn)行監(jiān)測(cè)技術(shù),著重介紹了電子式靜力水準(zhǔn)儀和位移傳感器的應(yīng)用。關(guān)鍵詞　鐵路　變形測(cè)量　監(jiān)測(cè)　靜力水準(zhǔn)　位移傳感器
　　陜京天然氣輸氣管道需穿過(guò)北京城鐵圓明園段,進(jìn)入圓明園調(diào)壓站。暗挖隧道全長(zhǎng)61. 45 m , 結(jié)構(gòu)開(kāi)挖最大寬度和高度分別為5. 7 m 和4. 2 m , 拱頂部至城鐵路基的高度為7. 6 m , 穿越城鐵段長(zhǎng)度28 m 。
2002 年9 月剛剛通車的北京西線城鐵,作為首都西北部的交通動(dòng)脈,不允許中斷或出現(xiàn)安全事故。為此,受北京地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司委托,在隧道開(kāi)挖期間,對(duì)該段鐵路進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。為確保人身和機(jī)車運(yùn)行安全,只允許在線路停電期間(每日22 時(shí)至次日凌晨3 時(shí)),進(jìn)入軌道進(jìn)行測(cè)量。
我們采用靜力水準(zhǔn)和數(shù)碼位移傳感器技術(shù),結(jié)合常規(guī)工程測(cè)量方法對(duì)該段線路進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),取得了良好的效果。
1 　測(cè)試方法與測(cè)點(diǎn)布置
對(duì)于運(yùn)行中的城市鐵路,軌道的垂直位移和水平位移至關(guān)重要,考慮到鐵軌、軌枕和扣軌的整體作用,分別在軌道的頂部、側(cè)面、軌枕和路肩設(shè)置了觀測(cè)點(diǎn);由于鐵軌表面不能安裝傳感器,采用精密水準(zhǔn)儀測(cè)量其表面的垂直位移;采用安裝在軌枕側(cè)面的位移傳感器,連續(xù)測(cè)量軌道整體的垂直位移;采用全站儀測(cè)量軌道的水平位移;采用靜力水準(zhǔn)儀連續(xù)測(cè)量路肩的垂直位移。此外,采用精密水準(zhǔn)儀測(cè)量隧道拱頂垂直位移,以指導(dǎo)隧道的開(kāi)挖。
(1) 路肩的沉降測(cè)量:采用靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)路肩進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),測(cè)點(diǎn)布置在軌道路肩兩側(cè),5 臺(tái)作觀測(cè)點(diǎn),分別設(shè)在隧道中線、半寬2. 85 m 、最大影響范圍9m 處; 1 臺(tái)設(shè)在隧道范圍外作基準(zhǔn)點(diǎn).
(2) 軌道的沉降觀測(cè):1) 軌頂沉降測(cè)量:采用重復(fù)精密水準(zhǔn)測(cè)量方法,每天在線路停運(yùn)期間進(jìn)行高程測(cè)量。垂直位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)的觀測(cè)點(diǎn)選在軌道頂面, 位置與路肩測(cè)點(diǎn)相同,在隧道中心與鐵道相交位置的兩側(cè)距隧道中心線6 m 處,各增加1 點(diǎn)。每條軌道7 點(diǎn),4 條軌道共28 個(gè)觀測(cè)點(diǎn),組成4 條支水準(zhǔn)路線,基準(zhǔn)點(diǎn)選在變形區(qū)外。2) 軌枕沉降監(jiān)測(cè):為對(duì)軌道沉降進(jìn)行連續(xù)觀測(cè),采用數(shù)碼位移傳感器系統(tǒng), 對(duì)軌枕的變形進(jìn)行測(cè)量。沿隧道方向中線和每條軌道相交處布置觀測(cè)點(diǎn),每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)安裝1 臺(tái)傳感器。
(3) 隧道拱頂?shù)某两禍y(cè)量:采用重復(fù)精密水準(zhǔn)測(cè)量方法,測(cè)量隧道拱頂沉降。測(cè)點(diǎn)間距4 m , 整個(gè)隧道內(nèi)共設(shè)7 個(gè)測(cè)點(diǎn),隨隧道的開(kāi)挖布設(shè)。
(4) 鋼軌爬移的測(cè)量:采用重復(fù)角度觀測(cè)方法, 分別測(cè)量4 根軌道的縱向水平位移(爬移) 。觀測(cè)點(diǎn)專用鋼尺分別布置在每條軌道側(cè)面B 、C 兩點(diǎn),組成平面監(jiān)測(cè)網(wǎng),觀測(cè)臺(tái)設(shè)在距鋼軌兩側(cè)各20 m 處。

2 　測(cè)試儀器與系統(tǒng)
2. 1 　靜力水準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)
本工程采用國(guó)家地震局地殼應(yīng)力研究所生產(chǎn)的J S 靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng),分別由主控制器和12 臺(tái)儀器組成。儀器由作為連通器的玻璃缽、探針、步進(jìn)電機(jī)、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、液氣管道、主控制器和計(jì)算機(jī)及其接口等部分組成。它的工作原理是,主控制器按照設(shè)定周期向各儀器發(fā)送脈沖控制信號(hào),使儀器的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)探針向下運(yùn)動(dòng)探測(cè)容器內(nèi)的液面,當(dāng)與液面接觸后形成回路,電機(jī)停止下行返回原位,進(jìn)行下一臺(tái)儀器的測(cè)試,從而將觀測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的微小高差變化,轉(zhuǎn)換為垂直位移量測(cè)試;經(jīng)連續(xù)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、存儲(chǔ)電路和RS485/ RS232 接口,與計(jì)算機(jī)連接。使用LAC 或WINMOS 軟件,實(shí)現(xiàn)了對(duì)路肩的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。儀器的主要指標(biāo): 測(cè)量范圍50 mm ; 分辨率0. 01 mm ; 準(zhǔn)確度0. 2 % 。
2. 2 　位移傳感器測(cè)試系統(tǒng)
本工程采用的HY65050 位置編碼型位移傳感器。它包括固定和移動(dòng)兩部分。固定部分由尺架、凸型尺頭、磁敏元件(霍爾或磁阻元件) 內(nèi)置信號(hào)檢測(cè)識(shí)別電路組成;活動(dòng)部分由尺架、凹型尺槽和等距安裝的圓柱型永磁體等部分組成;永磁體和磁敏元件均為不等間距排列。永磁體兩側(cè)的磁場(chǎng)按N -S、S-N 、N -S 方式,以±1/ 7～ ±1/ 9 的差異隨機(jī)排列;磁敏元件以±1/ 11～ ±13 的差異隨機(jī)排列,形成具有不同磁場(chǎng)強(qiáng)度、隨機(jī)排列的若干磁場(chǎng)單元。磁敏元件的信號(hào)引出端按(n ≥2) 排列組合,二二成對(duì)形成位置編碼,并按位置編碼組合成若干組差分信號(hào),同內(nèi)置信號(hào)檢測(cè)識(shí)別電路相連。該差分電路由多路差分輸入模擬開(kāi)關(guān)、差分輸入A/ D 轉(zhuǎn)換器, 微處理芯片和串行接口芯片組成。各編碼組合后的磁敏元件輸出端與多路差分開(kāi)關(guān)連接;A/ D 轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出端與微處理器的數(shù)據(jù)總線相連;微處理器的I/ O 接口與串行接口芯片相連。傳感器的工作原理是,當(dāng)被測(cè)軌枕下沉使位移桿移動(dòng)時(shí),活動(dòng)尺身隨之運(yùn)動(dòng)而改變?cè)艌?chǎng)的分布或強(qiáng)度,固定尺身上的磁敏元件將這種與位移量大小相關(guān)的磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為不同的電壓值;經(jīng)多路模擬開(kāi)關(guān)及A/ D 轉(zhuǎn)換器變?yōu)槎嘟M數(shù)字信號(hào);再經(jīng)微處理器解碼后得到數(shù)字化位移值;輸出RS485 型數(shù)字信號(hào)。通過(guò)電源及信號(hào)轉(zhuǎn)換盒,轉(zhuǎn)化為RS232 型信號(hào),直接與計(jì)算機(jī)連接。測(cè)量范圍:0～50 mm ; 準(zhǔn)確度等級(jí):0. 1 ; 分辨率: 1μm ; 供電電源: DC (10 ±2) V ; 工作電流: 80 mA ; 輸出: RS485 串口; 信號(hào)傳輸距離: 不小于1000 m ; 采樣頻率:20 Hz ; 環(huán)境條件:溫度(-20～ + 60) ℃;相對(duì)濕度:25 %～100 % 。
2. 3 　Ni005 精密水準(zhǔn)儀主要技術(shù)指標(biāo): i 角誤差: < 5. 00″; 補(bǔ)償器性能: 0. 12″mm/ 1′; 測(cè)站單次高差的標(biāo)準(zhǔn)偏差: ±0. 01 mm ; 調(diào)焦運(yùn)行誤差:0. 22 mm 。
2. 4 　SET -2C 全站儀
電子測(cè)角主要技術(shù)指標(biāo):水準(zhǔn)器軸與豎軸的垂直度:0. 1 格;照準(zhǔn)誤差:9. 0″;角度最小顯示:0. 5″, 橫軸與豎軸的垂直度:10. 0″;一測(cè)回水平方向標(biāo)準(zhǔn)差:1. 0″。
3 　測(cè)試結(jié)果與分析
(1) 靜力水準(zhǔn)路肩沉降:圖1 是靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)自12 月6 日至22 日路肩沉降變化曲線,隧道12 月10 日開(kāi)始掘進(jìn),12 月19 日貫通,變形范圍:6. 37～ 29. 25 mm 。曲線反映的變化趨勢(shì)與施工實(shí)際相符。東側(cè)軌道No4 測(cè)點(diǎn)曲線,在開(kāi)始階段呈隆起狀態(tài), 原因是儀器安裝前,基礎(chǔ)澆灌混凝土?xí)r間過(guò)短,使底角螺栓松動(dòng),未與基礎(chǔ)一起下沉所致;12 月9 日后恢復(fù)正常,可能是由于氣溫過(guò)低,將螺栓與基礎(chǔ)凍在一起。為說(shuō)明問(wèn)題,我們沒(méi)有修改這幾個(gè)數(shù)據(jù)異常值。

圖1 　路肩沉降曲線圖
(2) 水準(zhǔn)軌頂沉降: 采用精密水準(zhǔn)儀自12 月6 日至22 日軌頂沉降變化曲線表明,變形范圍:1. 2～
-28. 7 mm ; 可以看出,它的變化趨勢(shì)與靜力水準(zhǔn)測(cè)量是一致的,區(qū)別在于它設(shè)置了4 條導(dǎo)線,因此有4 簇曲線。
(3) 隧道拱頂沉降:隧道拱頂測(cè)量?jī)H在其頂部設(shè)了一組點(diǎn),隨著隧道的延伸而布置和測(cè)量,它的變形范圍:0～ -19. 0 mm ,12 月17 日,隧道貫通前后達(dá)最大值,后慢慢回落。
(4) 軌道爬移:軌道爬移時(shí)程曲線圖表明,4 條軌道8 個(gè)點(diǎn)的位移量集中在-1. 0～2. 0 mm 范圍內(nèi),上行東側(cè)軌道位移量最大為1. 8 mm ; 下行東側(cè)最大位移量為-1. 0 mm 。它們呈振蕩趨勢(shì),在隧道貫通后的短期振蕩最大,然后回落,規(guī)律不明顯。
(5) 軌枕沉降:軌枕沉降時(shí)程曲線圖表明,位移范圍: -0. 38～ + 0. 59 mm 。從鐵軌及其基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)看,鐵軌、軌枕、碎石和路肩的沉降趨勢(shì)應(yīng)該一致, 路肩及路基變形量最大;鐵軌和軌枕的整體結(jié)構(gòu)使變形量減小;由于事先加裝了橫跨變形區(qū)的重型扣軌,因此實(shí)際變形更小;此外,位移傳感器的基點(diǎn)的形式和質(zhì)量也將影響測(cè)量值。由于篇幅所限,部分?jǐn)?shù)據(jù)曲線圖未給出。
本次監(jiān)測(cè)工作滿足了地鐵安全運(yùn)行的要求。根據(jù)我們的報(bào)告,當(dāng)隧道沉降較快時(shí),地鐵運(yùn)營(yíng)公司對(duì)列車采取了限速措施;同時(shí)降低了隧道的開(kāi)挖速度。在沉降基本穩(wěn)定后,及時(shí)拆除了扣軌,恢復(fù)了列車的運(yùn)行速度。12 月28 日,北京西線城市鐵路全線恢復(fù)正常。

參考文獻(xiàn)
〔1〕　李青岳等. 工程測(cè)量學(xué). 北京:測(cè)繪出版社,1995.
〔2〕　程樂(lè)平等. 發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)說(shuō)明書(shū)(CN1309282A) . 北京:知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社,2001.