北京城市鐵路的變形監(jiān)測

1、北京城市鐵路的變形監(jiān)測摘要介紹北京城市鐵路圓明園段運(yùn)行監(jiān)測技術(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)鍵詞鐵路變形測量監(jiān)測靜力水準(zhǔn)位移傳感器陜京天然氣輸氣管道需穿過北京城鐵圓明園段,進(jìn)入圓明園調(diào)壓站。暗挖隧道全長61.45,構(gòu)造開挖最大寬度和高度分別為5.7和4.2,拱頂部至城鐵路基的高度為7.6,穿越城鐵段長度28。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脈,不允許中斷或出現(xiàn)平安事故。為此,受北京地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司委托,在隧道開挖期間,對該段鐵路進(jìn)展連續(xù)監(jiān)測。為確保人身和機(jī)車運(yùn)行平安,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)展測量。我們采用

2、靜力水準(zhǔn)和數(shù)碼位移傳感器技術(shù),結(jié)合常規(guī)工程測量方法對該段線路進(jìn)展連續(xù)監(jiān)測,獲得了良好的效果。1測試方法與測點(diǎn)布置對于運(yùn)行中的城市鐵路,軌道的垂直位移和程度位移至關(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)置了觀測點(diǎn);由于鐵軌外表不能安裝傳感器,采用精細(xì)水準(zhǔn)儀測量其外表的垂直位移;采用安裝在軌枕側(cè)面的位移傳感器,連續(xù)測量軌道整體的垂直位移;采用全站儀測量軌道的程度位移;采用靜力水準(zhǔn)儀連續(xù)測量路肩的垂直位移。此外,采用精細(xì)水準(zhǔn)儀測量隧道拱頂垂直位移,以指導(dǎo)隧道的開挖。(1)路肩的沉降測量:采用靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)對路肩進(jìn)展連續(xù)監(jiān)測,測點(diǎn)布置在軌道路肩兩側(cè),5臺作觀測點(diǎn),分

3、別設(shè)在隧道中線、半寬2.85、最大影響范圍9處;1臺設(shè)在隧道范圍外作基準(zhǔn)點(diǎn).(2)軌道的沉降觀測:1)軌頂沉降測量:采用重復(fù)精細(xì)水準(zhǔn)測量方法,每天在線路停運(yùn)期間進(jìn)展高程測量。垂直位移監(jiān)測網(wǎng)的觀測點(diǎn)選在軌道頂面,位置與路肩測點(diǎn)一樣,在隧道中心與鐵道相交位置的兩側(cè)距隧道中心線6處,各增加1點(diǎn)。每條軌道7點(diǎn),4條軌道共28個(gè)觀測點(diǎn),組成4條支水準(zhǔn)道路,基準(zhǔn)點(diǎn)選在變形區(qū)外。2)軌枕沉降監(jiān)測:為對軌道沉降進(jìn)展連續(xù)觀測,采用數(shù)碼位移傳感器系統(tǒng),對軌枕的變形進(jìn)展測量。沿隧道方向中線和每條軌道相交處布置觀測點(diǎn),每個(gè)觀測點(diǎn)安裝1臺傳感器。(3)隧道拱頂?shù)某两禍y量:采用重復(fù)精細(xì)水準(zhǔn)測量方法,測量隧道拱頂沉降。測點(diǎn)

4、間距4,整個(gè)隧道內(nèi)共設(shè)7個(gè)測點(diǎn),隨隧道的開挖布設(shè)。(4)鋼軌爬移的測量:采用重復(fù)角度觀測方法,分別測量4根軌道的縱向程度位移(爬移)。觀測點(diǎn)專用鋼尺分別布置在每條軌道側(cè)面b、兩點(diǎn),組成平面監(jiān)測網(wǎng),觀測臺設(shè)在距鋼軌兩側(cè)各20處。2測試儀器與系統(tǒng)2.1靜力水準(zhǔn)測試系統(tǒng)本工程采用國家地震局地殼應(yīng)力研究所消費(fèi)的js靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng),分別由主控制器和12臺儀器組成。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,使儀器的步進(jìn)電機(jī)帶動探針向下運(yùn)動探測容器內(nèi)的液面,當(dāng)與液面接觸后形成回路,電機(jī)停

5、頓下行返回原位,進(jìn)展下一臺儀器的測試,從而將觀測點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的微小高差變化,轉(zhuǎn)換為垂直位移量測試;經(jīng)連續(xù)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、存儲電路和rs485/rs232接口,與計(jì)算機(jī)連接。使用la或ins軟件,實(shí)現(xiàn)了對路肩的實(shí)時(shí)監(jiān)測。儀器的主要指標(biāo):測量范圍50;分辨率0.01;準(zhǔn)確度0.2%。2.2位移傳感器測試系統(tǒng)本工程采用的hy65050位置編碼型位移傳感器。它包括固定和挪動兩部分。固定部分由尺架、凸型尺頭、磁敏元件(霍爾或磁阻元件)內(nèi)置信號檢測識別電路組成;活動部分由尺架、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)的磁場按n-s、s-n、n-s方式,以1

6、/71/9的差異隨機(jī)排列;磁敏元件以1/1113的差異隨機(jī)排列,形成具有不同磁場強(qiáng)度、隨機(jī)排列的假設(shè)干磁場單元。磁敏元件的信號引出端按(n2)排列組合,二二成對形成位置編碼,并按位置編碼組合成假設(shè)干組差分信號,同內(nèi)置信號檢測識別電路相連。該差分電路由多路差分輸入模擬開關(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/接口與串行接口芯片相連。傳感器的工作原理是,當(dāng)被測軌枕下沉使位移桿挪動時(shí),活動尺身隨之運(yùn)動而改變原磁場的分布或強(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

7、強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為不同的電壓值;經(jīng)多路模擬開關(guān)及a/d轉(zhuǎn)換器變?yōu)槎嘟M數(shù)字信號;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。通過電源及信號轉(zhuǎn)換盒,轉(zhuǎn)化為rs232型信號,直接與計(jì)算機(jī)連接。測量范圍:050;準(zhǔn)確度等級:0.1;分辨率:1;供電電源:d(102)v;工作電流:80a;輸出:rs485串口;信號傳輸間隔 :不小于1000;采樣頻率:20hz;環(huán)境條件:溫度(-20+60);相對濕度:25%100%。2.3ni005精細(xì)水準(zhǔn)儀主要技術(shù)指標(biāo):i角誤差:5.00;補(bǔ)償器性能:0.12/1;測站單次高差的標(biāo)準(zhǔn)偏向:0.01;調(diào)焦運(yùn)行誤差:0.22。2.4set-2全站儀電子測角主要

8、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;一測回程度方向標(biāo)準(zhǔn)差:1.0。3測試結(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日開始掘進(jìn),12月19日貫穿,變形范圍:6.3729.25。曲線反映的變化趨勢與施工實(shí)際相符。東側(cè)軌道n4測點(diǎn)曲線,在開始階段呈隆起狀態(tài),原因是儀器安裝前,根底澆灌混凝土?xí)r間過短,使底角螺栓松動,未與根底一起下沉所致;12月9日后恢復(fù)正常,可能是由于氣溫過低,將螺栓與根底凍在一起。為說明問題,我們沒有修改這幾個(gè)數(shù)據(jù)異常值。圖1路肩沉降曲線圖(2

9、)水準(zhǔn)軌頂沉降:采用精細(xì)水準(zhǔn)儀自12月6日至22日軌頂沉降變化曲線說明,變形范圍:1.2-28.7;可以看出,它的變化趨勢與靜力水準(zhǔn)測量是一致的,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:隧道拱頂測量僅在其頂部設(shè)了一組點(diǎn),隨著隧道的延伸而布置和測量,它的變形范圍:0-19.0,12月17日,隧道貫穿前后達(dá)最大值,后漸漸回落。(4)軌道爬移:軌道爬移時(shí)程曲線圖說明,4條軌道8個(gè)點(diǎn)的位移量集中在-1.02.0范圍內(nèi),上行東側(cè)軌道位移量最大為1.8;下行東側(cè)最大位移量為-1.0。它們呈振蕩趨勢,在隧道貫穿后的短期振蕩最大,然后回落,規(guī)律不明顯。(5)軌枕沉降:軌枕沉降時(shí)程曲線圖說明,位移范圍:-0.38+0.59。從鐵軌及其根底的構(gòu)造看,鐵軌、軌枕、碎石和路肩的沉降趨勢應(yīng)該一致,路肩及路基變形量最大;鐵軌和軌枕的整體構(gòu)造使變形量減小;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)測工作滿足了地鐵平安運(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)