北京城市铁路的变形监测

摘　要　介绍北京城市铁路圆明园段运行监测技术,着重介绍了电子式静力水准仪和位移传感器的应用。

关键词　铁路　变形测量　监测　静力水准　位移传感器

　　陕京天然气输气管道需穿过北京城铁圆明园段,进入圆明园调压站。暗挖隧道全长61. 45 m , 结构开挖最大宽度和高度分别为5. 7 m 和4. 2 m , 拱顶部至城铁路基的高度为7. 6 m , 穿越城铁段长度28 m 。
2002 年9 月刚刚通车的北京西线城铁,作为首都西北部的交通动脉,不允许中断或出现安全事故。为此,受北京地铁集团有限责任公司委托,在隧道开挖期间,对该段铁路进行连续监测。为确保人身和机车运行安全,只允许在线路停电期间(每日22 时至次日凌晨3 时),进入轨道进行测量。
我们采用静力水准和数码位移传感器技术,结合常规工程测量方法对该段线路进行连续监测,取得了良好的效果。
1 　测试方法与测点布置
对于运行中的城市铁路,轨道的垂直位移和水平位移至关重要,考虑到铁轨、轨枕和扣轨的整体作用,分别在轨道的顶部、侧面、轨枕和路肩设置了观测点;由于铁轨表面不能安装传感器,采用精密水准仪测量其表面的垂直位移;采用安装在轨枕侧面的位移传感器,连续测量轨道整体的垂直位移;采用全站仪测量轨道的水平位移;采用静力水准仪连续测量路肩的垂直位移。此外,采用精密水准仪测量隧道拱顶垂直位移,以指导隧道的开挖。
(1) 路肩的沉降测量:采用静力水准系统对路肩进行连续监测,测点布置在轨道路肩两侧,5 台作观测点,分别设在隧道中线、半宽2. 85 m 、最大影响范围9m 处; 1 台设在隧道范围外作基准点.
(2) 轨道的沉降观测:1) 轨顶沉降测量:采用重复精密水准测量方法,每天在线路停运期间进行高程测量。垂直位移监测网的观测点选在轨道顶面, 位置与路肩测点相同,在隧道中心与铁道相交位置的两侧距隧道中心线6 m 处,各增加1 点。每条轨道7 点,4 条轨道共28 个观测点,组成4 条支水准路线,基准点选在变形区外。2) 轨枕沉降监测:为对轨道沉降进行连续观测,采用数码位移传感器系统, 对轨枕的变形进行测量。沿隧道方向中线和每条轨道相交处布置观测点,每个观测点安装1 台传感器。
(3) 隧道拱顶的沉降测量:采用重复精密水准测量方法,测量隧道拱顶沉降。测点间距4 m , 整个隧道内共设7 个测点,随隧道的开挖布设。
(4) 钢轨爬移的测量:采用重复角度观测方法, 分别测量4 根轨道的纵向水平位移(爬移) 。观测点专用钢尺分别布置在每条轨道侧面b 、c 两点,组成平面监测网,观测台设在距钢轨两侧各20 m 处。

2 　测试仪器与系统
2. 1 　静力水准测试系统
本工程采用国家地震局地壳应力研究所生产的j s 静力水准仪系统,分别由主控制器和12 台仪器组成。仪器由作为连通器的玻璃钵、探针、步进电机、信号转换电路、液气管道、主控制器和计算机及其接口等部分组成。它的工作原理是,主控制器按照设定周期向各仪器发送脉冲控制信号,使仪器的步进电机带动探针向下运动探测容器内的液面,当与液面接触后形成回路,电机停止下行返回原位,进行下一台仪器的测试,从而将观测点与基准点之间的微小高差变化,转换为垂直位移量测试;经连续数据采集、计算、存储电路和rs485/ rs232 接口,与计算机连接。使用lac 或winmos 软件,实现了对路肩的实时监测。仪器的主要指标: 测量范围50 mm ; 分辨率0. 01 mm ; 准确度0. 2 % 。
2. 2 　位移传感器测试系统
本工程采用的hy65050 位置编码型位移传感器。它包括固定和移动两部分。固定部分由尺架、凸型尺头、磁敏元件(霍尔或磁阻元件) 内置信号检测识别电路组成;活动部分由尺架、凹型尺槽和等距安装的圆柱型永磁体等部分组成;永磁体和磁敏元件均为不等间距排列。永磁体两侧的磁场按n -s、s-n 、n -s 方式,以±1/ 7～ ±1/ 9 的差异随机排列;磁敏元件以±1/ 11～ ±13 的差异随机排列,形成具有不同磁场强度、随机排列的若干磁场单元。磁敏元件的信号引出端按(n ≥2) 排列组合,二二成对形成位置编码,并按位置编码组合成若干组差分信号,同内置信号检测识别电路相连。该差分电路由多路差分输入模拟开关、差分输入a/ d 转换器, 微处理芯片和串行接口芯片组成。各编码组合后的磁敏元件输出端与多路差分开关连接;a/ d 转换器的数字输出端与微处理器的数据总线相连;微处理器的i/ o 接口与串行接口芯片相连。传感器的工作原理是,当被测轨枕下沉使位移杆移动时,活动尺身随之运动而改变原磁场的分布或强度,固定尺身上的磁敏元件将这种与位移量大小相关的磁场强度转换为不同的电压值;经多路模拟开关及a/ d 转换器变为多组数字信号;再经微处理器解码后得到数字化位移值;输出rs485 型数字信号。通过电源及信号转换盒,转化为rs232 型信号,直接与计算机连接。测量范围:0～50 mm ; 准确度等级:0. 1 ; 分辨率: 1μm ; 供电电源: dc (10 ±2) v ; 工作电流: 80 ma ; 输出: rs485 串口; 信号传输距离: 不小于1000 m ; 采样频率:20 hz ; 环境条件:温度(-20～ + 60) ℃;相对湿度:25 %～100 % 。

2. 3 　ni005 精密水准仪主要技术指标: i 角误差: < 5. 00″; 补偿器性能: 0. 12″mm/ 1′; 测站单次高差的标准偏差: ±0. 01 mm ; 调焦运行误差:0. 22 mm 。
2. 4 　set -2c 全站仪
电子测角主要技术指标:水准器轴与竖轴的垂直度:0. 1 格;照准误差:9. 0″;角度最小显示:0. 5″, 横轴与竖轴的垂直度:10. 0″;一测回水平方向标准差:1. 0″。
3 　测试结果与分析
(1) 静力水准路肩沉降:图1 是静力水准系统自12 月6 日至22 日路肩沉降变化曲线,隧道12 月10 日开始掘进,12 月19 日贯通,变形范围:6. 37～ 29. 25 mm 。曲线反映的变化趋势与施工实际相符。东侧轨道no4 测点曲线,在开始阶段呈隆起状态, 原因是仪器安装前,基础浇灌混凝土时间过短,使底角螺栓松动,未与基础一起下沉所致;12 月9 日后恢复正常,可能是由于气温过低,将螺栓与基础冻在一起。为说明问题,我们没有修改这几个数据异常值。

图1 　路肩沉降曲线图
(2) 水准轨顶沉降: 采用精密水准仪自12 月6 日至22 日轨顶沉降变化曲线表明,变形范围:1. 2～
-28. 7 mm ; 可以看出,它的变化趋势与静力水准测量是一致的,区别在于它设置了4 条导线,因此有4 簇曲线。
(3) 隧道拱顶沉降:隧道拱顶测量仅在其顶部设了一组点,随着隧道的延伸而布置和测量,它的变形范围:0～ -19. 0 mm ,12 月17 日,隧道贯通前后达最大值,后慢慢回落。
(4) 轨道爬移:轨道爬移时程曲线图表明,4 条轨道8 个点的位移量集中在-1. 0～2. 0 mm 范围内,上行东侧轨道位移量最大为1. 8 mm ; 下行东侧最大位移量为-1. 0 mm 。它们呈振荡趋势,在隧道贯通后的短期振荡最大,然后回落,规律不明显。
(5) 轨枕沉降:轨枕沉降时程曲线图表明,位移范围: -0. 38～ + 0. 59 mm 。从铁轨及其基础的结构看,铁轨、轨枕、碎石和路肩的沉降趋势应该一致, 路肩及路基变形量最大;铁轨和轨枕的整体结构使变形量减小;由于事先加装了横跨变形区的重型扣轨,因此实际变形更小;此外,位移传感器的基点的形式和质量也将影响测量值。由于篇幅所限,部分数据曲线图未给出。
本次监测工作满足了地铁安全运行的要求。根据我们的报告,当隧道沉降较快时,地铁运营公司对列车采取了限速措施;同时降低了隧道的开挖速度。在沉降基本稳定后,及时拆除了扣轨,恢复了列车的运行速度。12 月28 日,北京西线城市铁路全线恢复正常。

参考文献
〔1〕　李青岳等. 工程测量学. 北京:测绘出版社,1995.
〔2〕　程乐平等. 发明专利申请公开说明书(cn1309282a) . 北京:知识产权出版社,2001.