北京城市鐵路的變形監測

摘　要　介紹北京城市鐵路圓明園段運行監測技術,著重介紹了電子式靜力水準儀和位移傳感器的應用。關鍵詞　鐵路　變形測量　監測　靜力水準　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,進入圓明園調壓站。暗挖隧道全長61. 45 m , 結構開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脈,不允許中斷或出現安全事故。為此,受北京地鐵集團有限責任公司委托,在隧道開挖期間,對該段鐵路進行連續監測。為確保人身和機車運行安全,只允許在線路停電期間(每日22 時至次日凌晨3 時),進入軌道進行測量。
我們采用靜力水準和數碼位移傳感器技術,結合常規工程測量方法對該段線路進行連續監測,取得了良好的效果。
1 　測試方法與測點布置
對于運行中的城市鐵路,軌道的垂直位移和水平位移至關重要,考慮到鐵軌、軌枕和扣軌的整體作用,分別在軌道的頂部、側面、軌枕和路肩設置了觀測點;由于鐵軌表面不能安裝傳感器,采用精密水準儀測量其表面的垂直位移;采用安裝在軌枕側面的位移傳感器,連續測量軌道整體的垂直位移;采用全站儀測量軌道的水平位移;采用靜力水準儀連續測量路肩的垂直位移。此外,采用精密水準儀測量隧道拱頂垂直位移,以指導隧道的開挖。
(1) 路肩的沉降測量:采用靜力水準系統對路肩進行連續監測,測點布置在軌道路肩兩側,5 臺作觀測點,分別設在隧道中線、半寬2. 85 m 、最大影響范圍9m 處; 1 臺設在隧道范圍外作基準點.
(2) 軌道的沉降觀測:1) 軌頂沉降測量:采用重復精密水準測量方法,每天在線路停運期間進行高程測量。垂直位移監測網的觀測點選在軌道頂面, 位置與路肩測點相同,在隧道中心與鐵道相交位置的兩側距隧道中心線6 m 處,各增加1 點。每條軌道7 點,4 條軌道共28 個觀測點,組成4 條支水準路線,基準點選在變形區外。2) 軌枕沉降監測:為對軌道沉降進行連續觀測,采用數碼位移傳感器系統, 對軌枕的變形進行測量。沿隧道方向中線和每條軌道相交處布置觀測點,每個觀測點安裝1 臺傳感器。
(3) 隧道拱頂的沉降測量:采用重復精密水準測量方法,測量隧道拱頂沉降。測點間距4 m , 整個隧道內共設7 個測點,隨隧道的開挖布設。
(4) 鋼軌爬移的測量:采用重復角度觀測方法, 分別測量4 根軌道的縱向水平位移(爬移) 。觀測點專用鋼尺分別布置在每條軌道側面B 、C 兩點,組成平面監測網,觀測臺設在距鋼軌兩側各20 m 處。

2 　測試儀器與系統
2. 1 　靜力水準測試系統
本工程采用國家地震局地殼應力研究所生產的J S 靜力水準儀系統,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、步進電機、信號轉換電路、液氣管道、主控制器和計算機及其接口等部分組成。它的工作原理是,主控制器按照設定周期向各儀器發送脈沖控制信號,使儀器的步進電機帶動探針向下運動探測容器內的液面,當與液面接觸后形成回路,電機停止下行返回原位,進行下一臺儀器的測試,從而將觀測點與基準點之間的微小高差變化,轉換為垂直位移量測試;經連續數據采集、計算、存儲電路和RS485/ RS232 接口,與計算機連接。使用LAC 或WINMOS 軟件,實現了對路肩的實時監測。儀器的主要指標: 測量范圍50 mm ; 分辨率0. 01 mm ; 準確度0. 2 % 。
2. 2 　位移傳感器測試系統
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。永磁體兩側的磁場按N -S、S-N 、N -S 方式,以±1/ 7～ ±1/ 9 的差異隨機排列;磁敏元件以±1/ 11～ ±13 的差異隨機排列,形成具有不同磁場強度、隨機排列的若干磁場單元。磁敏元件的信號引出端按(n ≥2) 排列組合,二二成對形成位置編碼,并按位置編碼組合成若干組差分信號,同內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、差分輸入A/ D 轉換器, 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連接;A/ D 轉換器的數字輸出端與微處理器的數據總線相連;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,當被測軌枕下沉使位移桿移動時,活動尺身隨之運動而改變原磁場的分布或強度,固定尺身上的磁敏元件將這種與位移量大小相關的磁場強度轉換為不同的電壓值;經多路模擬開關及A/ D 轉換器變為多組數字信號;再經微處理器解碼后得到數字化位移值;輸出RS485 型數字信號。通過電源及信號轉換盒,轉化為RS232 型信號,直接與計算機連接。測量范圍:0～50 mm ; 準確度等級: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; 信號傳輸距離: 不小于1000 m ; 采樣頻率:20 Hz ; 環境條件:溫度(-20～ + 60) ℃;相對濕度:25 %～100 % 。
2. 3 　Ni005 精密水準儀主要技術指標: i 角誤差: < 5. 00″; 補償器性能: 0. 12″mm/ 1′; 測站單次高差的標準偏差: ±0. 01 mm ; 調焦運行誤差:0. 22 mm 。
2. 4 　SET -2C 全站儀
電子測角主要技術指標:水準器軸與豎軸的垂直度:0. 1 格;照準誤差:9. 0″;角度最小顯示:0. 5″, 橫軸與豎軸的垂直度:10. 0″;一測回水平方向標準差:1. 0″。
3 　測試結果與分析
(1) 靜力水準路肩沉降:圖1 是靜力水準系統自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,12 月19 日貫通,變形范圍:6. 37～ 29. 25 mm 。曲線反映的變化趨勢與施工實際相符。東側軌道No4 測點曲線,在開始階段呈隆起狀態, 原因是儀器安裝前,基礎澆灌混凝土時間過短,使底角螺栓松動,未與基礎一起下沉所致;12 月9 日后恢復正常,可能是由于氣溫過低,將螺栓與基礎凍在一起。為說明問題,我們沒有修改這幾個數據異常值。

圖1 　路肩沉降曲線圖
(2) 水準軌頂沉降: 采用精密水準儀自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,它的變化趨勢與靜力水準測量是一致的,區別在于它設置了4 條導線,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了一組點,隨著隧道的延伸而布置和測量,它的變形范圍:0～ -19. 0 mm ,12 月17 日,隧道貫通前后達最大值,后慢慢回落。
(4) 軌道爬移:軌道爬移時程曲線圖表明,4 條軌道8 個點的位移量集中在-1. 0～2. 0 mm 范圍內,上行東側軌道位移量最大為1. 8 mm ; 下行東側最大位移量為-1. 0 mm 。它們呈振蕩趨勢,在隧道貫通后的短期振蕩最大,然后回落,規律不明顯。
(5) 軌枕沉降:軌枕沉降時程曲線圖表明,位移范圍: -0. 38～ + 0. 59 mm 。從鐵軌及其基礎的結構看,鐵軌、軌枕、碎石和路肩的沉降趨勢應該一致, 路肩及路基變形量最大;鐵軌和軌枕的整體結構使變形量減小;由于事先加裝了橫跨變形區的重型扣軌,因此實際變形更小;此外,位移傳感器的基點的形式和質量也將影響測量值。由于篇幅所限,部分數據曲線圖未給出。
本次監測工作滿足了地鐵安全運行的要求。根據我們的報告,當隧道沉降較快時,地鐵運營公司對列車采取了限速措施;同時降低了隧道的開挖速度。在沉降基本穩定后,及時拆除了扣軌,恢復了列車的運行速度。12 月28 日,北京西線城市鐵路全線恢復正常。

參考文獻
〔1〕　李青岳等. 工程測量學. 北京:測繪出版社,1995.
〔2〕　程樂平等. 發明專利申請公開說明書(CN1309282A) . 北京:知識產權出版社,2001.