地铁运营自动化监测调研报告

1、精品文档地铁运营自动化监测技术国内外研究现状调研报告上海地矿工程勘察有限公司二 O一 O年十一月。1欢迎下载精品文档目录第一章前言 . .1第二章国内外监测技术研究现状 . .12.1全站仪自动量测系统 . .22.1.1系统的构成 . .22.1.2TCA自动化全站仪 .22.1.3Leica标准精密测距棱镜 .32.1.4计算机 . .42.1.5其他设备 . .42.1.6实时监控软件 . .42.1.7后方处理软件 . .42.1.8观测方法 . .52.1.9误差来源 .52.1.10误差来源 .52.2静力水准仪系统 . .62.2.1系统组成 . .62.2.2静力水准仪的结构

2、. .62.2.3静力水准仪的测量原理 . .72.2.2RJ型电容式静力水准仪主要技术指标.82.2.3静力水准仪的安装及调试 . .92.2.4静力水准仪的观测和运行维护 . .102.2.5静力水准仪漏液及蒸发后所得数据的处理.10第三章自动化监测项目的必要性与可行性分析.113.1项目必要性分析 . .113.1重大工程运营安全已成为社会稳定的重要因素之一.113.2随着轨道交通不断建设和投入使用，地质环境变化及自身结构变形对其安全运营影响日益显现. .113.2重大工程安全运营对环境要求不断提高，需及时地掌握影响其安全运营的变形情况.133.2目前国内监测市场的方法体系相对落后、不够

3、系统，有待提高.143.2项目可行性分析 . .143.2.1政府和社会的高度重视 .143.2.2国内外相关技术的飞速发展提供了技术可行性.14第四章结束语 . .15。1欢迎下载精品文档第一章前言近年来，随着我国国民经济的飞速发展， 人们对城市交通快速和便捷的需求日益高涨，运量大、准时、快速的城市地铁交通因此也成为国家基础设施建设的重点和热点之一。“十五”计划期间，国家用于城市地铁建设中的投资就至少达到两千亿。鉴于地铁在国民生产和生活中的重要性， 以及地铁事故所可能导致的重大后果，如何确保地铁在建设及运营期间的安全则成为地铁工程和运营部门需要共同面对的一个重要课题。由于地铁隧道在一天中的三

4、分之二以上的时间是处于全封闭的运营状态， 绝对不允许监测人员进入隧道内工作， 所以要求必须在隧道内设置自动化监测系统代替人工操作，实现对隧道水平、垂直位移的连续、精确监测。考虑到地铁运行的时间很短，所采用的监测系统应能在 35min 内完成隧道内的变形监测，以掌握地铁运行过程中隧道变形特征和规律，以便及时控制。第二章国内外监测技术研究现状从 20 世纪 70 年代末，国外运行安全监测技术迅速发展并广泛应用， 其主要监测的对象为大坝、桥梁、高层建筑物、防护堤、边坡、隧道地铁等。发展到近阶段，除常规监测方法以外， 采用先进技术方法主要是： 自动化监测、 GPS技术、INSAR技术等。在几何学、物理

5、学、计算机仿真学等多学科、多领域的融合、渗透下，变形监测技术向一体化、 自动化、数字化、智能化等方向发展。 在集成多种监测方法、多学科专业技术的基础上，自动化监测技术近十年来迅速发展。其基本原理是：根据自动控制原理，把被观测的几何变形量（长度、角度）转换成电量，再与一些必要的测量电路、 附件装置相配合， 组成自动测量装置， 将测量数据自动采集、传输到指定系统，完成自动化监测过程。相比较与传统人工监测，它具有连续、动态、实时、精确等显著优势。 现代的自动化监测技术已实现了运行变量的实时数据采集与传输、数据管理、在线分析、综合成图、成果预警的计算机控制网络化。目前国内外远程自动化监测系统主要有对近

6、景摄像测量系统、多通道无线遥测系统、光纤监测系统、全站仪自动量测系统、静力水准仪系统、巴赛特结构收敛系统。1欢迎下载精品文档2.1 全站仪自动量测系统2.1.1系统的构成一个完整的自动化动态监测系统是指在无需操作人员干预的条件下， 实现自动观测、记录、处理、存储、报表编制、预警预报等功能，它由一系列的软件和硬件构成，整个系统配置包括： TCA自动化全站仪、 棱镜、通讯电缆及供电电缆、计算机与专用软件。图 2.1-1莱卡全站仪进行瞬时自动化监测2.1.2 TCA 自动化全站仪TCA 自动化全站仪能够自动整平、自动调焦、自动正倒镜观测、自动进行误差改正、自动记录观测数据，其独有的ATR（Autom

7、atic Target Recognition ，自动目标识别） 模式，使全站仪能进行自动目标识别，操作人员一旦粗略瞄准棱。2欢迎下载精品文档镜后，全站仪就可搜寻到目标，并自动瞄准，不再需要精确瞄准和调焦，大大提高工作效率。图 2.1-2 TCA2003 莱卡自动化全站仪TCA2003是 Leica TCA 自动化全站仪中的一种（见图1），该仪器测角精度为 0.5 ，测距精度为 1 mm1 ppm。可通过专用的控制软件来控制观测目标、设定观测周期。2.1.3 Leica标准精密测距棱镜棱镜作为观测标志，利用膨胀螺丝固定在隧道内侧（见图2），其数目可按实际需要设定， 该标志能被 TCA2003全

8、站仪自动跟踪锁定， 以实施精密测角和测距。图 2.1-3 莱卡标准精密棱镜。3欢迎下载精品文档2.1.4计算机计算机利用电缆和全站仪连接， 并装有专用软件以实现整个监测过程的全自动化，既能控制全站仪按特定测量程序采集监测点数据， 并将测量成果实时进行处理，以便及时发现错误， 杜绝返工，也可以对各个观测周期的监测数据进行存储并生成监测报告。2.1.5其他设备其它设备包括温度计气压计湿度计、 连接电缆、 外接电源等； 温度计气压计湿度计用于测定空气的温度、 压力和湿度，将测定结果输入到计算机中，对观测结果进行修正，以提高观测精度。2.1.6实时监控软件GeoMos Monitor 是专门用于监测的

9、、与TCA2003全站仪配套的变形测量软件，其在 Windows环境下运行，并将数据存储在SQL Server 数据库中，它既可按操作者设定的测量过程和选定的基准点、观测点进行相应的测量处理， 也可快速建立三维坐标、位移量以及其它相关数据库，实现数据的快速存储、检索、编辑，可实时显示量测数据， 并进行实时处理或后处理， 能实时显示图形或事后显示。2.1.7后方处理软件采用自己编制的软件，利用和GeoMos的软件接口，对测量数据进行后处理，按施工方要求的格式将监测点的位移变化转化为标准图表的形式直观地表达出来，绘制出监测报表和位移曲线，自动实现数据分析、 报警以及报表生成的功能，可以根据用户的要

10、求提供报表的形式。4欢迎下载精品文档2.1.8观测方法通过控制软件， 在每个观测周期开始前， 利用布设好的基准点， 测 4 测回推算出测站点的坐标， 然后，四测回对所有的点进行自动观测， 得到观测点的坐标。地铁运营期间 24 h 实时观测。2.1.9误差来源测量的误差来源于仪器的系统误差、 测站和目标的对中误差、 外界环境的影响、测量仪器的影响。 仪器的系统误差主要是由仪器本身构造引起的，为保证精度，需在测量前对仪器进行检校， 仪器即使在检校后还有残余的系统误差。但由于监测需要得到的是 2 次测量之间的位移值，因此系统误差可以基本消除。 由于测站点、观测点均采用强制对中措施，而且标志埋设后在整

11、个观测过程中不再重新安置，因此，测站、目标的对中误差可忽略不计。 由于监测需要实时监测，而地铁隧道的湿度较大，对测距的精度会有影响，但地铁隧道内的温度气压湿度均比较稳定，因此，可不考虑这些外界环境因素对观测结果的影响， 可在观测过程中利用数学模型进行修正。而列车运行带来的震动却对观测结果的影响较大，故应尽量避免在这一时段进行观测。 TCA2003全站仪测角精度 0.5 ，测距精度 1 mm1 ppm，因此，其是影响测量的主要误差源。2.1.10误差来源此次监测主要的误差来源是仪器的测角误差和测距误差，仪器的测角精度为 0.5 ， 100 m的监测范围内由测角所引起的最大误差为 0.12 mm；

12、仪器的测距精度为 1 mm 1 ppm，其中 1 mm为固定误差， 1 ppm 为比例误差 (1 mm/km)，即 100 m的距离由测距所引起的误差为 0.1 mm，距离测量采用四测回观测仪器引起的误差为 0.5 mm；根据各点给定的初始坐标估算， 点位的平面精度约 0.5 mm，Z 方向的精度与竖直角的大小有关， 精度略低，但仍可以保证 1 mm的精度，能够满足施工及甲方对地铁保护的要求。5欢迎下载精品文档2.2 静力水准仪系统2.2.1系统组成该仪器依据连通管原理的方法，用电容传感器，测量每个测点容器内液面的相对变化，再通过计算求得各点相对于基点的相对沉陷量。见下图 2.1-1 ，各静力

13、水准仪安装后，将各静力水准仪导线联接至数据箱，能过无线传输或网线直接联接至电脑（可多台电脑同时查看） ，随时输出测量指令或设定定时测量指令，静力水准仪自动测量容器内的水位变化情况，通过一定的公式，解算为水位的升降量，从而形成报表。静力水准仪静力水准仪静力水准仪数据盒电脑终端电脑终端数据采集报表生成图 2.2-1 静力水准自动化监测整体结构图2.2.2静力水准仪的结构。6欢迎下载精品文档由右图 2.2-2所示，电容式静力水准仪由主体容器、 连通管、电容传感器等部分组成。当仪器主体安装墩发生高程变化时，主体容器相对于位置产生液面变化，引起装有中间极的浮子与固定在容器顶的一组电容极板间的相对位置发生

14、变化，通过测量装置测出电容比的变化即可计算得测点的相对沉陷。图 2.2-2RJ型静力水准仪结构及原理结构示意图2.2.3静力水准仪的测量原理该仪器依据连通管原理的方法，用电容传感器，测量每个测点容器内液面的相对变化，再通过计算求得各点相对于基点的相对沉陷量。其模型如下：初始状态 (0)任意次状态（ j ）图 2.2-3连通管测量原理示意图。7欢迎下载精品文档如上图 2.2-3 所示，设共布设有 n 个测点， 1 号点为相对基准点，初始状态时各测量安装高程相对与 （基准）参考高程面H 0 间的距离则为： Y01 、Y02Y0i（i 为测点代号 i=0,1n）；各测点安装高程与液面间的距离为 :h

15、01、Y0 nh02 、 h0ih0 n 则有：Y01h01Y02h02.Y 0ih0i .Y0 n h0n（ 1）当发生不均匀沉陷后， 设各测点安装高程相对于基准参考高程面H0的变化量为：h j1 、 h j 2h jih jn。由图 1-3 可得：(Y01hj 1 )h j1(Y02h j 2 )hj 2(Y0 ih ji ) h ji(Y0nh jn )h jn（2）则 j次测量 i 点相对于基准点 1的相对沉陷量 H i1为：H i1h jih j1（3）由（ 2）式可得：h j1h ji(Y0 ih ji ) (Y01h j1 )(Y0iY01 ) (h jihj 1 )（4）由（

16、1）式可得： (Y0iY01 ) h01h0i（5）将（ 4）式化入（ 3）式得：H i1(h jih j1 ) (h0i h01 )（ 6）即只要用电容传感器测得任意时刻各测点容器内液面相对于该点安装高程的距离 h ji （含 h ji 及首次的 h0i ），则可求得该时刻各点相对于基准点 1 的相对高程差。如把任意点 g(1,2.i , n) 做为相对基准点， 将 f 测次做为参考测次， 则按（5）式同样可求出任意测点相对g 测点（以 f 测次为基准值）的相对高程差H ig ：H ig(hijhig )( hfj h fg)（7）2.2.2RJ 型电容式静力水准仪主要技术指标电容式静力水准

17、仪主要技术指标如下：。8欢迎下载精品文档测量范围0 10、20、40、50mm最小读数0.01mm测点误差0.1 0.2mm或0.7%F S环境温度-20 60相对湿度95%温度系数0.05% FS/ 配用电缆三芯屏蔽电缆（专用）2.2.3静力水准仪的安装及调试仪器的安装尺寸如图2.2-4 所示，按要求在测点预埋180 三个均布的 M8040（伸出长度）螺杆。、检查各测墩顶面水平及高程是否符合设计要求。、检查测墩预埋钢板及三根安装仪器螺杆是否符合设计要求。、预先用水和蒸馏水冲洗仪器主体容器及塑料连通管。、将仪器主体安装在测墩钢板上，用水准器在主体顶盖表面垂直交替放置，调节螺杆丝使仪器表面水平及

18、高程满足要求。、将仪器及连通管系统联接好， 从未端仪器徐徐注入防冻液， 排除管中所有气泡。连通管需有槽架保护。、将浮子放于主体容器内。、将装有电容传感器的顶盖板装在主体容器上。仪器及静力水准管安装完毕后，用专用的 3 芯屏蔽电缆与电容传感器焊接，并进行绝缘处理（方法同垂线，引张线） 。 3 芯屏蔽电缆的红芯接测量模块的信号接线端口，白、黄芯接激励（桥压）接线端口。当容器液位上升时，电容比测值应变小，否则将白、黄芯接线位置互换。仪器主要性能已在出厂前由厂家标定给出。现场仅在25mm内标定检查系。9欢迎下载精品文档统性能。2.2.4静力水准仪的观测和运行维护、静力水准的观测由（ 2）式可得出 i

19、测点第 j 测次相对与首次基准点的相对高程变化：H i1 (hijhi 0 ) (h1 j h10 )H ij(Z ijZ i 1 ) K fi (Z1J Z10 ) K f 1（8）式中： Zij 、Z i1为第 i 测点仪器的第 j 次和首次读数； K fi为第 i 测点仪器的灵敏度系数； Z1 j 、 Z10 为基准点仪器第 j 次和首次读数； K f 1为基准点仪器的录H敏度系数。计算结果为正，则测点相对基准点沉陷了ij 。、运行维护温，避免温度变化对观测值的影响。同样测点仪器也应进行隔热保护，同时防止泥水进入以及免遭破坏。应定期检查接头处等是否存在漏情况。2.2.5 静力水准仪漏液及

20、蒸发后所得数据的处理静力水准仪用于沉降的精密监测，灵敏度高，精度高。其缺点是易受外界影响，如列车振动、温度变化幅度大引起数据漂移等；安装调试复杂（整个系统内液体不能有气泡现象； 整个系统各传感器需要大致处于一个水平面，系统距离愈长调试愈复杂）。由于采用连通管原理， 系统的距离与数据的滞后性有一定关系。另由于长期使用仪器内液体的蒸发、漏液现象，使得系统数据产生偏差， 需要及时补液。在实际工作中， 如何来处理漏液或蒸发后所得的数据呢？静力水准仪中的液体被蒸发后，液位会产生下降，从而使监测点有上升的假象。这时，在静力水准仪安装完毕，进行稳定状态后，假设静力水准仪中的液体没有被蒸发或没有发生漏液现象，

21、 则其各静力水准仪之和的平均值即平均液位是大致相等的。在该假设下，如果不相等，则说明静力水准仪有误差存在。在这里之所以使用平均液位来推算液体损失，主要是因为连通管中的水量没法准。10欢迎下载精品文档确得出，而液体损失后，其连通管也补充了新的液体。这样一来，如果两个时间点上测得的各容器内的液位的平均值不相等，则相差部分就是被蒸发的液体了。具体做法如下：取得第 1 次的初始液位。经过一段时间后，再取1 次各静力水准仪的液位，有其平均液位发生了变化的情况。 通过两次取值的平均值相减得平均每个容器被蒸发掉的液量。设平均每个容器被蒸发掉的液量为hz , 计算公式如下：hihj其中 n 为静力水准仪的个数

22、，包括基准点。hznn第三章自动化监测项目的必要性与可行性分析3.1 项目必要性分析3.1重大工程运营安全已成为社会稳定的重要因素之一今年来，国内外相机发生了一系列建筑物变形异常导致的安全事故，给人民生命、国家财产造成了极大的损失。这些运营中的变形异常具有长期缓变、瞬时突变、难补救、危害大等灾害性特点。作为一定区域内政治、经济和文化中心的城市，既是人口和财富的聚集地，也是交通和通讯的重要枢纽，一旦发生运营中的安全事故，损失将会非常严重；从可持续发展的角度出发，运营中地铁变形是城市管理中不可忽视的重要环节，必须对其进行系统、现代、科学、专业的监测，确保重大建筑及公共场所的安全运营，保障社会的稳定

23、发展。3.2随着轨道交通不断建设和投入使用，地质环境变化及自身结构变形对其安全运营影响日益显现以上海为例，上海软土地基由于自身的固结和工程荷载的双重作用满载轨道设施通车后，仍然伴随隧道变形、下沉的现象。在运营过程中，必须控制隧道的变形和下沉幅度始终处于安全运营允许的范围内。这就要求，一方面在施工过程中应依据地质勘查评估资料制定具有前瞻性的施工技术方案，采取最为稳妥的施工技术进行建设；另一方面则需要在工程运行过程中， 对轨道工程进行地质环境、结构本身的动态监测，发现问题及时采取防止措施，以确保运营正常和安全。为此，有关部门制定有相应措施， 聘请专业单位对地铁进行永久性动态监测，。11欢迎下载精品

24、文档定期向地铁管理部门提供准确完整的监测数据，为地铁采取综合性的预防和治理措施提供了科学依据。目前常规人工监测情况主要有：从 1994 年至今，轨道交通 1 号线进行沉降监测、收敛监测，上、下行线共计 2654 个测点； 1999 年至今， 2 号线也开始进行沉降监测及收敛监测，上下行线共约 5211 个测点。监测频率为 2 次/ 年，均采用电子水准仪及 GPS高程控制。中短期监测：地铁有关法规规定，在轨道外边沿50 米红线区域内的周边施工，必须对地铁安全运营状态进行监护。主要手段采用沉降位移、水平位移、收敛、接缝、应力、应变测试等，多为人工监测，很少实现自动化。图 3.1-1 轨道交通 1

25、号线累计沉降变化（ 1994.12-2002.11 ）图 3.1-2轨道交通 2 号线累计沉降变化（ 1999.12-2002.12 ）。12欢迎下载精品文档由上图可以看出， 轨道交通运营以来， 隧道发生了多处变形与沉降，总体处于沉降状态，并在空间上表现出明显的不均匀变形特点：形成了地铁 1 号线隧道衡山路站附近、 黄陂南路 新客站区间的“沉降谷”，沉降谷内部又以人民广场、新客站附近累计沉降量最大。形成了地铁2 号线隧道东方路人民广场区间隧道平均累计沉降量为59.7mm的“沉降谷”。地铁 2 号线黄浦江段隧道沉降明显小于它相邻两侧隧道的沉降变形量，黄浦江段地铁隧道平均累计变形量仅为 22.8m

26、m（其中最小沉降量只有 2.0.7mm），将东方路 人民广场“沉降谷”分割成两个次级的“沉降谷” ，也使相邻区段隧道变形的差异性更加明显， 石门路 人民广场、 河南路 黄浦江、黄浦江至陆家嘴站等三个区段地铁隧道累计不均匀变形分别达 91.9 、131.2 、74.3mm/km。地铁 1 号线上下行线隧道除细微的变形特点外，二者沉降变形规律完全一致；地铁 2 号线上下行线隧道除细微的变形特点外，二者沉降变形规律完全一致。正是在这些不均匀沉降区， 容易出现道床反沙、 隧顶与接合缝渗水等肉眼可以看见的特征。自 1995 年以来，地质部门对整条交通一号线隧道进行了长期监测，积累了较多的数据和经验：隧道

27、沉降、隧道管片裂缝、隧道管片挤压变形、隧道管片水平偏移和沉降等情况进行了监测。 监测结果表明， 沿线的地质条件好坏与地铁线路的沉降量密切相关，如浦东地区和徐家汇以南地区的地质条件较好，所对应的地铁线路的沉降量也较小， 六年来，如上海体育馆站的最大累计沉降量只有 10mm；相反，又如人民广场地段，地基条件差，最大累计沉降量达 150mm。 3.2 重大工程安全运营对环境要求不断提高，需及时地掌握影响其安全运营的变形情况经过一定时期的大规模、大容量的城市建设，带来了数倍于此的管理时期，安全运营问题尤为凸显。 一方面是相对脆弱的地下基础，一方面是不断增长的建筑物管理需求， 形成上海城市化进程中相互依

28、托、相互影响的两方面， 也不可避免的出现运营中变形异常导致的安全问题。为此，必须通过系统、科学、先进的监测方法及时掌握影响其运营安全的变形情况。设计、施工、维护构成了建筑的生命周期。 在早期的城市规划和城市建设中，绝大多数进行监测的建筑仅仅关注设计、施工阶段，对运营阶段安全监测的重要。13欢迎下载精品文档性认识不够， 使有关预埋预装、 监测数据的初始值的获取、设计空间的预留等都难以做到，给建成后的安全监测带来较大苦难。单签城市飞速发展， 一大批建筑处于设计、施工阶段应该具备“生命周期内全程监测”，做好安全监测的前期工作。3.2目前国内监测市场的方法体系相对落后、不够系统，有待提高目前的监测技术

29、、方法比较单一，设备陈旧，难以满足现代监测业务的需要；各类方法也缺乏系统性、针对性、规范性。因此需要借鉴国外经验，结合本城市特点，逐步形成一套运营中安全监测的技术规范、体系。3.2 项目可行性分析3.2.1 政府和社会的高度重视今年来，从中央到地方开展以城市安全、 可持续发展为核心的课题广泛、 深入，引起社会各界的高度重视。 2003 年 5 月，国务院发布突发公共事件应急条例，要求建立国家统一的突发事件预防控制体系，统一指挥、高效机动、协同联动，以便迅速、主动、有效的应对公共突发事件。其中运营中公共建筑的安全性监测是重要的组成部分之一。3.2.2 国内外相关技术的飞速发展提供了技术可行性纵观国内数十年变形监测技术的发展历程， 传统的变形监测方法主要采用的是大地测量和近景