城市轨道交通桥隧综合监测系统设计

2022-04-16连巧娜王晓萌

现代城市轨道交通 2022年4期

连巧娜，王晓萌

（1. 同方泰德国际科技（北京）有限公司，北京 100083；2. 同方股份有限公司，北京 100083）

1 引言

城市轨道交通运营线路结构主要包含高架桥梁和地下隧道（以下简称“桥隧”），其健康水平直接影响列车运行安全与乘客乘坐体验。在城市轨道交通的建设和运营过程中，由于施工建设、地质条件和降水等原因，容易诱发应力失衡进而导致桥隧基础变形。地质条件及隧道埋深的不同，桥隧变形的表现形式也不相同，主要有桥体移动与变形、隧道管缝挤压与错台、结构裂缝等。目前，城市轨道交通运营单位对于桥隧养护大多采用人工分区分段巡检+手持探伤仪器相结合的形式，无法做到全天候24 h实时监测，其养护巡检监测数据碎片化，缺乏有效统一整合，事件处置仍以现场巡检人员的个人经验为主，缺少应急处置流程和专家库支持，危情提前预警功能缺失。为解决以上传统桥隧养护过程中的不足和问题，将物联网技术融入城市轨道交通桥隧日常养护管理，本文提出针对桥隧不同结构类型从设备布设到智慧养护的完整解决方案，打造多功能桥隧综合监测系统，实现海量数据深度挖掘与分析、全天候24 h实时监测与预警、智能评估与主动防治等，达到加强运营安全服务、提高运营工作效率、减少运营维护成本等目的。

2 桥隧综合监测系统构成

桥隧综合监测系统由就地智能传感器监测系统、网络传输系统和桥隧综合监测平台3部分组成。在桥隧关键部位布设变形、应变、振动、环境等类型传感器，借助无线或总线通信实现监测数据实时上传至桥隧综合监测平台。系统构成如图1所示。

图1 桥隧综合监测系统构成图

（1）就地智能传感器监测系统。包括传感器、数据采集装置、供电装置及防雷装置等，主要承担桥梁、隧道及区域地表变形的相关物理量监测和数据采集。

（2）网络传输系统。由于城市轨道交通工程所在区域通常是狭长形或者空旷的区域，监测传感器可采用无线传输或者总线传输方式与监控中心进行数据传输。

（3）桥隧综合监测平台。主要针对隐患点及重点防御监测点建立与桥隧基础设施结构相关联的监测数据库，同时基于结构物变形的监测数据，应用数学模型对结构的运行性态进行预警范围和预警等级分析，提供对桥隧结构实时监控、分析预警和桥隧养护计划等重要信息，可供巡检人员日常查询。

3 监测系统传感器布局设计

3.1 隧道

地铁隧道结构主要分为矿山法隧道与盾构隧道2种。隧道变形主要与邻近施工、结构形式、混凝土配筋等因素有关。

3.1.1 矿山法隧道

衬砌开裂是矿山法隧道病害的主要因素。衬砌开裂与隧道变形直接相关，同时还受拱顶沉降、隧道净空收敛等方面影响。衬砌开裂的主要原因是混凝土与空气中的二氧化碳发生碳化反应，使混凝土碱性降低，从而引发钢筋锈蚀、增大结构脆性。另外，在施工阶段，隧道二次衬砌拱部混凝土的浇筑质量难以保证，由于重力作用，可能会导致衬砌拱部出现空洞，进而导致应力集中现象，从而诱发衬砌开裂[1]。

以半断面开挖隧道为例，为预测拱顶沉降和隧道净空收敛状况[2]，选取垂直于隧道轴线的横向监测断面布设内空变位计和倾角计。另外，隧道内壁缝隙是衬砌开裂的直接表现形式，通过在内壁布设裂缝计，读取内壁裂缝不同方位长度等参数判断开裂程度，为后期维保提供数据依据。矿山法隧道监测内容如图2所示。

3.1.2 盾构隧道

管片接缝变形是盾构隧道病害的主要因素，会引起盾构断面的变形、管片的错位等[1]。

盾构隧道主要监测管片结构净空收敛、管片结构竖向/水平位移等情况[2-3]。管片结构净空收敛选取隧道断面作为监测点，通过收敛计和倾角计监测管片结构是否变形，管片间增加裂缝计监测管片结构竖向/水平位移变化。盾构隧道监测内容如图3所示。

无论是何种隧道结构形态，列车运行安全性与地表平顺性也密切相关，可通过布设静力水准仪监测地表沉降情况，挖掘安全影响因子。除此之外，道床积水超过一定值时，会直接影响列车运行，因此需设置地下水位观测孔，实时监测道床水位。通过增设温湿度传感器实时监测列车运行环境与维保人员夜间施工环境。同时为了方便巡检，设置监控摄像机，对隧道的整体状态进行监测。具体监测内容详见图2和图3。

图2 矿山法隧道监测内容

图3 盾构隧道监测内容

3.2 桥梁

城市轨道交通高架线路桥梁结构一般分为梁桥和斜拉桥2种。

3.2.1 梁桥

梁桥作为高架线路的主要结构形式，地表以上主要由桥跨、支座及桥墩组成[4-5]。梁桥监测内容如图4所示。

图4 梁桥监测内容

（1）桥跨。为保证轨道平顺性且防止倾覆，需对桥跨梁板挠度进行监测，包括桥跨自身水平及竖向位移监测、梁板间错动监测[4-6]。目前可通过激光测距仪与反射标靶构成的监测系统判断桥跨位移是否构成威胁[7]，同时在梁板间结构缝隙中增设三向位移计，判断错位情况。为预防桥跨受荷载长期压力而变形，需对桥跨梁板的力学性能进行评估和预警，同时考虑到梁板混凝土结构本身会随外界气温变化产生较大的变形（热胀冷缩效应），因此需在桥跨断面布设应变计监测受力情况，布设温度计对温度场分布状态进行监测，二者结合对桥跨耐久性评估[8]。列车通过高架轨道时，由于移动荷载等原因会产生振动，此振动日积月累对桥梁结构本身有严重的影响，可在桥跨布设振动传感器，实现振动监测，进行预测性维护。

（2）桥墩。当高架桥结构附近出现桩基施工、荷载加载等情况时，桥墩附近的土层会受到一定扰动，桥墩在侧向水土压力的作用下，易产生倾斜或不均匀沉降，进而影响桥跨梁板。因此，桥墩倾斜与沉降应作为监测的重点。可通过在桥墩侧壁布设静力水准仪测量桥墩的沉降情况，在桥墩顶部布设倾斜仪测量桥墩的倾斜角度，多维度监测桥墩的状态。

（3）支座。支座作为桥跨与桥墩间的关键受力构件，支座反力的分布直接反映了桥跨结构内力和桥墩支撑状态。可通过选用智能测力支座[9]，全方位监测支座的健康状态。

（4）环境。列车的安全运行不仅与高架结构相关，也与高架线路的天气环境息息相关。因此，通过布设雨量计[10]和激光雪深传感器[11]，实时感知高架列车运行环境，为行车调度员提供判断依据，最大限度保证高质量的运营服务。

3.2.2 斜拉桥

城市轨道交通高架结构斜拉桥主要用于轨道交通线路梁桥之间跨江（河）等特殊场合。斜拉桥地表以上结构主要包括主梁、索塔、斜拉索等部分[12]。斜拉桥监测内容如图5所示。

图5 斜拉桥监测内容

（1）主梁。斜拉桥主梁结构与上述梁桥的桥跨梁板结构相同，监测仪器及监测项目基本一致。

（2）斜拉索。斜拉索选取索力最大的索、应力幅最大的索及安全系数最小的索进行监测[9]，通过布设锚索计监测斜拉索的应力，对可能产生的断裂进行预警。

（3）索塔。索塔与主梁挠度关系密切。索塔位移是关键监测内容，可通过布设倾角仪实时监测索塔倾斜度。同时，索塔位移受风力和风向影响较大，故需在索塔顶部布设风速风向仪进行监测，对索塔周围的极端大风天气情况进行预警。由于索塔为钢筋混凝土结构，在温度等作用下的结构应力和内力状态会发生变化，因此需在其断面布置应变计和温度传感器，为疲劳损伤寿命、结构损伤识别、结构状态等方面评估提供依据，以此来判断结构是否有损坏或潜在损坏[13]。

4 桥隧综合监测平台功能设计

根据GB 50911-2013 《城市轨道交通工程监测技术规范》中对桥隧监测的相关要求，为进一步提升桥隧监测与养护的数字化和信息化水平，城市轨道交通桥隧综合监测平台兼具实时监控、分析预警、养护巡检和资产管理四大功能模块，如图6所示。

4.1 实时监控

通过智能传感器及视频分析技术手段对桥隧设施实现全天候不间断地实时监护。桥隧综合监测平台主要考虑设备和设施2类监测数据。

（1）设备类监测针对现场采集层所配置的各个传感器，对其状态进行实时监测，包括在线/离线、读数异常等。

（2）设施类监测是结合环境、变形、应变、振动等不同类型传感器的采集数据，通过大数据综合研判分析，给出基于土建设施的病害信息，如区间内累计降雨量超限、梁体应力超限等。

桥隧综合监测平台全天候24 h进行实时监测，无论是设备单点还是基于综合研判的区间设施报警信息均可在GIS地图上显示。操作人员结合报警信息及现场视频监控系统提供的实时影像进行情况确认，以减少误判事件的发生，提升故障处置效率。实时监控功能界面如图 7所示。

图7 实时监控功能界面

4.2 分析预警

基于预警机制设定预警阈值，并根据数据触发预警通知，实现动态预警。基于采集层的各类传感器数据，通过分析预警模块将碎片化的数据有效整合。除综合显示当前的设备、区间等健康度排行外，还可按土建设施监测、土建设施预警、监测设备状态、综合统计与评估等不同维度进行分析，为操作员提供直观的监测统分数据，并提供病害发展趋势和病害影响因素分析。在提升操作人员工作效率的同时，减少由于经验不足而导致的误判。

桥隧综合监测平台可以进行病害趋势预警，操作人员可同时查看某区间段预警指标的当前值和预测值，如预测值超出阈值，监测平台则会推送提示操作人员持续关注并进行现场检修确认。此外，操作人员也可自行选择任意的区间段和设施，查看其探测指标的当前值和预测值。分析预警功能界面如图8所示。

图8 分析预警功能界面

4.3 养护巡检

实现信息化闭环管理，把巡检管理工作精细化，发现问题由系统自动评分，简化流程提高定检效率。养护巡检由养护巡检信息汇总、工单管理、知识库3部分组成。在工单管理模块中，支持新建病害跟踪、新建工单以及编制巡检计划，操作人员可结合分析预警模块提供的预警信息建立病害跟踪，对预警问题持续跟进。也可通过新建工单的方式派维修人员现场进行维修、确认，操作人员所做的全部操作及维修人员的维护进度均可在监测平台中查询。此模块使智能诊断、精准施修形成闭环，改善了维修人员的工作模式，实现了从传统养护定期“计划修”向智能精准“状态修” “预测修”的转变。

同时，为更好地支持操作人员和维修人员，桥隧综合监测平台还提供养护巡检知识库，通过与本地资源和专业数据库的联动，为工作人员提供作业指导书、行业标准、行业知识库、部门规章等一系列文献、媒体资料，实时为工作人员提供疑难解答，进一步提升业务水平。养护巡检功能界面如图9所示。