1、实时智能监测系统在铁路既有线顶进涵施工中的应用*胡仲春1， 2( 1 武汉理工大学资源与环境工程学院武汉 430070; 2 中铁十四局集团有限公司济南 250014)摘要提出构建一种基于 LabVIEW 的铁路既有线顶进涵施工防护多传感器实时监测系统， 该系统由自动化监测装置和监控中心的计算机组成， 其中自动化监测装置由布置在施工现场的数据采集设备、 数据传输设备组成。实践证明， 该监测系统在南京市六合区顶进涵施工中发挥了重要作用。关键词铁路既有线顶进涵施工多传感器实时智能监测虚拟仪器Application of Intelligent eal time Monitoring System
2、in the Existed Metro Line Proximity ConstructionHU Zhongchun1， 2( 1 School of esource and Environment Engineering， Wuhan University of TechnologyWuhan 430070)AbstractBased on LabVIEW virtual instrument， multi sensors， wireless bridge and GPS transmission technology， thepaper puts forward an intellig
3、ent real time monitoring system comprised with automatic monitoring devices and computertechnology for the existed metro line proximity construction， which includes automatic monitoring acquisition and transmis-sion instruments It proves that this real time monitoring technology has played important
4、 role in practiceKey Wordsexisted metro lineproximity constructionmulti sensorintelligent monitoringvirtual instrument0引言近年来， 由于顶进涵施工导致的列车晃车以及更为严重的铁路交通事故时有发生。为了响应“和谐铁路” 的号召和避免列车晃车及出轨等种种工程事故， 必须在严格规划设计施工的基础上， 做好必要的实时监测管理工作， 及时掌握顶进涵施工期间防护加固体系的各种变形值， 为施工参数和铁路既有线结构尺寸的调整提供科学参考值， 坚决杜绝“四边工程 ”“边规划、 边设计、 边施工
5、、 边变更”1 ，提高施工防护和铁路既有线营运的安全性。在铁路施工过程中， 顶进涵施工作为线路的重要组成部分，涉及到采用人工挖孔桩作支墩， 用工字钢便梁架空线路顶进开挖施工等技术， 顶进涵施工由于岩土开挖、 应力重分布和卸荷现象对既有线运营会产生重大影响。所以必须在施工过程进行监测， 本文提出并构建基于 LabVIEW 的既有线顶进涵施工自动化监测系统， 保证既有线正常运营和施工顺利开展。1顶进涵施工安全隐患及监测在铁路既有线顶进涵施工过程中， 主要存在以下的铁路运营风险:铁路施工损坏已铺设的通讯及信号电缆， 导致铁路行车信号失灵或错乱， 干扰列车的正常运行; 施工引起铁轨及轨枕的位移及周围路
6、基道砟土体的卸荷应力变化， 导致线路的轨距、高程、 水平等参数变化造成晃车现象; 既有线因基坑的开挖导致铁轨下沉、 出现涌水、 砂等异常情况，威胁列车运营安全。人工监测和单一项目的监测及其他 GPS 监测因为人为主观因素误差大、 监测不及时、 危险人身安全及缺乏项目验证等不可否认的缺点， 促使着多传感器自动化监测系统在既有线桥涵施工中成为施工科技发展的必然需求。2工程概况及传感器布设2 1工程概况本文的研究对象是位于南京市六合区横梁镇区段的中心里程为 K45 +895 的宁启线下穿顶进涵施工， 现场采用 D24 型便梁加固既有铁路线， 以 4 个人工挖孔桩支墩承载便梁， 既有线支墩 便梁防护体
7、系见图 1。2 2传感器布设为了监测铁轨在施工期间的变形大小以及为列车行车安全提供精确的轨道调整值， 综合考虑选用以下传感器。选用 BGK 4675 型振弦式静力水准仪来监测挖孔桩支墩表面的沉降大小，从而可知轨* 基金项目: 国家自然科学基金( 51104112) ， 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目( 2011 045) 。342014 年第 40 卷第 4 期April 2014工业安全与环保Industrial Safety and Environmental Protection图 1既有线支墩 便梁防护体系道道床的沉降大小; 选用 BGK 6160MEMS 固定式倾角计来监测人
8、工挖孔桩的倾斜角度， 间接换算为支墩表面的水平位移; 选用 BGK 4420 型振弦式表面裂缝计来监测便梁纵梁与支墩之间的表面开合度， 即相对位移; 选用 BGK 4810 型振弦式土压力计， 因为该型号适用于测量填土对挡土墙或界面接触压力， 压力计有一个超厚背板， 可以减少点载荷的影响; 选用振弦式三轴加速度计来监测支墩便梁体系的振动加速度， 以此来判断列车经过时及施工时的载荷大小， 同时可反映轨道的平顺度， 保证便梁支护的安全性。3自动化监测系统的搭建本文提出构建基于虚拟仪器 LabVIEW 技术和多传感器技术的铁路既有线顶进涵施工防护自动化监测系统， 该系统能及时精确地监测由于既有线顶进
9、涵施工所引起的既有轨道结构及支护体系的变化， 克服了人工监测及单项监测的监测效率低、 误差大、 费时费力、 受监测场地的限制等缺点， 最大限度地降低了监测与铁路既有线运营之间的相互影响。监控中心实时分析数据， 为判断铁路既有线的运营安全状况提供科学依据， 发现异常突变， 及时报警并指导施工参数的调整， 实现既有线顶进涵施工防护监测的及时性、 便捷性、 高精度以及可靠性。整个现场监测系统图及支墩处传感器安装图如图 2、 图 3所示。该自动化监测系统布置完毕后， 便可以进行自动化的监测， 具体工作过程为: 在顶进涵施工过程中， 支墩或者便梁发生变化后， 数据采集设备中的固定式倾角计、 静力水准仪、
10、 表面裂缝计、 土压力计以及加速度传感器就会捕获信号， 然后通过电缆传输至施工安全自动化采集仪， 信号在施工自动化采集仪内部经过调理和处理后到达数据传输设备， 数据传输设备中的 GPS 模块经 GPS 网络将信号传输至信号发射塔， 再经 GPS 网络传输至信号接收塔，最后到达计算机。计算机获取到信息后进行分析和处理， 实现对整个顶进涵施工过程的自动化监测， 对支墩和便梁的变化进行预警， 指导安全施工和列车运行。1静力水准仪; 2支墩; 3基坑边坡; 4便梁; 5加速度传感器; 6涵体; 7横梁; 8土压力计; 9表面裂缝计;10固定式倾角计; 11计算机; 12信号接收塔; 13信号发射塔;
11、14电缆; 15施工安全自动化采集仪; 1640 通道信号接口; 17轨道; 18轨枕图 2现场监测系统1静力水准仪; 2基座; 3螺栓; 4固定式倾角计; 5螺栓; 6表面裂缝计; 7支墩; 8土压力计图 3支墩处传感器安装3 1施工安全自动化采集仪“施工安全自动化采集仪” 军工级别防护箱里面配置有 40 个通道的 BGK Micro V 混合式智能数据采集模块、 电源模块、 GPS DTU 模块、 及IO 扩展模块; 当所有传感器监测信号传入采集仪时， 其内部的混合式智能数据采集模块会根据信号的类型进行自动选择， 如频率、 电压、 电阻、 电容等，并按照设定的频率进行采集; 采集仪供电利用
12、其内置的可拆卸充电电池， 一般每台采集仪准备两块电池， 在信号采集功能休眠时更换电池， 轮流使用。3 2信号无线传输考虑到数据远程传输过程中， 会遇到墙壁、 玻璃等障碍物， 故选用 GPS DTU 模块作为信号无线传输设备， 保证数据传输的及时性， 稳定性和可靠性， 将多种智能传感器、 自动化监测设备、 普及的 PC机紧密联系在一起， 充分利用了无线传输及遥测的优势， 很大程度地减少了人员的作业， 避免了工程人员及机械设备大施工时和列车行驶中安全人为隐患的出现。44监测数据传输图如图 4 所示。图 4监测数据传输3 3虚拟仪器技术和 LabVIEW 软件虚拟仪器使用图形界面编程技术， 用户可利
13、用LabVIEW 软件按实际需要设计人性化的主界面， 如吴建等2 利用 LabVIEW 软件平台构建多通道数据采集系统， 实现对各种数据的全面监测， 保证了在测控领域的正常运行; 任高峰等3 基于虚拟仪器研发了既有线顶进涵施工安全监测信息采集与处理系统。LabVIEW4 在该自动化监测系统的开发过程中发挥了主要作用， 既有线顶进涵施工的监测数据无线传输到 PC 端监控中心服务器上， 以计算机硬件及操作系统为依托， 通过 LabVIEW 图形化编程， 编译出监测数据的分析、 预警、 调整、 查询、 报表和存储等功能的主界面， 实现各种监测数据统一管理、 施工安全评估及数据库信息共享平台。软监测系
14、统根据不同类型的传感器以及不同的采集、 传输信号进行调试和设计， 选择不同的通道进行数据采集并进行人性化的界面设计， 同时可以远程唤醒或关闭任一传感器。数据监测中心模块图如图 5 所示。图 5基于 LabVIEW 的数据监控中心4结论根据该施工背景， 研发出基于多传感器技术、 无线传输技术及虚拟仪器技术的自动化监测系统， 实时记录既有线顶进涵施工中， 支护体系及铁轨结构的变化情况。该监测系统数据统一管理平台， 具有相互验证， 高精度， 自动调用并分析预警等优点， 具体结论如下:( 1) 以不间断营业线桥涵施工中的支墩 便梁体系作为自动化监测控制对象， 具有更高的客观性和针对性， 可以可靠并及时
15、监测出顶进涵施工中主要安全影响项目的参数变化值大小， 从而直观地计算反映出出铁路和施工统一系统的运营情况， 保障施工及铁运的安全。( 2) 实现多项目同时监测和相互验证的功能，可以实现对现场支墩的沉降、 周围土体的压力、 便梁横梁的表面位移和相对位移以及加速度等项目的实时在线监测， 建立了关于支墩 便梁系统的监测体系， 对支墩各向运动趋势和变化有更加细致和更加多维的反映。( 3) 基于虚拟仪器软件 LabVIEW 构建了监控中心数据统一分析管理平台， 该监控平台能对监测数据进行实时的变形图表、 极值、 速率及变化趋势等分析， 实现近接铁路既有线区间的实时监测， 轨道参数的动态、 精确调整， 隧
16、道结构的稳定性评估及时预警， 并且可根据用户需要实时拓展和改进面板。( 4) 本文所构建的自动化监测系统在南京市六合区顶进涵施工中发挥了重要的作用。实际应用表明本系统能够有效及时反映既有线支护体系及铁轨结构参数变化情况， 及时预警并促使调整施工参数，保证列车运营及施工的安全， 实现了既有线顶进涵施工防护安全监测的高精度、 低成本以及可靠性。参考文献 1闫官锋 由杭州地铁事故引起的思考J 建筑安全，2009( 2) : 42 45 2 吴建， 裴峰， 王楠， 等 基于 LabVIEW 的多通道数据采集系统设计 J 电子测试， 2013( 1 2) : 52 54 3 任高峰， 胡仲春， 刘永成， 等 既有线顶进涵施工安全监测信息采集与处理系统设计J 武汉理工大学学报，2012， 34( 9) : 1 4 4 陈锡辉 LabVIEW 8 20 程序设计从入门到精通M 北京: 清华大学出版社， 2007: 2 15作者简介胡仲春， 男， 1974 年生， 工学博士， 高级工程师，主要从事大型工程项目的施工管理和技术开发工作。( 收稿日期: 2013 07 28)54
