一种地铁隧道变形在线监测系统及监测方法

摘要

本发明涉及一种地铁隧道变形在线监测系统及监测方法，所述监测系统包括数据信息采集子系统、数据通讯子系统、数据汇集及分析子系统、监测报警子系统；通过监测系统实时在线采集地铁隧道变形数据信息，并结合地铁隧道现状条件对采集的地铁隧道变形数据信息进行集中分析处理，进行预警和报警等；基于物联网技术实现地铁运营安全在线监测，具有结构简单、成本低、节省人力、数据采集全面、效率高、人性化、智能化等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及地铁隧道安全监测领域，具体涉及一种地铁隧道变形在线监测 系统及监测方法。

背景技术

地铁隧道的运营极大的缓解了城市交通压力，给人们的日常出行带来便利， 但是，地铁隧道极易受不同因素的影响，如地铁隧道往往穿越不良地质地段(回 填区、流沙层、采空区、软岩段和断裂带等)，列车运行过程中的震动荷载，将 使不良地质地段产生活化，从而使轨道发生变形；再如，其他线路施工和其他 外荷载如新建建筑物会对已运行的地铁隧道线路造成不良影响，这些影响因素 会使隧道结构体、地铁轨道、地铁路基产生变形、倾斜、位移、隆起或沉降等， 这将严重影响列车的行驶安全。

因此，实现地铁隧道安全运营的监测关乎公民的生命安全。地铁隧道安全 运营在线监测的研究属于前沿性课题，是一个复杂的综合性课题。由于地铁隧 道结构的复杂性，目前对地铁隧道的监测大都停留在定性分析和人工监测的水 平上。

人工监测不仅费时费力而且容易出错，不利于沉降变形的全面了解和整体 把握，沉降观测还是用通常的工程测量手段，即沿隧道纵向每间隔几十米设置 一个观测点，利用普通水准仪或全站仪进行逐点观测，经计算分析得到各点的 沉降量(单次沉降量及累计沉降量)，判断其是否超限，是否影响地铁运营及其 影响程度。但是地铁隧道不同于地面工程，采用通常的工程测量手段往往很难 满足目前地铁隧道沉降的观测工作，通常面临以下问题：(1)隧道内通视条件 差。即使在开灯条件下也是光线昏暗，不利于普通水准仪或全站仪观测。(2) 洞内观测的“时间窗口”短暂，在一天中三分之二以上的时间里，地铁隧道处 于全封闭的运营状态，只能在地铁停运的开窗期进入隧道作业，每次观测时间 持续较长。地铁隧道区间多为1km左右，一次观测需要2-3天。(3)而且，当 地铁轨道发生变形的时候无法短时间内察觉并通知管理人员，无法进行有效的 人员、资源调度及迅速出台处理方案并快速执行，对危险的预警及相关人员的 调度方面也存在滞后性，严重影响地铁安全运营及公民的人身安全。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中对地铁隧道的变形、沉降监 测采用人工监测的方式，不利于沉降变形的全面了解和整体把握，导致地铁隧 道安全运营仍然存在一定的安全隐患，提出一种基于地铁隧道变形在线监测系 统及监测方法，通过在线自动监测、采集隧道差异沉降数据信息，并自动对隧 道差异沉降数据信息分析计算，实现地铁隧道变形在线监测和安全评估，有效 保障地铁隧道的安全运营。

为了达到上述目的，本发明提出一种基于地铁隧道变形在线监测系统，包 括：数据信息采集子系统：实时在线采集地铁隧道变形数据信息；

数据汇集及分析子系统：结合地铁隧道现状条件对采集的地铁隧道变形数 据信息进行集中分析处理，得到分析处理后的监测信息；

数据通讯子系统：实现对采集的地铁隧道变形数据信息及分析处理后的监 测信息的传输；

监测报警子系统：根据监测信息进行监测预警或报警，并自动生成处理方 案；

所述数据信息采集子系统通过数据通讯子系统与数据汇集及分析子系统连 通，数据汇集及分析子系统将分析处理后的监测信息通过数据通讯子系统传送 给监测报警子系统。

数据汇集及分析子系统更具人性化，可根据不同的需要进行计算机编程设 计，通过自建局域网采集各种数据信息，并根据采集的信息数据和地铁隧道现 状条件对数据信息进行集中分析处理，从而实时在线判断和显示地铁隧道的安 全状态。

进一步的，所述数据信息采集子系统通过压阻式静力水准仪对地铁隧道变 形数据信息进行采集，体积小、易安装、精度高，成本低，可操作性强，可以 永久性的长期埋入地铁隧道中，不影响地铁的正常运行。

进一步的，所述数据汇集及分析子系统包括数据信息汇集模块，数据分析 运算模块以及分析结果反馈模块。

进一步的，所述数据分析运算模块包括沉降量分析模块、水平移动分析模 块、水平变形分析模块以及倾斜变形分析模块，沉降量是监测点相对于基准点 高度的变化量，当变化量超过一定的限值时，将严重影响列车的行驶安全；倾 斜变形是指相邻监测点在竖直方向的下沉差与两相邻监测点间水平距离的比 值。

进一步的，所述监测报警子系统包括预警模块、报警模块，并自动生成紧 急处理方案，所述紧急处理方案是专业人士根据不同的地铁变形状况通过计算 机编程预存于计算机中，当地铁隧道发生不同位置或不同程度的形变时，计算 机可自动生成处理方案，并对相关人员进行合理调度与分配。

本发明另外还提出一种基于上述监测系统的地铁隧道变形在线监测方法， 包括以下步骤：

(1)、监测并采集地铁隧道变形数据信息；

(2)、对地铁隧道变形数据信息进行汇集与实时分析，得到分析处理后的 监测数据信息；

(3)、根据监测数据信息自动发布预警信息或报警信息，并启动应急预案 处理方案。

进一步的，所述步骤(1)中，对地铁隧道变形数据信息通过压阻式静力水 准仪进行采集。

进一步的，所述步骤(1)之前还包括布设地铁道床基准点及监测点，安装 压阻式静力水准仪的步骤。

进一步的，所述步骤(2)中，对数据实时分析包括沉降量分析和倾斜变形 分析。

优选的，所述倾斜变形分析采用以下方法：设A、B为两相邻监测点，A、B 点间的倾斜变形为其中S_A表示测点A的下沉值；S_B表示测 点B的下沉值，其下沉差为ΔS_AB,l_AB表示A、B点间的水平距离。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、本发明提供的监测系统包括，数据信息采集子系统，数据通讯子系统， 数据汇集及分析子系统和监测报警子系统，可对实现对监测数据的自动采集， 自动传输，自动分析并自动预警报警，并可根据预先的设置自动启动应急方案， 人员调度分配合理迅速；尤其是监测地铁轨道的差异性沉降，具有很强的针对 性；对地铁隧道安全实现24小时在线监测，能较好地保障地铁运营的安全性；

2、另外，本发明基于物联网技术与计算机技术实现地铁运营安全在线监测， 具有结构简单、成本低、节省人力、数据采集全面、效率高、人性化、智能化 等优点，系统集中对各传感器监测数据、分析、报警处理，形成生产运行电子 档案，对故障分析与判断提供技术支持和理论指导，实施准确的得到精确的监 测数据保障地铁的安全运营。

附图说明

图1是本发明实施例一中所述的监测系统结构示意图；

图2为本发明实施例二所述道床监测图；

图3为本发明实施例二隧道与车站交接处差异性沉降布点示意图；

图4为本发明实施例二隧道区段道床差异性沉降布点示意图；

图5为本发明是实施例一数据信息的无线传输结构示意图；

图6为本发明实施例一监测预报警子系统结构示意图；

图7为本发明实施例二涉及的监测方法工作流程原理示意框图；

其中：1、轨道；2、沉降测点；3、隧道地板；4、道床；5、交接缝；6、 上行线隧道；7、下行线隧道；8、监测点；9、地铁车站。

具体实施方式

本发明提供一种基于地铁安全运营的地铁隧道变形在线监测系统及检测方 法，下面结合不同实施例对本发明做进一步地说明。

实施例一、参考图1，基于地铁安全运营的隧道变形在线监测系统，包括数 据信息采集子系统、数据通讯子系统、数据汇集及分析子系统、监测报警子系 统，所述数据信息采集子系统通过数据通讯子系统与数据汇集及分析子系统连 通，数据汇集及分析子系统将分析处理后的监测信息通过数据通讯子系统传送 给监测报警子系统，完成对地铁隧道系统的全自动安全在线监测。

本实施例中，数据汇集及分析子系统主要包括三大模块：

①数据信息汇集模块；

②数据分析运算模块；

③分析结果反馈模块：

数据信息汇集模块：在地铁项目的建设及运营阶段进行实时监控过程中， 从硬件上报的原始数据量非常巨大。如果将这些大量重复且存在对用户无应用 价值的数据不经过去冗等处理而直接上传，将会给主机带来很大的负担。本实 施例中应用物联网中间件，对数据进行及时的过滤、整合等处理。每个采集点 在计算机上设有唯一一个可配置的区域ID号，这个ID号必须通知服务器， 以便服务器区分各个区域数据；上报时只上传未能上传的数据，已经上传的数 据必须加以标记，上传失败的数据必须重新上传；对发生变化的数据进行上传， 未发生变化的数据不需要再次上传，显示为数据未发生变化即可，以减小计算 机的工作负担，同时设置上传时间，正常天气规定每4小时数据上传一次，雨 雪天气每2小时上传一次；

数据分析运算模块，

所述数据分析运算模块包括沉降量分析模块、水平移动分析模块、水平变 形分析模块以及倾斜变形分析模块。分别对采集的数据信息从轨道沉降量、水 平移动、水平变形和倾斜变形等方面进行分析，数据分析全面准确；

分析结果反馈模块：主要负责将对数据分析结果进行反馈，通过通过监测 报警子系统反馈相关工作人员。

参考图6，所述监测报警子系统包括预警模块、报警模块，并自动生成紧急 处理方案，紧急处理方案是专业人士根据不同的地铁变形状况通过计算机编程 预存于计算机中，当地铁隧道发生不同位置或不同程度的形变时，计算机可自 动生成处理方案，通过指挥终端对相关人员进行合理调度与分配，同时，不同 职位的所有相关工作人员的名单存于计算机中，通过计算机编程实现工作人员 自动调度，计算机以短信的形式将具体工作发送给相应的工作人员，收到短信 的工作人员听从计算机的命令，按照计算机所发送的施令及时处理各自岗位内 的相关工作，有效的完成监控、预警以及相关人员的调度，大大的提高了地铁 运营安全。

为了实现实时在线采集数据，本实施例通过压阻式静力水准仪对地铁隧道 变性数据信息进行采集，压阻式静力水准仪代替传统使用的普通水准仪，体积 小、方便安装、精度高，成本低，可操作性强，可以永久性的埋入地铁隧道中， 不影响地铁的正常运行，实现24小时自动在线监测采集数据，克服了传统的监 测方法只能在地铁停运的开窗期进入隧道作业，不能实现自动化测量，同时压 阻式静力水准仪一般的专业人士就可完成安装，不需要高精尖技术型人才，降 低成本。

数据汇集及分析子系统更具人性化，数据通讯子系统可以采用有线信号传 输或无线信号传输的方式。参考图5，数据信息的无线传输结构示意图，GPRS 无线监测传输系统由服务器端(数据中心)和客户端(监测点)两部分组成，客户 端用来实现各种监测仪器(压阻式静力水准仪)的现场数据自动采集、传输。 各种监测仪器通过串行接口连接到现场的计算机上，监测仪器采集数据存放到 计算机硬盘相应的文件夹下，计算机通过串行接口连接GPRS无线调制解调器， 系统通过无线调制解调器将监测数据发送到服务器端的数据服务器。服务器端 主要用来进行数据的备份和后处理，并通过固定IP连接到Internet，监控中心 将数据处理结果以短息或电话的形式通知相关工作人员，通过GPRS无线通讯技 术，利用GPRS把采集的数据及时的传送到数据汇集及分析子系统，可根据不同 的需要进行计算机编程，通过自建局域网采集各种数据信息，并根据采集的信 息数据和地铁隧道现状条件对数据信息进行集中分析处理，从而判断和显示地 铁隧道的安全状态。

本实施例所述监控系统实现了对地铁隧道安全运营在线监测、及时预警及 报警。系统发生预警、报警时，自动建立事故日志，将发生时间和地点保存在 日志中，事故后可供调查使用，在中心处理器的电子图上用闪烁的黄色灯亮点 准确显示预警事故发生地点，用闪烁的红色灯亮点准确显示报警事故发生地点。 不仅可以在线实时监测地铁安全运营状态，而且还解决了现有技术中对于在地 铁隧道发生变形的时候无法短时间内察觉并通知管理人员，无法进行有效的人 员、资源调度及迅速出台处理方案并快速执行的问题，大大的提高了地铁运营 安全。

实施例二、本实施例提出一种地铁隧道在线监测方法，采用实施例一所述 的在线监测系统对地铁轨道差异性沉降进行监测，具体步骤包括：

(1)、通过数据信息采集子系统监测并采集地铁隧道变形数据信息；

(2)、将采集的数据信息通过数据通讯子系统传输到数据汇集及分析子系 统，对地铁隧道变形数据信息进行汇集与实时分析，得到分析处理后的监测数 据信息；

(3)、分析处理后的监测数据信息通过数据通讯子系统传输到监测报警子 系统，根据监测数据信息自动发布预警信息或报警信息，并启动应急预案处理 方案。

所述步骤(1)之前，还包括布设地铁道床基准点及监测点，安装压阻式静 力水准仪等前期准备步骤，具体实施时，先确定地铁隧道安全运营的安全指标， 结合已经运营的地铁线路，参考图2，分析地铁隧道进一步变形对地铁隧道安全 运营的影响，1为轨道，2为沉降测点，监测隧道结构的沉降，主要是监测隧道 底板3结构的沉降，实质上是监测道床4的差异性沉降，道床4的差异性沉降 对地铁安全运营的影响最为严重。因此，将地铁隧道安全运营指标确定为道床 的差异性沉降量。

参考图7，下面结合具体的操作过程介绍本实施例：

(一)、布设地铁道床基准点及监测点，确定检测指标：

(1)基准点的布设：

道床沉降是相对于基准点的，若基准点不稳定，所测出的数据是不准确的， 是失真的，也就毫无意义了。因此，将基准点固定在相对稳定、地质条件良好 地下车站处的隧道岩体上；同时，需要周期性的对基准点进行观测，检验基准 点的高度差异性及其稳定性。因为车站结构体积大，相对隧道要稳定的多，且 隧道沉降监测主要关注的是车站与隧道及隧道区段的相对的垂直位移，因此选 择在车站布设基准点，同时，基准点宜布设在距地质条件复杂或不良的易变形 区段80m～120m以外的地质条件优良地段。

(2)监测点的布设

如图3所示，道床沉降监测点一般布设在道床的两轨道1中间，由于地铁 车站9与隧道的特殊关系，需在隧道(上行线隧道6和下行线隧道7)与地铁车 站9的交接缝两侧约1m处的道床上布设一对沉降监测点8，高速运行的地铁车 辆对于轨道的平顺度要求极高，规范规定轨道承台中心和高程偏差均应小于5m m，当差异性沉降量大于3mm时预警，当差异性沉降量大于5mm时报警。

隧道区段道床差异性沉降布点示意图如图4所示，隧道沉降监测点布设在 道床的两轨之间，隧道区段一般每20m布设一点，地质条件差(如回填区、流 沙层、采空区、软岩段和断裂带等)或地下水丰富区段每10m布设一点，将每 一个测点进行编号方便信息处理，相邻测点间的变形量必须控制在测点间距的 千分之三内，超出千分之三系统进行报警。

(二)、数据信息监测采集：

通过数据信息采集子系统，采集地铁隧道变形数据信息，针对道床的差异 性沉降量监测，通过采用压阻式静力水准仪进行数据采集。压阻式静力传感仪 的工作原理是通过水准仪内部高精硅压传感器测出基准灌与监测点的压力，如 果压阻传感器感测到压力发生变化即说明该点与基准液面之间的高差发生变 化，根据生产前的压力与液面高差的标定线性表，压阻式静力水准仪内部的单 片机可以计算出高差变化值。

将基准灌用膨胀螺栓直接安装在隧道岩体上，基准点有固定高度，液面与 大气相通，而监测点之间与基准点之间都用液体联通管相连，多个测点则同样 采用液体连通管连接，产品的压阻传感器液面端的另一侧用空气联通管连接一 起然后通向大气，如果没有埋设在地下亦可直接裸露在空气中。基准点确定以 后将压阻式静力水准仪通过膨胀螺栓直接安装在需要监测点位的道床上，监测 点的储液罐以及液体联通管内都保证不能有气泡，当某个测点上升或者下降的 时候不影响其它点的液面高度，本实施例以矿山开采法施工的隧道为例进行说 明，地质良好的地段，一般每20m设置一处监测点，地质条件不良地段或有断 层处，压阻式静力水准仪间距要布置密集一些，一般每10m布置一处监测点， 如图4。选用的压阻式静力水准仪的量程为50mm，分辨率为0.1mm，精度为0.1％。 为避免传感器相互干扰，可以每若干监测点作为一个数据传输单元，最后监测 数据汇总到数据服务器。

(三)、数据信息的传输

将采集的数据通过数据通讯子系统传输到数据汇集及分析子系统，通讯方 式可以采用有线信号传输或无线信号传输。

(四)、对采集的数据信息进行汇集和分析判断

对采集的数据信息从以下方面进行分析：

(1)轨道沉降量分析

通过沉降量分析模块对轨道沉降量进行分析，尤其是本实施例设计采用压 阻式静力水准仪采集数据，通过水准仪内部高精硅压传感器测出基准灌与监测 点的压力，如果压阻传感器感测到压力发生变化即说明该点与基准液面之间的 高差发生变化，根据生产前的压力与液面高差的标定线性表，静力水准仪内部 的单片机可以计算出高差变化值。

轨道的沉降量是监测点相对于基准点高度的变化量。当变化量超过一定的 限值时，将严重影响列车的行驶安全，根据规范要求轨道沉降量必须控制在5m m之内。

(2)水平移动分析

通过水平移动分析模块对水平移动进行分析。监测点位移矢量在水平方向 的分量称为水平移动(u)，以本次与首次测得的从该监测点至同一基准点的水 平距离距离差Δl来表示，即

u＝Δl＝l_i-l₀

式中l_i——第i次测得的该监测点与同基准点的水平距离；

l₀——首次测得的该监测点与同基准点的水平距离。

根据铁道部轨道不平顺管理值审查得知，水平位移不得超过5mm，当因为水 平位移导致铁轨开裂时，裂缝宽度不得超过1mm，出现裂缝必须及时采取相应措 施。

(3)水平变形分析

通过水平变形分析模块对水平变形进行分析。水平变形是指相邻两点的水平 移动差值与两点间水平距离的比值，它反映相邻两测点间单位长度的水平移动 差值，通常用ε表示，是水平移动的一阶导数：

$ϵ\left(x\right)=\frac{du\left(x\right)}{dx}$

水平变形可反映轨道的平顺性，水平变形不宜过大，过大会影响列车的舒 适性及安全性，其变形范围控制在千分之五内。

(4)倾斜变形分析

通过倾斜变形分析模块对隧道的倾斜变形进行分析，倾斜变形是指相邻点 在竖直方向的下沉差与两相邻点间水平距离的比值，它反映了沉降槽沿某一方 向的坡度，通常用T表示。倾斜变形为下沉的一阶导数：其中， S(X)表示相邻两监测点在数值方向的下沉差；X为相邻两监测点的水平距离。倾 斜变形可理解为两监测点间的平均斜率，以两点连线中心的切线斜率表示。设A、 B为两相邻监测点，其下沉差为ΔS_AB，A、B点间的倾斜变形为其中S_A表示测点A的下沉值；S_B表示测点B的下沉值；l_AB表示A、B点间的水 平距离。

倾斜变形必须控制在测点间距的千分之三以内，若超出千分之三则系统报 警。

(五)、数据分析与自动预警

对采集的数据进行信息汇集与分析后，将分析的结果通过数据通讯子系统 传输到监测报警子系统，通过监测报警子系统对数据信息进行监测结果处理和 安全系数分析，然后根据结果进行自动预警信息发布和启动应急预案，如果不 符合自动预警条件，则重新进行数据信息的监测结果处理；通过对在线监测系 统中预设的监测指标预警值与汇集得到的监测数据进行比较和判断，如果某个 监测指标超过系统中预设的预警值，则自动实现实时预警，将信息通过短信通 知相关工作人员，如果某个监测指标超过系统中预设的报警值，将信息通过短 信通知相关工作人员并启动报警器，广播系统进行自动语音播报尽快疏散乘客， 列车停止运行并在报警同时给出相应的处理预案，实现地铁隧道运营监测、预 警及报警。

综上，本发明具有下列优势：一是对于地铁隧道的沉降监测高效精确，实 时准确的得到精确的监测数据保障地铁的安全运营；二是该系统基于物联网与 计算机实现地铁运营安全在线监测，具有结构简单、成本低、节省人力、数据 采集全面、效率高、人性化、智能化等优点，能够实现对地铁运营中隧道是否 影响地铁正常运行的安全性监控，能较好地保障地铁运营的安全性；三是系统 可对监测数据自动采集，自动传输，自动分析并自动报警，并可根据预先的设 置自动启动应急方案；四是系统设置有数据管理机构，集中对各传感器监测数 据、分析、报警处理，形成生产运行电子档案；五是该系统针对性强，专注于 测地铁隧道的差异性沉降；六是其工艺步骤简便，操作灵活，原理可靠，维护 成本低，环境友好。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的 限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改 型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案 内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与 改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。