實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)在運(yùn)營(yíng)高速鐵路變形監(jiān)測(cè)中的實(shí)踐

余衛(wèi)華

中鐵二十二局集團(tuán)第五工程有限公司 重慶 400700

正文：

引言

高速鐵路橋梁下進(jìn)行施工作業(yè)，受土方量開(kāi)挖、混凝土澆筑施工等影響，區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)力重新分配，可能致使高鐵運(yùn)營(yíng)線路橋梁墩臺(tái)構(gòu)筑物產(chǎn)生不可逆性變形，危及高鐵區(qū)段安全平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)。為了滿足高速鐵路高安全和高平順特點(diǎn)，必須對(duì)高速鐵路受施工影響區(qū)段進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)因其具有精度高、自動(dòng)化性能好、實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量等特點(diǎn)，應(yīng)用于運(yùn)營(yíng)期高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)，可以有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量監(jiān)測(cè)的不足。

本文結(jié)合實(shí)際工程，從安全、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)的需求出發(fā)，構(gòu)建實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用液體靜力水準(zhǔn)儀等設(shè)備，融合通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)受下穿施工影響的運(yùn)營(yíng)高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 工程概況

重慶新建潼南至榮昌高速公路（簡(jiǎn)稱(chēng)潼榮高速），從某運(yùn)營(yíng)高速鐵路橋梁段的第17孔（16#與17#墩間）和第18孔（17#墩與18#臺(tái)間）穿過(guò)，現(xiàn)場(chǎng)工況如圖1所示，道路中心線與鐵路橋梁中心線交角為84°，道路防撞墻邊緣至鐵路橋墩邊緣的最小距離為6.79m，道路側(cè)溝邊緣至鐵路橋墩承臺(tái)邊緣的最小距離為1.5m，道路面至鐵路梁底的最小距離為8.42m，道路路基下方采用管徑為108mm的鋼花樁注漿處理，樁長(zhǎng)7.5m，間隔1.2m。路基挖方955.5m3，填方1874.8m3；路基基底采取注漿加固，注漿深度為4.6m，注漿面積為1425m2，總注漿量為1156.8m3。靠18#臺(tái)側(cè)由于路基需要挖深約4m，設(shè)計(jì)采用斷面為1.5m*2.0m、樁長(zhǎng)為12m、樁間距為4.5m的C30鋼筋砼1-7#樁板墻對(duì)鐵路橋臺(tái)進(jìn)行防護(hù)，樁邊緣至鐵路橋墩承臺(tái)邊緣的最小距離為3.0m。

圖1 項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)工況

2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容和監(jiān)測(cè)時(shí)間

根據(jù)相關(guān)規(guī)范、監(jiān)測(cè)合同和方案，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要為：對(duì)受下穿施工影響的高速鐵路橋梁段16#、17#墩和18#臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)，并通過(guò)人工周期沉降監(jiān)測(cè)對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行檢核。

監(jiān)測(cè)時(shí)間覆蓋下穿運(yùn)營(yíng)期某高速鐵路交叉施工全過(guò)程，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采用24小時(shí)不間斷自動(dòng)化測(cè)量手段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，人工周期監(jiān)測(cè)每7天監(jiān)測(cè)一期，用于對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)檢核。

3 監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.1 實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)

自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集器（液體靜力水準(zhǔn)儀）、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理中心三部分構(gòu)成。在16#、17#墩和18#臺(tái)沿線路方向兩側(cè)（左側(cè)和右側(cè)）各安裝1臺(tái)液體靜力水準(zhǔn)儀，在施工影響范圍外安裝1臺(tái)液體靜力水準(zhǔn)儀作為基準(zhǔn)點(diǎn)，共布設(shè)7臺(tái)液體靜力水準(zhǔn)儀，如下圖所示。

圖2 液體靜力水準(zhǔn)儀布設(shè)位置

液體靜力水準(zhǔn)儀利用連通管的原理，由通液管連接在一起的多個(gè)儲(chǔ)液罐的液面總是在同一水平面，將基準(zhǔn)點(diǎn)置于一個(gè)相對(duì)測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定的水平點(diǎn)，其他儲(chǔ)液罐置于標(biāo)高大致相同的不同位置，當(dāng)其他儲(chǔ)液罐相對(duì)于基準(zhǔn)罐發(fā)生升降時(shí)，將引起該罐內(nèi)液面的上升或下降。通過(guò)測(cè)量液位的變化，了解監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的升降變形。在液體靜力水準(zhǔn)儀中灌入適當(dāng)防凍液，減小溫度變化監(jiān)測(cè)的影響。本項(xiàng)目采用振弦式液體靜力水準(zhǔn)儀，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 液體靜力水準(zhǔn)儀主要技術(shù)指標(biāo)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)完全無(wú)人職守的全自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)在智能化計(jì)算機(jī)軟件的支持之下，通過(guò)無(wú)線的方式控制液體靜力水準(zhǔn)儀對(duì)監(jiān)測(cè)主體變形情況進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，在24小時(shí)無(wú)人職守的情況下，以亞毫米級(jí)的精度全天候監(jiān)測(cè)目標(biāo)變形。

3.2 人工周期沉降監(jiān)測(cè)

人工周期沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)于橋墩沿線路方向兩側(cè)，處于靜力水準(zhǔn)儀正下方，共6個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)；在遠(yuǎn)離交叉施工影響區(qū)域的穩(wěn)定地點(diǎn)布置4個(gè)沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)，整個(gè)觀測(cè)過(guò)程中保證基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定、可靠，且有檢核條件。

圖3 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)位置

本項(xiàng)目人工沉降監(jiān)測(cè)采用二等水準(zhǔn)觀測(cè)，使用檢定合格的Trimble DiNi03電子水準(zhǔn)儀，配合銦瓦條碼尺進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，儀器主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。測(cè)量作業(yè)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求執(zhí)行，每期監(jiān)測(cè)任務(wù)完成后檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否滿足精度要求，如不滿足則重新觀測(cè)。

表2 Trimble DiNi03主要技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Main technical indexes of Trimble DiNi03

3.3 預(yù)警值設(shè)置

按照《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》（TB 10182-2017）規(guī)定，不限速條件下，受下穿工程影響的高速鐵路橋梁墩墩頂豎向位移限值為2mm。本監(jiān)測(cè)方案中采用三級(jí)預(yù)警機(jī)制，結(jié)合實(shí)際工程，各級(jí)預(yù)警值設(shè)置如表3所示。

表3 沉降監(jiān)測(cè)三級(jí)預(yù)警限值設(shè)置Tab.3 Three-level warning limit setting of settlement monitoring

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.1 實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性驗(yàn)證

靜力水準(zhǔn)儀在監(jiān)測(cè)期間，外界溫度的變化會(huì)對(duì)液面的升降產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的波動(dòng)。同時(shí)，高速列車(chē)通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致液面的波動(dòng)。為了保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能真實(shí)有效地反映高鐵橋墩沉降變化趨勢(shì)，驗(yàn)證外界溫度變化和高速列車(chē)通行產(chǎn)生振動(dòng)對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)試完成后，按每1h一次的頻率連續(xù)進(jìn)行120小時(shí)（5天）的測(cè)試，獲取基準(zhǔn)點(diǎn)和6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖4為各靜力水準(zhǔn)儀液面高度隨時(shí)間的變化值，圖5為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的差異沉降變化值。

圖4 液體靜力水準(zhǔn)儀液面高度變化

從圖4可以看出，各靜力水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)呈周期性波動(dòng)變化。由于監(jiān)測(cè)開(kāi)始前5天，現(xiàn)場(chǎng)施工較少，可以認(rèn)為數(shù)據(jù)變化主要跟溫度有關(guān)，在溫度升高時(shí)，其液面降低，當(dāng)溫度下降時(shí)，其液面開(kāi)始回升，變化周期為24h。在列車(chē)通過(guò)時(shí)，各靜力水準(zhǔn)儀液面高度變化不明顯。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)差異沉降變化

差異沉降是同一時(shí)刻各監(jiān)測(cè)點(diǎn)液面變化值與基準(zhǔn)點(diǎn)液面變化值的差值，能真實(shí)反映高鐵橋墩的沉降變化。對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)差異沉降的波動(dòng)性進(jìn)行分析，其差異沉降變化值基本處于（-0.5mm，0.5mm）內(nèi)，統(tǒng)計(jì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的均值和中誤差，檢驗(yàn)實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì)分析

中誤差表示數(shù)據(jù)相對(duì)于均值的離散程度，中誤差越小，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)越穩(wěn)定。從表4中可以看出，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)差異沉降值的中誤差均不超過(guò)0.2mm，說(shuō)明監(jiān)測(cè)點(diǎn)波動(dòng)性不大，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

4.2 沉降監(jiān)測(cè)成果分析

將獲取的每24h監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)取均值，作為高鐵橋墩當(dāng)日的沉降變化值，對(duì)6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)70天的差異沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖6所示。監(jiān)測(cè)期內(nèi)，最大沉降變化發(fā)生在橋臺(tái)監(jiān)測(cè)點(diǎn)18Z，累計(jì)抬升變化0.7mm，橋臺(tái)另一監(jiān)測(cè)點(diǎn)18Y累計(jì)抬升變化0.5mm；橋墩監(jiān)測(cè)點(diǎn)16Z、16Y、17Z和17Y沉降變化較小，變化量位于（-0.2mm，0.1mm）內(nèi)。所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化量均小于Ⅰ級(jí)預(yù)警值1.4mm。

為驗(yàn)證實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性，在下穿工程施工過(guò)程中，以沉降量最大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)18Z的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，將人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。如圖7所示。

圖7 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和人工周期監(jiān)測(cè)成果對(duì)比結(jié)果

從圖7可看出，兩種監(jiān)測(cè)方法的變形趨勢(shì)具有一致性，且相同時(shí)間兩者的成果較差小于0.5mm，說(shuō)明實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)成果準(zhǔn)確可靠。

5 結(jié)論

針對(duì)重慶新建潼榮高速下穿某運(yùn)營(yíng)期高速鐵路工程項(xiàng)目，構(gòu)建了運(yùn)營(yíng)期高速鐵路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)踐證明：該實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在本項(xiàng)目工作環(huán)境中具有穩(wěn)定性；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成果與人工周期監(jiān)測(cè)成果反映的高速鐵路變化趨勢(shì)基本一致，表明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)期高速鐵路實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用可行。

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)營(yíng)高速鐵路的遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、連續(xù)、高精度監(jiān)測(cè)，能夠?yàn)檫\(yùn)營(yíng)期高速鐵路同類(lèi)型的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供借鑒。