地鐵施工下穿高架橋橋墩沉降自動監測技術研究

(1.中鐵十八局集團第四工程有限公司 天津 300350，2.中鐵十八局集團第四工程有限公司 天津 300350，3.中鐵十八局集團第四工程有限公司 天津 300350)

一、引言

在地鐵建設過程中不可避免的會引起地面擾動甚至會引起較大的地面的不均勻沉降。尤其是在地鐵施工過程中下穿既有高架橋，橋墩的變形與沉降均會影響橋面及橋梁的正常使用，所以沉降監測在下穿既有橋梁的地鐵施工中顯得格外的重要[1]。由于傳統的監測主要是由人來完成，不可避免的會造成一定的偶然誤差，造成監測結果的不精確導致對既有橋梁因地鐵施工造成的沉降量值與實際沉降值的偏差。故本研究以此為切入點，依托成都地鐵六號線興～犀區間成灌線郫縣高架橋為研究背景，引入自動監測系統為主、人工監測為輔的橋墩沉降變形監測系統，可以有效避免人工監測的缺點和充分發揮自動監測的優點，可以得到真實可靠的監測系統。

二、工程概況

(一)興～犀區間及犀浦站與成灌高鐵的關系。犀浦站～興業北街站盾構區間左線穿越181#～182#墩跨，隧道外輪廓線距181#墩承臺邊緣4.10m，距182#墩承臺邊緣15.89m；右線穿越180#～181#墩跨，隧道外輪廓線距181#墩承臺邊緣5.26m，距180#墩承臺邊緣15.32m。興～犀區間及犀浦站與成灌高鐵的平面位置關系示意圖如圖1所示。

圖1 車站及區間與成灌線平面位置關系示意圖

(二)監測內容。對成灌線郫縣高架特大橋178#～183#墩的沉降變形進行24小時遠程實時監測，采用安伯格軌檢小車定期對K15+300～+600段軌道幾何形態進行檢測。

三、橋墩監測系統構建

本項目基于結構沉降自動監測靜力水準儀+傾角計+水位監測計+人工輔助沉降觀測構建橋墩沉降變形監測系統。

(一)靜力水準儀。本次研究擬采用的靜力水準儀量程為±25mm，該儀器在測量兩點之間或多點之間相對高程變化的結果準確可靠，且精密度較高。主要應用于大壩、核電站、高層建筑、礦山、滑坡、橋梁、路基等垂直位移和傾斜的監測[4]。靜力水準儀中內置的溫度傳感器還可以同步監測測點處的溫度。靜力水準系統一般安裝在被測物體等高的測墩上或被測物體墻壁等高線上[5]，使用無線自動化綜合測試系統對數據進行采集，再通過無線通訊設備與計算機相連，以此實現自動化觀測。

(二)傾角儀。智能傾角計是一款模擬電壓輸出的高精度雙軸傾角傳感器，小量程最高分辨率能夠達到0.006°。智能傾角計內設置有微型固體擺捶，通過測量靜態重力場變化，再將重力場變化轉變成傾角變化，通過變化電壓(0-5V)方式對外輸出[6]。

(三)水位監測計。投入式地下水位監測計的原理是所測液體靜壓力與該液體高度成正比，依托于陶瓷敏感元件或擴散硅的壓阻效應，電信號通過所測靜壓力轉變而來[7]。經過溫度補償和線性校正。轉換成4-20mADC標準電流信號輸出。可實時顯示監測數據，并轉換為RS485輸出，可實現水位液位的自動檢測控制。

(四)自動化綜合測試系統。自動化綜合測試系統是一種全自動無人值守測量、無線數據傳輸的綜合數據采集系統。系統可配接振弦式傳感器、電流信號、溫度傳感器等。系統所采用的分布式結構可任意組成多點式的無線測量控制系統，特別適用于高空、高危、等場所的施工監測和運維監測。自動化綜合測試系統示意圖如圖2所示。

自動化綜合測試系統主要由四個子系統所組成并通過網絡聯系而進行工作，這四個子系統分別是[8]:(1)傳感器系統，包括:應變傳感器、位移傳感器；(2)數據采集系統，包括:供電模塊、信號采集、處理模塊以及相應的數據存儲模塊；(3)數據傳輸系統，包括：GPRS數據傳輸模塊；(4)網絡平臺系統，包括：服務器、系統控制中心。

圖2 自動化綜合測試系統示意圖

(五)儀器的布置與安裝

1.靜力水準儀安裝位置。本項目選取施工影響范圍內的178#～183#墩進行沉降變形監測，178#～183#墩每根墩柱頂布設1臺靜力水準儀，177#墩布設3臺靜力水準儀基準點，總共21臺靜力水準儀[9]。178#～183#墩每根墩柱布置1臺傾角計共18臺傾角計。177#、180#、181#、182#布設4臺水位監測計。

2.安裝數量。橋墩監測總共需要：21臺靜力水準儀、18臺傾角計、4臺水位監測計。

3.安裝方法。采用移動升降機將人員和設備運送到墩頂高度，采用環氧樹脂粘合劑將傳感器支架粘結在墩頂，待粘結強度達到要求后，將靜力水準儀固定在專用支架上，并將靜力水準儀用液面管聯通。在墩頂位置，使用環氧樹脂粘合劑將傾角計粘接于墩頂。水位監測計置入水位監測井。所有監測元件通過數據傳輸線纜聯通，并接入數據采集系統。數據集成及傳輸系統中設置有太陽能發電系統，故儀器本身不用外接電源，均使用太陽能供電。

(六)人工輔助監測。施工單位進場后人工采集基礎測量數據，在工程施工期間如果有出現監測數據變化過大或非正常變化時，實際施工單位應將及時安排現場進行人工測量復核，人工復核的要求如下：

沉降監測橋梁墩臺時可以借助于在施工期間埋設在墩身沉降監測點進行沉降監測[10]，假設墩身沒有沉降監測點，則埋設沉降監測點時應需要根據橋墩墩身/墩頂沉降位移觀測點埋設示意圖的要求，當將每個墩臺上的沉降監測點穩定埋好以后，對各埋設的沉降監測點進行測量，其測量精度不應低于三等水準測量的精度，確定墩身各監測點的沉降情況。水準路線觀測示意圖如圖3所示。

圖3 水準路線觀測示意圖

四、數據整理

監測資料的收集、處理、分析、預測反饋等方面，通常是監測數據反饋整理分析內容與方法的主要內容。

(一)收集。通過現場監測取得的數據和與之相關的其它資料的搜集、記錄等[11]。本監測項目采用的儀器如結構沉降自動監測靜力水準儀、自動全向傳感水平位移計將量測值自動傳輸到數據庫管理系統。電子水準儀，全站儀對數據均為自動采集，所采集的人為導入數據庫。

在每經過了一個監測周期后立即對原始觀測數據進行校核和整理，包括原始觀測值的檢驗、物理量的計算、填表制圖，初步分析和整編等[12]，初步篩選出異常數據，并將未被篩選的數據錄入數據庫管理系統。

(二)預測分析和反饋。通過對采集的數據進行數理統計和擬合分析等數學方法確定各監測物理量值大小，盡可能找出監測對象的變形發展趨勢和變化規律，及時評估工程的安全狀態，并對存在安全風險的工程部位采取相應應對措施。加快信息反饋速度，確保監測結果的準確性，全部監測數據均由計算機計算管理所得，并應該按時提交監測數據的周報表、提交監測月報，同時附上相應的位移時態曲線圖，根據回歸分析數據，并對當月的施工情況進行評價并提出施工建議及相關預防措施。監測變量累積值(P)—時間(t)的時態關系曲線如圖4所示、監測變量變化速度(△P)—時間(t)的時態關系曲線如圖5所示、監測區域變化速度(△V)—測點(S)的空間關系曲線如圖6所示。

圖4 監測變量累積值(P)—時間(t)的時態關系曲線

圖5 監測變量變化速度(△P)—時間(t)的時態關系曲線

圖6 監測區域變化速度(△V)—測點(S)的空間關系曲線

五、結論

本文通過對橋墩沉降的自動監測與人工監測數據結合，繪制出監測變量累積值(P)—時間(t)的時態關系曲線、監測變量變化速度(△P)—時間(t)的時態關系曲線、監測區域變化速度(△V)—測點(S)的空間關系曲線，根據回歸分析數據，并對當月的施工情況進行評價并提出施工建議及相關預防措施。