基于感光技術的橋墩沉降全自動觀測的研究

李楊

摘 要 隨著國家經濟水平的不斷提高，國內相繼建設以“四縱四橫”為主骨架的高速鐵路和客運專線，高鐵建設的軌道地基大量采用“以橋代路”的形式，同一座橋地質條件會不同變化。因此，建設期和運營期均需要對橋梁結構進行長期的監測。本文對目前傳統的橋墩沉降監測方式進行探討，并提出了采用激光和光電感應裝置的方式監測橋墩沉降。

關鍵詞 橋墩沉降監測;光電感應;激光測距

1概況

現階段，對于橋梁變形的監測包括橋梁的撓度、沉降、扭曲三個方面。其中，橋梁沉降對于整個橋梁工程的安全穩定性至關重要。橋墩作為橋梁的中間支承物，支承著橋梁上部結構的荷載，并將它傳給地基基礎，其穩定性直接關系到橋梁結構的安全，墩臺的不均勻沉降將使橋上線路產生“折角形”的軌道不平順，對車輛的運行安全性和旅客的乘坐舒適性造成不利的影響。為了保證高速鐵路的高平順性，高鐵規范要求對所有橋梁的橋墩均要進行沉降評估，并對其工后沉降進行了嚴格的要求，橋墩臺均勻沉降量≤15mm，相鄰墩臺沉降量之差≤5m[1，2]。因此，為了保證高速鐵路的高平順性需對橋墩墩進行沉降監測。

2現有橋墩沉降監測技術現狀

在橋梁工程建設中，橋墩沉降的原因主要有以下幾種：路基問題。在橋墩建設中，若路基強度不足，難以承受墩臺的重量或者承載力不足，極易導致橋墩沉降變形。某些橋墩建設于水上，很難保障路基承載力符合要求。橋墩自身質量。常見的橋墩由混凝土為主要建設材料，在混凝土澆筑施工中，常因各種因素導致混凝土裂縫，影響橋墩質量，增大橋墩沉降變形的原因。施工人員水平不足、現場施工管理不足等，都會影響橋墩自身質量，在橋墩運行中，橋墩極易產生沉降、變形現象，影響工程質量。承載力不足。橋墩是支撐橋梁橋面的重要建筑，若橋墩無法承載上部結構的質量，橋墩必然會出現沉降、變形問題。

目前，國內主要通過傳統監測手段來實現橋墩沉降的監測，如全站儀或水準測量等。此類沉降監測手段的缺點在于作業效率低、勞動強度大，無法實現實時監測。且由于大氣折射誤差、豎直角觀測誤差及儀器量取影響，全站儀高程測量的精度只能達到三、四等水準測量或者接近二等水準測的精度要求。對于水準測量法，沉降觀測點和基準點容易受外界擾動以及觀測方式、氣象等環境條件限制。因此，傳統的監測手段存在諸多的局限性，難以滿足大型工程結構的長期健康監測和災害預警要求。

高速鐵路主要采用無砟軌道結構，周圍環境輕微的沉降變形都會被放大，對高速鐵路造成影響，橋梁項目建設期沉降變形監測等級為三等，其運營期沉降變形監測精度按照《高速鐵路工程測量規范》（ TB 10601-2009） “變形測量等級劃分和精度要求”中的“三等”執行。橋梁項目運營期沉降監測項目垂直位移監測網采用分級布網、逐級控制的方法實施。高程系統采用 1985 國家高程基準，結合精密控制測量網建立三級沉降變形監測網，對橋梁進行沉降變形監測，三級監測網中的點包括基準點、工作基點和沉降變形觀測點，分層逐級控制[3]。工作基點埋設在穩定區域，在觀測期間穩定不變，作為沉降變形觀測點的高程起算點。工作基點除使用普通水準點外，可按照國家二等水準測量的技術要求進一步加密水準基點。

3基于感光技術的橋墩沉降全自動觀測系統的研究

基于感光技術的橋墩沉降全自動觀測系統是一種激光撓度測量裝置，包括檢測主機，檢測主機上設置有檢測面以及在檢測面限定范圍內水平移動的線陣掃描裝置，檢測面為透明結構的方形檢測面，檢測主機下方設有與被測點相連接的固定板，固定板上設有激光測距儀，激光測距儀在固定板上的位置可調，激光測距儀通過旋轉云臺與固定板相連，激光測距儀與旋轉云臺鉸接相連，以實現激光測距儀水平方向位置的調整，旋轉云臺與固定板鉸接相連，以實現激光測距儀垂直方向位置的調整。固定板為L型固定板，其水平板面與檢測主機的底部相連，其垂直板面通過膨脹螺栓與被測點相固定，旋轉云臺與膨脹螺栓鉸接相連。主機內置有鋰電池及GPR模塊，檢測主機的上方設置有用于遮陽及防雨水的罩體，罩體上方設置有用于固定太陽能電池板的支架，太陽能電池板為檢測主機內部的鋰電池供電。主機內置有鬧鈴喚醒裝置，其采用獨立的紐扣電池供電。當完成采樣工作后，測量主機可以設定下一次的工作啟動時間，然后測量主機完全斷電，再次啟時時由鬧鈴喚醒裝置進行工作，最大限度地實現省電。

測量時以激光測距儀發射的線激光作為參考的水平線，將激光的光斑照射到測量裝置的檢測面上，線陣掃描裝置在檢測面內沿水平方向來回掃描，實現對光斑形狀和位置的判斷，并通過測量光斑在檢測面的位置變化來計算測量裝置的沉降值。

測量裝置在使用時，可采用極聯的方式進行測量。即將第一臺測量裝置及最后一臺測量裝置放在標準點上，將其余測量裝置分別放置在每個被測點上，通過調整激光測距儀的位置，使前一臺測量裝置的激光測距儀發射出的線激光投射在下一臺測量裝置的檢測面上，并位于檢測面的中心位置;通過線陣CCD掃描裝置來回掃描，即可實現對光斑形狀和位置的判斷;激光測距儀發射線激光的同時，可測量激光測距儀距離檢測面的距離，通過測量激光發射點和檢測面的距離變化，可判斷沉降發生的原因，如距離沒有發生變化，則是檢測面的沉降導致的;如距離發生了變化，則是檢測面發生了傾斜。

4結束語

目前，國內還是通過傳統檢測手段來實現橋梁結構沉降的監測。研究新型橋梁監測技術，突破現有技術的局限性具有重要的學術與工程價值，因此運用物聯網、信息技術的監測理念，建立高效的高鐵施工監測平臺，有效處理日益龐大的海量數據并加以分析，從而達到增強高鐵橋梁施工的安全性，加快監測作業精度和效率，降低監測人工成本，提高經濟效益的目的。

參考文獻

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB10601-2009高速鐵路工程測量規范[S].北京：中國鐵道出版社，2009.

[2] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設〔2006〕158號客運專線鐵路無碴軌道鋪設條件評估技術指南[M].北京：中國鐵道出版社，2006.

[3] 鐵道部工程管理中心.客運專線鐵路變形觀測評估技術手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2009.