高鐵客站房建設備結構變形監測技術的研究與應用

吳亞奇 中國鐵路上海局集團有限公司土地房產部

1 高鐵站房現階段情況分析

我國鐵路客站建設分為四個階段，上世紀五六十年代為站房和雨棚站臺獨立，各站臺、雨棚完全分離的布局形式，屋面材料多為青瓦，石棉瓦，瓦楞鐵等。七八十年代通過增加站房與站臺雨棚之間的連廊、地道解決風雨干擾乘降的問題，材料多采用預應力混凝土板。九十年代多為現澆鋼筋混凝土梁板和彩色壓型鋼板。2000年以后，隨著國內鐵路的發展。揚州站、北京站雨棚率先采用無站臺柱結構體系，主體結構采用空間管桁架，屋面為金屬鋁鎂錳等材料，隨后大跨度鋼結構體系在高鐵客站建設中全面投入使用。現階段，高鐵站站房根據線路軌道與站房的位置關系布置形式主要分為（a）線側式、（b）線上式、（c）線下式（見圖1）。根據需求，結構形式有的采用無柱鋼結構雨棚，有的采用疊合板式鋼柱混凝土雨棚。

圖1 站房布局形式

由于高鐵客站空間結構跨度大、結構形式復雜多樣，常期受高鐵運行振動影響，又因為地質狀態及環境氣候等因素都存在較大差異，各種疊加狀態下對站房、雨棚的結構安全的影響也各不相同。針對人流較大，人員密集的大型客站，實時自動監測對其結構的安全評定、運行安全和可靠性控制非常必要。

建筑結構變形監測方法主要有常規大地測量方法、物理學傳感器法、攝影測量技術、光纖傳感技術等。在上海局管內已有上海虹橋站超長梁監測、杭州東站站房鋼結構監測、南京南站結構應力、動力響應和變形測試等部分的監測工程都取得了一定的成果。近年來，隨著計算機技術、無線通訊技術、空間技術的進一步發展，多層次、多視角和自動化的大型鋼結構建筑物多維、健康、安全性監測系統發展迅速并逐漸形成規模。本文嘗試從利用北斗GNSS定位技術和脈沖靜力水準儀對大型站房屋面位移、站臺雨棚沉降等數據進行監測的角度去分析安全監測技術的應用可能性。

2 案例基本情況

阜陽西站為線上式站房，總規模10臺18臺面22線。高架站房采用上進下出人流導向設計，出站口接市政地下停車場、商業部分。站房面積約4萬平方米，站房高度40 m，雨棚面積4萬平方米。路基填方高度約為6 m~7 m。站房采用鉆孔灌注樁的樁基礎形式。深度為15 m~35 m。建設過程中因站前廣場基坑施工影響，站臺路基存在不同程度的沉降的情況進行了人工檢測。從2018年9月到2019年9月全年監測路基最大累計沉降量達到225 mm，且社會通廊與前后路基差異沉降較大，并未有明顯的收斂趨勢。

作為高鐵站房后期運營、維護管理的職能部門，考慮到運營期間房建設備將承受重力荷載、溫度荷載、風荷載、基礎變形等因素的影響，站房屋面狀態具有一定的不確定性。在運營過程中能動態地對站房、雨棚、社會通廊進行自動的位移沉降檢測設置尤為重要，在新線介入過程中參與組織了相關單位對自動監測方案進行了分析、優化。

3 方案的選用

采用人工檢測存在安全風險和精度不穩定、達不到實時提供數據，受到天窗點作業時間限制等限制，使檢測數據很難達不到預期要求。

基于北斗高精度位移監測技術在變形監測中的應用優勢是：可直接提供監測點三維坐標及其絕對或相對變化量，沒有量程限制，實現7×24 h不間斷監測，監測精度高，效率快，北斗系統有別于GPS的無源定位原理，采用雙星有源定位模式，并具有短報文通信功能，已經成功應用在測繪、電信、水利、建筑變形監測、交通運輸和國家安全等諸多領域，是我國發展自主產權定位系統的技術基礎。對水平位移檢測能夠提供技術、精度和實效的保障。

為避免人工監測對正常鐵路營運帶來的干擾，且滿足監測精度要求的基礎上，需要選用可以自動測量、采集數據的儀器進行測量，脈沖式靜力水準儀是一種精密液位測量系統，該系統設計用于測量多個測點的相對沉降，其監測沉降的精度可達0.1 mm，并可實現數據的自動采集、分析及成果發送，這樣既滿足監測精度要求的條件下減少對鐵路營運造成影響，同時也避免了作業人員的人身安全風險。

本案日常在線監測系統分為兩部分，一是根據北斗GNSS接受器的技術特性，適用于大雨棚、屋面等開闊能接收衛星型號的部位，用于水平方向的位移監測。二是小雨棚、社會通廊立柱上方安裝脈沖式靜力水準儀用于小雨棚、社會通廊及站臺路基的沉降監測，兩部分數據內容通過算法優化共同接入管理系統。

4 北斗GNSS水平位移自動化監測方案

4.1 監測點布置

在站房的屋面上的15個位置（軸B-K,p11、軸B-E,P11、.....軸B-A，2/10）上安裝北斗衛星定位接收機，實現站房的水平位移自動化監測。數據采集終端由太陽能供電，北斗基準站布設在站房屋面的4個平面點的固定端。分布如圖2所示。

圖2 北斗GNSS分區布置示意圖

4.2 北斗GNSS數據傳輸

監測數據通過無線電傳輸模塊傳輸到監測服務中心，并進行實時處理，數據傳輸采用GPRS無線傳輸方式，GPRS具有全天候在線，接入速度快等特點，用戶只要在數據發送端保證有通訊信號覆蓋，接收端保證接收到Internet網絡，分配固定的IP地址，就可以將監測數據實時傳送到計算機中，為解決偶有天氣影響信號不能穩定覆蓋的問題，本系統采用北斗短報文通信方式作為GPRS無線傳輸的補充，傳輸示意如圖3所示。

圖3 北斗通訊數據傳輸示意圖

4.3 北斗GNSS數據處理

通過的GNSS監控軟件，結合數據庫實現衛星觀測數據自動解算，實時提供站房表面變化情況，并通過短信進行預警。

前端工控機中內置自主研發的GNSS監控軟件，該軟件集成了基于改進部分模糊度法的卡爾曼濾波數據處理模塊，可以處理北斗或GPS單頻原始觀測數據。

4.4 北斗GNSS數據發布系統

GNSS數據發布系統主要包括數據入庫、實時顯示、查詢，報警信息發送、查詢、報表生成功能，為相關人員管理監測數據提供C/S架構平臺。如圖4所示，該模塊可查詢、實時顯示GNSS監測點的三維坐標數據，生成相應報表，數據實時入庫及發送報警信息短信及郵件。

圖4 北斗GNSS監測數據實時顯示

4.5 監測數據分析和技術報告

監測過程中提交的成果文件如沉降變形匯總表、沉降變形曲線圖、自動化監測分析報告。針對監測數據成果，將每次觀測結果及時分析總結，對位移和沉降影響進行分析研究，每季度、每年度并提交沉降監測分析報告。有針對性的研究評價沉降對鐵路營運安全所造成的影響及危害，并形成下監測周期的預測報告。

5 脈沖式靜力水準自動化監測方案

5.1 監測點布置（見圖5）

脈沖式靜力水準自動化監測主要用在站臺部分及社會通廊沉降情況進行自動化監測。

圖5 靜力水準儀分布示意圖

5.2 脈沖式靜力水準儀精度（見表1）

表1 脈沖式靜力水準儀精度

脈沖式靜力水準儀的結構如圖6所示，其中主體容器，連通管、電容傳感器等部分組成。當主體安裝墩發生高程變化時，主體容器將相對于位置產生液面變化，引起裝有中間極的浮子與固定及固定在容器頂的一組電容極板間的相對位置發生變化，當裝置測出電容比的變化即可計算出計算得測點的相對沉降高度。

圖6 脈沖式靜力水準儀結構及原理示意圖

在站臺的正線與到發線之間的電纜槽部位，每隔60 m布置一臺脈沖式靜力水準儀，社會通廊部分的結構柱上各布設一臺，儀器之間通氣管、通訊四芯電纜連接。儀器、線路均用膨脹螺栓及專用卡口緊固于固定結構或者埋設在混凝土塊體上。

5.3 脈沖式靜力水準儀自動化監測基準

脈沖式靜力水準基準與北斗GNSS保持一致，在站臺與咽喉區GNSS搭接部分段落，布設固定點，同一點上分別安裝北斗GNSS監測設備及和脈沖式靜力水準監測設備，將兩套監測系統順接起來，從而實現對屋面水平位移及路基站臺垂直沉降的共同監測。

5.4 脈沖式靜力水準儀的安裝

在安裝與布設脈沖式靜力水準儀的安裝尺寸如圖7所示，按照要求在測點預埋n180三個均勻布設的M8×40螺桿。

圖7 脈沖式靜力水準儀的安裝圖

觀測系統由若干測點組成（其中一個測點為系統基準點），布設時與位移監測點相隔布設，整套監測系統包括脈沖式靜力水準儀、數據記錄儀，無線通信模塊、放置采集單元和無線模塊的機柜，在電線纜穿越軌道時將采用信號屏蔽措施，防止對軌道信號傳輸造成干擾（見圖8）。

圖8 脈沖式靜力水準儀系統圖

5.5 脈沖式靜力水準儀的數據處理

使用數字接口能直接獲得當前容器的水位值，而任意容器內水位的變化量按照如下方式計算：

式中：△L為水位變化量，單位mm；

R0為測點初讀數，單位mm；

R1為測點當前讀數，單位mm。

對于一個完整的脈沖式靜力水準系統，設置基準測點的編號為0，其余測點編號為1、2、..、N，則任意測點產生的沉降（抬升）量表示為：

式中：Ri1為等于測點i的當前讀數，單位mm；

Ri0為測點i的初始讀數，單位mm；

R01為基準點的當前讀數，單位mm；

R00為基準點的初始讀數，單位mm；

△EL為沉降（或抬升）量，單位mm；

由上述數據可得出，測點讀數的變化量與基準點讀數的變化量之差即為測點的沉降量，而當△EL＜0，表示測點發生沉降，△EL＞0，表示測點發生抬升。再結合對應的脈沖式靜力水準儀的編號，便可獲取站臺具體位置的沉降情況。

6 經濟適用性比較

通過檢測系統的布設使用，提高了安全觀測的效率，降低了長期觀測的成本。能夠及時收集各種負載狀態下的位移、沉降數據，確保屋面、站臺雨棚結構的安全性。同時保障了旅客出行、行車組織的安全性，避免了施工天窗的人員現場觀測帶來的安全隱患及產生的相關安全防護、觀測設備租賃、人員費用。本案整套系統布設硬件費用約為70萬元，每平方成本為8.75元，根據實測項目的規模和測點設置的密度，單方費用可能會有上下的浮動。按每天收集存儲一次的數據的觀測頻率設定。一次性投入與后期維護費用約相較人工觀測和委外觀測有明顯的經濟效益。

表2 全站監測單次的費用估算

委外單次觀測的收費如表2所示，收費標準按《工程查勘設計收費標準》（2002修訂本）。

7 結束語

結合現有國內硬件資源及北斗導航系統的適用性，可廣泛用于類似的營運站房及大型建筑物項目的雪荷載、風荷載及建筑應力變形的實時監測上。根據位置和監測方式的不同可以靈活選用相應的監測設備，通過實時對監測點上數據的讀取來分析監測點位移或者沉降的情況。具有運行穩定可靠、數據測量精度高的優點。實時監測是對建筑設備的安全評定、運行安全和可靠性控制的必要手段，下一步將逐步完善本案在監測過程遇到的問題，與屋面視頻監控相結合，能有效減少極限位置的人工巡查，形成更有針對性、更成熟的監測方案，在管內其他大型高鐵站房日常營運維護中形成點到面的推廣，建立大數據庫，達到局管內各站的站房屋面、站臺雨棚等建筑、構筑物安全、健康狀況進行線上實時監測的目標。