高速鐵路自動化變形監(jiān)測實施方案研究與應用

王立峰

通號（鄭州）電氣化局有限公司，中國·河南 鄭州 450000

1 項目背景

國道234 線鄭州境國道310 以南段（滎陽喬樓至崔廟段）改建工程上跨鄭西高鐵建設地點為鄭州滎陽市，起點里程K18+110.973，終點里程K18+618.373，橋梁全長507.4m。重點控制工程為2×75mT 型鋼構(gòu)預應力混凝土轉(zhuǎn)體橋（上跨鄭西高鐵）。

左幅橋墩基坑邊緣與鐵路下行線封閉網(wǎng)之間的最小距離為5.26m，與鐵路下行線路塹坡頂之間的最小距離為12.27m，與鐵路下行線中心的最小距離為24.02m。右幅橋墩基坑邊緣與鐵路上行線封閉網(wǎng)之間的最小距離為4.68m，與鐵路上行線路塹坡頂之間的最小距離為11.41m，與鐵路上行線中心的最小距離為21.82m。

為保證轉(zhuǎn)體橋施工全過程對徐蘭高鐵變形的影響可靠，采用變形自動化監(jiān)測系統(tǒng)對徐蘭高鐵進行變形監(jiān)測。

2 監(jiān)測主要設備及與既有線關系

變形監(jiān)測系統(tǒng)設備主要分為兩類。第一類為沉降變形自動化監(jiān)測類設備，第二類為水平變形監(jiān)測類設備。

2.1 沉降變形自動化監(jiān)測類設備

主要包括傳感器、通液連接設備、供電設備和通信傳輸設備。

（1）傳感器（60 支）：硅壓阻式靜力水準儀，外包保護罩后，通過后擴底錨栓直接固定在距離軌道板底座1.7m 外的封閉層上。

（2）儲液罐（8 臺）：為測量元件提供液體壓力。通過后擴底錨栓直接固定在距離軌道板底座1.7m 外的封閉層上。

（3）通液連接設備（500m）：為通液管及通氣管，外包保溫棉和橡膠套管，通過卡子和螺栓固定在距離軌道板1.7m 外的封閉層上。

（4）供電設備（8 塊）：設備采用太陽能方式供電。太陽能電池板固定在防護柵欄外。

（5）通信傳輸設備（8 臺）：采用4G 網(wǎng)絡方式通信，信號傳輸模塊安裝在防護柵欄外的設備箱內(nèi)。

2.2 水平變形監(jiān)測類設備

采用自動化全站儀進行監(jiān)測，主要設備包括自動化全站儀、棱鏡、供電設備和傳輸設備。

（1）自動化全站儀（2 臺）：采用天寶S9 型全站儀，安裝位置位于排水溝與電纜槽之間的漿砌片石斜坡上，距離軌道板底座2.4m。

（2）棱鏡（46 支）：采用天寶trimbleprism-25 型棱鏡。棱鏡安裝在距離軌道板底座邊緣0.1～1.7m 范圍內(nèi)的路基封閉層上。

（3）供電設備（4 塊）：設備采用太陽能方式供電。太陽能電池板固定在防護柵欄外。

（4）通信設備（2 臺）：采用4G 網(wǎng)絡方式通信，信號傳輸模塊安裝在防護柵欄外的設備箱內(nèi)，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測設備安裝平面示意圖

3 沉降變形自動化監(jiān)測系統(tǒng)設備安裝

3.1 沉降傳感器

本項目采用精度高，靈敏度高，線性度好的壓力傳感器，共60 支，每側(cè)30 支。采用的壓力傳感器是利用硅的壓阻效應制成的，其核心部分是一塊沿某晶向切割的N 型的圓形硅膜片，在膜片上利用集成電路工藝方法擴散上四個阻值相等的P 型電阻，用導線將其構(gòu)成平衡電橋。膜片的四周用圓硅環(huán)（硅杯）固定，其下部是與被測系統(tǒng)相連的高壓腔，上部一般可與大氣連通。在被測壓力P 作用下，膜片產(chǎn)生應力和應變，相應的集成電阻也隨之變化，通過平衡電橋轉(zhuǎn)化為電壓變化信號后，測量電壓變化值即可間接測量得到液位變化值，如圖2所示。

圖2 自動化監(jiān)測元器件

3.2 通液管及通氣管

測點之間采用通氣及通液管連接。通液及通氣管采用內(nèi)徑8mm，壁厚1mm 的PA 尼龍管，具備較高的強度和耐久性，可以保證監(jiān)測期間液體不會滲漏和揮發(fā)。通液管及通氣管采用保溫棉包裹后放置在橡膠套管內(nèi)，固定于路基封閉層上，接觸網(wǎng)桿外側(cè)。

為了保護通液管路不被破壞，采用非金屬橡膠套管對通液管路進行保護。每1m 橡膠套管采用U 型扣件固定在路肩的混凝土封閉層上，如圖3所示。橡膠套管共計500m，每側(cè)250m。由于固定橡膠套管所采用的U 型卡子不是直接承受動力荷載的承重結(jié)構(gòu)，采用M6×70mm 膨脹螺栓固定。

圖3 自通液及通氣管實物圖

3.3 儲液罐

儲液罐尺寸為Φ160×350mm，采用不銹鋼保護殼保護。儲液罐設備箱安裝在網(wǎng)內(nèi)，心最不利位置處距離線路中心3.6m，橫向上，與接觸網(wǎng)桿對應布置，不侵入設備限界。采用4 顆M8×80mm 后擴底錨栓固定于接觸網(wǎng)桿邊。儲液罐采用后擴底錨栓固定。

3.4 太陽能板及設備箱

沉降變形太陽能板及設備箱安裝在防護柵欄外側(cè)1m 范圍內(nèi)。太陽電電池板的最高安裝高度不大于防護柵欄高度。太陽能電池板尺寸為67cm×47cm，采用φ150mm×3mm 鋼管固定。鋼管埋深80cm。鋼管埋設位置原地面采用現(xiàn)澆混凝土換填，換填深度30cm。設備箱平面尺寸為100cm×50cm，高度為60cm，采用預埋螺栓錨固在換填后的現(xiàn)澆混凝土面上。

4 水平變形自動化監(jiān)測設備安裝

4.1 現(xiàn)場踏勘、放樣

根據(jù)監(jiān)測設計方案的測點布置，在現(xiàn)場確定測點和自動化全站儀的安裝位置，注意應確保自動化全站儀與測點間相互通視，且小視場角小于9.4′，以免自動化全站儀照錯棱鏡。確定好位置后，用紅漆標記。

4.2 網(wǎng)內(nèi)施工：全站儀基礎施工

自動化全站儀支架采用預制混凝土墩的形式固定在路肩側(cè)的漿砌片石邊坡上。首先拆除安裝位置處的砌石邊坡后，安裝Φ300×3mm 鋼管，鋼管埋深為70cm。安裝混凝土基礎模板，混凝土基礎平面尺寸為50cm×50cm，厚度為70cm，對鋼管進行固定。自動化全站儀的安裝位置應嚴格按照設計圖紙進行，并逐測點確定通視條件，避免被接觸網(wǎng)支柱、橡膠套管等遮擋。全部確認無誤后，進行全站儀基礎的施工。

4.3 網(wǎng)內(nèi)作業(yè)：全站儀安裝、棱鏡安裝、保護罩安裝

混凝土初凝24h 后，在鋼管上部固定全站儀連接件，并安裝全站儀及保護罩。棱鏡的安裝固定采用后擴底錨栓固定在路肩的封閉層上，以確保安裝牢固，不會脫落和侵限。棱鏡支架高度小于10cm，并加保護罩保護。全站儀與棱鏡的通視條件的核查應貫穿安裝和調(diào)試過程始終，在確定全部全站儀和棱鏡的位置后，進行一次性統(tǒng)一安裝，在全站儀和棱鏡安裝固定前，應確保全站儀與每個棱鏡之間的通視條件，避免打孔固定完成后才發(fā)現(xiàn)通視條件不良，增加現(xiàn)場返工工作量，造成廢棄螺栓孔，甚至導致天窗時間延點的情況出現(xiàn)。

如圖4所示，本項目共設置2 臺TrimbleS9 自動化全站儀，全站儀通過現(xiàn)澆混凝土墩固定于路基面電纜槽外側(cè)的漿砌片石斜坡上，距離線路中心4.3m 以上。

圖4 水平檢測點橫斷面布置圖

如圖5所示，水平變形自動化測量采用trimbleprism-25型棱鏡。采用1 顆M8?80 后擴底錨栓固定在路基面的封閉層上。棱鏡布置在軌道底座板邊緣與電纜槽邊緣之間的范圍內(nèi)，具體安裝位置根據(jù)現(xiàn)場通視條件確定。距離線路中心線的最小距離為2.0m，未侵入高速車輛限界。棱鏡安裝完成后，加保護罩保護。

圖5 棱鏡安裝示意圖

4.4 網(wǎng)外作業(yè)：設備箱、電池板安裝

機箱和太陽能電池板均安裝在防護柵欄外側(cè)。與沉降監(jiān)測系統(tǒng)的設備箱及電池板統(tǒng)一安裝。

4.5 調(diào)試

連接供電、通信模塊，開機后首先進行機器學習，以便將棱鏡的位置輸入到全站儀中，使全站儀可以自動識別各個棱鏡。采集三次數(shù)據(jù)取平均值作為初始值存儲到數(shù)據(jù)庫后，開始正常監(jiān)測。自動化水平變形監(jiān)測的頻率為1 次/小時。

4.6 驗收

全部系統(tǒng)安裝完成后，由業(yè)主組織水平變形監(jiān)測系統(tǒng)的驗收工作。

5 監(jiān)測周期、頻率及預警值

5.1 監(jiān)測周期及頻率

監(jiān)測系統(tǒng)應在隔離樁施工前完成安裝，并采集初始值。工程竣工1 個月，且監(jiān)測數(shù)據(jù)已穩(wěn)定后結(jié)束監(jiān)測，并拆除監(jiān)測設備。

變形監(jiān)測頻次結(jié)合上跨橋施工過程對徐蘭高鐵的影響風險確定。其中，變形監(jiān)測頻次如表1所示。

表1 施工內(nèi)容與監(jiān)測頻次

5.2 檢測預警值

5.2.1 相關規(guī)定

TG/WG115-2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》：WJ-7 型扣件左右位置調(diào)整量±6mm，鋼軌高低位置調(diào)整量+26mm，-4mm。WJ-8 型扣件左右位置調(diào)整量±5mm，鋼軌高低位置調(diào)整量+26mm，-4mm。300-1 型扣件左右位置調(diào)整量±8mm，鋼軌高低位置調(diào)整量+26mm，-4mm。SFC 型扣件左右位置調(diào)整量±6mm，鋼軌高低位置調(diào)整量30mm，如表2所示。

表2 線路靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值

5.2.2 預警值

監(jiān)測過程中的預警值分為黃色、橙色、紅色三級預警，分別為經(jīng)常保養(yǎng)值的60%、75%、90%，如表3所示。

表3 線路靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值

6 監(jiān)測結(jié)果

6.1 鄭西高鐵下行線沉降監(jiān)測情況

如圖6所示，本次累計沉降量在監(jiān)控控制指標范圍內(nèi)，沒有發(fā)生預警。差異沉降量波動范圍是在-0.96mm～0.69mm，最大與最小差異沉降量的測點分別為ZX-S-X-14，ZXS-X-1，監(jiān)測結(jié)果小于黃色預警值。

圖6 鄭西高鐵下行線沉降監(jiān)測情況

6.2 鄭西高鐵上行線沉降監(jiān)測情況

如圖7所示，本次累計沉降量在監(jiān)控控制指標范圍內(nèi)，沒有發(fā)生預警。差異沉降量波動范圍是在-1.70mm～0.97mm，最大與最小差異沉降量的測點分別為ZX-S-S-17，ZXS-S-15 監(jiān)測結(jié)果小于黃色預警值。

圖7 鄭西高鐵上行線沉降監(jiān)測情況

6.3 鄭西高鐵下行線水平變形監(jiān)測情況

如圖8所示，本次累計沉降量在監(jiān)控控制指標范圍內(nèi)，沒有發(fā)生預警。差異沉降量波動范圍是在-0.29mm～0.89mm，最大與最小差異沉降量的測點分別為ZX-D-X-11，ZXD-X-9，監(jiān)測結(jié)果小于黃色預警值。

圖8 鄭西高鐵下行線水平變形監(jiān)測情況

6.4 鄭西高鐵上行線水平變形監(jiān)測情況

如圖9所示，本次累計沉降量在監(jiān)控控制指標范圍內(nèi)，沒有發(fā)生預警。差異沉降量波動范圍是在-1.47mm～1.47mm，最大與最小差異沉降量的測點分別為ZX-D-S-15-Y，ZXD-S-19-Y，監(jiān)測結(jié)果小于黃色預警值。

圖9 鄭西高鐵上行線水平變形監(jiān)測情況

7 結(jié)語

本次采用自動化變形監(jiān)測，通過先進的儀器設備代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工測量，提高了測量精度，減少了觀測誤差，同時最大限度地減少了對高速鐵路運營的二次干擾。本次設計采用的監(jiān)測系統(tǒng)將各設備元件形成統(tǒng)一整體，使測試數(shù)據(jù)能相互進行校核，運用系統(tǒng)功效對鐵路結(jié)構(gòu)進行立體監(jiān)測，確保所測數(shù)據(jù)的準確、及時。同時，在施工過程中進行連續(xù)監(jiān)測采樣，確保了水平變形及沉降監(jiān)測的精確可靠性，為變形監(jiān)測提供了一種新的監(jiān)測手段。