自動化監測技術在高速鐵路沉降監測中的應用

張柳

（東網空間地理信息有限公司，河南 鄭州 450000）

1 前言

在下穿高速鐵路（以下稱“高鐵”）項目施工時，地面荷載會發生很大變化，影響下穿處高鐵橋墩，要獲取地面荷載變化對高鐵橋墩的具體影響值時，需進行沉降監測。傳統人工測量利用高精度電子水準儀，采用二等水準的測量方法監測，往往會受施工現場視線遮擋、現場高差大測站多、觀測點危險不宜靠近等情況限制。與傳統人工測量相比，自動化監測可規避這些情況，快速、實時、高效地獲取高鐵橋墩沉降數據，供施工方參考。在下穿高鐵特大橋施工項目中，將靜力水準儀自動化監測方法與傳統人工測量方法對比，驗證靜力水準測量自動化技術的可行性與精度的可靠性，為類似高鐵橋墩沉降監測項目提供經驗與依據。

2 項目工程背景

某天然氣管道從鄭萬高鐵特大橋橋下穿過，下穿點位于高鐵特大橋橋墩之間。管線與高鐵特大橋呈70°夾角，下穿處橋墩墩臺距地面約9.35m。特大橋周圍場地橋墩地形平緩開闊，無較大起伏，高程在127.68m～127.75m。管道自東向西鋪設，規劃穿越位置處高鐵特大橋上部結構采用32.6m簡支箱梁，基礎采用混凝土鉆孔灌注樁。項目變形監測范圍為受高鐵特大橋影響的x-1號～x+2號橋墩，共4個橋墩。下穿點位于x、x+1號橋墩之間，故這兩個橋墩受施工影響最大，本文以x、x+1號橋墩為研究對象進行分析。

3 靜力水準與人工測量的比對分析

根據《高速鐵路工程測量規范》[1]：橋涵沉降測量應按三等垂直位移（相當于國家二等水準測量）的技術要求進行觀測，相關技術要求如表1所示。

表1 垂直位移監測網主要技術要求

3.1 原理分析對比

傳統水準測量是利用水準儀建立一條水平視線，利用水準尺測量兩點間的高差，待整個觀測路線結束后，獲取起始點到本測站的總高差，通過整條路線的平差計算，根據已知點高程推算出各未知點高程[2]。

靜力水準儀利用連接在一起的儲罐液在同一水平面的連通原理。直接測量出的數據是各時段儲罐液的液面高度，通過任意時刻各橋墩液面高程相等建立等式關系，從而求出各點在不同時刻的相對差異沉降值。若初始時待液面穩定后，將傳感器調零，直接將各靜力水準儀的偏差值相減，可求出各點間的差異沉降。

3.2 操作步驟對比

傳統人工測量與靜力水準測量機制區別較大，通過對比，靜力水準儀的優勢明顯，對比情況如表2所示。

表2 靜力水準測量與傳統人工測量對比

（1）傳統人工測量：傳統人工測量沉降監測必須采用環線或附合水準路線。沉降觀測點與引測工作基點高差相近且距離也較近時，可采用從工作基點測量至變形觀測點，然后閉合到同一個工作基點的環線水準路線法。當變形觀測點位于兩個工作基點中間時，可采用從一個工作基點引測至變形觀測點，再閉合到另一工作基點的附合水準路線法[3]。

沉降觀測時引用的水準基點，宜采用高鐵建設時控制測量高程網的水準基點，從距離最近的水準基點引測，引測前需檢核引用的水準基點。檢核采用復測方式，將相鄰水準基點的高差值與原高差值進行對比。

（2）靜力水準測量：在橋墩墩臺布設靜力水準儀，靜力水準儀安裝采用結構植筋膠固定在橋墩頂面，靜力水準儀通氣管、數據線和液體管采用透明軟管聚攏后沿高鐵橋梁串聯，并將串聯點聯入較遠的設置沉降監測工作基點的橋墩上。測點總體布置如圖1所示。

圖1 測點總體布置

自動監測工作基點選在人工監測工作基點同一橋墩的縱向同一位置，自動監測和橋墩底部監測點同樣設置在同一橋墩的縱向同一位置。監測墩平面布置如圖2所示。

圖2 監測墩平面布置

靜力水準儀安裝要先準備靜力水準儀5套，采集儀1套，DTU 1套，其他輔助材料若干。在項目現場選好基準點后，將監測點和基準點安裝上靜力水準儀，布設完成后，在軟件端進行組網，對每個監測點的靜力水準儀進行編號組網，經測試無誤后，系統開始運行。系統自下而上由傳感器（數據采集層）、數據采集遠傳系統（數據傳輸層）及數據管理平臺（數據管理層）組成。數據管理使用配套的“監測數據管理平臺”[3]。

3.3 數據精度對比

根據《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》[4]要求，橋梁沉降控制預警值按1mm控制，橋梁沉降控制標準按2mm控制。

（1）靜力水準儀測量得出的是海量數據，本次數據終端設置每隔30分鐘采集數據一次，人工測量則根據規范要求進行，本次取上午和下午各一組數據進行對比，對比結果如表3所示。

表3 x號墩靜力水準儀與人工測量數據對照表

10月份x號墩最值：靜力水準儀最大正位移為0.20mm，最大負位移為-0.20mm；傳統人工監測最大正位移為0.12mm，最大負位移為-0.18mm。x號墩靜力水準儀與人工測量對比如圖3所示。

圖3 x號墩靜力水準儀與人工測量對比

10月6日為天然氣管道焊接，x號墩變化值較明顯；10月15日開始回填，橋墩下沉達到波谷；10月16日夯機壓實管道上方土層，橋墩下沉繼續維持較大值；10月19日綁鋼筋籠、澆混凝土，橋墩下沉回落；10月22日全部回填，橋墩荷載變化劇烈，出現波峰，后期逐漸趨于穩定。

（2）x+1號橋墩靜力水準儀與傳統人工測量對比

（3）x號和x+1號橋墩靜力水準儀各時刻分析

由表5可知，x號橋墩監測期內的平均值為-2.4mm，時刻平均值減總平均值的最大值為0.12mm，最小值為-0.07mm；x+1號橋墩監測期內的平均值為-0.75mm，時刻平均值減總平均值的最大值為0.2mm，最小值為-0.12mm。x號墩各時刻線形圖如圖5所示。

表5 兩橋墩各時刻值統計

圖5 x號墩各時刻線形圖

由表4可知，10月份x+1號墩最值：靜力水準儀最大正位移為0.35mm，最大負位移為-0.20mm；傳統人工測量x+1最大正位移為0.28mm，最大負位移為-0.19mm。x+1號墩靜力水準儀與人工測量對比如圖4所示。

圖4 x+1號墩靜力水準儀與人工測量對比

在天然氣管道下穿高鐵施工過程中，管道焊接時，鄰近橋墩變化明顯；開始回填時，橋墩下沉達到波谷；夯機壓實管道上方土層，橋墩下沉有所回落 ；綁鋼筋籠、澆混凝土，橋墩變化加快；全部回填，橋墩荷載變化劇烈，出現波峰，后期逐漸趨于穩定。

相對于平均沉降值來說，x號橋墩在上午10:00到下午5:00內達到波峰，變化明顯。其他區段變化平緩。x+1號墩各時刻線形圖如圖6所示。

相對于平均沉降值來說，x+1號橋墩在上午9:00到下午6:00內達到波峰，變化明顯。其他區段變化平緩。

3.4 數據結果分析

（1）由表2和表3可知，靜力水準測量和傳統人工測量差距較小，精度相當，變形值均小于1mm，符合高鐵橋墩沉降規范要求，靜力水準測量精度可用于高鐵橋墩的變形監測。

（2）由圖3和圖4可知，靜力水準測量與傳統人工測量線形走向一致，在同時間內同時達到波峰，同時間內同時達到波谷，說明靜力水準儀測量數據可靠。

（3）由圖5和圖6可知，738號橋墩和739號橋墩走向一致，均在上午9:00到下午6:00時間段內出現波峰，線形起伏較大，此時間段由于施工影響，橋墩受到的荷載大，位移大；在下午6:00到上午9:00時間段內，線形較平緩，位移值小，整個工期內此時間段變化較小，說明這一時間荷載小且未出現事故。

圖6 x+1號墩各時刻線形圖

（4）靜力水準儀測量的全天候性，測量時間間隔自行設定，可根據工程要求設置合理的時間間隔，為施工提供更多更準確的參考數據。

4 結論

靜力水準儀測量數據精度高、可靠性強，完全滿足高鐵項目變形監測規范的要求。靜力水準儀的高精度、操作簡捷、全天候實時監測、預警機制強等特點更能反映工程的形變特征，靜力水準測量在基坑監測、高程建筑物沉降監測[5]、地鐵沉降監測、橋梁監測等變形監測項目中運用愈加廣泛，未來靜力水準儀自動化監測技術也將得到普遍應用。