静力水准自动化系统在高铁桥墩差异沉降监测中的应用

张建民

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300142)



静力水准自动化系统在高铁桥墩差异沉降监测中的应用

张建民

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142)

设计并采用静力水准自动化监测系统监测高铁相邻桥墩的差异性沉降，可实现监测全天侯、实时化、自动化，通过和水准监测的对比，监测精度满足规范要求。

工程测量高速铁路差异沉降自动监测

某高速铁路铺轨完成后，在6个月内，采用常规水准测量方法开展了4次沉降监测，监测发现A至B段存在大范围地面区域沉降。经对区域沉降地区的桥墩沉降监测结果进行分析，发现有的桥墩相对沉降不均匀，桥墩间高差变化大，其中129号、130号桥墩间高差变化达到4.66 mm，接近限差5 mm，并有继续扩大的趋势。为了掌握129号、130号墩差异沉降的变化规律及变化情况，需要增加监测频次，但128号～131号桥墩处地势低洼，积水严重，测量极为困难。如果转为线上监测，又只能利用晚上“天窗”时间在桥上进行间接观测，但高铁夜间“天窗”时间有限，也难以保证高频率监测的需要。采用静力水准自动化监测系统来开展桥墩差异沉降监测工作，可实现监测全天侯、实时化、自动化。

1　监测精度

按《高速铁路工程测量规范》，沉降监测等级划分和精度要求见表1，沉降监测网的主要技术要求见表2。

表1　沉降监测等级划分和精度要求　mm

表2　沉降监测网的主要技术要求　mm

注：表中n为测站数。

按《建筑变形测量规范》，采用静力水准测量观测的主要技术要求见表3。

高速铁路无砟轨道桥梁段轨道铺设完成后进行工后沉降长期观测，对于静定结构须满足均匀沉降量不大于20 mm、相邻墩台沉降差不大于5 mm的要求。按照沉降监测量的中误差小于允许变形值的1/10～1/20的原则进行设计，监测2个桥墩间的高差中误差为0.5～0.25 mm，两次观测高差较差为1.0～0.5 mm，确定监测等级为三等。采用水准测量方法时需按照国家二等水准测量的技术要求实测，采用静力水准测量方法时，应至少按静力水准三等进行。考虑到监测的长期性，仪器类型不宜采用敞口式，故按监测等级为二等，仪器类型为封闭式进行。

表3　静力水准观测的主要技术要求　mm

注：表中n为高差个数。

2　方案设计及实施

2.1监测点布设

在桥墩128号和131号底部以横标形式各埋设一个基准点。选择其中128号为静力水准仪测量基点，131号作为检核点。监测点布设如图1所示。

图1　静力水准仪监测系统布设

2.2静力水准仪安装

静力水准仪主要部件由一系列智能液位传感器及储液罐组成，储液罐之间由连通管连通。基准罐置于128号桥墩上，其他储液罐置于高度大致相同的其他桥墩上，当其他储液罐相对于基准罐发生升降时，将引起罐内液面的上升或下降。通过测量液位的变化，测定被测点相对基点的升降变形，能够较为方便地测量两个及以上桥墩的差异沉降变化或垂直变形。

在128号～131号四个桥墩垂直铁路方向两侧的底部分别布置1个静力水准仪，用铁质扣件与膨胀螺栓固定，并在桥墩周围设置围栏以保护仪器。静力水准仪工作点之间通过专用的软管进行联通。软管外采用φ≥10 cm钢管保护，埋设于地面以下，埋深不小于1 m。

2.3数据采集模块

安装数据采集模块用于定时采集静力水准仪测量的数据，增加GPRS传输模块后，将静力水准仪数据传输到采集箱中。采集箱中数据处理器自动对数据进行转换、存储并通过网络上传，通过网络(数据中心)即可实现对现场数据的实时处理及对仪器的实时操作。静力水准监测系统如图2所示。

图2　静力水准系统

2.4软件系统

软件系统采用随仪器配置的数据采集软件和对数据进行分析的数据处理软件，针对本项目特点，在随机软件的基础上开发了数据处理分析软件，用于数据的处理与分析。

2.5变形监测

基准点测量按照二等水准技术指标执行。采用徕卡DNA02电子水准仪，对4个基准点进行闭合环水准测量。初始值测量时选择128号为零点，平差计算其他3个基准点高程，建立独立高程系统。基准点复测按照同等标准执行。

观测周期设计为第一周每天一次，根据变化量和稳定性调整为每周一次，这样可以节省电池消耗，避免频繁更换蓄电池。监测过程中如果发现沉降出现速率变大或累计沉降超限较大等情况应缩短观测周期。测量时应注意以下问题：

①观测前向连通管内充液时，不得将空气带入，可采用自然压力排气充液法或人工排气充水法进行充液。

②连通管应平放在支架上，当通过障碍物时，应防止连通管在垂直方向出现Ω形而形成滞气“死角”。

③连通管任何一段的高度都应低于储液筒底部。

④观测时间应选在气温最稳定的时段，观测读数应在液体完全呈静态下进行，本项目数据采集时间为凌晨3点，处于“天窗”时间无列车通行时段。

⑤每次观测，可取2～3个读数的中数作为一次观测值，读数较差限差小于0.3 mm。

2.6数据处理

数据采集采用随机数据采集软件，数据分析采用

符合客运专线变形监测技术规范的沉降变形统计分析软件。应及时整理、检查原始数据，处理时应严格执行计算、复核制度，数据结果保留到0.01 mm。

3　与水准监测成果的对比

2014年6月，对安装后的静力水准测量设备进行了测试调整，设备正常运行后，在2014年7月至9月期间，7天一个周期，共进行了8次水准测量，通过水准测量进一步验证静力水准测量监测结果的可靠性。以2014年7月13日的水准测量数据作为监测首期数据，水准测量及静力水准监测对比分析如图3、图4和图5所示。

图3　水准测量各期成果与首期对比

图4　静力水准测量各期成果与首期对比

图5　静力水准测量与水准测量各期成果对比

从图3中可以看出，129号桥墩出现了较为明显的下沉，累计沉降量达到2.5 mm；从图4中可以看出，129号桥墩累计沉降量为3 mm；从图5中可以看出，静力水准测量与水准测量在各期的差值均优于1 mm。

4　结论

静力水准自动化监测系统安装较为简便，自动化程度高，可实现实时监测、实时传输数据，实时掌握沉降变化情况。通过和水准监测的对比，说明静力水准测量的精度与水准测量的精度基本相当，在桥墩差异沉降区域安装静力水准仪完全可以替代传统的水准测量，解决人工测量作业不便的问题。

[1]TB10601—2009高速铁路工程测量规范[S]

[2]JGJ/T8—2007建筑变形测量规范[S]

[3]GB50497—2009建筑基坑工程监测技术规范[S]

[4]GB/T12897—2006国家一、二等水准测量规范[S]

[5]李树伟.高速铁路沉降监测方法的应用探讨[J].铁道勘察，2011(6):16-18

[6]范红波.铁路施工便梁沉降自动化监控系统开发与应用[J].铁道勘察，2012(1)：103-105

[7]史雪峰，陈开利，钟继卫，等.高速铁路桥梁基础沉降远程无线监测技术研究[J].桥梁监测与加固，2011(1)：1-4

[8]何晓业.静力水准系统在大科学工程中的应用及发展趋势[J].核科学与工程,2006(4):332-336

The Application of Hydrostatic Level Automatic System in Pier Difference Settlement of High-Speed Railways

ZHANG Jianmin

2016-01-13

张建民(1975—)，男，2009年毕业于天津大学土木工程专业，工程师。

1672-7479(2016)02-0001-02

TU433

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