基于自由设站的高铁桥墩水平位移监测方法探讨

夏朝龙

摘 要：针对通视条件不足情况下高铁桥墩水平位移监测，本文引入高铁CPⅢ轨道平面测量方法进行高铁桥墩水平位移监测，通过理论分析和工程实例验证，基于自由设站的高铁桥墩水平位移监测法设站灵活，能有效应对监测环境不通视等问题，同时，在配合高精度全站仪的情况下，能够满足更高精度监测精度要求。

关键词：自由设站；水平位移；边角交会；CPⅢ轨道控制网

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.248

1 引言

随着高铁新建线路及车站基建设施的改造升级，需要横跨、穿越或临近既有高铁线路施工，势必会危及既有高铁线路或车站构筑物的安全，因此必须进行变形监测。打桩或基坑等施工破坏了原有地基的稳定状态，不仅其边缘会存在沉降和水平位移，而且还会对基坑周边地层、建造物的地基产生沉降和倾斜效应[5]。为了保障既有高铁的营运安全，根据国家关于临近营运高铁施工管理的相关规定，在施工的过程中按照一定的频次对既有高铁线路的沉降和水平位移进行监测。

有时施工监测环境空间有限，例如线下式车站改扩建改造，周边建筑物的围挡物较多，通视条件极其有限。而以往高铁桥墩的水平为监测方法（如视准线法、极坐标法、前方交会等[3，4]）是基于施工区域外可以布设相对稳定的水平位移基准点，并能确保其与大部分监测点通视的条件下才能实测。因此常规水平位移监测方法已不能完全满足对营运高铁桥墩水平位移监测的复杂环境。随着高精度智能全站仪在高铁测量中的广泛应用，基于自由设站的水平位移监测方法不仅能有效避免施工干扰，而且还能有效规避监测空间及通视等问题的限制，同时还能有效保障或提升监测的精度及效率。首先本文将介绍这种基于自由设站的桥墩水平位移监测方法，其次将以南方某线下式一级车站的中心站房改扩建工程为例论证该方法的可行性。

2 基于自由设站的水平位移监测方法

2.1 自由设站水平位移测量原理

基于自由测站的CPⅢ平面控制网测量方法是高速铁路轨道平面控制网施测的主要方式。该方法在沿线路架設全站仪，采用自由测站边角交会法测量线路两侧多对CPⅢ点的方向和距离，并联测就近的CPI 或CPⅡ，以获取CPⅢ控制网点坐标的一种控制网建网测量的方法[2]。CPⅢ平面控制网属于边角控制网，它与传统边角网测量有很大差异。传统的边角网测量是在控制点上设站，采用对向观测以获取与相邻或相近控制点间的边角关系；而CPⅢ平面控制网则仅以控制点作为观测对象采用自由测站进行边角交会测量。

根据《高速铁路测量规范》要求，相邻CPIII点间的相对点位中误差均要求小于1mm，因此CPI或CPII点的观测距离不宜超过300m，CPIII点的观测距离不宜超过180m[1]。基于CPⅢ控制网的高精度以及实际中桥墩水平位移监测精度要求和形状，可以采用自由测站的观测方法，对线状或一定宽度的带状施工区域周边的监测点进行水平位移监测。如图2所示，可以参照CPIII平面控制网形设计水平位移监测网，其中测站位置可根据施工现场的实际情况灵活设置。

2.2 监测网的平差计算及其精度评定

通过上述公式推导，即可获得监测点坐标及其中误差，然后根据两期监测点测量坐标及其中误差，通过误差传播公式计算，可计算出任意两期水平位移监测之间的变形量及其精度。

3 工程实例

以某线下式一级车站的中心站房改扩建工程为例，该车站设4站台12线，其中正线4条，到发线8条，站台为4个岛式站台。站台长度450m，站台总宽约120m，站台屋面分中心站房雨棚和两侧站房雨棚两部分，其中心站房改扩建工程计划埋设桩、承台共计38根，桩长35米。根据要求需在打桩期间对施工区域周边桥墩的水平、垂直位移进行监测，以确保高铁线路的安全运行。在打桩施工期间水准沉降监测要求1次/2小时，水平位移监测频次不低于1次/天。由于被监测桥墩包裹在站台两侧站房雨棚之中，且施工区域及其周边的通视情况较差，无法采用一般水平位移监测方法进行实测，因此我们利用自由设站水平位移监测方法对其实施监测。

基准点、设站点及监测点的布设情况如图3所示，在打桩区域两侧桥墩顶端采用CPIII预埋件方式布设18个水平位移监测点，受车站空间限制，在车站两侧分别以强制对中桩的方式各布设2个水平位移基准点，并在独立坐标系下采用GPS测量方式获取基准成果，然后按照图中所示观测路径，采用自由设站方式对桥墩水平位移监测点进行观测。本项目采用徕卡TS15全站仪（标称精度），每站至少观测3个测回，且每个监测点至少从3个不同测站进行观测，要求水平监测点位中误差小于2mm，相邻点位中误差小于1.0mm。

为了保证桥墩水平位移监测基准点及监测点起算成果的可靠性，取水平位移基准网、监测网两次成果的平均值作为首期基准值。再利用第2节所述误差分析方法对水平位移监测点的点位误差进行分析。如表1所示，我们给出了该监测网第2、3期水平位移监测点X、Y坐标方向及点位中误差的精度统计表，各监测点点位中误差的精度均优于1.0mm，因此该分析结果可以说明——使用标称精度为及以上的高精度智能全站仪采用自由设站方式可以满足较高等级水平位移监测的精度要求。

4 结论

（1）基于自由设站的水平位移监测方法在一定精度智能全站仪的支撑下可以满足桥墩水平位移监测的精度需求；通过增加测回数及更高精度智能全站仪可进一步提高监测的精度；

（2）基于自由设站的水平位移监测方法设站灵活多变，对施工区域环境适应能力强，特别适用于监测网布设空间狭小、施工干扰因素多、通视条件差等水平位移监测环境。

（3）基于自由设站的水平位移监测方法是基于CPIII平面控制网测量理论而来，对适用区域范围的要求还有待进一步探究。暂时可根据CPIII平面控制网测量对起算点、观测点距离及精度的要求，来适时决定该方法的使用环境。

参考文献：

[1]刘胜，刘成龙，王利朋.轨道控制网平面网复测精度指标合理性探讨[J].测绘工程，2015（06）：39-42.

[2]石德斌，王长进，李博峰.高速铁路轨道控制网测量和数据处理探讨[J].铁道工程学报，2009（04）：26-30.

[3]邹浜.水平位移监测数据处理与管理系统的开发研究[D].西南交通大学，2014.

[4]陈威，高伟，徐猛，沈长江.改进的极坐标法在基坑水平位移监测中的应用研究[J].工程地球物理学报，2012（05）：634-639.

[5]杨雪峰，刘成龙，罗雁文.基于自由测站的基坑水平位移监测方法探讨[J].测绘科学，2011（05）：153-154+192.

[6]谷川，秦世伟.南京长江四桥南锚碇深基坑支护结构水平位移监测[J].铁道勘察，2010（02）：1-4.endprint