基于感光技术的桥墩沉降全自动观测的研究

李杨

摘 要 随着国家经济水平的不断提高，国内相继建设以“四纵四横”为主骨架的高速铁路和客运专线，高铁建设的轨道地基大量采用“以桥代路”的形式，同一座桥地质条件会不同变化。因此，建设期和运营期均需要对桥梁结构进行长期的监测。本文对目前传统的桥墩沉降监测方式进行探讨，并提出了采用激光和光电感应装置的方式监测桥墩沉降。

关键词 桥墩沉降监测;光电感应;激光测距

1概况

现阶段，对于桥梁变形的监测包括桥梁的挠度、沉降、扭曲三个方面。其中，桥梁沉降对于整个桥梁工程的安全稳定性至关重要。桥墩作为桥梁的中间支承物，支承着桥梁上部结构的荷载，并将它传给地基基础，其稳定性直接关系到桥梁结构的安全，墩台的不均匀沉降将使桥上线路产生“折角形”的轨道不平顺，对车辆的运行安全性和旅客的乘坐舒适性造成不利的影响。为了保证高速铁路的高平顺性，高铁规范要求对所有桥梁的桥墩均要进行沉降评估，并对其工后沉降进行了严格的要求，桥墩台均匀沉降量≤15mm，相邻墩台沉降量之差≤5m[1，2]。因此，为了保证高速铁路的高平顺性需对桥墩墩进行沉降监测。

2现有桥墩沉降监测技术现状

在桥梁工程建设中，桥墩沉降的原因主要有以下几种：路基问题。在桥墩建设中，若路基强度不足，难以承受墩台的重量或者承载力不足，极易导致桥墩沉降变形。某些桥墩建设于水上，很难保障路基承载力符合要求。桥墩自身质量。常见的桥墩由混凝土为主要建设材料，在混凝土浇筑施工中，常因各种因素导致混凝土裂缝，影响桥墩质量，增大桥墩沉降变形的原因。施工人员水平不足、现场施工管理不足等，都会影响桥墩自身质量，在桥墩运行中，桥墩极易产生沉降、变形现象，影响工程质量。承载力不足。桥墩是支撑桥梁桥面的重要建筑，若桥墩无法承载上部结构的质量，桥墩必然会出现沉降、变形问题。

目前，国内主要通过传统监测手段来实现桥墩沉降的监测，如全站仪或水准测量等。此类沉降监测手段的缺点在于作业效率低、劳动强度大，无法实现实时监测。且由于大气折射误差、竖直角观测误差及仪器量取影响，全站仪高程测量的精度只能达到三、四等水准测量或者接近二等水准测的精度要求。对于水准测量法，沉降观测点和基准点容易受外界扰动以及观测方式、气象等环境条件限制。因此，传统的监测手段存在诸多的局限性，难以满足大型工程结构的长期健康监测和灾害预警要求。

高速铁路主要采用无砟轨道结构，周围环境轻微的沉降变形都会被放大，对高速铁路造成影响，桥梁项目建设期沉降变形监测等级为三等，其运营期沉降变形监测精度按照《高速铁路工程测量规范》（ TB 10601-2009） “变形测量等级划分和精度要求”中的“三等”执行。桥梁项目运营期沉降监测项目垂直位移监测网采用分级布网、逐级控制的方法实施。高程系统采用 1985 国家高程基准，结合精密控制测量网建立三级沉降变形监测网，对桥梁进行沉降变形监测，三级监测网中的点包括基准点、工作基点和沉降变形观测点，分层逐级控制[3]。工作基点埋设在稳定区域，在观测期间稳定不变，作为沉降变形观测点的高程起算点。工作基点除使用普通水准点外，可按照国家二等水准测量的技术要求进一步加密水准基点。

3基于感光技术的桥墩沉降全自动观测系统的研究

基于感光技术的桥墩沉降全自动观测系统是一种激光挠度测量装置，包括检测主机，检测主机上设置有检测面以及在检测面限定范围内水平移动的线阵扫描装置，检测面为透明结构的方形检测面，检测主机下方设有与被测点相连接的固定板，固定板上设有激光测距仪，激光测距仪在固定板上的位置可调，激光测距仪通过旋转云台与固定板相连，激光测距仪与旋转云台铰接相连，以实现激光测距仪水平方向位置的调整，旋转云台与固定板铰接相连，以实现激光测距仪垂直方向位置的调整。固定板为L型固定板，其水平板面与检测主机的底部相连，其垂直板面通过膨胀螺栓与被测点相固定，旋转云台与膨胀螺栓铰接相连。主机内置有锂电池及GPR模块，检测主机的上方设置有用于遮阳及防雨水的罩体，罩体上方设置有用于固定太阳能电池板的支架，太阳能电池板为检测主机内部的锂电池供电。主机内置有闹铃唤醒装置，其采用独立的纽扣电池供电。当完成采样工作后，测量主机可以设定下一次的工作启动时间，然后测量主机完全断电，再次启时时由闹铃唤醒装置进行工作，最大限度地实现省电。

测量时以激光测距仪发射的线激光作为参考的水平线，将激光的光斑照射到测量装置的检测面上，线阵扫描装置在检测面内沿水平方向来回扫描，实现对光斑形状和位置的判断，并通过测量光斑在检测面的位置变化来计算测量装置的沉降值。

测量装置在使用时，可采用极联的方式进行测量。即将第一台测量装置及最后一台测量装置放在标准点上，将其余测量装置分别放置在每个被测点上，通过调整激光测距仪的位置，使前一台测量装置的激光测距仪发射出的线激光投射在下一台测量装置的检测面上，并位于检测面的中心位置;通过线阵CCD扫描装置来回扫描，即可实现对光斑形状和位置的判断;激光测距仪发射线激光的同时，可测量激光测距仪距离检测面的距离，通过测量激光发射点和检测面的距离变化，可判断沉降发生的原因，如距离没有发生变化，则是检测面的沉降导致的;如距离发生了变化，则是检测面发生了倾斜。

4结束语

目前，國内还是通过传统检测手段来实现桥梁结构沉降的监测。研究新型桥梁监测技术，突破现有技术的局限性具有重要的学术与工程价值，因此运用物联网、信息技术的监测理念，建立高效的高铁施工监测平台，有效处理日益庞大的海量数据并加以分析，从而达到增强高铁桥梁施工的安全性，加快监测作业精度和效率，降低监测人工成本，提高经济效益的目的。

参考文献

[1] 中华人民共和国铁道部.TB10601-2009高速铁路工程测量规范[S].北京：中国铁道出版社，2009.

[2] 中华人民共和国铁道部.铁建设〔2006〕158号客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南[M].北京：中国铁道出版社，2006.

[3] 铁道部工程管理中心.客运专线铁路变形观测评估技术手册[M].北京：中国铁道出版社，2009.