静力水准仪系统在高铁桥梁变形监测中的应用

刘向明

（中国铁路郑州局集团有限公司建设部，河南 郑州450000）

装配式结构是近年来的研究热点［1］，在高铁桥梁中被大量应用。如何保证装配式施工过程中高铁线路的平顺性十分重要，必须通过有效的监测予以保证［2－4］。关于监测设备布置当前有两种做法：一是将监测设备安装在轨道上；另一种是安装在桥墩上。由于前者可能影响高速行车的安全性，因此目前主要采用后者，即监测桥墩位移，从而保证铁路轨道的平顺性［5－6］。在传统的高铁桥梁施工过程中，人工监测一般被作为主要监测方式［7－8］。此种方式受人为影响较大，很容易产生误差，消耗了大量的人力资源，导致采集频率低、连续性差、数据准确率低，而且无法实时处理反馈信息。同时，考虑到国内人工成本的增加，该种监测方法的成本也在逐年增高。随着科技的发展，高精度测量仪器与自动化控制高度相结合，静力水准仪监测系统被工程界广泛接受和使用［9－10］。在高速铁路线路监测中，与传统监测方法相比，静态液位系统能够实现实时、准确测量，为高速铁路的安全运行提供了重要保证［11－12］。

1 静力水准仪结构

硅压阻式沉降仪是基于硅的压阻效应进行测量［13］。仪器核心为N型硅膜片，其上设置由四个P型电阻组成的平衡电桥。膜片由圆硅环（硅杯）固定，下部与高压腔相连，上部与大气相连，如图1所示。液压变化使膜片产生变形，再经由电桥转化为电信号输出。

图1 硅压阻式沉降仪内部构造

2 静力水准仪系统监测原理及设备构成

2.1 静力水准仪系统监测原理

静力水准仪监测系统基于液体连通器原理，根据重力水平面测量沉降或高差［14－15］。在使用过程中，由液体管道将各测点传感器相互连接，以其中一个或多个传感器作为基点，对其余测点进行工程测量，其原理如图2所示。

图2 静力水准仪系统监测原理

2.2 静力水准仪系统设备构成

静力水准仪系统设备由硅压阻式沉降仪、液（气）管和数据采集仪设备箱等构成［16－17］。数据采集仪器的设备箱内设有数据采集仪器、上位机、蓄电池、无线网络模块和液体储存罐。其中，数据采集仪器为硅压阻传感器的采集装置，上位机对采集数据进行初步计算，并将计算出的数据通过无线网络模块传输至云服务器进行下一步计算。整个系统通过蓄电池供电，储液罐为整个监测系统提供压力媒介，系统设备构成如图3所示。

图3 静力水准仪系统构成

3 工程应用

徐兰高铁苍龙涧特大桥29＃、30＃墩之间为32.7m简支箱梁，蒙华铁路在此处下穿通过，如图4所示。为确保徐兰高铁的运营安全，需要对其进行远程、实时和在线的自动监测。监测设备安装于苍龙涧特大桥25＃～34＃墩，共布设2个基点、4个测点、2个转点，共18台传感器、4台采集仪（见图5）。系统主要监测下穿范围内徐兰高铁柱墩的沉降情况，如图6所示。

3.1 数据分析

基于工程需要，静力水准仪系统的测量频率可自由调节。本次工程中监测频率为1次／h，监测时间为2018－05－18—2019－04－03，期间系统自动监测各墩的差异沉降量及单墩平滑日速率，于320d内共采集数据7 680组。为方便数据分析，每10d选取1组数据进行分析，分析结果显示各墩台平滑日速率量的范围为－0.458～0.736mm／d，每个墩台随时间的单日变化速率如图7所示。

在整个监测周期内，各相邻墩台的差异沉降变化量范围为－2.050～2.063mm，各相邻墩台的差 异沉降变化量随时间变化情况如图8所示。

图4 下穿段桥梁设计

图5 硅压阻式沉降仪平面布置

图6 下穿段仪器布置细节

图7 静力水准仪系统监测的日变化速率－时间曲线

图8 静力水准仪系统监测的相邻墩台差异沉降变化量－时间曲线

通过图7、图8可以看出，各测点单次变化量和差异沉降量曲线走势相似，静力水准仪系统在测量过程中无数据奇异点。在长达320d的监测期间，系统没有出现数据丢失及发送延迟等问题，验证了静力水准仪系统的可靠性与稳定性。

为进一步分析静态水准仪的精度，将静态水准仪的测量数据与高精度水准仪的人工测量数据进行比较。在整个人工监测周期内，各墩台单次变化量范围为－0.93～0.98mm，每个墩台随时间的单日变化速率如图9所示。

图9 人工监测的日变化速率－时间曲线

在整个人工监测周期内，各相邻墩台差异沉降变化量范围为－1.81～1.84mm，各相邻墩台差异沉降变化量随时间的变化情况如图10所示。

根据表1内容可知，静力水准仪系统与水准仪测量数据吻合，两者误差相差较小。静力水准仪系统采集的数据稳定可靠，能满足工程监测需要。

图10 人工监测的相邻墩台差异沉降变化量－时间曲线

表1 静力水准仪系统监测数据与精密水准测量监测数据对比

3.2 数据准确性的影响因素

结合现场使用经验对现场因素对静力水准仪系统造成的影响进行归纳，包括以下几方面：

1）列车震动影响。当高铁列车通过时，受列车荷载影响，梁体会产生受迫振动。导致与轨道较近的测点读数不稳，一定程度影响瞬时数据的准确性；

2）环境温度影响。环境温度对静力水准仪系统测量精度有着较明显影响［18－20］；

3）传压液体。传压液体是静力水准仪系统的“血液”，其流动性直接影响系统的灵敏性，特别是管路内传压液体中的气泡会导致传感器产生数据奇异点。

结合现场经验分析，每天凌晨3：00左右采集得到的数据效果最好，此时处于夜间，温度稳定且行车较少，震动影响小。得益于以上原因，传压液体流量低，在一定程度上缓解了气泡问题。

4 结 语

基于蒙华铁路下穿徐兰高铁苍龙涧特大桥工程，将静力水准仪系统监测数据与人工监测数据进行对比。对比结果显示，静力水准仪系统的检测数据具有良好的稳定性和较高精度，可满足工程的长期检测需要。

结合现场经验，分析了各环境因素对监测系统稳定性的影响，发现在凌晨3：00左右采集计算得到的数据效果最好，可将静力水准仪系统作为未来高铁桥梁的变形监测系统。

综上所述，静力水准仪系统有着高精度、高频率的优势，可对高铁施工中桥墩高差与轨道线型进行连续性实时监测，由于其人工成本低，所以具有较高的工程意义。