自动化监测技术在高速铁路沉降监测中的应用

张柳

（东网空间地理信息有限公司，河南 郑州 450000）

1 前言

在下穿高速铁路（以下称“高铁”）项目施工时，地面荷载会发生很大变化，影响下穿处高铁桥墩，要获取地面荷载变化对高铁桥墩的具体影响值时，需进行沉降监测。传统人工测量利用高精度电子水准仪，采用二等水准的测量方法监测，往往会受施工现场视线遮挡、现场高差大测站多、观测点危险不宜靠近等情况限制。与传统人工测量相比，自动化监测可规避这些情况，快速、实时、高效地获取高铁桥墩沉降数据，供施工方参考。在下穿高铁特大桥施工项目中，将静力水准仪自动化监测方法与传统人工测量方法对比，验证静力水准测量自动化技术的可行性与精度的可靠性，为类似高铁桥墩沉降监测项目提供经验与依据。

2 项目工程背景

某天然气管道从郑万高铁特大桥桥下穿过，下穿点位于高铁特大桥桥墩之间。管线与高铁特大桥呈70°夹角，下穿处桥墩墩台距地面约9.35m。特大桥周围场地桥墩地形平缓开阔，无较大起伏，高程在127.68m～127.75m。管道自东向西铺设，规划穿越位置处高铁特大桥上部结构采用32.6m简支箱梁，基础采用混凝土钻孔灌注桩。项目变形监测范围为受高铁特大桥影响的x-1号～x+2号桥墩，共4个桥墩。下穿点位于x、x+1号桥墩之间，故这两个桥墩受施工影响最大，本文以x、x+1号桥墩为研究对象进行分析。

3 静力水准与人工测量的比对分析

根据《高速铁路工程测量规范》[1]：桥涵沉降测量应按三等垂直位移（相当于国家二等水准测量）的技术要求进行观测，相关技术要求如表1所示。

表1 垂直位移监测网主要技术要求

3.1 原理分析对比

传统水准测量是利用水准仪建立一条水平视线，利用水准尺测量两点间的高差，待整个观测路线结束后，获取起始点到本测站的总高差，通过整条路线的平差计算，根据已知点高程推算出各未知点高程[2]。

静力水准仪利用连接在一起的储罐液在同一水平面的连通原理。直接测量出的数据是各时段储罐液的液面高度，通过任意时刻各桥墩液面高程相等建立等式关系，从而求出各点在不同时刻的相对差异沉降值。若初始时待液面稳定后，将传感器调零，直接将各静力水准仪的偏差值相减，可求出各点间的差异沉降。

3.2 操作步骤对比

传统人工测量与静力水准测量机制区别较大，通过对比，静力水准仪的优势明显，对比情况如表2所示。

表2 静力水准测量与传统人工测量对比

（1）传统人工测量：传统人工测量沉降监测必须采用环线或附合水准路线。沉降观测点与引测工作基点高差相近且距离也较近时，可采用从工作基点测量至变形观测点，然后闭合到同一个工作基点的环线水准路线法。当变形观测点位于两个工作基点中间时，可采用从一个工作基点引测至变形观测点，再闭合到另一工作基点的附合水准路线法[3]。

沉降观测时引用的水准基点，宜采用高铁建设时控制测量高程网的水准基点，从距离最近的水准基点引测，引测前需检核引用的水准基点。检核采用复测方式，将相邻水准基点的高差值与原高差值进行对比。

（2）静力水准测量：在桥墩墩台布设静力水准仪，静力水准仪安装采用结构植筋胶固定在桥墩顶面，静力水准仪通气管、数据线和液体管采用透明软管聚拢后沿高铁桥梁串联，并将串联点联入较远的设置沉降监测工作基点的桥墩上。测点总体布置如图1所示。

图1 测点总体布置

自动监测工作基点选在人工监测工作基点同一桥墩的纵向同一位置，自动监测和桥墩底部监测点同样设置在同一桥墩的纵向同一位置。监测墩平面布置如图2所示。

图2 监测墩平面布置

静力水准仪安装要先准备静力水准仪5套，采集仪1套，DTU 1套，其他辅助材料若干。在项目现场选好基准点后，将监测点和基准点安装上静力水准仪，布设完成后，在软件端进行组网，对每个监测点的静力水准仪进行编号组网，经测试无误后，系统开始运行。系统自下而上由传感器（数据采集层）、数据采集远传系统（数据传输层）及数据管理平台（数据管理层）组成。数据管理使用配套的“监测数据管理平台”[3]。

3.3 数据精度对比

根据《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》[4]要求，桥梁沉降控制预警值按1mm控制，桥梁沉降控制标准按2mm控制。

（1）静力水准仪测量得出的是海量数据，本次数据终端设置每隔30分钟采集数据一次，人工测量则根据规范要求进行，本次取上午和下午各一组数据进行对比，对比结果如表3所示。

表3 x号墩静力水准仪与人工测量数据对照表

10月份x号墩最值：静力水准仪最大正位移为0.20mm，最大负位移为-0.20mm；传统人工监测最大正位移为0.12mm，最大负位移为-0.18mm。x号墩静力水准仪与人工测量对比如图3所示。

图3 x号墩静力水准仪与人工测量对比

10月6日为天然气管道焊接，x号墩变化值较明显；10月15日开始回填，桥墩下沉达到波谷；10月16日夯机压实管道上方土层，桥墩下沉继续维持较大值；10月19日绑钢筋笼、浇混凝土，桥墩下沉回落；10月22日全部回填，桥墩荷载变化剧烈，出现波峰，后期逐渐趋于稳定。

（2）x+1号桥墩静力水准仪与传统人工测量对比

（3）x号和x+1号桥墩静力水准仪各时刻分析

由表5可知，x号桥墩监测期内的平均值为-2.4mm，时刻平均值减总平均值的最大值为0.12mm，最小值为-0.07mm；x+1号桥墩监测期内的平均值为-0.75mm，时刻平均值减总平均值的最大值为0.2mm，最小值为-0.12mm。x号墩各时刻线形图如图5所示。

表5 两桥墩各时刻值统计

图5 x号墩各时刻线形图

由表4可知，10月份x+1号墩最值：静力水准仪最大正位移为0.35mm，最大负位移为-0.20mm；传统人工测量x+1最大正位移为0.28mm，最大负位移为-0.19mm。x+1号墩静力水准仪与人工测量对比如图4所示。

图4 x+1号墩静力水准仪与人工测量对比

在天然气管道下穿高铁施工过程中，管道焊接时，邻近桥墩变化明显；开始回填时，桥墩下沉达到波谷；夯机压实管道上方土层，桥墩下沉有所回落 ；绑钢筋笼、浇混凝土，桥墩变化加快；全部回填，桥墩荷载变化剧烈，出现波峰，后期逐渐趋于稳定。

相对于平均沉降值来说，x号桥墩在上午10:00到下午5:00内达到波峰，变化明显。其他区段变化平缓。x+1号墩各时刻线形图如图6所示。

相对于平均沉降值来说，x+1号桥墩在上午9:00到下午6:00内达到波峰，变化明显。其他区段变化平缓。

3.4 数据结果分析

（1）由表2和表3可知，静力水准测量和传统人工测量差距较小，精度相当，变形值均小于1mm，符合高铁桥墩沉降规范要求，静力水准测量精度可用于高铁桥墩的变形监测。

（2）由图3和图4可知，静力水准测量与传统人工测量线形走向一致，在同时间内同时达到波峰，同时间内同时达到波谷，说明静力水准仪测量数据可靠。

（3）由图5和图6可知，738号桥墩和739号桥墩走向一致，均在上午9:00到下午6:00时间段内出现波峰，线形起伏较大，此时间段由于施工影响，桥墩受到的荷载大，位移大；在下午6:00到上午9:00时间段内，线形较平缓，位移值小，整个工期内此时间段变化较小，说明这一时间荷载小且未出现事故。

图6 x+1号墩各时刻线形图

（4）静力水准仪测量的全天候性，测量时间间隔自行设定，可根据工程要求设置合理的时间间隔，为施工提供更多更准确的参考数据。

4 结论

静力水准仪测量数据精度高、可靠性强，完全满足高铁项目变形监测规范的要求。静力水准仪的高精度、操作简捷、全天候实时监测、预警机制强等特点更能反映工程的形变特征，静力水准测量在基坑监测、高程建筑物沉降监测[5]、地铁沉降监测、桥梁监测等变形监测项目中运用愈加广泛，未来静力水准仪自动化监测技术也将得到普遍应用。