高铁跨海大桥桩基自动化监测方法研究

刘 艺 吴 昊

(中铁第六勘察设计院集团有限公司,天津 300308)

引言

高速铁路的建设极大拉动了沿线地区的物流、贸易、经济的发展。 截止2022 年年底,我国高速铁路的营业里程已经超过4.2 万km,对国家建设和经济繁荣发挥了巨大的作用。 根据《中、长期高速铁路网规划发展纲要》,在“十四五”期间我国要建设完成“八纵八横”的高速铁路网络体系,实现地级市之间的高铁互联互通,乃至部分发达县域的网络延伸。 东部沿海一直是我国经济最活跃的地区,也是高铁建设的重点区域。 受港口海运区位优势的影响,经济发达城市往往依海而建,则高铁建设难以避免跨海施工问题。

高铁跨海大桥桩基施工完毕后,受自身重力、结构变形、海浪推移等因素影响,其倾斜度、平面位置、竖向高程等的变化过程比较缓慢。 为了减少因桩基变化给上部承重梁板带来的风险,通常需要数月乃至更长的时间来监测各项信息的数值变化和发展趋势。 传统的测量方式是测量人员携带RTK、水准仪、倾斜仪等设备,乘船至桩基后,通过悬梯攀爬至顶部工作平台完成测量。 船舶运输极易受大风、寒潮、结冰、雷雨等恶劣天气的影响,且攀爬悬梯、高空测量等行为存在坠海、滑落的风险。 因此,传统的监测方法成本巨大、效率低下、环境危险、连续性差,难以满足中长期监测的需要。

在大桥桩基形变监测、健康监测等方面,钟华利用实时监测的数据对桥梁安全状况进行评估分析,总结桥梁监测与检测数据融合的方法[1];司吉红介绍GPS在桥梁震动方面的监测应用[2];吴杰等研究GPS 动态监测在温度、风荷、车载等因素下对大桥的响应情况[3];姚勇等分析桥墩顶在桥梁运营过程中的变化情况[4];肖雁峰利用北斗和GPS 系统卫星观测数据,研究电离层活动对GNSS 高铁工程测量精度的影响[5];王高新等对大胜关长江大桥支座的纵向动位移监测数据进行广义极值分布拟合,得到在设计寿命内的动位移累计行程和磨损状态安全评价[6];丁幼亮等研究高速列车通过时主梁震动加速度峰值与列车车速的相关特性[7];向波等研发一种基于自然激励的动力特性监测系统[8];王金权等结合杭州湾大桥的特点,设计沉降监测线路,对大桥进行分段沉降监测[9]。 综上,大部分研究集中于新式测量仪器的使用、数据滤波去噪精细后处理方法、监测软件系统研发等领域,而在远程自动化监测方面的探讨较少,尤其在移动物联网硬件通讯技术与传统测量仪器的组合利用方面,就更是凤毛麟角。

在已有研究的基础上,将移动物联网设备“4GDTU”应用到高铁跨海大桥桩基监测中,提出一种无线远程自动化监测方法。 首先研究 “4G-DTU”设备原理和工作方式,以及自动化监测系统中4G-DTU、测量仪器、供电系统等各部件之间的硬件配合模式;然后,根据项目需求开发了后台数据采集程序,实现监测数据的自动获取、分析和存储。

1 4G-DTU 技术

DTU 的英文全称为“Data Transfer Unit”,又称为“数据交换单元”,用来实现“RS232、422、485”等串行接口数据与“TCP/UDP”等网络协议数据的转换。 配合无线电高频、GSM、WIFI 等网络通信模块,DTU 可以利用移动互联网络或内部局域网络实现数据的远程传输[10]。 一套完整的DTU 通讯系统主要包括:硬件采集设备、DTU 设备、通讯网络、数据分发服务端、用户端等5 个主要部分。 DTU 通讯的主要工作流程为:在前端,DTU 和硬件采集设备通过“RS 232、422、485”串行通信接口相连[11];DTU 开启后通过内置的手机卡完成移动网络注册,然后通过网络漫游和搜寻与数据分发服务端建立“套接字”连接[12];DTU 通过数据分发服务端与用户端进行匹配;匹配成功后完成硬件采集设备与用户端的连接[13]。 至此,硬件采集设备就可以通过DTU 与用户端进行双向的数据传输通信。 测量设备利用DTU 通讯工作示意见图1。

图1 测量设备利用DTU 通讯工作示意

DTU 内置网络拨号协议与GPRS 调解调器协议模块,在单片机芯片的控制下,使用“TCP/UDP”的IP 协议栈堆可以实现自动拨号上网[14]。 DTU 的串行接口模块能够兼容RS232、422、485 等主流串口格式,通过芯片的ASCII 编码格式解译,能够在不改变数据内容的情况下,将串口数据原装打包发送至网络[15]。 同样,DTU 也能够将网络数据原装打包发送至串口[16]。为节省移动网络资源,DTU 一般都会采用自动重连的心跳检测技术,定时检测与数据服务端的连接状态。当发现连接已经断开或虚连时,DTU 将关闭当前的套接字连接,退出后台线程,然后重新拨号与服务端建立新的连接[17]。 DTU 内置的缓存存储器能够将用户设置的串口参数、IP 地址、侦听Port 地址、控制参数等配置自动保存[18]。 当DTU 上电开启后,会自动读取缓存内的配置文件开始工作,无需用户重新配置。 随着4G、5G 通讯技术的发展,移动通讯基站的覆盖范围、信号强度、网络冗余带宽等通信性能都取得极大的提高,4G-DTU 设备应运而生。 相比传统的2G、3G 设备,4G-DTU 的网络通讯功能有极大的提高:用户可以直接使用短信或拨号进行远程呼叫、能够直接在线进行硬件版本升级、工作状态实时监控、错误报告远程发送、采集数据延后提取等。 针对高级用户,有些厂商还推出了二次开发服务接口,利用动态链接库、Active 插件等连接件,用户可以重新编写DTU 的控制程序。

2 工程应用

在福建某高铁跨海大桥施工项目中,需要对已经安装完毕的钢管桩基础的“纵倾(Pitch)、横倾(Roll)、艏向(Heading)、高程(Height)、平面位置(Offset)”等5 项信息进行长期连续监测。 在桩基上部选择8 个典型点位作为监测点,使用4G-DTU 设备连接所有测量仪器设备,进行远程双向互联和数据无线传输。 通过配置在云服务端的映射服务器,将RTK、倾斜仪、GPS等设备的数据传输至服务器中心进行长期采集,利用数据采集软件实时记录并显示钢管桩基础的状态变化,最后利用数据后处理系统分析各项数据的变化趋势。

2.1 设备安装配置

本项目外业系统主要由3 部分组成:通讯设备(4G-DTU)、测量设备和供电设备。

(1)4G-DTU

通过移动蜂窝网络连接至服务器中心,但蜂窝网络的IP 地址通常为随机分配,并不是一个固定值,则每次4G-DTU 上电开启后所注册的IP 地址均不相同。此时的4G-DTU 设备相当于使用内部局域网地址,通过移动网关连接至外部公网。 因此,数据服务器中心无法主动寻找4G-DTU,只能由4G-DTU 来寻找有固定公网地址的数据服务中心。 对本项目来说,因为监测时间只有数月,且对网络质量要求并不高,不需要向运营商单独申请公网IP,只需要使用市场上常见的商用内网穿透软件即可,本项目使用“向日葵内网映射软件”。 目前国内的移动通讯运营商主要为移动、联通和电信3 家,因为各家的基站覆盖范围不同,可能会导致某一地区的信号强度不同。 本项目的跨海大桥离陆地最远距离约3 km,经实测,3 家信号平均强度只有3 格(5 格为满信号),且不同时段各运营商信号强度略有不同。 因此,本项目4G-DTU 设备选用“MOXA-5430”,同时插入3 张Sim 卡,可以同时兼容3 家网络,设备会根据蜂窝网络的信号强度、网络拥堵、数据延迟等情况,自动切换至最优网络(见图2、图3)。

图2 MOX-5430 型DTU 设备

图3 DTU 利用移动网络通讯流程

(2)测量设备

测量设备有3 种:倾斜仪测量桩基的“纵倾和横倾”,GPS 测量“艏向和平面位置”,RTK 测量“平面位置和高程”。 3 种设备既各有所长,又互为冗余,各自采集的数据进行解算和转换后,根据精度指标作为权重进行联合处理,互相检核,最终得到桩基的“沉降”“水平位移”“横向差异沉降”“纵向差异沉降”等信息。

倾斜仪采用“电子液位连通器原理”,利用高分辨率差分数模转换器,将静态重力场的变化转换为倾角变化,从而实现俯仰角和横滚角等双轴方向上的倾斜角度测量。 选用“TW-1500 倾斜仪”,测量精度为0.000 1°,分辨率为0.000 01°,可在Ⅳ级涌浪抗扰度下稳定工作,作为桩基横向和纵向倾斜角度的主要测量设备,双轴倾斜测量仪见图4。

图4 双轴倾斜测量仪

GPS 测量采用“双天线差分定位和内置惯导组合纠正”的方式,可以实时测量动态和静态物体的艏向和位置变化。 选用“RS-350”,艏向测量精度为0.001°;平面位置精度为1 cm+1×10-6D,系统误差为1 cm,固定解模式下的误差抖动值为“1 mm×基站距离”;在卫星失锁情况下可以稳定测量40 min;作为桩基艏向的主要测量设备,GPS 罗经定位定向设备见图5。

图5 GPS 罗经定位定向设备

RTK 测量采用“星站差分实时纠正和高精度静态精密后处理技术”,可以高精度实时测量物体的位置和高程变化。 本项目选用“Trimble R10”,平面位置精度3 mm+0.1×10-6D,系统误差为3 mm,固定解模式下的误差抖动值为“0.1 mm×基站距离”;高程位置精度3.5 mm+0.1×10-6D,系统误差为3.5 mm,固定解模式下的偶然误差抖动值为“0.1 mm×基站距离”;作为桩基平面位移和沉降的主要测量设备,RTK 平面位置和高程测量设备见图6。

图6 RTK 平面位置和高程测量设备

(3)供电设备

跨海大桥桩基上没有电力供应,需要自备发电装置来满足所有设备的运行。 故决定采用小型光伏和风能二合一发电装置,利用海上太阳能和风资源比较丰富的特点,可以实现不间断电力供应来满足整个系统的运行。 桩基上部工作平台为露天场所,没有可以遮蔽风雨的上部建筑,所以需要自制一个机柜来放置所有的设备。 另外,海上水汽蒸发较大,机柜内部需做防潮处理;为了避免雷雨和风浪涌入,机柜外部需做防水处理。 将各种设备布置于机柜内部,合理走线,避免空间拥挤导致设备散热不良。

2.2 数据分析

在陆地数据中心,使用内网穿透软件将4G-DTU的串口映射到计算机本地,数据采集软件开始获取各设备的测量信息,然后对桩基的各项状态进行实时显示,并进行数据记录。 经过180 d 连续监测,系统运行平稳,获得了桩基“垂直沉降,水平位移、横、纵向差异沉降”等多个方面的详细测量数据。 尤其捕捉到了2 次天文大潮和1 次台风过境等极端恶劣天气情况下桩基的各项状态指标,为桩基结构有限元分析、形变分析、海床土应力分析等极端工况模拟分析提供了宝贵的监测数据。

如图7 所示,桩基上所布设的8 个监测点位的升沉趋势基本平稳一致,最大垂直沉降出现在监测开始后的第16 天,沉降值为2.2 cm,后又在第20 天逐渐抬升至±0 cm,后期数据浮动较为稳定,最大幅度均＜1.5 cm。 桩基施工后期要进行注浆作业,注浆过程中除了泥浆本身的重量,还会产生较大的喷射压力,监测初期桩基出现了下沉;泥浆逐渐凝固后,固结膨胀压力又将桩基缓慢抬升,出现了先下沉后抬升的情况。 第1 次天文大潮出现在第41 天,桩基抬升1.3 cm;第2 次天文大潮出现在第76 天,桩基抬升1.2 cm;台风过境出现在第51 天,桩基抬升1.4 cm。 由此可见,极端恶劣天气对桩基的垂直沉降影响不大,说明本海域海床的土工承载力和阻滞摩擦力均较为坚实稳固,达到了桩基插打、浇筑后 6 cm 垂直沉降设计要求。

图7 桩基垂直沉降连续观测曲线

如图8 所示,桩基上所布设的8 个监测点位的水平位移最大偏移出现在第13 天,最大偏移值为4.8 cm,为注浆作业所致,泥浆凝固后状态恢复稳定。 监测点位整体偏向陆地一侧,偏移值为4.5 cm。 当地海域的潮汐性质为不规则全日潮,每天一涨一落,涨潮历时明显长于落潮历时,故洋流冲击桩基偏向陆地一侧。第1 次天文大潮,桩基偏移2.2 cm;第2 次天文大潮,桩基偏移2.8 cm;台风过境,桩基偏移4.2 cm。 从整体趋势来看,2 次天文大潮对桩基偏移影响并不大,台风过境影响较大,但也没有超过 ±10 cm 的设计要求。

图8 桩基水平位移连续观测曲线

如图9 所示,桩基横向差异沉降最大差值出现在第14 天,最大值为1.1 cm,后又逐渐平稳,同上述分析,为注浆作业所致。 受不规则全日潮的影响,桩基整体为左倾0.5 cm,符合朝向陆地方向的洋流冲击。 第1 次天文大潮,桩基右倾0.1 cm;第2 次天文大潮,桩基右倾0 cm;台风过境,桩基右倾0.2 cm。 与曲线均值相比,偏移值约为1 cm,摆幅并不明显。 整个横倾数值曲线虽然整体平滑度欠佳,但趋势平稳,均值为-0.6 cm,在±2 cm 的设计要求之内。

如图10 所示,桩基纵向差异沉降最大差值出现在第16 天,最大差值为1.4 cm,然后恢复平稳,为注浆作业所致。 因为与洋流方向垂直,所以不规则全日潮对纵倾影响并不大,没有明显的固定方向趋势,数值较横倾更为平稳,波动较小,峰谷最大差值约为1 cm。 第1 次天文大潮,桩基前倾0.3 cm;第2 次天文大潮,桩基前倾0.1 cm;台风过境,桩基前倾1.0 cm。 与潮流影响类似,2 次天文大潮和台风过境对前倾影响也不大。 整体桩基纵倾均值为-0.4 cm,满足±3 cm 的设计要求。

图10 桩基纵向差异沉降(纵向倾斜)连续观测曲线

3 结语

利用工程实例,探索4G-DTU 自动化监测模式的硬件安装方式和软件数据采集,解决施工中的监测难题,为跨海大桥的安全建设提供了坚实有力的数据支撑。通过连续3 个月的不间断监测,获得包括极端恶劣气象条件下的桩基形变状况:垂直沉降极值为2.2 cm,均值为0.5 cm,变化幅度＜1.5 cm;水平位移极值为4.8 cm,后期稳定状态下均值为3.1 cm;横向差异沉降极值为1.1 cm,整体均值为-0.6 cm;纵向差异沉降极值为1.4 cm,整体均值为-0.4 cm。 在未来的研究中,应根据4G-DTU 的特性继续探讨在高铁跨海大桥结构健康监测、运营平稳监测等领域的应用,进一步挖掘4G-DTU在远程无线自动化监测方面的潜力。