劉萬(wàn)屹 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京橋工段

汪明薇 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司東華地鐵公司

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷發(fā)展，新建城市道路上跨、下穿或鄰近既有高速鐵路橋梁的工程不斷增加。在此類項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，不可避免地鄰近高鐵橋進(jìn)行大面積、深基坑開(kāi)挖作業(yè)，在施工荷載的作用下，很容易對(duì)既有高鐵橋梁下部結(jié)構(gòu)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，破壞土體的初始平衡狀態(tài)，從而導(dǎo)致既有鐵路橋橋墩產(chǎn)生沉降和水平位移。為了確保高鐵在施工期間的運(yùn)營(yíng)安全，需要對(duì)高鐵橋墩進(jìn)行定期甚至加頻連續(xù)地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)采取有效措施控制施工對(duì)高鐵橋梁的影響范圍和程度。目前，高鐵自動(dòng)化監(jiān)測(cè)手段如全站儀、靜力水準(zhǔn)儀、傾斜儀、光纖光柵等發(fā)展越來(lái)越成熟，這些自動(dòng)化監(jiān)測(cè)手段的使用逐漸成為鄰近高鐵施工信息化的發(fā)展方向，為風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)及施工過(guò)程的安全總體把控提供有效的參考經(jīng)驗(yàn)。

本文以南京市佳營(yíng)南路下穿京滬高鐵等橋孔工程監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為背景，由于該項(xiàng)目實(shí)施期間同時(shí)有地鐵五號(hào)線盾構(gòu)穿越該路段，故委托了兩家監(jiān)測(cè)單位分別使用全站儀及Roc-MOS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集方式為靜力水準(zhǔn)儀）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)比較兩種監(jiān)測(cè)手段測(cè)出數(shù)據(jù)的差異，驗(yàn)證該系統(tǒng)在高鐵橋梁監(jiān)測(cè)中運(yùn)用的可靠性，討論其適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)，為今后高鐵橋梁監(jiān)測(cè)提供參考。

1 RocMOS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)包含以下幾個(gè)部分：（1）數(shù)據(jù)采集單元（RT-2000終端，靜力水準(zhǔn)儀、傾角儀傳感器）；（2）數(shù)據(jù)傳輸單元（4G無(wú)線通訊模塊）；（3）數(shù)據(jù)處理與分析子系統(tǒng)單元（RocMOS監(jiān)測(cè)軟件及服務(wù)器，roceye瀏覽器，各類報(bào)警系統(tǒng)）；（4）輔助子系統(tǒng)（供電、避雷、綜合布線等輔助子系統(tǒng)）。

1.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

RocMOS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)高度集成各種功能模塊，可應(yīng)對(duì)全部常見(jiàn)的變形監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)。它通過(guò)手機(jī)sim卡4G網(wǎng)絡(luò)模塊，兼容GNSS設(shè)備并搭載靜力水準(zhǔn)儀、傾角儀傳感器，完成各種數(shù)據(jù)聯(lián)合解算分析，以計(jì)算機(jī)終端、手機(jī)客戶端等形式為施工單位、設(shè)備單位、建設(shè)單位提供智慧服務(wù)。它能夠?qū)崿F(xiàn)在風(fēng)險(xiǎn)事件條件下，及時(shí)通過(guò)手機(jī)短信、客戶端信息等形式為各方提供預(yù)警的功能。因此，通過(guò)電腦客戶端軟件遠(yuǎn)程訪問(wèn)和控制，該系統(tǒng)可完全實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，它專業(yè)的機(jī)身設(shè)計(jì)也可抵抗惡劣環(huán)境。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 RocMOS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 工程實(shí)例運(yùn)用

2.1 工程概況

佳營(yíng)南路下穿工程位于南京市秦淮區(qū)，道路中心線對(duì)應(yīng)京滬高鐵里程約K1027＋444 m。該工程在京滬高鐵、滬蓉上、下行聯(lián)絡(luò)線、仙寧線高鐵橋下方新建U槽結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)同時(shí)上跨在建的地鐵5號(hào)線。

本工程（如圖2所示）下穿仙寧鐵路秦淮河特大橋27#～28#墩間、滬蓉鐵路上行聯(lián)絡(luò)線特大橋55?！?6＃墩間（現(xiàn)場(chǎng)踏勘為56＃～57＃墩）、京滬高鐵秦淮河特大橋56?！?7＃墩間、滬蓉鐵路下行聯(lián)絡(luò)線特大橋52＃～53＃墩間。

圖2 施工總平面圖

本工程的總體施工順序?yàn)榻低潦┕ぁS護(hù)體系施工→U型槽施工→排水體系施工→道路路面施工，整個(gè)工程分段進(jìn)行流水作業(yè)。

（1）降土施工：高鐵橋下土方降至離鐵路高架梁底板高度6 m以上。

（2）維護(hù)體系施工：①對(duì)高鐵橋墩進(jìn)行安全防護(hù)，砼防撞墩防護(hù)，搭設(shè)鋼管臨時(shí)支撐設(shè)施，設(shè)置安全防護(hù)網(wǎng)、安全警示標(biāo)志、標(biāo)牌等措施→②對(duì)鉆孔樁位置進(jìn)行拉槽，拉槽高度為1～1.5 m，保證鉆孔樁機(jī)械凈高〉6.0 m→③施打圍護(hù)排樁及拉森板樁，施工U槽兩側(cè)防護(hù)排樁、冠梁，養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)強(qiáng)度，在拉森板樁與圍護(hù)排樁之間壓密注漿形成止水帷幕。

（3）U型槽施工：①施工樁頂永久混凝土支撐，開(kāi)挖U槽基坑，土體開(kāi)挖卸載，應(yīng)分層對(duì)稱進(jìn)行→②按照分層對(duì)稱開(kāi)挖要求開(kāi)挖至第二道臨時(shí)鋼管支撐底，設(shè)置第二道臨時(shí)鋼管支撐，再開(kāi)挖至基坑底部→③現(xiàn)澆U槽底板，設(shè)置傳力帶，達(dá)到強(qiáng)度后拆除第二道臨時(shí)支撐→④現(xiàn)澆U槽邊墻→⑤U槽和圍護(hù)樁間回填。

（4）排水體系施工：①埋設(shè)U型槽下的橫穿管道→②進(jìn)行沉井、工作井、接收井施工→③頂管作業(yè)→④封堵洞口→⑤U型槽內(nèi)排水溝施工。

（5）道路路面施工：①道路路基施工→②路面基層施工→③鋪筑平側(cè)石及人行道板→④鋪瀝青路面。

為確保高鐵運(yùn)營(yíng)及盾構(gòu)施工安全，盾構(gòu)在影響區(qū)域內(nèi)（隧道兩側(cè)1倍洞徑范圍內(nèi)）佳營(yíng)南路U型槽樁基施工完成后再進(jìn)行穿越。

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)及監(jiān)測(cè)內(nèi)容

沉降基準(zhǔn)點(diǎn)位于測(cè)區(qū)外穩(wěn)定的區(qū)域，直接在基準(zhǔn)點(diǎn)上布設(shè)靜力水準(zhǔn)儀，埋設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)基礎(chǔ)墩。

垂直位移監(jiān)測(cè)主要測(cè)量高鐵結(jié)構(gòu)在豎直方向的位移量，根據(jù)位移量變化情況可以判斷施工的開(kāi)挖、填方對(duì)高鐵橋墩的影響，也能間接反映施工安全和工程質(zhì)量情況。高鐵垂直位移監(jiān)測(cè)主要采用的方法是水準(zhǔn)測(cè)量，也采用靜力水準(zhǔn)儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)及精密三角高程測(cè)量等方法。橋墩沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)直接埋設(shè)在施工影響范圍內(nèi)的橋墩上，每墩布設(shè)2個(gè)點(diǎn)。利用鋼帶加固固定在墩腰兩側(cè)，具體布設(shè)如圖3，共布設(shè)36個(gè)。

圖3 橋墩沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

水平位移監(jiān)測(cè)是測(cè)量高鐵橋墩在水平方向上的位移量，水平位移一般會(huì)在高鐵線下挖方或堆土嚴(yán)重的情況下出現(xiàn)，高鐵橋梁墩臺(tái)兩側(cè)受力不均勻，就會(huì)導(dǎo)致水平位移發(fā)生變化，危及高鐵安全。橋墩水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)利用傾角儀布設(shè)在橋墩底部地面以上0.5 m～1 m處，每個(gè)橋墩布設(shè)1個(gè)，具體布設(shè)如圖4，共布設(shè)16個(gè)。

圖4 橋墩水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

本工程涉及的高鐵橋墩監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布如圖5所示，本文僅討論U型槽施工對(duì)高鐵橋墩的影響。

圖5 點(diǎn)位布設(shè)示意圖

2.3 數(shù)據(jù)采集單元（靜力水準(zhǔn)儀、傾角儀）介紹

本實(shí)例中靜力水準(zhǔn)儀采用HD-2NJ103-1型，是一種差壓式的傳感器，由儲(chǔ)液器、高精度感應(yīng)器、處理模塊、保護(hù)罩等部件組成。利用各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的壓力值的變化計(jì)算出沉降量，傳感器體積小、量程大，在其量程之內(nèi)，靜力水準(zhǔn)儀可以隨著地面走勢(shì)安裝而不需要調(diào)平。

傾角儀選用HD-3NQ128型雙軸傾角計(jì)，采用微機(jī)電生產(chǎn)工藝傾角單元，體積小、功耗低、一致性和穩(wěn)定性很高，是數(shù)字型傾角傳感器，工作溫度達(dá)到工業(yè)級(jí)別-40℃～+85℃。

2.4 變形監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的應(yīng)用

變形監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)運(yùn)用RocMOS監(jiān)測(cè)軟件搭載各種硬件，通過(guò)各類通訊方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、傳輸、報(bào)警等智能化服務(wù)。

RocMOS監(jiān)測(cè)軟件的特點(diǎn)：（1）可單窗口多項(xiàng)目、多設(shè)備管理，兼容主流測(cè)量機(jī)器人，可接入多環(huán)境與巖土傳感器；（2）單測(cè)站、多測(cè)站、多設(shè)備組網(wǎng)監(jiān)測(cè)，復(fù)雜區(qū)域監(jiān)測(cè)也可以輕松實(shí)現(xiàn)；（3）集成監(jiān)測(cè)網(wǎng)精度分析功能，提高組網(wǎng)精度的利器；（4）自適應(yīng)擬穩(wěn)技術(shù)，多種網(wǎng)平差方式和模型自動(dòng)選擇，確保亞毫米級(jí)測(cè)量精度；（5）單純網(wǎng)絡(luò)通訊，有效解決串口與網(wǎng)絡(luò)多次轉(zhuǎn)換帶來(lái)的系統(tǒng)故障；（6）網(wǎng)絡(luò)或服務(wù)器故障數(shù)據(jù)采集和同步，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)冗余存儲(chǔ)，永不丟失；（7）集成遠(yuǎn)程電源管理功能，對(duì)異常設(shè)備冷啟動(dòng)，可解決設(shè)備導(dǎo)致的系統(tǒng)故障；（8）多種、多級(jí)報(bào)警設(shè)置，支持短信、電話語(yǔ)音、電子郵件、微信、手機(jī)APP報(bào)警（圖6）。

圖6 軟件主界面

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)據(jù)查詢

登錄RocMOS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)更新并顯示所監(jiān)測(cè)橋墩在每一時(shí)段的沉降位移數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)圖可反映現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)高鐵橋墩的影響，為鐵路管理部門監(jiān)管提供風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和趨勢(shì)判斷;鐵路監(jiān)管部門也可利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，更好地把控高鐵營(yíng)業(yè)線施工的工程質(zhì)量，避免影響高鐵運(yùn)營(yíng)安全的事故發(fā)生（圖7）。

圖7 RocMOS數(shù)據(jù)平臺(tái)電腦客戶端軟件

3.2 數(shù)據(jù)分析

圖8～圖10分別為2020年7月2日～7月19日RocMOS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及同一施工階段全站儀測(cè)量京滬高鐵56#、57#橋墩的橫橋向、順橋向水平位移及沉降數(shù)據(jù)對(duì)比。

從圖8可看出，京滬高鐵橋墩56#、57#橫向位移觀測(cè)數(shù)據(jù)分別在7月12日、7月7日差異最大，為0.4 mm和0.3 mm，監(jiān)測(cè)時(shí)間段整體測(cè)量數(shù)據(jù)及趨勢(shì)趨同，差異幅度不大。

圖8 京滬高鐵56#、57#橋墩橫橋向水平位移

從圖9可看出，京滬高鐵橋墩56#、57#順橋位移觀測(cè)數(shù)據(jù)分別在7月8日、7月4日差異最大，為0.5 mm和0.4 mm，監(jiān)測(cè)時(shí)間段整體測(cè)量數(shù)據(jù)及趨勢(shì)趨同，差異幅度不大。

圖9 京滬高鐵56#、57#橋墩順橋向水平位移

從圖10可看出，京滬高鐵56#橋墩兩靜力水準(zhǔn)沉降數(shù)據(jù)基本吻合，同期數(shù)據(jù)對(duì)比小于0.1 mm,相對(duì)于全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)，差距最大在7月15日、7月17日，為0.4 mm，三條數(shù)據(jù)曲線在監(jiān)測(cè)時(shí)間段整體測(cè)量數(shù)據(jù)及趨勢(shì)趨同。京滬高鐵57#橋墩兩靜力水準(zhǔn)沉降數(shù)據(jù)基本吻合，7月8日-11日數(shù)據(jù)完全相同，并且同期數(shù)據(jù)對(duì)比小于0.2 mm,相對(duì)于全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)，差距最大在7月9日，為0.6 mm，三條數(shù)據(jù)曲線在監(jiān)測(cè)時(shí)間段整體測(cè)量數(shù)據(jù)及趨勢(shì)趨同，差異幅度不大。

圖10 京滬高鐵56#、57#橋墩橋墩沉降量

3.3 數(shù)據(jù)評(píng)估

通過(guò)以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可看出兩種監(jiān)測(cè)方法測(cè)量結(jié)果趨勢(shì)基本吻合。但是由于采用全站儀測(cè)量的數(shù)據(jù)有人為因素誤差，且列車通過(guò)時(shí)會(huì)對(duì)靜力水準(zhǔn)儀、傾角儀瞬時(shí)讀數(shù)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，從而數(shù)據(jù)在某些時(shí)間離散波動(dòng)比較大，但整體說(shuō)明RocMOS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)具有高度有效性和可靠性。

3.4 特點(diǎn)對(duì)比

基于鄰近高鐵橋梁施工不同監(jiān)測(cè)手段的運(yùn)用，現(xiàn)將Roc-MOS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)全站儀人工測(cè)量特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 RocMOS變形監(jiān)測(cè)與全站儀人工測(cè)量特點(diǎn)對(duì)比

4 結(jié)論

本文以南京市佳營(yíng)南路下穿京滬高鐵等多條高鐵橋梁施工為研究背景，基于RocMOS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在U槽、盾構(gòu)施工中的運(yùn)用，對(duì)既有高鐵橋墩沉降變形進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和分析，獲得了橋墩沉降位移的發(fā)展規(guī)律。該系統(tǒng)不但可及時(shí)、有效、快速收集施工過(guò)程中的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，反映施工中對(duì)高鐵設(shè)備的安全影響，還能為高鐵施工智能化、高效化的提供具體的工程實(shí)例，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。