吳天恩

（北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，北京 100000）

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國高速鐵路也得到快速發(fā)展，已成為我國交通網(wǎng)的重要組成部分。路基作為高速鐵路軌道的基礎(chǔ)，其具有的強(qiáng)度和穩(wěn)定性直接決定了高鐵軌道的平穩(wěn)性，以及列車運(yùn)行的速度和安全性。為了保證高鐵線路的穩(wěn)定性，在線路施工過程中必須建立健全的監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)工程各單元和重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行變形監(jiān)測，為工程施工和線路后期使用提供質(zhì)量控制[1-2]。而在新建高鐵橋梁施工作業(yè)過程中，周邊土體會(huì)因橋梁樁體發(fā)生一定的位移，從而對(duì)鄰近鐵路橋墩的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響，必須在施工過程中對(duì)鄰近的橋墩進(jìn)行監(jiān)控測量，并將信息及時(shí)準(zhǔn)確地反饋至建設(shè)監(jiān)理單位，并對(duì)變形超限提出預(yù)警并采取相應(yīng)的加固措施，為后續(xù)線路正常營運(yùn)，以及施工范圍內(nèi)的建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提供保障[2]。

1 工程概況

濟(jì)南某高鐵線路位于山東省中部，是山東省城際鐵路網(wǎng)的重要組成部分，正線建筑長度116.247 km，運(yùn)營長度116.231 km，新建正線橋梁56 座49.098 km，隧道23 座42.395 km，橋隧總長91.493 km，橋隧比例78.71%。于新建濟(jì)南東特大橋上跨既有高鐵、聯(lián)絡(luò)線工程，交叉點(diǎn)分別處于特大橋48 號(hào)—56 號(hào)墩之間，交角約37°，以及聯(lián)絡(luò)線雙線特大橋42 號(hào)—50 號(hào)墩之間，交角約37°。擬采用（68+128+68）m 連續(xù)梁上跨既有高鐵、聯(lián)絡(luò)線后于東繞城高速前折向南，沿東繞城高速西側(cè)前行。新建（68+128+68）m 連續(xù)梁梁高5.6~10 m，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，連續(xù)梁采用轉(zhuǎn)體施工，橋下既有橋軌面至新建（68+128+68）m 連續(xù)梁梁底最小凈空為11.66 m。為了保障施工安全，需對(duì)既有高鐵48 號(hào)—56 號(hào)墩、聯(lián)絡(luò)線42 號(hào)—50 號(hào)墩進(jìn)行沉降變形、橫向水平變形和縱向水平變形監(jiān)測。

為了滿足監(jiān)測需要，需要將施工引起的一系列鐵路橋墩的動(dòng)態(tài)變化信息及時(shí)反饋到建設(shè)單位、設(shè)備管理單位、設(shè)計(jì)單位及施工單位；及時(shí)預(yù)報(bào)既有鐵路橋墩沉降趨勢(shì)，供鐵路運(yùn)營部門決策使用；對(duì)變形超限，提前預(yù)警，一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)值達(dá)到或者超過預(yù)警值，采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理，停止施工或者采取加固措施，保障相鄰線路的正常營運(yùn)，保障施工影響范圍內(nèi)的建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，維護(hù)國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。為了獲取準(zhǔn)確有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)，依據(jù)已有高程控制網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)測，建立監(jiān)測高程控制網(wǎng)，便于將施工過程中標(biāo)高與施工前標(biāo)高進(jìn)行對(duì)比分析。除此之外，在項(xiàng)目施工過程中，對(duì)影響區(qū)域內(nèi)的高鐵橋梁的變形進(jìn)行實(shí)時(shí)在線24小時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測。

2 監(jiān)測作業(yè)方案

2.1 監(jiān)測方法及原則

監(jiān)測方法：對(duì)鄰近鐵路橋墩進(jìn)行水平變形和沉降監(jiān)測，其中水平變形采取在墩頂安裝傾角儀的方式進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測；沉降監(jiān)測采取在墩身上安裝靜力水準(zhǔn)儀的方式進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測，同時(shí)采取定期人工水準(zhǔn)抄平復(fù)核校對(duì)。為了保證監(jiān)測結(jié)果的可信度，監(jiān)測作業(yè)設(shè)計(jì)原則必須遵從可靠性、先進(jìn)性、可擴(kuò)張性、全過程監(jiān)測和方便實(shí)用等原則。

1）監(jiān)測系統(tǒng)的主要技術(shù)和產(chǎn)品應(yīng)具有成熟、穩(wěn)定、實(shí)用的特點(diǎn)，可充分滿足實(shí)際應(yīng)用、技術(shù)開發(fā)及信息管理的需要。保證在惡劣氣候條件下，能進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測。

2）使用成熟的先進(jìn)技術(shù)，各項(xiàng)設(shè)備選型上考慮市場上技術(shù)支持好、服務(wù)力量強(qiáng)、設(shè)備性能穩(wěn)定和擴(kuò)展性好的品牌，確保設(shè)計(jì)具有先進(jìn)性及前瞻性。

3）在系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，應(yīng)保證系統(tǒng)在一定時(shí)期內(nèi)的先進(jìn)性前提下，設(shè)計(jì)具有良好擴(kuò)展性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選擇具有良好擴(kuò)展性和升級(jí)能力的產(chǎn)品，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊化，以保證整個(gè)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

4）監(jiān)控項(xiàng)目中的測點(diǎn)采用遠(yuǎn)距離自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)，配備計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件以便及時(shí)處理量測數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中采用設(shè)置警戒值系統(tǒng)，以保證對(duì)線路的全過程24 小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5）為減少監(jiān)測對(duì)線路運(yùn)營之間的干擾，監(jiān)測系統(tǒng)的安裝和使用應(yīng)盡量做到方便實(shí)用。

2.2 監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)及數(shù)量

48#—56#計(jì)9 個(gè)橋墩，每個(gè)橋墩墩頂上（箱體內(nèi)）布設(shè)1 個(gè)靜力水準(zhǔn)監(jiān)測點(diǎn)，在57#橋墩上（箱體內(nèi)）布設(shè)1 個(gè)工作基點(diǎn)。在每個(gè)靜力水準(zhǔn)監(jiān)測點(diǎn)上設(shè)置1 個(gè)靜力水準(zhǔn)儀，之間用管線相連，進(jìn)行沉降監(jiān)測，同時(shí)在57#墩距離地面1.2 m 處設(shè)置1 個(gè)人工水準(zhǔn)基點(diǎn)。在48#—56#墩身頂部（箱體內(nèi)）各放置1 個(gè)傾角儀，在57#橋墩墩頂上（箱體內(nèi)）布設(shè)1 個(gè)工作基點(diǎn)，用于測量橋墩的水平位移量。

42#—50#計(jì)9 個(gè)橋墩，每個(gè)橋墩墩頂上布設(shè)1 個(gè)靜力水準(zhǔn)監(jiān)測點(diǎn)，在41#橋墩上布設(shè)1 個(gè)工作基點(diǎn)。在每個(gè)靜力水準(zhǔn)監(jiān)測點(diǎn)上設(shè)置1 個(gè)靜力水準(zhǔn)儀，之間用管線相連，進(jìn)行沉降監(jiān)測，同時(shí)在57#墩距離地面1.2 m 處設(shè)置1 個(gè)人工水準(zhǔn)基點(diǎn)。在42#—50#墩身頂部各放置1 個(gè)傾角儀，在41#橋墩墩頂上布設(shè)1 個(gè)工作基點(diǎn)，用于測量橋墩的水平位移量。

2.3 自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)要求

監(jiān)測頻次。在整個(gè)施工期間，對(duì)既有濟(jì)青高鐵48#—56#和北辛店聯(lián)絡(luò)線42#—50#橋墩的變形狀態(tài)實(shí)施全天24 小時(shí)的自動(dòng)監(jiān)控，如果監(jiān)測超限，能夠通過短信自動(dòng)預(yù)警。根據(jù)自動(dòng)化監(jiān)測的特點(diǎn)，擬定在不同施工階段期間采用不同的數(shù)據(jù)采集頻率。施工前（即施工單位開工之前），需要采集10 次有效數(shù)據(jù)作為自動(dòng)化監(jiān)測的初始值；施工關(guān)鍵期監(jiān)測頻次為20 min 1 次；施工完成后延長監(jiān)測3 個(gè)月的時(shí)段，監(jiān)測頻次為60 min 1 次。同時(shí)采用人工監(jiān)測每月進(jìn)行一次水準(zhǔn)復(fù)核。對(duì)于變形量大的點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況加密監(jiān)測頻次，必要時(shí)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果及時(shí)反饋給業(yè)主、設(shè)備管理方及施工方。觀測值穩(wěn)定一周后方可逐漸降低監(jiān)測頻次，并且當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，應(yīng)及時(shí)提高監(jiān)測頻次：①當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)警值；②監(jiān)測數(shù)據(jù)變化較大或者速率加快；③線路及周邊大量積水、長時(shí)間連續(xù)降雨；④周邊地面突發(fā)較大沉降或出現(xiàn)嚴(yán)重開裂。

監(jiān)測預(yù)警參考值。鄰近施工引起的橋墩的豎向位移和水平位移，會(huì)進(jìn)一步反映到上部結(jié)構(gòu)直至軌面。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)上部軌道而言，可以近似認(rèn)為軌面與軌道板的變形一致。為了鐵路運(yùn)行的安全，將鄰近鐵路橋墩的累積沉降量及沉降速率限值取為2 mm（高鐵）和3 mm（聯(lián)絡(luò)線），并分為三級(jí)預(yù)警，并按照限值的60%、75%、90%分別作為黃色、橙色及紅色預(yù)警限值。如果出現(xiàn)變形速率或者累積沉降量大于預(yù)警值時(shí)，則需要及時(shí)將監(jiān)測結(jié)果反饋給業(yè)主、設(shè)計(jì)單位、設(shè)備管理方及施工方。

超出預(yù)警值時(shí)的應(yīng)急措施，如圖1 所示。發(fā)現(xiàn)沉降達(dá)到黃色預(yù)警值時(shí)，第一時(shí)間告知施工單位，提醒對(duì)方對(duì)施工安全措施進(jìn)行檢查，同時(shí)通知監(jiān)理單位、業(yè)主、工務(wù)段。繼續(xù)跟蹤監(jiān)測，查看沉降趨勢(shì)是否有減緩跡象，如果沉降趨勢(shì)加重，達(dá)到橙色預(yù)警值時(shí)，立即向應(yīng)急處置小組報(bào)告。建議應(yīng)急處置小組全體成員第一時(shí)間到達(dá)現(xiàn)場，按照各自職責(zé)開展工作，立即啟動(dòng)應(yīng)急處置方案。同時(shí)加大監(jiān)測頻率，與各方實(shí)時(shí)共享最新監(jiān)測數(shù)據(jù)，如果沉降量達(dá)到紅色預(yù)警，建議立即停工，采取措施直至消除隱患。

2.4 監(jiān)測基準(zhǔn)控制網(wǎng)

監(jiān)測基準(zhǔn)控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)：基準(zhǔn)控制網(wǎng)包含基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)，在施工影響區(qū)域附近選取穩(wěn)定點(diǎn)，以此點(diǎn)為基點(diǎn)取初始值，定期測量對(duì)比，現(xiàn)場設(shè)置3 個(gè)水準(zhǔn)基點(diǎn)和2 個(gè)工作基點(diǎn)，工作基點(diǎn)均設(shè)置在靜力水準(zhǔn)路線的工作基點(diǎn)附近，水準(zhǔn)基點(diǎn)距離監(jiān)測現(xiàn)場的距離大于200 m，遠(yuǎn)離變形影響的范圍區(qū)域?；鶞?zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)組成的控制網(wǎng)，按照二等水準(zhǔn)測量進(jìn)行定期復(fù)測，以檢核工作基點(diǎn)的穩(wěn)定性。

水準(zhǔn)測量注意事項(xiàng)：必須嚴(yán)格按照相應(yīng)等級(jí)水準(zhǔn)測量規(guī)程和工程施工技術(shù)要求進(jìn)行施測和平差計(jì)算，確保監(jiān)測起始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；為了保證測量精度、減少測量過程中系統(tǒng)誤差對(duì)測量結(jié)果的影響，從人、機(jī)、環(huán)境、測量路線和觀測點(diǎn)控制5 個(gè)方面進(jìn)行“五固定”控制，以提高觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。即在實(shí)施變形監(jiān)測過程中，要選擇培訓(xùn)合格和責(zé)任心強(qiáng)的固定技術(shù)人員，并且固定監(jiān)測過程中技術(shù)人員定位，制定最為合理優(yōu)化的觀測路線和觀測方法，觀測路線和觀測方法必須做到有檢核、有平差，要消除不同儀器設(shè)備系統(tǒng)誤差差異，為了消除外界溫度、濕度等對(duì)觀測結(jié)果造成的誤差影響，觀測時(shí)間段必須統(tǒng)一。

3 主要監(jiān)測設(shè)備及應(yīng)用

3.1 靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)

靜力水準(zhǔn)儀是利用連通液的原理進(jìn)行沉降觀測，多支連通管連接在一起的儲(chǔ)液面總是在同一水平面上，通過測量不同儲(chǔ)液罐的液面高度，經(jīng)過計(jì)算可以得出各個(gè)靜力水準(zhǔn)儀的相對(duì)差異高度值。其中，壓差式靜力水準(zhǔn)儀是由儲(chǔ)液器、高精度感應(yīng)器、處理模塊和保護(hù)罩等部件組成，由于壓差式靜力水準(zhǔn)儀量程較大，可以直接進(jìn)行貼地式的安裝，不需要建設(shè)觀測墩找平處理，并且體積較小，不會(huì)影響鐵路運(yùn)行安全，儀器測量精度高達(dá)±0.2 mm，數(shù)據(jù)采樣頻率高達(dá)3 min 每次，可以滿足高精度自動(dòng)化監(jiān)測要求，因此采用以壓差式靜力水準(zhǔn)儀為核心組成的靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)。整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)由壓差式靜力水準(zhǔn)儀、數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、中心信號(hào)接收及處理裝置、服務(wù)器及計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)組成，通過構(gòu)建的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程接收、處理和監(jiān)測信息實(shí)時(shí)反饋，整個(gè)系統(tǒng)可以做到監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、客戶端數(shù)據(jù)接收和可視化分析等多種自動(dòng)化功能。

3.2 傾角儀

本次監(jiān)測選用HC-X336 雙軸傾角傳感器，主要用于進(jìn)行傾角測量，測量范圍±1～±15°，長期穩(wěn)定性小于0.002°，高抗震性能大于20 000 g，IP68 防護(hù)等級(jí)。其原理是通過測量監(jiān)測點(diǎn)在不同時(shí)間段靜態(tài)重力加速度的動(dòng)態(tài)變化，將變化值轉(zhuǎn)換成傾角變化，進(jìn)而測量監(jiān)測點(diǎn)線與預(yù)先設(shè)定的假定水平面之間的夾角或者傾斜參數(shù)，而傳感器內(nèi)設(shè)的溫度補(bǔ)償對(duì)傳感器測定傾斜參數(shù)時(shí)刻的環(huán)境溫度進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償修正。而在監(jiān)測過程中，根據(jù)雙軸中軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向的改變進(jìn)行計(jì)數(shù)測定，并根據(jù)計(jì)數(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行計(jì)算，獲取軸位置位移量和變化速率。

3.3 數(shù)據(jù)采集儀

數(shù)據(jù)采集利用數(shù)據(jù)傳感器通過設(shè)置的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，將獲取的光電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后通過數(shù)據(jù)傳輸至后端網(wǎng)絡(luò)PC 機(jī)。為了保證數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)姆€(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，采集設(shè)備在非工作狀態(tài)自動(dòng)實(shí)行斷電保護(hù)，每次數(shù)據(jù)采集均采用單一指令對(duì)傳感器IP 地址進(jìn)行采集，為了避免其他傳感器對(duì)數(shù)據(jù)采集造成干擾，以及避免單一傳感器出現(xiàn)故障對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)造成影響，傳感器采用并聯(lián)方式，均設(shè)置獨(dú)立的IP 地址。

3.4 監(jiān)測系統(tǒng)軟件

監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要是基于監(jiān)測系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，按照工程監(jiān)測需求，基于編程系統(tǒng)開發(fā)，系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測信息的不同類別、不同權(quán)限設(shè)置管理，在設(shè)定權(quán)限內(nèi)讓相關(guān)人員遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)獲取和查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的整體趨勢(shì)、數(shù)值化展示、數(shù)據(jù)下載等數(shù)據(jù)處理和顯示，權(quán)限內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息共享，如圖2 所示。并且通過軟件可以對(duì)變形閾值和超限預(yù)警命令進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)發(fā)生變形異常時(shí)，將預(yù)警信息及時(shí)反饋至相關(guān)人員通信設(shè)備上，從而提升預(yù)警應(yīng)急預(yù)案的啟動(dòng)。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)顯示界面

4 結(jié)束語

為了確保監(jiān)測精度滿足技術(shù)要求，首先采用二等水準(zhǔn)技術(shù)方法對(duì)高鐵既有橋墩進(jìn)行水準(zhǔn)抄平，并通過和附近已知監(jiān)測點(diǎn)與水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測，確保絕對(duì)標(biāo)高，掌握既有橋墩的現(xiàn)狀。為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，設(shè)立遠(yuǎn)程客戶端及手機(jī)客戶端實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)共享，建設(shè)監(jiān)理部門可實(shí)時(shí)查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，掌握現(xiàn)場監(jiān)測變化情況。除此之外，為了達(dá)到監(jiān)測預(yù)警效果，監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯總評(píng)判、變形預(yù)警及處置必須確保及時(shí)性，這就要求施工單位必須依據(jù)監(jiān)測項(xiàng)目的特點(diǎn)建立專業(yè)組織機(jī)構(gòu)，并配備完善的專業(yè)技術(shù)人員。