余衛(wèi)華

中鐵二十二局集團第五工程有限公司 重慶 400700

正文：

引言

高速鐵路橋梁下進行施工作業(yè)，受土方量開挖、混凝土澆筑施工等影響，區(qū)域結構應力重新分配，可能致使高鐵運營線路橋梁墩臺構筑物產生不可逆性變形，危及高鐵區(qū)段安全平穩(wěn)運營。為了滿足高速鐵路高安全和高平順特點，必須對高速鐵路受施工影響區(qū)段進行變形監(jiān)測。液體靜力水準系統(tǒng)因其具有精度高、自動化性能好、實時連續(xù)測量等特點，應用于運營期高速鐵路橋梁結構變形監(jiān)測，可以有效地彌補傳統(tǒng)水準測量監(jiān)測的不足。

本文結合實際工程，從安全、穩(wěn)定、實時的需求出發(fā)，構建實時沉降監(jiān)測系統(tǒng)，采用液體靜力水準儀等設備，融合通信技術和計算機技術，實現(xiàn)對受下穿施工影響的運營高速鐵路橋梁結構的實時監(jiān)測。

1 工程概況

重慶新建潼南至榮昌高速公路（簡稱潼榮高速），從某運營高速鐵路橋梁段的第17孔（16#與17#墩間）和第18孔（17#墩與18#臺間）穿過，現(xiàn)場工況如圖1所示，道路中心線與鐵路橋梁中心線交角為84°，道路防撞墻邊緣至鐵路橋墩邊緣的最小距離為6.79m，道路側溝邊緣至鐵路橋墩承臺邊緣的最小距離為1.5m，道路面至鐵路梁底的最小距離為8.42m，道路路基下方采用管徑為108mm的鋼花樁注漿處理，樁長7.5m，間隔1.2m。路基挖方955.5m3，填方1874.8m3；路基基底采取注漿加固，注漿深度為4.6m，注漿面積為1425m2，總注漿量為1156.8m3?？?8#臺側由于路基需要挖深約4m，設計采用斷面為1.5m*2.0m、樁長為12m、樁間距為4.5m的C30鋼筋砼1-7#樁板墻對鐵路橋臺進行防護，樁邊緣至鐵路橋墩承臺邊緣的最小距離為3.0m。

圖1 項目現(xiàn)場工況

2 監(jiān)測內容和監(jiān)測時間

根據相關規(guī)范、監(jiān)測合同和方案，結合現(xiàn)場實際情況，本項目監(jiān)測內容主要為：對受下穿施工影響的高速鐵路橋梁段16#、17#墩和18#臺進行實時沉降監(jiān)測，并通過人工周期沉降監(jiān)測對實時監(jiān)測成果進行檢核。

監(jiān)測時間覆蓋下穿運營期某高速鐵路交叉施工全過程，實時監(jiān)測采用24小時不間斷自動化測量手段進行數(shù)據采集，人工周期監(jiān)測每7天監(jiān)測一期，用于對實時監(jiān)測數(shù)據檢核。

3 監(jiān)測技術

3.1 實時沉降監(jiān)測

自動化實時監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據采集器（液體靜力水準儀）、遠程監(jiān)測數(shù)據傳輸系統(tǒng)、數(shù)據處理中心三部分構成。在16#、17#墩和18#臺沿線路方向兩側（左側和右側）各安裝1臺液體靜力水準儀，在施工影響范圍外安裝1臺液體靜力水準儀作為基準點，共布設7臺液體靜力水準儀，如下圖所示。

圖2 液體靜力水準儀布設位置

液體靜力水準儀利用連通管的原理，由通液管連接在一起的多個儲液罐的液面總是在同一水平面，將基準點置于一個相對測點穩(wěn)定的水平點，其他儲液罐置于標高大致相同的不同位置，當其他儲液罐相對于基準罐發(fā)生升降時，將引起該罐內液面的上升或下降。通過測量液位的變化，了解監(jiān)測點相對基準點的升降變形。在液體靜力水準儀中灌入適當防凍液，減小溫度變化監(jiān)測的影響。本項目采用振弦式液體靜力水準儀，其主要技術指標如表1所示。

表1 液體靜力水準儀主要技術指標

實時監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)完全無人職守的全自動化變形監(jiān)測。該系統(tǒng)在智能化計算機軟件的支持之下，通過無線的方式控制液體靜力水準儀對監(jiān)測主體變形情況進行連續(xù)、實時數(shù)據采集，在24小時無人職守的情況下，以亞毫米級的精度全天候監(jiān)測目標變形。

3.2 人工周期沉降監(jiān)測

人工周期沉降監(jiān)測點布設于橋墩沿線路方向兩側，處于靜力水準儀正下方，共6個沉降監(jiān)測點；在遠離交叉施工影響區(qū)域的穩(wěn)定地點布置4個沉降監(jiān)測基準點，整個觀測過程中保證基準點的穩(wěn)定、可靠，且有檢核條件。

圖3 沉降監(jiān)測點位布設位置

本項目人工沉降監(jiān)測采用二等水準觀測，使用檢定合格的Trimble DiNi03電子水準儀，配合銦瓦條碼尺進行數(shù)據采集，儀器主要技術指標如表2所示。測量作業(yè)嚴格按照相關規(guī)范要求執(zhí)行，每期監(jiān)測任務完成后檢驗數(shù)據是否滿足精度要求，如不滿足則重新觀測。

表2 Trimble DiNi03主要技術指標Tab.2 Main technical indexes of Trimble DiNi03

3.3 預警值設置

按照《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規(guī)程》（TB 10182-2017）規(guī)定，不限速條件下，受下穿工程影響的高速鐵路橋梁墩墩頂豎向位移限值為2mm。本監(jiān)測方案中采用三級預警機制，結合實際工程，各級預警值設置如表3所示。

表3 沉降監(jiān)測三級預警限值設置Tab.3 Three-level warning limit setting of settlement monitoring

4 監(jiān)測結果

4.1 實時沉降監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性驗證

靜力水準儀在監(jiān)測期間，外界溫度的變化會對液面的升降產生影響，從而導致實時監(jiān)測數(shù)據的波動。同時，高速列車通過時產生的振動也會導致液面的波動。為了保證監(jiān)測數(shù)據能真實有效地反映高鐵橋墩沉降變化趨勢，驗證外界溫度變化和高速列車通行產生振動對實時監(jiān)測數(shù)據的影響，在實時監(jiān)測系統(tǒng)調試完成后，按每1h一次的頻率連續(xù)進行120小時（5天）的測試，獲取基準點和6個監(jiān)測點的實時監(jiān)測數(shù)據進行分析。圖4為各靜力水準儀液面高度隨時間的變化值，圖5為各監(jiān)測點相對基準點的差異沉降變化值。

圖4 液體靜力水準儀液面高度變化

從圖4可以看出，各靜力水準儀數(shù)據呈周期性波動變化。由于監(jiān)測開始前5天，現(xiàn)場施工較少，可以認為數(shù)據變化主要跟溫度有關，在溫度升高時，其液面降低，當溫度下降時，其液面開始回升，變化周期為24h。在列車通過時，各靜力水準儀液面高度變化不明顯。

圖5 監(jiān)測點差異沉降變化

差異沉降是同一時刻各監(jiān)測點液面變化值與基準點液面變化值的差值，能真實反映高鐵橋墩的沉降變化。對各監(jiān)測點差異沉降的波動性進行分析，其差異沉降變化值基本處于（-0.5mm，0.5mm）內，統(tǒng)計各監(jiān)測點數(shù)據的均值和中誤差，檢驗實時沉降監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性。統(tǒng)計結果如表4所示。

表4 監(jiān)測數(shù)據穩(wěn)定性統(tǒng)計分析

中誤差表示數(shù)據相對于均值的離散程度，中誤差越小，監(jiān)測數(shù)據越穩(wěn)定。從表4中可以看出，各監(jiān)測點差異沉降值的中誤差均不超過0.2mm，說明監(jiān)測點波動性不大，實時監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

4.2 沉降監(jiān)測成果分析

將獲取的每24h監(jiān)測數(shù)據取均值，作為高鐵橋墩當日的沉降變化值，對6個監(jiān)測點70天的差異沉降數(shù)據進行統(tǒng)計分析，如圖6所示。監(jiān)測期內，最大沉降變化發(fā)生在橋臺監(jiān)測點18Z，累計抬升變化0.7mm，橋臺另一監(jiān)測點18Y累計抬升變化0.5mm；橋墩監(jiān)測點16Z、16Y、17Z和17Y沉降變化較小，變化量位于（-0.2mm，0.1mm）內。所有監(jiān)測點沉降變化量均小于Ⅰ級預警值1.4mm。

為驗證實時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據的可靠性，在下穿工程施工過程中，以沉降量最大的監(jiān)測點18Z的監(jiān)測數(shù)據為例，將人工監(jiān)測數(shù)據與實時監(jiān)測數(shù)據進行對比分析。如圖7所示。

圖7 實時監(jiān)測和人工周期監(jiān)測成果對比結果

從圖7可看出，兩種監(jiān)測方法的變形趨勢具有一致性，且相同時間兩者的成果較差小于0.5mm，說明實時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據成果準確可靠。

5 結論

針對重慶新建潼榮高速下穿某運營期高速鐵路工程項目，構建了運營期高速鐵路實時監(jiān)測系統(tǒng)。通過實踐證明：該實時沉降監(jiān)測系統(tǒng)在本項目工作環(huán)境中具有穩(wěn)定性；實時監(jiān)測成果與人工周期監(jiān)測成果反映的高速鐵路變化趨勢基本一致，表明監(jiān)測系統(tǒng)在運營期高速鐵路實時沉降監(jiān)測中的應用可行。

該監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了運營高速鐵路的遠程、實時、連續(xù)、高精度監(jiān)測，能夠為運營期高速鐵路同類型的實時監(jiān)測提供借鑒。