鄒 鑫

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300251)

1 概述

隨著中國高速鐵路的發(fā)展，工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，跨越地質(zhì)斷裂帶不可避免。 斷裂帶分為活動斷裂帶與非活動斷裂帶兩大類，活動斷裂帶是指晚更新世(1 萬年～12 萬年)以來曾經(jīng)活動，未來仍可能活動的斷裂帶，與地震的發(fā)生具有密切關(guān)系。 活動斷裂不僅可直接錯斷工程構(gòu)筑物，還可能誘發(fā)其他地質(zhì)災(zāi)害。因此，活動斷裂帶監(jiān)測對于發(fā)現(xiàn)災(zāi)害、認識災(zāi)害、減災(zāi)避災(zāi)十分重要。

目前，多采用“水準(zhǔn)測量+鋼尺丈量” 的監(jiān)測方法進行活動斷裂帶監(jiān)測，具體步驟為:在活動斷裂兩側(cè)布設(shè)固定標(biāo)志，用鋼尺進行距離丈量，獲得平面位置變化情況；用水準(zhǔn)儀測量兩點的高差，獲得高度位置變化情況。另外，對活動斷裂進行水平位移監(jiān)測還可以采用水平位移計。 其工作原理為:若錨固點在水平方向上發(fā)生位移，可通過一端固定在錨固板上的銦鋼絲(或鋼纜)傳遞給位移傳感器，從而得到測點處的水平位移。

大同至張家口高速鐵路東起張家口，西至?xí)x北“煤都”大同，是晉北與北京、河北省交流的快速客運通道，也是華北北部地區(qū)鐵路快速客運網(wǎng)主要客運干線。 該線設(shè)計速度為250 km/h，線路長141.3 km，全線控制性工程為長13.4 km 的大梁山隧道。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及《地震安全性評價報告》，影響本線的主要斷裂帶為懷安鎮(zhèn)盆地南緣斷裂帶、天鎮(zhèn)—陽高盆地北緣斷裂帶及恒山北麓斷裂帶[2]。 這些斷裂帶東起天鎮(zhèn)縣，向西經(jīng)瓦窯口、孫仁堡，止于大同鎮(zhèn)川堡，全長約90 km。 斷裂帶與大張高鐵相交于大梁山隧道出口段(斷層編號為F011，為正斷層)，線路里程為DK68+810 ～DK68+935，總體走向NW，產(chǎn)狀186∠65°，斷距大于15 m，斷層寬3 m，破碎帶寬約200 m。 斷裂帶分布見圖1。

圖1 大張高鐵斷裂帶平面范圍示意

2 監(jiān)測思路

應(yīng)根據(jù)活動斷裂帶的分布、埋深、類型、性質(zhì)、交叉關(guān)系等設(shè)計活動斷裂帶地區(qū)監(jiān)測方案，原則上，需通過監(jiān)測及時發(fā)現(xiàn)高速鐵路構(gòu)筑物受活動斷裂帶位移的影響(含水平位移與垂直位移)，以保證鐵路施工與運營安全，并為工程建設(shè)及鐵路運營維護提供可靠的數(shù)據(jù)和信息。

由于活動斷裂帶監(jiān)測是一個長期的實時性的監(jiān)測工程，人工測量無法滿足其要求。 因此，決定采用自動化監(jiān)測為主，人工監(jiān)測為輔的方式。 其中，隧道結(jié)構(gòu)的水平、垂直位移監(jiān)測依托中國鐵設(shè)自主開發(fā)的高鐵(城軌)綜合監(jiān)測和檢測系統(tǒng)平臺實現(xiàn)。

3 自動化監(jiān)測方法

本次大張高鐵活動斷裂帶監(jiān)測設(shè)計有兩套方案:①采用全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)對活動斷裂帶的水平與垂直位移進行監(jiān)測，并通過人工監(jiān)測手段對監(jiān)測點的水平與垂直位移進行季度性檢測；②采用陣列式位移傳感器(SAA)監(jiān)測系統(tǒng)對隧道內(nèi)垂直位移進行監(jiān)測，并通過人工監(jiān)測手段對隧道內(nèi)監(jiān)測點的垂直位移進行季度性檢測。

3.1 全站儀自動化監(jiān)測

全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)由3 部分組成:數(shù)據(jù)采集端、服務(wù)器端(負責(zé)數(shù)據(jù)解算、發(fā)布等)、用戶端(登錄數(shù)據(jù)發(fā)布網(wǎng)站瀏覽、下載數(shù)據(jù))。

①數(shù)據(jù)采集端

主要由控制器和全站儀組成，控制器定期啟動全站儀對目標(biāo)點進行多測回觀測，并將數(shù)據(jù)發(fā)往服務(wù)器。采用精度為0.5″級全站儀機器人。

②服務(wù)器端

負責(zé)接收監(jiān)測現(xiàn)場發(fā)送的原始觀測數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查與解算，以及通過網(wǎng)站向用戶發(fā)布監(jiān)測成果。

③用戶端

用戶通過電腦、手機等遠程登錄數(shù)據(jù)發(fā)布網(wǎng)站實現(xiàn)在線查詢、下載監(jiān)測信息，以及報表輸出等。

全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成如圖2 所示。 其實現(xiàn)步驟如下。

(1)全站儀及基準(zhǔn)點布設(shè)

在DK68+700、DK68+900 附近各布設(shè)1 臺全站儀，在遠離監(jiān)測區(qū)間大小里程端25 m 和50 m 左右位置各布設(shè)4 個基準(zhǔn)點，作為全站儀觀測的基準(zhǔn)點。 在DK68+780、DK68+820 各布設(shè)1 對連接棱鏡，作為兩臺全站儀觀測的公共點，以保證監(jiān)測網(wǎng)的整體性。 具體布設(shè)位置見表1。

全站儀通過固定支架安裝在線路一側(cè)的洞壁上，架設(shè)高度為2 m，基準(zhǔn)點埋設(shè)高度為軌道板以上1.5 m。 全站儀安裝示意見圖3，基準(zhǔn)點布設(shè)見圖4，連接棱鏡布設(shè)見圖5。

圖2 全站儀監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

表1 基準(zhǔn)點、全站儀布設(shè)里程

圖3 全站儀設(shè)置

圖4 基準(zhǔn)點設(shè)置

圖5 連接棱鏡設(shè)置

(2)監(jiān)測點布設(shè)

依據(jù)Q/CR 9218—2015《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，結(jié)合大張客?，F(xiàn)場實際情況，共布設(shè)20 個監(jiān)測斷面(見表2)。

表2 監(jiān)測點斷面分布

大張高鐵為運營鐵路，在隧道拱頂安裝測點比較困難，且易對行車安全造成隱患。 因此，決定將拱頂測點舍去。 另外，考慮隧道活動斷裂帶對隧道變形的影響在mm 級，為盡可能減少在運營高鐵隧道內(nèi)安裝檢測設(shè)備，僅在隧道洞壁上布設(shè)1 條測線，在隧道左右線側(cè)壁上各埋設(shè)1 個監(jiān)測點(單個斷面)，埋設(shè)高度為距離地面約3 m(如圖6)。

圖6 隧道洞壁監(jiān)測點布設(shè)示意(單位：m)

(3)基準(zhǔn)網(wǎng)測量

①平面基準(zhǔn)網(wǎng)

使用獨立假定坐標(biāo)系，利用全站儀對布設(shè)的基準(zhǔn)點采用自由設(shè)站邊角交會網(wǎng)的方法進行整網(wǎng)測量，構(gòu)建相對坐標(biāo)系。 沿鐵路方向設(shè)為X，垂直于鐵路線路方向設(shè)為Y。 取3 次測量成果均值為基準(zhǔn)點初始值，后續(xù)復(fù)測采用同級擴展的方式更新。

②高程基準(zhǔn)網(wǎng)

利用電子水準(zhǔn)儀對布設(shè)的基準(zhǔn)點進行高程測量，高程基準(zhǔn)網(wǎng)按照變形測量三等規(guī)定執(zhí)行。

(4)監(jiān)測點測量

全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)中，監(jiān)測點采用坐標(biāo)法和三角高程法進行施測。 為保證測量精度，對監(jiān)測點進行分組，按照每3 個斷面為一組(如圖7)。

(5)數(shù)據(jù)發(fā)布

平臺通過圖形化與數(shù)字化呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，采用先宏觀后微觀的形式向用戶展示監(jiān)測信息，可一目了然地把控變形狀態(tài)(如圖8、圖9)。

(6)全站儀監(jiān)測系統(tǒng)特點

圖7 監(jiān)測點測量示意

圖8 監(jiān)測點位置平面

圖9 監(jiān)測點位置實景

①高度集成，插入手機Sim 卡，接通電源即可運行，無需其他附件；

②帶有硬件電源管理模塊，可實現(xiàn)超低功耗運行；

③帶有硬件電量檢測模塊，可自動實時檢測電量，并在電量低時及時發(fā)送短信通知用戶；

④帶有電源輸出開關(guān)，可在全站儀死機的情況下，對全站儀斷電、通電進行硬重啟；

⑤帶有硬件“看門狗”，可保證數(shù)據(jù)采集控制器的可靠性；

⑥帶有數(shù)據(jù)存儲功能，在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的情況下(如采用手機網(wǎng)傳數(shù)據(jù)，信號不理想時)，不影響數(shù)據(jù)的完整性；

⑦可遠程修改數(shù)據(jù)采集控制器的相關(guān)配置；

⑧采用多測回全圓觀測法對監(jiān)測點觀測。

3.2 陣列式位移傳感器(SAA)變形監(jiān)測

SAA 監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和遠程監(jiān)控中心兩部分組成。 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)采集部分包括:SAA傳感器、數(shù)據(jù)采集器、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等模塊。 遠程監(jiān)控中心部分包括:數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)、信息發(fā)布系統(tǒng)。 其組成結(jié)構(gòu)如圖10、圖11 所示。

(1)工作原理

圖10 監(jiān)測系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

圖11 SAA 組成示意

SAA 可進行高頻率測量，最高頻次為30 s/次，短期(監(jiān)測時間＜10 d)測量精度為0.5 mm/32 m，長期(監(jiān)測時間＞1 年)測量精度為1.5 mm/32 m。

SAA 的每個節(jié)段內(nèi)均包含一套三軸加速度計，通過檢測重力場，可以計算出節(jié)段各軸之間的彎曲角度θ，利用計算得到的彎曲角度和已知節(jié)段長度L，可確定每節(jié)段SAA 的變形Δx，即Δx=θ×L；同理，也可以計算出Δy 和Δz。 單節(jié)段示意如圖12 所示。

圖12 單節(jié)段示意

單個節(jié)段變形量為Δx、Δy、Δz，假設(shè)基準(zhǔn)點坐標(biāo)為(x0，y0，z0)，依次連續(xù)對各節(jié)段變形量算術(shù)求和，就得到各個關(guān)節(jié)位置的坐標(biāo)值(xi，yi，zi)，進而得到整套SAA 的三維坐標(biāo)。 一旦任何位置發(fā)生變化， SAA 的三維坐標(biāo)也隨即發(fā)生改變，兩次坐標(biāo)變化值為對應(yīng)關(guān)節(jié)的變化量。 多節(jié)段示意如圖13 所示。

圖13 多節(jié)段示意

(2)陣列式位移傳感器(SAA)布設(shè)

由于DK68+600 ～DK69+000 段位于大梁山隧道出口附近，出口段為有砟軌道，在地面布設(shè)的SAA 陣列式位移傳感器易受列車運行所導(dǎo)致的道砟位移變化影響。 因此，決定將SAA 沿線路水平布設(shè)(布設(shè)在隧道洞壁，高于軌道2 m)，僅用于觀測隧道垂直位移變化。

(3)數(shù)據(jù)發(fā)布

SAA 監(jiān)測系統(tǒng)依托于中國鐵設(shè)開發(fā)的鐵路(城軌)綜合檢測監(jiān)測平臺，實現(xiàn)監(jiān)測工作的實時化、精確化、信息化、自動化。 SAA 沉降監(jiān)測系統(tǒng)如圖14 所示。

圖14 SAA 沉降監(jiān)測系統(tǒng)

(4)SAA 變形監(jiān)測系統(tǒng)特點

①測量精度高，SAA 總長度小于32 m 時精度優(yōu)于1 mm；

②可進行高頻率數(shù)據(jù)采樣，最高頻率為30 s/次；

③防水、防塵、抗壓(可在水下300 m 正常工作)；

④穩(wěn)定性好，監(jiān)測精度不受外界環(huán)境的影響，可在隧道、水底、施工現(xiàn)場等環(huán)境下正常工作；

⑤故障率極低；

⑥安裝簡單，可遠程采集、查看數(shù)據(jù)。

4 優(yōu)缺點分析及方案確定

各監(jiān)測方案的優(yōu)缺點分析見表3。

表3 各監(jiān)測方案的優(yōu)缺點分析

由表3 可知，全站儀僅能對監(jiān)測斷面間的相對位移形變進行監(jiān)測(現(xiàn)方案最小監(jiān)測斷面距離為10 m)，無法判斷斷面間發(fā)生的個別形變。 而陣列式位移傳感器布置是連續(xù)的，其監(jiān)測點也是連續(xù)的，故可判別監(jiān)測范圍內(nèi)任意位置的形變情況。 另外，陣列式位移傳感器可根據(jù)需要盡可能小的設(shè)置監(jiān)測頻次。

由于以上兩點優(yōu)勢，推薦采用陣列式位移傳感器(SAA)監(jiān)測系統(tǒng)僅對大張高鐵活動斷裂帶的垂直位移進行監(jiān)測，同時采用人工監(jiān)測手段對現(xiàn)場情況進行季度性巡檢。

5 結(jié)語

高速鐵路跨越活動斷裂帶監(jiān)測方法的選擇，首先應(yīng)根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及地震安全性評價報告進行活動斷裂的確認鑒定判識工作，再根據(jù)具體的監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測周期、監(jiān)測頻次及監(jiān)測精度選取合適的監(jiān)測方法進行項目應(yīng)用。