楊秉輝

（鄭萬鐵路客運專線河南有限責(zé)任公司 運輸安全部，河南鄭州 450000）

0 引言

隨著城市化進程不斷發(fā)展，道路、管線等市政工程網(wǎng)日趨完善，與高鐵產(chǎn)生交叉的市政基礎(chǔ)設(shè)施越來越多，臨近高鐵營業(yè)線施工項目也大量增加。由此對高速鐵路施工安全管理和安全運營要求也越來越高，而高速鐵路變形監(jiān)測［1］數(shù)據(jù)的高效性、準確性、實時性也成為高速鐵路施工安全管理的重中之重。

高速鐵路在舒適性、平順性、安全性等方面都有很高要求，運行過程中易受高鐵臨近營業(yè)線施工干擾，因此，在高鐵臨近營業(yè)線施工期間，對變形監(jiān)測精度和監(jiān)測頻率要求也越來越高。傳統(tǒng)的人工監(jiān)測受儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)處理及天窗點等限制很難做到實時監(jiān)測，且在測量過程中受地形條件、施工環(huán)境等因素限制也較大。因此，自動化監(jiān)測技術(shù)［2］應(yīng)運而生。

自動化監(jiān)測不但可對測點進行全天候、全自動數(shù)據(jù)采集，而且系統(tǒng)可自動生成監(jiān)測成果報告，并能實時發(fā)送到鐵路設(shè)備管理單位，當(dāng)變形量接近警戒值時，還能進行主動提醒，通過自動撥打電話、發(fā)送短信、平臺消息提醒等方式通知相關(guān)管理單位。自動化監(jiān)測具備自動存儲數(shù)據(jù)功能，可保留大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，并利用監(jiān)測數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)分析模型進行快速分析比對，利用監(jiān)測大數(shù)據(jù)，整合歸納，為監(jiān)測科研提供理論數(shù)據(jù)支撐。基于自動化監(jiān)測技術(shù)的突出特點，各種自動化監(jiān)測技術(shù)應(yīng)運而生，形成了監(jiān)測幾何變量和物理變量的多種監(jiān)測傳感器，如位移計、靜力水準儀、裂縫計、水壓計、激光收斂計等。

何曉業(yè)［3］以CCD核心傳感器的靜力水準系統(tǒng)的標定方法和數(shù)學(xué)擬合過程證明了該方法的可行性；郭曉菲［4］提出了使用磁致伸縮液位傳感器取代傳統(tǒng)傳感器的設(shè)想，并應(yīng)用到實踐，驗證了所有性能參數(shù)均能滿足工程實際需要；張高帥［5］將靜力水準相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到高速鐵路線下工程變形監(jiān)測中，取得了良好效果。

以靜力水準儀在高鐵沉降監(jiān)測中的應(yīng)用為例，論述自動化監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢和可行性，及其在鐵路施工過程中數(shù)據(jù)處理的精確性、推廣的經(jīng)濟性和安全管理的高效性。

1 靜力水準儀原理

靜力水準儀的原理是將連通液管連接一系列傳感器容器，其中每個容器的初始液位由內(nèi)部精密位移傳感器測出，當(dāng)液位發(fā)生變化時，傳感器感應(yīng)桿上的自由浮球會隨之升降，浮球位移由傳感器感應(yīng)，以電信號的形式被采集進而轉(zhuǎn)化成沉降物理量輸出。靜力水準儀根據(jù)其傳感器不同又分為：光電式（CCD）、振弦式、電容式［6］、壓差式。其測量原理［7］見圖1、圖2，共布設(shè)n個測點，1號為相對基準點。

圖1 初始狀態(tài)靜力水準測量［7］

圖2［7］ 任意狀態(tài)靜力水準測量

初始狀態(tài)時各測點安裝底面相對于基準面間的距離為：Y01、Y02、…、Y0i、…、Y0n，（i為測點代號，i=1，2，…、n）；各測點安裝底面與液面間的水平距離為：h01、h02、h0i、…、h0n，

當(dāng)發(fā)生不均勻沉降后，設(shè)各測點安裝底面的相對變化量為：Δhj1、Δhj2、Δhji、…、Δhjn（j為測次代號，j=1，2，3…n）；各測點容器內(nèi)液面水平線相對于變化后安裝底面的距離為hj1、hj2、hji、…、hjn；變化后安裝底面相對于基準面間的距離為Yj1、Yj2、…、Yji、…、Yjn。

2 工作流程

基于靜力水準儀的測量系統(tǒng)［8］包括傳感器端數(shù)據(jù)采集、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯總及平臺信息發(fā)布、供電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理云平臺，處理數(shù)據(jù)的工作流程見圖3。

圖3 靜力水準儀工作流程圖

3 應(yīng)用案例

3.1 監(jiān)測對象

以市政道路施工穿越某高速鐵路為例，對道路施工影響范圍內(nèi)的鐵路橋墩進行沉降觀測。根據(jù)道路與該高速鐵路的相對位置關(guān)系和TB 10101—2018《鐵路工程測量規(guī)范》要求，確定沉降觀測范圍為：鐵路橋第436#—440#橋墩，需觀測橋墩共5個。以市政道路下穿處的437#、438#2個橋墩為研究對象。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

靜力水準儀是通過連通液面的變化來反映沉降變化的，溫度變化會導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)波動。此外，臨近既有線高速列車通過時產(chǎn)生的振動也會導(dǎo)致液面波動。

由于施工開挖及回填階段對高鐵橋墩影響最大［9-10］，在此選取12月份數(shù)據(jù)進行分析，其中2018年12月6—7日是開挖、灌漿、回填階段（見圖4）。

圖4 2018年12月6日437#橋墩監(jiān)測數(shù)據(jù)

437#橋墩在12月6日進行回填土，從圖4可知，4：23前沉降最大，為0.363 mm；在22：23時沉降最小，為-0.008 mm。

12月7日，437#橋墩灌注隔離樁時，13：23時沉降最大，為0.451 mm，2：23時沉降最小，為-0.129 mm（見圖5）。

圖5 2018年12月7日437#橋墩監(jiān)測數(shù)據(jù)

437#橋墩的12月曲線圖，沉降均＜1 mm，對橋墩的監(jiān)測均符合規(guī)范要求的精度（見圖6）。

圖6 437#橋墩的12月份沉降曲線

同時間段沉降差：437#橋墩在2：23沉降差最大，為-0.533mm，10：23沉降差最小，為-0.027mm（見表1）。

表1 437#橋墩施工期間各時段監(jiān)測數(shù)據(jù)

12月6日，437#橋墩回填土?xí)r，438#橋墩在4：23前沉降最大，為0.332 mm，在9：23時沉降最小，為0.148 mm（見圖7）。

圖7 2018年12月6日438#橋墩監(jiān)測數(shù)據(jù)

12月7日，437#橋墩灌注隔離樁時，438#橋墩在1：23時沉降最大，為0.442 mm，在2：23時位移最小，為-0.043 mm（見圖8、圖9）。

圖8 2018年12月7日438#橋墩監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖9 2018年12月438#沉降曲線

438#橋墩的12月沉降曲線圖，沉降均＜1 mm，對橋墩的監(jiān)測均符合規(guī)范要求的精度。

同時間段沉降差：438#橋墩在4：23分沉降差最大，為-0.374 mm，最小為-0.058 mm（見表2）。

表2 438#橋墩施工期間各時段監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋

4.1 與傳統(tǒng)監(jiān)測對比優(yōu)勢

傳統(tǒng)人工監(jiān)測通常用高精度電子水準儀施測，按二等水準的測量要求進行反復(fù)監(jiān)測，現(xiàn)場情況往往處處受限，如施工圍擋造成視線不通、現(xiàn)場地形起伏較大造成高程傳遞時多次迂回搬站、基坑挖掘過深造成人員無法靠近立尺或測量等。

與傳統(tǒng)人工測量相比，靜力水準儀監(jiān)測技術(shù)除了能完美避開上述情況，還能快速、實時、高效地為鐵路設(shè)備管理單位在施工回填時，提供高鐵橋墩沉降參考數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)變化采取有效的管理措施。

2000年以前，實時監(jiān)測一直是設(shè)想，隨著電子科技飛速發(fā)展，實時監(jiān)測已經(jīng)達到監(jiān)測人員足不出戶就可以收到來自遠方的精密數(shù)據(jù)信息。目前基于靜力水準儀的自動化沉降監(jiān)測技術(shù)已取得較大進展，傳統(tǒng)人工在線上測量時，需天窗點作業(yè)，對行車組織要求高，對鐵路從業(yè)人員的安全也是考驗?；陟o力水準儀的特性，尤其在偏僻、高寒、深山、城鄉(xiāng)結(jié)合部等氣象條件或人文情況復(fù)雜地區(qū)，靜力水準儀有人工監(jiān)測無可比擬的優(yōu)勢。

與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，靜力水準儀監(jiān)測具有以下特點：（1）精度較高。其變形誤差值均在相關(guān)規(guī)范的限值之內(nèi)，符合高鐵橋墩沉降監(jiān)測規(guī)范要求，實例證明靜力水準測量精度完全可用于高鐵橋墩的變形監(jiān)測；（2）沉降曲線線性走向一致。在橋墩荷載變大或施工影響時，變化曲線同時出現(xiàn)波峰或波谷，線形起伏較大且變化幅度相當(dāng)；在未施工期間，線形較平緩且變化幅度相當(dāng)；在同一時間內(nèi)達到波峰，又在同一時間內(nèi)達到波谷，可證明靜力水準測量在沉降監(jiān)測中可精準反映出監(jiān)測點的位移變化。

4.2 信息管理平臺用戶反饋

傳感器將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到信息管理平臺，按照相關(guān)標準與規(guī)范，信息管理平臺對不同測點的數(shù)據(jù)進行分組、整理后，自動進行各測點的差值計算，呈現(xiàn)出各測點變化后的變形曲線和圖形，使監(jiān)測結(jié)果完整展現(xiàn)給平臺用戶。

平臺用戶利用電腦、手機、平板也可實時查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中包括數(shù)據(jù)報表、沉降趨勢變化分析及達到預(yù)警狀態(tài)的鐵路橋墩變化量。監(jiān)測數(shù)據(jù)在平臺上實時更新，平臺用戶可隨時隨地查看。

平臺用戶也可隨時查看歷史、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)以及預(yù)警、報警信息，實現(xiàn)真正意義上足不出戶的遠程監(jiān)測。

對超出警戒閾值，系統(tǒng)平臺會發(fā)出預(yù)警信息和報警，及時以短信形式將預(yù)測和警示結(jié)果發(fā)給相關(guān)部門，使監(jiān)測結(jié)果反饋更具時效性，以便在第一時間制定有效的應(yīng)急預(yù)案，達到消除隱患的目的。

平臺信息管理系統(tǒng)把每個測點的有效信息都保存在數(shù)據(jù)庫里，以供用戶查詢、下載、分析，能保證數(shù)據(jù)的安全與有效，時時確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性和可追溯性。

5 結(jié)束語

（1）靜力水準儀監(jiān)測系統(tǒng)在高鐵監(jiān)測中的應(yīng)用，充分發(fā)揮了其高精度、實時監(jiān)測的特點，全天候預(yù)警能夠高效地實現(xiàn)鐵路施工安全管理目標，能夠精準、科學(xué)地反映高鐵橋墩的變形情況，從而指導(dǎo)臨近高速鐵路線的施工組織安排。

（2）與傳統(tǒng)人工監(jiān)測方法相比，靜力水準儀監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量更豐富，判斷預(yù)測監(jiān)測點變化趨勢更精準。

（3）推廣應(yīng)用前景廣闊。實時、快速，更全面、更直觀、更高效地反映路外施工對高鐵橋梁墩臺造成的沉降變化，有利于設(shè)備管理單位掌握設(shè)備情況，有針對性地指導(dǎo)施工?；陟o力水準儀的監(jiān)測技術(shù)能提高監(jiān)測效率，減少人工作業(yè)強度，節(jié)省項目成本。

（4）經(jīng)濟性顯著。在施工工期較長的項目中，可節(jié)省大量人工成本，降低勞動強度。只需設(shè)備安裝和系統(tǒng)維護人員，人工設(shè)定采集間隔，數(shù)據(jù)自動傳輸。

（5）靜力水準儀監(jiān)測系統(tǒng)只是位移傳感器的一種，在高鐵設(shè)備中運用大量傳感器，如裂縫計、應(yīng)力計、土壓計等，這些傳感器實時收集相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，由物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)連接，協(xié)作運行，以保障高速鐵路的安全運營。

（6）提高監(jiān)測人員的安全系數(shù)。鐵路變形監(jiān)測往往配合施工同時進行，施工工作與監(jiān)測工作互相交叉，監(jiān)測環(huán)境復(fù)雜，使監(jiān)測任務(wù)具有很大安全隱患；而靜力水準儀監(jiān)測技術(shù)的遠程監(jiān)控，無疑給監(jiān)測人員配置了一副實時監(jiān)測的“千里眼”。

（7）靜力水準儀被越來越廣泛的應(yīng)用在地鐵、隧道、市政橋梁及各類設(shè)施的沉降監(jiān)測工作中，但市政工程對監(jiān)測精度要求不高。由于高速鐵路對變形精度要求較高，在高速鐵路橋墩、路基沉降監(jiān)測等領(lǐng)域應(yīng)用和研究較少，在此，進一步擴大和驗證了靜力水準儀的使用范圍。