基于自由設站的高鐵橋墩水平位移監測方法探討

夏朝龍

摘 要：針對通視條件不足情況下高鐵橋墩水平位移監測，本文引入高鐵CPⅢ軌道平面測量方法進行高鐵橋墩水平位移監測，通過理論分析和工程實例驗證，基于自由設站的高鐵橋墩水平位移監測法設站靈活，能有效應對監測環境不通視等問題，同時，在配合高精度全站儀的情況下，能夠滿足更高精度監測精度要求。

關鍵詞：自由設站；水平位移；邊角交會；CPⅢ軌道控制網

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.248

1 引言

隨著高鐵新建線路及車站基建設施的改造升級，需要橫跨、穿越或臨近既有高鐵線路施工，勢必會危及既有高鐵線路或車站構筑物的安全，因此必須進行變形監測。打樁或基坑等施工破壞了原有地基的穩定狀態，不僅其邊緣會存在沉降和水平位移，而且還會對基坑周邊地層、建造物的地基產生沉降和傾斜效應[5]。為了保障既有高鐵的營運安全，根據國家關于臨近營運高鐵施工管理的相關規定，在施工的過程中按照一定的頻次對既有高鐵線路的沉降和水平位移進行監測。

有時施工監測環境空間有限，例如線下式車站改擴建改造，周邊建筑物的圍擋物較多，通視條件極其有限。而以往高鐵橋墩的水平為監測方法（如視準線法、極坐標法、前方交會等[3，4]）是基于施工區域外可以布設相對穩定的水平位移基準點，并能確保其與大部分監測點通視的條件下才能實測。因此常規水平位移監測方法已不能完全滿足對營運高鐵橋墩水平位移監測的復雜環境。隨著高精度智能全站儀在高鐵測量中的廣泛應用，基于自由設站的水平位移監測方法不僅能有效避免施工干擾，而且還能有效規避監測空間及通視等問題的限制，同時還能有效保障或提升監測的精度及效率。首先本文將介紹這種基于自由設站的橋墩水平位移監測方法，其次將以南方某線下式一級車站的中心站房改擴建工程為例論證該方法的可行性。

2 基于自由設站的水平位移監測方法

2.1 自由設站水平位移測量原理

基于自由測站的CPⅢ平面控制網測量方法是高速鐵路軌道平面控制網施測的主要方式。該方法在沿線路架設全站儀，采用自由測站邊角交會法測量線路兩側多對CPⅢ點的方向和距離，并聯測就近的CPI 或CPⅡ，以獲取CPⅢ控制網點坐標的一種控制網建網測量的方法[2]。CPⅢ平面控制網屬于邊角控制網，它與傳統邊角網測量有很大差異。傳統的邊角網測量是在控制點上設站，采用對向觀測以獲取與相鄰或相近控制點間的邊角關系；而CPⅢ平面控制網則僅以控制點作為觀測對象采用自由測站進行邊角交會測量。

根據《高速鐵路測量規范》要求，相鄰CPIII點間的相對點位中誤差均要求小于1mm，因此CPI或CPII點的觀測距離不宜超過300m，CPIII點的觀測距離不宜超過180m[1]。基于CPⅢ控制網的高精度以及實際中橋墩水平位移監測精度要求和形狀，可以采用自由測站的觀測方法，對線狀或一定寬度的帶狀施工區域周邊的監測點進行水平位移監測。如圖2所示，可以參照CPIII平面控制網形設計水平位移監測網，其中測站位置可根據施工現場的實際情況靈活設置。

2.2 監測網的平差計算及其精度評定

通過上述公式推導，即可獲得監測點坐標及其中誤差，然后根據兩期監測點測量坐標及其中誤差，通過誤差傳播公式計算，可計算出任意兩期水平位移監測之間的變形量及其精度。

3 工程實例

以某線下式一級車站的中心站房改擴建工程為例，該車站設4站臺12線，其中正線4條，到發線8條，站臺為4個島式站臺。站臺長度450m，站臺總寬約120m，站臺屋面分中心站房雨棚和兩側站房雨棚兩部分，其中心站房改擴建工程計劃埋設樁、承臺共計38根，樁長35米。根據要求需在打樁期間對施工區域周邊橋墩的水平、垂直位移進行監測，以確保高鐵線路的安全運行。在打樁施工期間水準沉降監測要求1次/2小時，水平位移監測頻次不低于1次/天。由于被監測橋墩包裹在站臺兩側站房雨棚之中，且施工區域及其周邊的通視情況較差，無法采用一般水平位移監測方法進行實測，因此我們利用自由設站水平位移監測方法對其實施監測。

基準點、設站點及監測點的布設情況如圖3所示，在打樁區域兩側橋墩頂端采用CPIII預埋件方式布設18個水平位移監測點，受車站空間限制，在車站兩側分別以強制對中樁的方式各布設2個水平位移基準點，并在獨立坐標系下采用GPS測量方式獲取基準成果，然后按照圖中所示觀測路徑，采用自由設站方式對橋墩水平位移監測點進行觀測。本項目采用徠卡TS15全站儀（標稱精度），每站至少觀測3個測回，且每個監測點至少從3個不同測站進行觀測，要求水平監測點位中誤差小于2mm，相鄰點位中誤差小于1.0mm。

為了保證橋墩水平位移監測基準點及監測點起算成果的可靠性，取水平位移基準網、監測網兩次成果的平均值作為首期基準值。再利用第2節所述誤差分析方法對水平位移監測點的點位誤差進行分析。如表1所示，我們給出了該監測網第2、3期水平位移監測點X、Y坐標方向及點位中誤差的精度統計表，各監測點點位中誤差的精度均優于1.0mm，因此該分析結果可以說明——使用標稱精度為及以上的高精度智能全站儀采用自由設站方式可以滿足較高等級水平位移監測的精度要求。

4 結論

（1）基于自由設站的水平位移監測方法在一定精度智能全站儀的支撐下可以滿足橋墩水平位移監測的精度需求；通過增加測回數及更高精度智能全站儀可進一步提高監測的精度；

（2）基于自由設站的水平位移監測方法設站靈活多變，對施工區域環境適應能力強，特別適用于監測網布設空間狹小、施工干擾因素多、通視條件差等水平位移監測環境。

（3）基于自由設站的水平位移監測方法是基于CPIII平面控制網測量理論而來，對適用區域范圍的要求還有待進一步探究。暫時可根據CPIII平面控制網測量對起算點、觀測點距離及精度的要求，來適時決定該方法的使用環境。

參考文獻：

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