實時沉降監測在運營高速鐵路變形監測中的實踐

余衛華

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，受土方量開挖、混凝土澆筑施工等影響，區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，危及高鐵區段安全平穩運營。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段進行變形監測。液體靜力水準系統因其具有精度高、自動化性能好、實時連續測量等特點，應用于運營期高速鐵路橋梁結構變形監測，可以有效地彌補傳統水準測量監測的不足。

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

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。靠18#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 項目現場工況

2 監測內容和監測時間

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

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

3 監測技術

3.1 實時沉降監測

自動化實時監測系統主要由數據采集器（液體靜力水準儀）、遠程監測數據傳輸系統、數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

實時監測系統可以實現完全無人職守的全自動化變形監測。該系統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測主體變形情況進行連續、實時數據采集，在24小時無人職守的情況下，以亞毫米級的精度全天候監測目標變形。

3.2 人工周期沉降監測

人工周期沉降監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個沉降監測點；在遠離交叉施工影響區域的穩定地點布置4個沉降監測基準點，整個觀測過程中保證基準點的穩定、可靠，且有檢核條件。

圖3 沉降監測點位布設位置

本項目人工沉降監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據采集，儀器主要技術指標如表2所示。測量作業嚴格按照相關規范要求執行，每期監測任務完成后檢驗數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程》（TB 10182-2017）規定，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 沉降監測三級預警限值設置Tab.3 Three-level warning limit setting of settlement monitoring

4 監測結果

4.1 實時沉降監測系統穩定性驗證

靜力水準儀在監測期間，外界溫度的變化會對液面的升降產生影響，從而導致實時監測數據的波動。同時，高速列車通過時產生的振動也會導致液面的波動。為了保證監測數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測數據的影響，在實時監測系統調試完成后，按每1h一次的頻率連續進行120小時（5天）的測試，獲取基準點和6個監測點的實時監測數據進行分析。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，各靜力水準儀數據呈周期性波動變化。由于監測開始前5天，現場施工較少，可以認為數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 監測點差異沉降變化

差異沉降是同一時刻各監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，統計各監測點數據的均值和中誤差，檢驗實時沉降監測系統的穩定性。統計結果如表4所示。

表4 監測數據穩定性統計分析

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

4.2 沉降監測成果分析

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

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

圖7 實時監測和人工周期監測成果對比結果

從圖7可看出，兩種監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，說明實時監測系統數據成果準確可靠。

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測系統。通過實踐證明：該實時沉降監測系統在本項目工作環境中具有穩定性；實時監測成果與人工周期監測成果反映的高速鐵路變化趨勢基本一致，表明監測系統在運營期高速鐵路實時沉降監測中的應用可行。

該監測系統實現了運營高速鐵路的遠程、實時、連續、高精度監測，能夠為運營期高速鐵路同類型的實時監測提供借鑒。