地鐵施工下穿高架橋橋墩沉降自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

(1.中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司 天津 300350，2.中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司 天津 300350，3.中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司 天津 300350)

一、引言

在地鐵建設(shè)過(guò)程中不可避免的會(huì)引起地面擾動(dòng)甚至?xí)疠^大的地面的不均勻沉降。尤其是在地鐵施工過(guò)程中下穿既有高架橋，橋墩的變形與沉降均會(huì)影響橋面及橋梁的正常使用，所以沉降監(jiān)測(cè)在下穿既有橋梁的地鐵施工中顯得格外的重要[1]。由于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)主要是由人來(lái)完成，不可避免的會(huì)造成一定的偶然誤差，造成監(jiān)測(cè)結(jié)果的不精確導(dǎo)致對(duì)既有橋梁因地鐵施工造成的沉降量值與實(shí)際沉降值的偏差。故本研究以此為切入點(diǎn)，依托成都地鐵六號(hào)線興～犀區(qū)間成灌線郫縣高架橋?yàn)檠芯勘尘?，引入自?dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為主、人工監(jiān)測(cè)為輔的橋墩沉降變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以有效避免人工監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)和充分發(fā)揮自動(dòng)監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，可以得到真實(shí)可靠的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

二、工程概況

(一)興～犀區(qū)間及犀浦站與成灌高鐵的關(guān)系。犀浦站～興業(yè)北街站盾構(gòu)區(qū)間左線穿越181#～182#墩跨，隧道外輪廓線距181#墩承臺(tái)邊緣4.10m，距182#墩承臺(tái)邊緣15.89m；右線穿越180#～181#墩跨，隧道外輪廓線距181#墩承臺(tái)邊緣5.26m，距180#墩承臺(tái)邊緣15.32m。興～犀區(qū)間及犀浦站與成灌高鐵的平面位置關(guān)系示意圖如圖1所示。

圖1 車站及區(qū)間與成灌線平面位置關(guān)系示意圖

(二)監(jiān)測(cè)內(nèi)容。對(duì)成灌線郫縣高架特大橋178#～183#墩的沉降變形進(jìn)行24小時(shí)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采用安伯格軌檢小車定期對(duì)K15+300～+600段軌道幾何形態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

三、橋墩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

本項(xiàng)目基于結(jié)構(gòu)沉降自動(dòng)監(jiān)測(cè)靜力水準(zhǔn)儀+傾角計(jì)+水位監(jiān)測(cè)計(jì)+人工輔助沉降觀測(cè)構(gòu)建橋墩沉降變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

(一)靜力水準(zhǔn)儀。本次研究擬采用的靜力水準(zhǔn)儀量程為±25mm，該儀器在測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間或多點(diǎn)之間相對(duì)高程變化的結(jié)果準(zhǔn)確可靠，且精密度較高。主要應(yīng)用于大壩、核電站、高層建筑、礦山、滑坡、橋梁、路基等垂直位移和傾斜的監(jiān)測(cè)[4]。靜力水準(zhǔn)儀中內(nèi)置的溫度傳感器還可以同步監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)處的溫度。靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)一般安裝在被測(cè)物體等高的測(cè)墩上或被測(cè)物體墻壁等高線上[5]，使用無(wú)線自動(dòng)化綜合測(cè)試系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再通過(guò)無(wú)線通訊設(shè)備與計(jì)算機(jī)相連，以此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測(cè)。

(二)傾角儀。智能傾角計(jì)是一款模擬電壓輸出的高精度雙軸傾角傳感器，小量程最高分辨率能夠達(dá)到0.006°。智能傾角計(jì)內(nèi)設(shè)置有微型固體擺捶，通過(guò)測(cè)量靜態(tài)重力場(chǎng)變化，再將重力場(chǎng)變化轉(zhuǎn)變成傾角變化，通過(guò)變化電壓(0-5V)方式對(duì)外輸出[6]。

(三)水位監(jiān)測(cè)計(jì)。投入式地下水位監(jiān)測(cè)計(jì)的原理是所測(cè)液體靜壓力與該液體高度成正比，依托于陶瓷敏感元件或擴(kuò)散硅的壓阻效應(yīng)，電信號(hào)通過(guò)所測(cè)靜壓力轉(zhuǎn)變而來(lái)[7]。經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償和線性校正。轉(zhuǎn)換成4-20mADC標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。可實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為RS485輸出，可實(shí)現(xiàn)水位液位的自動(dòng)檢測(cè)控制。

(四)自動(dòng)化綜合測(cè)試系統(tǒng)。自動(dòng)化綜合測(cè)試系統(tǒng)是一種全自動(dòng)無(wú)人值守測(cè)量、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)木C合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)可配接振弦式傳感器、電流信號(hào)、溫度傳感器等。系統(tǒng)所采用的分布式結(jié)構(gòu)可任意組成多點(diǎn)式的無(wú)線測(cè)量控制系統(tǒng)，特別適用于高空、高危、等場(chǎng)所的施工監(jiān)測(cè)和運(yùn)維監(jiān)測(cè)。自動(dòng)化綜合測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

自動(dòng)化綜合測(cè)試系統(tǒng)主要由四個(gè)子系統(tǒng)所組成并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系而進(jìn)行工作，這四個(gè)子系統(tǒng)分別是[8]:(1)傳感器系統(tǒng)，包括:應(yīng)變傳感器、位移傳感器；(2)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括:供電模塊、信號(hào)采集、處理模塊以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊；(3)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，包括：GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊；(4)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)系統(tǒng)，包括：服務(wù)器、系統(tǒng)控制中心。

圖2 自動(dòng)化綜合測(cè)試系統(tǒng)示意圖

(五)儀器的布置與安裝

1.靜力水準(zhǔn)儀安裝位置。本項(xiàng)目選取施工影響范圍內(nèi)的178#～183#墩進(jìn)行沉降變形監(jiān)測(cè)，178#～183#墩每根墩柱頂布設(shè)1臺(tái)靜力水準(zhǔn)儀，177#墩布設(shè)3臺(tái)靜力水準(zhǔn)儀基準(zhǔn)點(diǎn)，總共21臺(tái)靜力水準(zhǔn)儀[9]。178#～183#墩每根墩柱布置1臺(tái)傾角計(jì)共18臺(tái)傾角計(jì)。177#、180#、181#、182#布設(shè)4臺(tái)水位監(jiān)測(cè)計(jì)。

2.安裝數(shù)量。橋墩監(jiān)測(cè)總共需要：21臺(tái)靜力水準(zhǔn)儀、18臺(tái)傾角計(jì)、4臺(tái)水位監(jiān)測(cè)計(jì)。

3.安裝方法。采用移動(dòng)升降機(jī)將人員和設(shè)備運(yùn)送到墩頂高度，采用環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑將傳感器支架粘結(jié)在墩頂，待粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到要求后，將靜力水準(zhǔn)儀固定在專用支架上，并將靜力水準(zhǔn)儀用液面管聯(lián)通。在墩頂位置，使用環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑將傾角計(jì)粘接于墩頂。水位監(jiān)測(cè)計(jì)置入水位監(jiān)測(cè)井。所有監(jiān)測(cè)元件通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線纜聯(lián)通，并接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)集成及傳輸系統(tǒng)中設(shè)置有太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，故儀器本身不用外接電源，均使用太陽(yáng)能供電。

(六)人工輔助監(jiān)測(cè)。施工單位進(jìn)場(chǎng)后人工采集基礎(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，在工程施工期間如果有出現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化過(guò)大或非正常變化時(shí)，實(shí)際施工單位應(yīng)將及時(shí)安排現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行人工測(cè)量復(fù)核，人工復(fù)核的要求如下：

沉降監(jiān)測(cè)橋梁墩臺(tái)時(shí)可以借助于在施工期間埋設(shè)在墩身沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)[10]，假設(shè)墩身沒(méi)有沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，則埋設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)應(yīng)需要根據(jù)橋墩墩身/墩頂沉降位移觀測(cè)點(diǎn)埋設(shè)示意圖的要求，當(dāng)將每個(gè)墩臺(tái)上的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定埋好以后，對(duì)各埋設(shè)的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量精度不應(yīng)低于三等水準(zhǔn)測(cè)量的精度，確定墩身各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降情況。水準(zhǔn)路線觀測(cè)示意圖如圖3所示。

圖3 水準(zhǔn)路線觀測(cè)示意圖

四、數(shù)據(jù)整理

監(jiān)測(cè)資料的收集、處理、分析、預(yù)測(cè)反饋等方面，通常是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋整理分析內(nèi)容與方法的主要內(nèi)容。

(一)收集。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)取得的數(shù)據(jù)和與之相關(guān)的其它資料的搜集、記錄等[11]。本監(jiān)測(cè)項(xiàng)目采用的儀器如結(jié)構(gòu)沉降自動(dòng)監(jiān)測(cè)靜力水準(zhǔn)儀、自動(dòng)全向傳感水平位移計(jì)將量測(cè)值自動(dòng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。電子水準(zhǔn)儀，全站儀對(duì)數(shù)據(jù)均為自動(dòng)采集，所采集的人為導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)。

在每經(jīng)過(guò)了一個(gè)監(jiān)測(cè)周期后立即對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核和整理，包括原始觀測(cè)值的檢驗(yàn)、物理量的計(jì)算、填表制圖，初步分析和整編等[12]，初步篩選出異常數(shù)據(jù)，并將未被篩選的數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。

(二)預(yù)測(cè)分析和反饋。通過(guò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)和擬合分析等數(shù)學(xué)方法確定各監(jiān)測(cè)物理量值大小，盡可能找出監(jiān)測(cè)對(duì)象的變形發(fā)展趨勢(shì)和變化規(guī)律，及時(shí)評(píng)估工程的安全狀態(tài)，并對(duì)存在安全風(fēng)險(xiǎn)的工程部位采取相應(yīng)應(yīng)對(duì)措施。加快信息反饋速度，確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，全部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均由計(jì)算機(jī)計(jì)算管理所得，并應(yīng)該按時(shí)提交監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的周報(bào)表、提交監(jiān)測(cè)月報(bào)，同時(shí)附上相應(yīng)的位移時(shí)態(tài)曲線圖，根據(jù)回歸分析數(shù)據(jù)，并對(duì)當(dāng)月的施工情況進(jìn)行評(píng)價(jià)并提出施工建議及相關(guān)預(yù)防措施。監(jiān)測(cè)變量累積值(P)—時(shí)間(t)的時(shí)態(tài)關(guān)系曲線如圖4所示、監(jiān)測(cè)變量變化速度(△P)—時(shí)間(t)的時(shí)態(tài)關(guān)系曲線如圖5所示、監(jiān)測(cè)區(qū)域變化速度(△V)—測(cè)點(diǎn)(S)的空間關(guān)系曲線如圖6所示。

圖4 監(jiān)測(cè)變量累積值(P)—時(shí)間(t)的時(shí)態(tài)關(guān)系曲線

圖5 監(jiān)測(cè)變量變化速度(△P)—時(shí)間(t)的時(shí)態(tài)關(guān)系曲線

圖6 監(jiān)測(cè)區(qū)域變化速度(△V)—測(cè)點(diǎn)(S)的空間關(guān)系曲線

五、結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)橋墩沉降的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合，繪制出監(jiān)測(cè)變量累積值(P)—時(shí)間(t)的時(shí)態(tài)關(guān)系曲線、監(jiān)測(cè)變量變化速度(△P)—時(shí)間(t)的時(shí)態(tài)關(guān)系曲線、監(jiān)測(cè)區(qū)域變化速度(△V)—測(cè)點(diǎn)(S)的空間關(guān)系曲線，根據(jù)回歸分析數(shù)據(jù)，并對(duì)當(dāng)月的施工情況進(jìn)行評(píng)價(jià)并提出施工建議及相關(guān)預(yù)防措施。