多元傳感器智能監測系統在高鐵監測中的應用

石 巖，符新新，孔繁帆

（1.南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210000；2.北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100000）

隨著我國鐵路運營里程的不斷遞增，臨近既有鐵路營業線的工程建設也逐漸增多，尤其是高速鐵路對線路平順性要求更高、運維更加嚴格[1]。同時，運營線網不斷密集，出現大量下穿工程穿越高鐵并行段，施工影響橋墩數量較多的情況，傳統監測方式已無法保證鐵路營業線的結構安全。因此，在外部工程施工期間，對運營期鐵路結構提供自動化、連續性、智能化的變形監測需求日益迫切。本文以新建道路下穿高鐵工程為例，研究了多元傳感器智能監測系統在高鐵橋墩監測中的應用。

本文以佳營南路下穿高鐵橋墩工程為例，通過對高鐵橋墩進行自動化變形監測，掌握了外部工程在施工過程中對既有高鐵結構造成的變形，為鐵路管理單位提供了及時準確的數據，為判定外部工程施工對既有高鐵橋墩的影響，確保橋墩變形在可控范圍和安全施工提供了可靠的數據支持[2]。由于該項目外部工程穿越區段高鐵并行段橋墩數量較多，且橋墩下觀測環境較差，傳統人工監測很難滿足高鐵營業線保護監測的要求[3]，因此本文采用結合多元傳感器的高精度智能結構監測系統進行高鐵橋墩自動化實時監測。

1 工程實例

1.1 工程概況

佳營南路下穿工程位于南京市秦淮區，道路中心線對應京滬高鐵里程約K1027＋444 m。南京市佳營南路下穿京滬高鐵等橋孔工程下穿京滬高鐵、滬蓉上、下行聯絡線、仙寧線處新建U槽結構，外U槽長118.4 m。設計里程為K0+410.358～K0+528.758，U槽外寬33.4 m。佳營南路引道段機動車道采用U槽結構，內U槽長75 m，設計里程為K0+528.758～K0+603.758，內U槽外寬18.5 m。外部工程與鐵路位置關系如圖1所示。

圖1 外部工程與鐵路位置關系圖

項目在佳營南路道路東側（京滬高鐵秦淮河特大橋57#～58#墩之間）設置一孔φ1.25 m鋼筋混凝土圓形護涵，采用頂管施工，護涵內通過14孔10 kV電力管。14孔10 kV電力管采用1-φ1.25 m鋼筋混凝土護涵防護（頂進施工），長度為117 m。Φ120雨水管采用1-φ2.2 m鋼筋混凝土護涵防護（明挖現澆），長度為113 m。項目涉鐵區段主要為外U槽結構，里程為K0+410.358～K0+528.758，長118.4 m。施工位置所處環境較差，施工可能會引起鐵路橋墩的變形，從而影響鐵路的安全運行。佳營南路下穿工程下穿仙寧鐵路秦淮河特大橋27#～28#墩之間、滬蓉鐵路上行聯絡線特大橋56＃～57＃墩之間、京滬高鐵秦淮河特大橋56＃～57＃墩之間、滬蓉鐵路下行聯絡線特大橋52?！?3＃墩之間。

本次監測的佳營南路下穿影響段包括：①仙寧鐵路秦淮河特大橋27#～28#墩；②滬蓉鐵路上行聯絡線特大橋56＃～57＃墩；③京滬高鐵秦淮河特大橋56＃～57＃墩；④滬蓉鐵路下行聯絡線特大橋52?！?3＃墩。項目對新建道路施工影響段高鐵橋墩進行垂直位移、水平位移（橫橋向、順橋向）的實時動態監測。

1.2 監測系統設計

1.2.1 數據采集系統

由于傳統的人工鐵路監測時間滯后且效率低，為實時反映高鐵橋墩變形情況，項目采用高精度智能結構監測系統實施自動化監測。系統內置智能監測軟件，集成數據采集、分析、處理和智能預警等功能，結合了智能型傳感器（靜力水準、傾角儀）、無線通信技術、計算機技術與數據處理系統[4]。系統集成了穩定的通信硬件設計與成熟的數據分析處理軟件設計，通過低功耗、長距離的無線通信控制，實現了數據自動采集、穩定高效傳輸、遠程控制、數據智能處理等核心功能，形成了一套智能化、數字化、網絡化的變形監測系統[5]。系統對大量監測數據進行結構化處理，實現從數據到成果的轉化，提升了信息的可用性和有效性；同時將傳統的人為剔除粗差轉變為通過計算機算法進行數據過濾，提高了數據處理的速度與效率。

數據采集模塊主要由監測傳感器、多功能采集終端、通信單元、智能控制模塊等組成[6]。該模塊性能穩定、兼容性強，可連接全站儀、靜力水準儀、傾角儀等多元傳感器，自動完成周期監測數據采集。在日常監測過程中，可實時檢查設備運行狀態，根據不同項目需求設置數據采集頻次與周期。數據處理模塊通過算法對采集的各類觀測數據進行自動分類、基準點穩定性分析、外界影響因素識別、異常值（粗差）剔除、平差解算等數據處理。成果發布模塊負責對各項目監測成果進行信息化數據管理，可按測項實時查詢數據并導出數據；同時可根據規范和項目設計要求，設置各測項的預警值和報警值，將超出預設值的異常信息遠程通知項目管理人員，實時跟蹤鐵路結構變形狀態。

1.2.2 橋墩垂直位移監測

1）靜力水準監測方式。本項目橋墩垂直位移監測采用自動化靜力水準監測系統，利用電感式靜力水準設備自動采集橋墩垂直位移變形值，再通過采集模塊接入自動化監測系統，經無線通信技術遠程控制設備采集監測數據，從而形成一套從數據采集、傳輸、處理、分析到發布的高精度智能結構監測系統。HD-2NJ103-1型高精度靜力水準儀由儲液罐、液位傳感器、通液管、金屬罩、基座、溫度補償、數據處理模塊等部件組成（圖2），適用于基坑、路基邊坡、市政隧道、地鐵隧道、管廊、橋梁、大壩等各種建（構）筑物變形監測[7]。靜力水準系統是觀測各點位高差及其變化值的精密儀器，通常設置在待測體（墩柱、墻壁）的等高位置，利用通液管將多個設備的儲液罐進行連接，采用高集成度模塊化自動測量單元采集數據并鏈接計算機，從而實現遠程自動化監測。

圖2 靜力水準儀示意圖

靜力水準測量基于伯努利方程原理實施，即通液管中的液體壓力處于靜止狀態時滿足伯努利方程。根據該原理制成的靜力水準設備或系統可測量各點位之間的高差，再根據測量值的變化計算各監測點的垂直位移。實施過程中，將系統內一個觀測設備安置在基準點上，其他觀測設備安置在目標點上，進行重復多次觀測，得到各待測點的垂直位移。

基準靜力水準儀作為監測系統的起算依據，應設置在變形影響區域外的穩定位置。本項目基準靜力水準儀布設在施工范圍影響外兩側穩定的橋墩上，基準靜力水準儀與監測點應布設在同一水平面。為準確反映高鐵橋墩的變形影響，項目在每個橋墩橫橋向布設1個靜力水準儀。為避免日常施工對設備造成破壞，靜力水準儀布設在橋墩墩頂向下0.3 m處，布設時應保證所有靜力水準儀在同一個水平面，各監測點高差不得超過20 cm（圖3）。化平差成果，后期進行實時采集。

圖3 靜力水準儀現場安裝圖

1.2.3 橋墩傾斜監測

橋墩傾斜監測采用傾角儀進行數據采集。項目采用HC-B300型雙軸數顯傾角儀監測建（構）筑物相對于垂直面的傾斜與水平面的位移[8]。HC-B300型傾角儀屬于雙軸小量程數顯傾角儀，系統內置高精度差分轉換器，輸出兩個方向俯仰角度，根據現場情況，傾斜監測的絕對精度可達±0.003°。將傾角儀布設在監測范圍內橋墩順橋向墩底以上0.3 m處（圖4），每個橋墩布設1個傾角儀，可測量橫橋向和順橋向的傾斜變量，并通過算法換算為橋墩水平方向的位移量。

圖4 傾角儀現場安裝圖

2）全站儀監測方式。在靜力水準自動化監測的同時，為檢核數據的穩定性與準確性，在每個橋墩布設靜力水準儀位置附近安裝監測棱鏡進行全站儀自動化監測，并將兩套實時監測數據進行對比分析。為提高全站儀監測系統中基準點的穩健性，基準點采用多個基準點形成點組的布設方式，每組設立8個基準點。本項目在變形影響區外穩定位置布設基準點組，結合現場周邊環境，在施工影響區域兩側分別外擴3個橋墩的墩身布設基準點。

全站儀工作基點布設位置選擇在監測區域內，設點位置應能保證工作基點觀測范圍覆蓋該監測段全部監測點以及對應的起算基準點，并應滿足基準網網形和精度要求。工作基點的選址還應考慮儀器的觀測視線滿足視場要求，以確保日常監測精度。基準網是由工作基點與順橋向距離最遠的基準點組構成的獨立三維基準網坐標框架，首次基準網測量采用Leica TM50全站儀（±0.5''，±0.6+1.0 ppm）與配套機載多測回測角測距程序，利用導線法獲取基準點的初始三維坐標?；鶞示W平面測量參照《高速鐵路工程測量規范》二等水平位移監測控制網技術要求施測。后期日常監測采用空間后方交會法，且基準點與監測點各觀測1個測回。在施工影響區域內的橋墩上分別布設1個監測棱鏡，監測點初始坐標取值采用多個周期的自動

將安裝完成后的全部傾角儀鏈接至數據采集模塊，通過網絡傳輸實現自動化遠程監測。數據自動采集單元是聯系控制主機與傾角儀的紐帶，是實現遠程監測的重要環節。該設備具有可靠性高、溫度穩定性好、抗干擾能力強、測值穩定等特點。

1.3 數據處理

自動化監測系統對自動采集的各類觀測數據進行平差處理，利用已建立的數學模型分析不同環境狀態下橋墩結構變形特征[9]，尤其是列車運行中產生震動的影響規律，剔除異常監測數據（粗差），進而平差解算獲得最終監測成果。

2 數據分析

分析本項目在新建道路下穿工程U型槽施工期間（2020年6—10月）自動化監測數據發現，最大階段變形量為-0.5 mm（56#），垂直位移百日變形速率最大值為-0.004 mm/d；且期間各測點變化平穩，無明顯變形趨勢，鐵路結構整體變形相對穩定，說明佳瑩南路下穿京滬線施工對京滬高速鐵路的影響很小。同時，本文對項目影響段特征點位變形曲線圖進行了分析，結果如圖5所示。

在實施靜力水準自動化監測時，項目同時進行了全站儀自動化監測數據采集，針對相同的施工階段，選取同期自動化靜力水準儀與全站儀監測數據進行對比分析。京滬高鐵56#、57#橋墩的橫橋向垂直位移數據對比曲線如圖6所示，可以看出，靜力水準儀與全站儀監測的橋墩垂直位移變形趨勢較一致，二者最大差異為0.4 mm，差異標準偏差為0.22 mm，均能符合高鐵橋墩變形監測要求。

圖6 特征點位靜力水準儀與全站儀垂直位移監測成果對比曲線

由上述數據可知，新建道路下穿工程U型槽施工期間，橋墩垂直位移變化量較小，階段最大變化量為-0.6 mm（滬蓉下行#53，下沉）；項目施工期間，監測區段內橋墩垂直位移變化量分布均勻，所有垂直位移監測數據均未達到預警值，監測數據無顯著波動。

通過分析傾角儀采集的傾斜數據發現，至施工完成監測結束，監測區段橋墩水平位移（傾斜）數據變化較小，均在報警值以內，其中順橋向階段最大變化量為-0.5 mm（京滬高鐵#56，沿高鐵線路向東側位移），橫橋向階段最大變化量為-0.6 mm（滬蓉下行#53，垂直于高鐵線路向南側位移），期間各測點變化平穩，無明顯變形趨勢。特征點位傾斜監測成果曲線如圖7所示。

圖7 特征點位傾斜監測成果曲線圖

3 結語

1）佳營南路下穿京滬高鐵等橋孔工程從圍護結構施工至新建道路穿越工程施工結束，橋墩垂直位移最大變化量為-0.5 mm，水平位移（傾斜）最大變化量為-0.6 mm，各測項變形量均小于報警值，且數據變化平緩，無顯著變形趨勢，項目段高架橋墩結構受臨近施工的影響不明顯。同時，靜力水準系統與全站儀同周期的監測成果反映的高速鐵路變化趨勢基本一致，均能滿足高速鐵路變形監測的精度要求，具有較好的可行性。

2）將靜力水準儀、傾角儀和全站儀進行智能化整合，用于高速鐵路運營期自動化實時監測，可實現監測數據的自動化采集、傳輸與處理，系統集成度高，數據可靠且受外界環境干擾小，不僅降低了人工成本，而且提高了高速鐵路運營期間的監測效率。其主要優勢為：①專業性，人工處理無法確保處理者具備同樣的專業水平，將在一定程度上影響數據的準確度；②時效性，計算機算法根據設定的處理范圍和周期進行實時動態處理，拓展了數據處理的廣度。

3）采用多元傳感器進行全時段監測，實時處理分析監測數據，為鐵路管理單位提供了科學的現場管理與決策依據，確保涉鐵工程安全順利完工，也為類似工程項目的開展積累了相關經驗。