余衛(wèi)華

中鐵二十二局集團(tuán)第五工程有限公司 重慶 400700

正文：

引言

高速鐵路橋梁下進(jìn)行施工作業(yè)，受土方量開挖、混凝土澆筑施工等影響，區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)力重新分配，可能致使高鐵運(yùn)營線路橋梁墩臺構(gòu)筑物產(chǎn)生不可逆性變形，危及高鐵區(qū)段安全平穩(wěn)運(yùn)營。為了滿足高速鐵路高安全和高平順特點(diǎn)，必須對高速鐵路受施工影響區(qū)段進(jìn)行變形監(jiān)測。液體靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)因其具有精度高、自動化性能好、實(shí)時連續(xù)測量等特點(diǎn)，應(yīng)用于運(yùn)營期高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測，可以有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量監(jiān)測的不足。

本文結(jié)合實(shí)際工程，從安全、穩(wěn)定、實(shí)時的需求出發(fā)，構(gòu)建實(shí)時沉降監(jiān)測系統(tǒng)，采用液體靜力水準(zhǔn)儀等設(shè)備，融合通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對受下穿施工影響的運(yùn)營高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)時監(jiān)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(yùn)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(xiàn)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(cè)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?？?8#臺側(cè)由于路基需要挖深約4m，設(shè)計(jì)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(jìn)行防護(hù)，樁邊緣至鐵路橋墩承臺邊緣的最小距離為3.0m。

圖1 項(xiàng)目現(xiàn)場工況

2 監(jiān)測內(nèi)容和監(jiān)測時間

根據(jù)相關(guān)規(guī)范、監(jiān)測合同和方案，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，本項(xiàng)目監(jiān)測內(nèi)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(jìn)行實(shí)時沉降監(jiān)測，并通過人工周期沉降監(jiān)測對實(shí)時監(jiān)測成果進(jìn)行檢核。

監(jiān)測時間覆蓋下穿運(yùn)營期某高速鐵路交叉施工全過程，實(shí)時監(jiān)測采用24小時不間斷自動化測量手段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，人工周期監(jiān)測每7天監(jiān)測一期，用于對實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)檢核。

3 監(jiān)測技術(shù)

3.1 實(shí)時沉降監(jiān)測

自動化實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集器（液體靜力水準(zhǔn)儀）、遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理中心三部分構(gòu)成。在16#、17#墩和18#臺沿線路方向兩側(cè)（左側(cè)和右側(cè)）各安裝1臺液體靜力水準(zhǔn)儀，在施工影響范圍外安裝1臺液體靜力水準(zhǔn)儀作為基準(zhǔn)點(diǎn)，共布設(shè)7臺液體靜力水準(zhǔn)儀，如下圖所示。

圖2 液體靜力水準(zhǔn)儀布設(shè)位置

液體靜力水準(zhǔn)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(zhǔn)點(diǎn)置于一個相對測點(diǎn)穩(wěn)定的水平點(diǎn)，其他儲液罐置于標(biāo)高大致相同的不同位置，當(dāng)其他儲液罐相對于基準(zhǔn)罐發(fā)生升降時，將引起該罐內(nèi)液面的上升或下降。通過測量液位的變化，了解監(jiān)測點(diǎn)相對基準(zhǔn)點(diǎn)的升降變形。在液體靜力水準(zhǔn)儀中灌入適當(dāng)防凍液，減小溫度變化監(jiān)測的影響。本項(xiàng)目采用振弦式液體靜力水準(zhǔn)儀，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 液體靜力水準(zhǔn)儀主要技術(shù)指標(biāo)

實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)完全無人職守的全自動化變形監(jiān)測。該系統(tǒng)在智能化計(jì)算機(jī)軟件的支持之下，通過無線的方式控制液體靜力水準(zhǔn)儀對監(jiān)測主體變形情況進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時數(shù)據(jù)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(jiān)測目標(biāo)變形。

3.2 人工周期沉降監(jiān)測

人工周期沉降監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)于橋墩沿線路方向兩側(cè)，處于靜力水準(zhǔn)儀正下方，共6個沉降監(jiān)測點(diǎn)；在遠(yuǎn)離交叉施工影響區(qū)域的穩(wěn)定地點(diǎn)布置4個沉降監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)，整個觀測過程中保證基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定、可靠，且有檢核條件。

圖3 沉降監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)位置

本項(xiàng)目人工沉降監(jiān)測采用二等水準(zhǔn)觀測，使用檢定合格的Trimble DiNi03電子水準(zhǔn)儀，配合銦瓦條碼尺進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，儀器主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。測量作業(yè)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求執(zhí)行，每期監(jiān)測任務(wù)完成后檢驗(yàn)數(shù)據(jù)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(shù)指標(biāo)Tab.2 Main technical indexes of Trimble DiNi03

3.3 預(yù)警值設(shè)置

按照《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》（TB 10182-2017）規(guī)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(jiān)測方案中采用三級預(yù)警機(jī)制，結(jié)合實(shí)際工程，各級預(yù)警值設(shè)置如表3所示。

表3 沉降監(jiān)測三級預(yù)警限值設(shè)置Tab.3 Three-level warning limit setting of settlement monitoring

4 監(jiān)測結(jié)果

4.1 實(shí)時沉降監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性驗(yàn)證

靜力水準(zhǔn)儀在監(jiān)測期間，外界溫度的變化會對液面的升降產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)的波動。同時，高速列車通過時產(chǎn)生的振動也會導(dǎo)致液面的波動。為了保證監(jiān)測數(shù)據(jù)能真實(shí)有效地反映高鐵橋墩沉降變化趨勢，驗(yàn)證外界溫度變化和高速列車通行產(chǎn)生振動對實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響，在實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試完成后，按每1h一次的頻率連續(xù)進(jìn)行120小時（5天）的測試，獲取基準(zhǔn)點(diǎn)和6個監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖4為各靜力水準(zhǔn)儀液面高度隨時間的變化值，圖5為各監(jiān)測點(diǎn)相對基準(zhǔn)點(diǎn)的差異沉降變化值。

圖4 液體靜力水準(zhǔn)儀液面高度變化

從圖4可以看出，各靜力水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)呈周期性波動變化。由于監(jiān)測開始前5天，現(xiàn)場施工較少，可以認(rèn)為數(shù)據(jù)變化主要跟溫度有關(guān)，在溫度升高時，其液面降低，當(dāng)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(zhǔn)儀液面高度變化不明顯。

圖5 監(jiān)測點(diǎn)差異沉降變化

差異沉降是同一時刻各監(jiān)測點(diǎn)液面變化值與基準(zhǔn)點(diǎn)液面變化值的差值，能真實(shí)反映高鐵橋墩的沉降變化。對各監(jiān)測點(diǎn)差異沉降的波動性進(jìn)行分析，其差異沉降變化值基本處于（-0.5mm，0.5mm）內(nèi)，統(tǒng)計(jì)各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的均值和中誤差，檢驗(yàn)實(shí)時沉降監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì)分析

中誤差表示數(shù)據(jù)相對于均值的離散程度，中誤差越小，監(jiān)測數(shù)據(jù)越穩(wěn)定。從表4中可以看出，各監(jiān)測點(diǎn)差異沉降值的中誤差均不超過0.2mm，說明監(jiān)測點(diǎn)波動性不大，實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

4.2 沉降監(jiān)測成果分析

將獲取的每24h監(jiān)測數(shù)據(jù)取均值，作為高鐵橋墩當(dāng)日的沉降變化值，對6個監(jiān)測點(diǎn)70天的差異沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖6所示。監(jiān)測期內(nèi)，最大沉降變化發(fā)生在橋臺監(jiān)測點(diǎn)18Z，累計(jì)抬升變化0.7mm，橋臺另一監(jiān)測點(diǎn)18Y累計(jì)抬升變化0.5mm；橋墩監(jiān)測點(diǎn)16Z、16Y、17Z和17Y沉降變化較小，變化量位于（-0.2mm，0.1mm）內(nèi)。所有監(jiān)測點(diǎn)沉降變化量均小于Ⅰ級預(yù)警值1.4mm。

為驗(yàn)證實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性，在下穿工程施工過程中，以沉降量最大的監(jiān)測點(diǎn)18Z的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，將人工監(jiān)測數(shù)據(jù)與實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。如圖7所示。

圖7 實(shí)時監(jiān)測和人工周期監(jiān)測成果對比結(jié)果

從圖7可看出，兩種監(jiān)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(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)成果準(zhǔn)確可靠。

5 結(jié)論

針對重慶新建潼榮高速下穿某運(yùn)營期高速鐵路工程項(xiàng)目，構(gòu)建了運(yùn)營期高速鐵路實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)。通過實(shí)踐證明：該實(shí)時沉降監(jiān)測系統(tǒng)在本項(xiàng)目工作環(huán)境中具有穩(wěn)定性；實(shí)時監(jiān)測成果與人工周期監(jiān)測成果反映的高速鐵路變化趨勢基本一致，表明監(jiān)測系統(tǒng)在運(yùn)營期高速鐵路實(shí)時沉降監(jiān)測中的應(yīng)用可行。

該監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)營高速鐵路的遠(yuǎn)程、實(shí)時、連續(xù)、高精度監(jiān)測，能夠?yàn)檫\(yùn)營期高速鐵路同類型的實(shí)時監(jiān)測提供借鑒。