吳亞奇 中國鐵路上海局集團有限公司土地房產(chǎn)部

1 高鐵站房現(xiàn)階段情況分析

我國鐵路客站建設(shè)分為四個階段，上世紀五六十年代為站房和雨棚站臺獨立，各站臺、雨棚完全分離的布局形式，屋面材料多為青瓦，石棉瓦，瓦楞鐵等。七八十年代通過增加站房與站臺雨棚之間的連廊、地道解決風(fēng)雨干擾乘降的問題，材料多采用預(yù)應(yīng)力混凝土板。九十年代多為現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板和彩色壓型鋼板。2000年以后，隨著國內(nèi)鐵路的發(fā)展。揚州站、北京站雨棚率先采用無站臺柱結(jié)構(gòu)體系，主體結(jié)構(gòu)采用空間管桁架，屋面為金屬鋁鎂錳等材料，隨后大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系在高鐵客站建設(shè)中全面投入使用?，F(xiàn)階段，高鐵站站房根據(jù)線路軌道與站房的位置關(guān)系布置形式主要分為（a）線側(cè)式、（b）線上式、（c）線下式（見圖1）。根據(jù)需求，結(jié)構(gòu)形式有的采用無柱鋼結(jié)構(gòu)雨棚，有的采用疊合板式鋼柱混凝土雨棚。

圖1 站房布局形式

由于高鐵客站空間結(jié)構(gòu)跨度大、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣，常期受高鐵運行振動影響，又因為地質(zhì)狀態(tài)及環(huán)境氣候等因素都存在較大差異，各種疊加狀態(tài)下對站房、雨棚的結(jié)構(gòu)安全的影響也各不相同。針對人流較大，人員密集的大型客站，實時自動監(jiān)測對其結(jié)構(gòu)的安全評定、運行安全和可靠性控制非常必要。

建筑結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測方法主要有常規(guī)大地測量方法、物理學(xué)傳感器法、攝影測量技術(shù)、光纖傳感技術(shù)等。在上海局管內(nèi)已有上海虹橋站超長梁監(jiān)測、杭州東站站房鋼結(jié)構(gòu)監(jiān)測、南京南站結(jié)構(gòu)應(yīng)力、動力響應(yīng)和變形測試等部分的監(jiān)測工程都取得了一定的成果。近年來，隨著計算機技術(shù)、無線通訊技術(shù)、空間技術(shù)的進一步發(fā)展，多層次、多視角和自動化的大型鋼結(jié)構(gòu)建筑物多維、健康、安全性監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展迅速并逐漸形成規(guī)模。本文嘗試從利用北斗GNSS定位技術(shù)和脈沖靜力水準儀對大型站房屋面位移、站臺雨棚沉降等數(shù)據(jù)進行監(jiān)測的角度去分析安全監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用可能性。

2 案例基本情況

阜陽西站為線上式站房，總規(guī)模10臺18臺面22線。高架站房采用上進下出人流導(dǎo)向設(shè)計，出站口接市政地下停車場、商業(yè)部分。站房面積約4萬平方米，站房高度40 m，雨棚面積4萬平方米。路基填方高度約為6 m~7 m。站房采用鉆孔灌注樁的樁基礎(chǔ)形式。深度為15 m~35 m。建設(shè)過程中因站前廣場基坑施工影響，站臺路基存在不同程度的沉降的情況進行了人工檢測。從2018年9月到2019年9月全年監(jiān)測路基最大累計沉降量達到225 mm，且社會通廊與前后路基差異沉降較大，并未有明顯的收斂趨勢。

作為高鐵站房后期運營、維護管理的職能部門，考慮到運營期間房建設(shè)備將承受重力荷載、溫度荷載、風(fēng)荷載、基礎(chǔ)變形等因素的影響，站房屋面狀態(tài)具有一定的不確定性。在運營過程中能動態(tài)地對站房、雨棚、社會通廊進行自動的位移沉降檢測設(shè)置尤為重要，在新線介入過程中參與組織了相關(guān)單位對自動監(jiān)測方案進行了分析、優(yōu)化。

3 方案的選用

采用人工檢測存在安全風(fēng)險和精度不穩(wěn)定、達不到實時提供數(shù)據(jù)，受到天窗點作業(yè)時間限制等限制，使檢測數(shù)據(jù)很難達不到預(yù)期要求。

基于北斗高精度位移監(jiān)測技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用優(yōu)勢是：可直接提供監(jiān)測點三維坐標(biāo)及其絕對或相對變化量，沒有量程限制，實現(xiàn)7×24 h不間斷監(jiān)測，監(jiān)測精度高，效率快，北斗系統(tǒng)有別于GPS的無源定位原理，采用雙星有源定位模式，并具有短報文通信功能，已經(jīng)成功應(yīng)用在測繪、電信、水利、建筑變形監(jiān)測、交通運輸和國家安全等諸多領(lǐng)域，是我國發(fā)展自主產(chǎn)權(quán)定位系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。對水平位移檢測能夠提供技術(shù)、精度和實效的保障。

為避免人工監(jiān)測對正常鐵路營運帶來的干擾，且滿足監(jiān)測精度要求的基礎(chǔ)上，需要選用可以自動測量、采集數(shù)據(jù)的儀器進行測量，脈沖式靜力水準儀是一種精密液位測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計用于測量多個測點的相對沉降，其監(jiān)測沉降的精度可達0.1 mm，并可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集、分析及成果發(fā)送，這樣既滿足監(jiān)測精度要求的條件下減少對鐵路營運造成影響，同時也避免了作業(yè)人員的人身安全風(fēng)險。

本案日常在線監(jiān)測系統(tǒng)分為兩部分，一是根據(jù)北斗GNSS接受器的技術(shù)特性，適用于大雨棚、屋面等開闊能接收衛(wèi)星型號的部位，用于水平方向的位移監(jiān)測。二是小雨棚、社會通廊立柱上方安裝脈沖式靜力水準儀用于小雨棚、社會通廊及站臺路基的沉降監(jiān)測，兩部分數(shù)據(jù)內(nèi)容通過算法優(yōu)化共同接入管理系統(tǒng)。

4 北斗GNSS水平位移自動化監(jiān)測方案

4.1 監(jiān)測點布置

在站房的屋面上的15個位置（軸B-K,p11、軸B-E,P11、.....軸B-A，2/10）上安裝北斗衛(wèi)星定位接收機，實現(xiàn)站房的水平位移自動化監(jiān)測。數(shù)據(jù)采集終端由太陽能供電，北斗基準站布設(shè)在站房屋面的4個平面點的固定端。分布如圖2所示。

圖2 北斗GNSS分區(qū)布置示意圖

4.2 北斗GNSS數(shù)據(jù)傳輸

監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線電傳輸模塊傳輸?shù)奖O(jiān)測服務(wù)中心，并進行實時處理，數(shù)據(jù)傳輸采用GPRS無線傳輸方式，GPRS具有全天候在線，接入速度快等特點，用戶只要在數(shù)據(jù)發(fā)送端保證有通訊信號覆蓋，接收端保證接收到Internet網(wǎng)絡(luò)，分配固定的IP地址，就可以將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳送到計算機中，為解決偶有天氣影響信號不能穩(wěn)定覆蓋的問題，本系統(tǒng)采用北斗短報文通信方式作為GPRS無線傳輸?shù)难a充，傳輸示意如圖3所示。

圖3 北斗通訊數(shù)據(jù)傳輸示意圖

4.3 北斗GNSS數(shù)據(jù)處理

通過的GNSS監(jiān)控軟件，結(jié)合數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)自動解算，實時提供站房表面變化情況，并通過短信進行預(yù)警。

前端工控機中內(nèi)置自主研發(fā)的GNSS監(jiān)控軟件，該軟件集成了基于改進部分模糊度法的卡爾曼濾波數(shù)據(jù)處理模塊，可以處理北斗或GPS單頻原始觀測數(shù)據(jù)。

4.4 北斗GNSS數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)

GNSS數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)入庫、實時顯示、查詢，報警信息發(fā)送、查詢、報表生成功能，為相關(guān)人員管理監(jiān)測數(shù)據(jù)提供C/S架構(gòu)平臺。如圖4所示，該模塊可查詢、實時顯示GNSS監(jiān)測點的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，生成相應(yīng)報表，數(shù)據(jù)實時入庫及發(fā)送報警信息短信及郵件。

圖4 北斗GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)實時顯示

4.5 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和技術(shù)報告

監(jiān)測過程中提交的成果文件如沉降變形匯總表、沉降變形曲線圖、自動化監(jiān)測分析報告。針對監(jiān)測數(shù)據(jù)成果，將每次觀測結(jié)果及時分析總結(jié)，對位移和沉降影響進行分析研究，每季度、每年度并提交沉降監(jiān)測分析報告。有針對性的研究評價沉降對鐵路營運安全所造成的影響及危害，并形成下監(jiān)測周期的預(yù)測報告。

5 脈沖式靜力水準自動化監(jiān)測方案

5.1 監(jiān)測點布置（見圖5）

脈沖式靜力水準自動化監(jiān)測主要用在站臺部分及社會通廊沉降情況進行自動化監(jiān)測。

圖5 靜力水準儀分布示意圖

5.2 脈沖式靜力水準儀精度（見表1）

表1 脈沖式靜力水準儀精度

脈沖式靜力水準儀的結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中主體容器，連通管、電容傳感器等部分組成。當(dāng)主體安裝墩發(fā)生高程變化時，主體容器將相對于位置產(chǎn)生液面變化，引起裝有中間極的浮子與固定及固定在容器頂?shù)囊唤M電容極板間的相對位置發(fā)生變化，當(dāng)裝置測出電容比的變化即可計算出計算得測點的相對沉降高度。

圖6 脈沖式靜力水準儀結(jié)構(gòu)及原理示意圖

在站臺的正線與到發(fā)線之間的電纜槽部位，每隔60 m布置一臺脈沖式靜力水準儀，社會通廊部分的結(jié)構(gòu)柱上各布設(shè)一臺，儀器之間通氣管、通訊四芯電纜連接。儀器、線路均用膨脹螺栓及專用卡口緊固于固定結(jié)構(gòu)或者埋設(shè)在混凝土塊體上。

5.3 脈沖式靜力水準儀自動化監(jiān)測基準

脈沖式靜力水準基準與北斗GNSS保持一致，在站臺與咽喉區(qū)GNSS搭接部分段落，布設(shè)固定點，同一點上分別安裝北斗GNSS監(jiān)測設(shè)備及和脈沖式靜力水準監(jiān)測設(shè)備，將兩套監(jiān)測系統(tǒng)順接起來，從而實現(xiàn)對屋面水平位移及路基站臺垂直沉降的共同監(jiān)測。

5.4 脈沖式靜力水準儀的安裝

在安裝與布設(shè)脈沖式靜力水準儀的安裝尺寸如圖7所示，按照要求在測點預(yù)埋n180三個均勻布設(shè)的M8×40螺桿。

圖7 脈沖式靜力水準儀的安裝圖

觀測系統(tǒng)由若干測點組成（其中一個測點為系統(tǒng)基準點），布設(shè)時與位移監(jiān)測點相隔布設(shè)，整套監(jiān)測系統(tǒng)包括脈沖式靜力水準儀、數(shù)據(jù)記錄儀，無線通信模塊、放置采集單元和無線模塊的機柜，在電線纜穿越軌道時將采用信號屏蔽措施，防止對軌道信號傳輸造成干擾（見圖8）。

圖8 脈沖式靜力水準儀系統(tǒng)圖

5.5 脈沖式靜力水準儀的數(shù)據(jù)處理

使用數(shù)字接口能直接獲得當(dāng)前容器的水位值，而任意容器內(nèi)水位的變化量按照如下方式計算：

式中：△L為水位變化量，單位mm；

R0為測點初讀數(shù)，單位mm；

R1為測點當(dāng)前讀數(shù)，單位mm。

對于一個完整的脈沖式靜力水準系統(tǒng)，設(shè)置基準測點的編號為0，其余測點編號為1、2、..、N，則任意測點產(chǎn)生的沉降（抬升）量表示為：

式中：Ri1為等于測點i的當(dāng)前讀數(shù)，單位mm；

Ri0為測點i的初始讀數(shù)，單位mm；

R01為基準點的當(dāng)前讀數(shù)，單位mm；

R00為基準點的初始讀數(shù)，單位mm；

△EL為沉降（或抬升）量，單位mm；

由上述數(shù)據(jù)可得出，測點讀數(shù)的變化量與基準點讀數(shù)的變化量之差即為測點的沉降量，而當(dāng)△EL＜0，表示測點發(fā)生沉降，△EL＞0，表示測點發(fā)生抬升。再結(jié)合對應(yīng)的脈沖式靜力水準儀的編號，便可獲取站臺具體位置的沉降情況。

6 經(jīng)濟適用性比較

通過檢測系統(tǒng)的布設(shè)使用，提高了安全觀測的效率，降低了長期觀測的成本。能夠及時收集各種負載狀態(tài)下的位移、沉降數(shù)據(jù)，確保屋面、站臺雨棚結(jié)構(gòu)的安全性。同時保障了旅客出行、行車組織的安全性，避免了施工天窗的人員現(xiàn)場觀測帶來的安全隱患及產(chǎn)生的相關(guān)安全防護、觀測設(shè)備租賃、人員費用。本案整套系統(tǒng)布設(shè)硬件費用約為70萬元，每平方成本為8.75元，根據(jù)實測項目的規(guī)模和測點設(shè)置的密度，單方費用可能會有上下的浮動。按每天收集存儲一次的數(shù)據(jù)的觀測頻率設(shè)定。一次性投入與后期維護費用約相較人工觀測和委外觀測有明顯的經(jīng)濟效益。

表2 全站監(jiān)測單次的費用估算

委外單次觀測的收費如表2所示，收費標(biāo)準按《工程查勘設(shè)計收費標(biāo)準》（2002修訂本）。

7 結(jié)束語

結(jié)合現(xiàn)有國內(nèi)硬件資源及北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的適用性，可廣泛用于類似的營運站房及大型建筑物項目的雪荷載、風(fēng)荷載及建筑應(yīng)力變形的實時監(jiān)測上。根據(jù)位置和監(jiān)測方式的不同可以靈活選用相應(yīng)的監(jiān)測設(shè)備，通過實時對監(jiān)測點上數(shù)據(jù)的讀取來分析監(jiān)測點位移或者沉降的情況。具有運行穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)測量精度高的優(yōu)點。實時監(jiān)測是對建筑設(shè)備的安全評定、運行安全和可靠性控制的必要手段，下一步將逐步完善本案在監(jiān)測過程遇到的問題，與屋面視頻監(jiān)控相結(jié)合，能有效減少極限位置的人工巡查，形成更有針對性、更成熟的監(jiān)測方案，在管內(nèi)其他大型高鐵站房日常營運維護中形成點到面的推廣，建立大數(shù)據(jù)庫，達到局管內(nèi)各站的站房屋面、站臺雨棚等建筑、構(gòu)筑物安全、健康狀況進行線上實時監(jiān)測的目標(biāo)。