陸 正

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002

為保證新建工程施工時(shí)既有高架的安全運(yùn)營(yíng)，對(duì)既有高架進(jìn)行實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)必要工作。目前，高架監(jiān)測(cè)手段主要有人工測(cè)量、測(cè)量機(jī)器人和自動(dòng)化靜力水準(zhǔn)等。由于測(cè)量條件的限制，人工監(jiān)測(cè)、測(cè)量機(jī)器人等監(jiān)測(cè)方式，不能滿足對(duì)大量數(shù)據(jù)采集、分析、及時(shí)準(zhǔn)確反饋的要求。本文介紹長(zhǎng)距離運(yùn)營(yíng)地鐵高架自動(dòng)化靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過應(yīng)用，達(dá)到了實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)要求[1-2]。

1 工程概況

微山路站—財(cái)經(jīng)大學(xué)站區(qū)間從微山路站出發(fā)約300 m后，與運(yùn)營(yíng)地鐵1號(hào)線高架線曲線段交叉，之后與1號(hào)線高架橋以接近平行的方式延伸至財(cái)經(jīng)大學(xué)站（表1、圖1）。

圖1 穿越區(qū)域1號(hào)線高架布置形式

表1 穿越區(qū)域1號(hào)線高架情況

天津市地鐵1號(hào)線高架線，主橋部分地鐵線路雙向通行，樁基礎(chǔ)采用每個(gè)承臺(tái)下4～6根φ1 m、長(zhǎng)38～48 m的鉆孔灌注樁。樁基上接承臺(tái)，制動(dòng)墩承臺(tái)厚2.5 m，其余墩厚1.8 m。承臺(tái)頂上為墩柱、門架，墩柱、門架頂設(shè)墊石，墊石頂為JHPZ型抗振盆式橡膠支座。支座頂為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土多跨連續(xù)箱梁，箱梁高分為3種，即1.5、1.6、1.7 m，長(zhǎng)度25 m（局部為30 m），箱梁為2～3跨連續(xù)梁，橋面寬度為9.52 m。箱梁上部為道床、軌道、隔聲屏等結(jié)構(gòu)設(shè)施。

2 監(jiān)測(cè)難點(diǎn)分析

1）自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝位于戶外，相對(duì)于室內(nèi)環(huán)境，不利于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。若使用測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不利于保持通視及設(shè)備的維護(hù)。

2）需監(jiān)測(cè)的高架線路較長(zhǎng)，約1 150 m。若布設(shè)電子水平尺，則投入的監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)量過大，且累計(jì)誤差較大。

3）由于高架線路坡度較大，實(shí)測(cè)高差大于4 m，超過通常的靜力水準(zhǔn)量程。

4）監(jiān)測(cè)周期較長(zhǎng)，在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，溫度差變化超過40 ℃。靜力水準(zhǔn)傳感器及管路表面溫度差超過50 ℃，這對(duì)靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)傳感器自身長(zhǎng)期的穩(wěn)定性要求極高。

5）列車運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)精度造成不利影響。由于戶外安裝，風(fēng)力對(duì)通液管作用產(chǎn)生的管路晃動(dòng)，會(huì)使系統(tǒng)內(nèi)的恒壓不穩(wěn)定，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。地鐵的電力線纜會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生電磁干擾，造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)[3-4]。

綜上所述，采取常規(guī)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)手段無法保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確及時(shí)，需根據(jù)上述特點(diǎn)采取針對(duì)性的解決措施。

3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)實(shí)施

3.1 選擇監(jiān)測(cè)方法

3.1.1 傳感器類型

綜合監(jiān)測(cè)環(huán)境情況，自動(dòng)化壓差式靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)為最優(yōu)選擇，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高架墩柱上部箱梁的垂直位移。自動(dòng)化壓差式靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)由儲(chǔ)液箱、通液管、傳感器、通氣管、儀器電纜、無線傳輸數(shù)據(jù)處理器等組成（圖2），相比傳統(tǒng)靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，這種壓力傳感器系統(tǒng)允許每個(gè)傳感器有更大的安裝高程差，占據(jù)更小的空間位置。由于傳感器之間是測(cè)定壓力差值變化，壓力傳遞方式相比常規(guī)的液位傳遞方式更快，當(dāng)測(cè)點(diǎn)高程發(fā)生改變時(shí)，傳感器的反應(yīng)也能更加迅捷。GK-3655型壓差式沉降系統(tǒng)提供了優(yōu)越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、可靠性，且只有極小的溫漂。采用模擬信號(hào)傳輸，傳輸可達(dá)數(shù)千米，由于其輸出的是電壓信號(hào)，因此讀數(shù)受電纜長(zhǎng)度影響較小。采用多層屏蔽線，會(huì)很好地屏蔽掉周邊環(huán)境對(duì)信號(hào)的影響。量程越大的傳感器精度越低，本工程采用0.7 kPa和1.7 kPa量程的傳感器，量程為0.68 m和1.73 m，精度為1.02 mm和1.73 mm，滿足監(jiān)測(cè)要求。

圖2 GK-3655靜力水準(zhǔn)儀

3.1.2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)測(cè)由無線接收儀（天線、防雷模塊、無線模塊、數(shù)據(jù)處理模塊）、無線發(fā)送儀（天線、防雷模塊、無線模塊、采集模塊）、靜力水準(zhǔn)儀、485總線、連通水管（2個(gè)靜力水準(zhǔn)儀之間都要用水管連接）和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件組成（圖3）。

圖3 靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)

3.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝位置及方式

3.2.1 安裝位置

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，為最大限度減少外部影響和列車運(yùn)行對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的影響，考慮到1號(hào)線高架段軌道結(jié)構(gòu)與箱梁為整體結(jié)構(gòu)，本次自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在箱梁北面?zhèn)缺谏?，每個(gè)墩柱上部安裝1個(gè)傳感器。安裝1條監(jiān)測(cè)線路，選擇此安裝位置的優(yōu)點(diǎn)如下：

1）可以避免夏季高溫天氣太陽(yáng)光對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)直射和冬季冰雪覆蓋，可提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)因溫度影響的穩(wěn)定性。

2）大幅度減少列車運(yùn)行振動(dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的影響。大多數(shù)靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在白天列車運(yùn)營(yíng)時(shí)，數(shù)據(jù)異常波動(dòng)明顯。本項(xiàng)目結(jié)合自身環(huán)境特點(diǎn)，安裝在箱梁側(cè)壁，可以最大限度減少列車運(yùn)行振動(dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的影響。

3）盾構(gòu)掘進(jìn)施工首先對(duì)高架樁基產(chǎn)生影響，受力、變形或位移通過承臺(tái)、墩柱、箱梁、道床依次向上傳遞，直至列車軌道，箱梁位移控制在允許范圍內(nèi)，則基本可以保障上部運(yùn)營(yíng)的安全。安裝在墩柱上部的箱梁位置，也可以與墩柱位移的人工監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行對(duì)比、校核。

4）安裝位置位于線下，對(duì)系統(tǒng)安裝作業(yè)、調(diào)試、維護(hù)工作時(shí)間有利，并可以避免監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝對(duì)列車運(yùn)行安全隱患的影響。

本項(xiàng)目設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)44個(gè)，每個(gè)點(diǎn)安裝1臺(tái)靜力水準(zhǔn)儀傳感器。由于線路高差較大，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分3段安裝，設(shè)置起算點(diǎn)1個(gè)，共安裝靜力水準(zhǔn)儀傳感器45個(gè)（圖4）。

圖4 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝位置

3.2.2 安裝方式

1）分段安裝。由于1號(hào)線高架橋橋面最大高差為4.2 m，超過傳感器最大量程1.73 m，所以需要對(duì)整個(gè)靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行分段布置，每段靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獨(dú)立監(jiān)測(cè)、上傳數(shù)據(jù)。分段不宜太多，否則會(huì)影響系統(tǒng)性，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，分3段安裝。第1段靠近財(cái)經(jīng)大學(xué)站，監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度300 m，為1～12號(hào)傳感器，橋面高差約3 m，傳感器安裝于箱梁側(cè)壁，利用箱梁側(cè)壁面高度，減小傳感器之間的高差，最終傳感器最大高差1.6 m，采用1.7 kPa、1.73 m量程的傳感器；第2段監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度350 m，為13～26號(hào)傳感器，橋面高差約3 m，傳感器安裝于箱梁側(cè)壁，利用箱梁側(cè)壁面高度，減小傳感器之間的高差，最終傳感器最大高差1.6 m，采用1.7 kPa、1.73 m量程的傳感器；第3段監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度480 m，為27～44號(hào)傳感器，橋面高差約1.5 m，傳感器安裝于箱梁側(cè)壁，利用箱梁側(cè)壁面高度，減小傳感器之間的高差，最終傳感器最大高差0.6 m，采用0.7 kPa、0.68 m量程的傳感器。

2）傳感器的安裝。第一步是確定傳感器和儲(chǔ)液罐的高程。儲(chǔ)液罐應(yīng)位于所有傳感器的上方，儲(chǔ)液罐和任何傳感器之間的高程差應(yīng)處在壓力變換器的總測(cè)量范圍內(nèi)。常規(guī)傳感器安裝方法（圖5）如下：使用錨頭或焊接或螺栓等方式，將提供的支架附著在箱梁側(cè)壁表面上。為減小振動(dòng)影響，本工程設(shè)計(jì)專用安裝支架，設(shè)置減振膠墊，先將減振支架固定于箱梁，再將傳感器安裝于支架上（圖6）。安裝支架與減振膠墊能有效消除列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)，提高傳感器監(jiān)測(cè)精度。

圖5 常規(guī)安裝方式

圖6 安裝減振支架的方式

3）聯(lián)通管道安裝。在安裝管道前，應(yīng)將傳感器和儲(chǔ)液罐固定好位置。液體管道的走向應(yīng)盡量筆直，無上升和驟降，如果可能的話，大體地朝著儲(chǔ)液罐方向逐步上升，且應(yīng)盡可能地避免產(chǎn)生虹吸管現(xiàn)象。排氣管相對(duì)沒那么重要，但是為了方便起見，排氣管走向可與液體管線平行。液體管線和空氣管線都配有三通接頭，儲(chǔ)液罐配有管接頭和蓋子，這取決于系統(tǒng)是級(jí)聯(lián)系統(tǒng)還是“樹狀”系統(tǒng)或二者的結(jié)合。聯(lián)通管安裝時(shí)，選用帶減振膠墊的R型管箍（圖7）固定管路，并使用加長(zhǎng)膨脹螺栓，使管路不與箱梁側(cè)壁貼合，在減少箱梁側(cè)壁振動(dòng)對(duì)通液管路影響的同時(shí)，將聯(lián)通管固定牢固，避免刮風(fēng)吹動(dòng)聯(lián)通管。

圖7 帶減振膠墊的R型管箍

4）排氣。儲(chǔ)液系統(tǒng)有時(shí)是最困難的工作，因?yàn)闀?huì)存在與殘留的氣泡相關(guān)的難題，還要解決如何清除氣泡的問題。填充該系統(tǒng)的理想方法是使用截止閥將大量填充物連接至離儲(chǔ)液罐最遠(yuǎn)點(diǎn)的系統(tǒng)，然后拔除儲(chǔ)液罐末端的液體管線，再使用真空泵往管線充入少量的真空。填充真空后，即可讓液體流動(dòng)并填充管線，直至到達(dá)每個(gè)傳感器?？赡軙?huì)有少量空氣跑進(jìn)傳感器內(nèi)部，可以通過如下方法排掉空氣：移除傳感器上的位于三通接頭頂部的密封螺絲，使用提供的注射器，將傳感器中的空氣或液體通過密封螺絲孔吸取出來。

3.3 數(shù)據(jù)采集與傳輸

3.3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是由GK-Micro-40型自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集儀測(cè)量系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。由計(jì)算機(jī)、BGK-Logger安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件、BGK-Micro-40自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集儀（內(nèi)置測(cè)量模塊）、智能式儀器（可獨(dú)立作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的儀器）等組成，可完成各類工程安全監(jiān)測(cè)儀器的自動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、圖表制作、異常測(cè)值報(bào)警等工作。本工程附近有較強(qiáng)電磁場(chǎng)，由于數(shù)據(jù)采集為有線方式，且傳輸距離較長(zhǎng)，考慮電磁場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸影響，采用雙層屏蔽數(shù)據(jù)線。數(shù)據(jù)采集為模擬量電壓采集，采集儀采用一對(duì)一獨(dú)立采集，且采集前穩(wěn)定20 s，可提高采集精度。

3.3.2 數(shù)據(jù)計(jì)算方法

讀數(shù)可用于計(jì)算每個(gè)傳感器的高程，并繪制成隨時(shí)間變化的曲線圖，傳感器的高程E＝E0－(R1-R0)G×0.102 2－ΔERES。此處，E0為傳感器的安裝高程，單位是m；ΔERES為儲(chǔ)液罐中的液位變化，如果液位下降，ΔERES是負(fù)數(shù)，如果液位上升，ΔERES是正數(shù)；R0為初始的傳感器讀數(shù)，單位是mA；R1為隨后的傳感器讀數(shù)，單位是mA；G是傳感器提供的校準(zhǔn)系數(shù)，單位是kPa/mA；0.102 2是純凈水的換算系數(shù)，單位是m/kPa。

3.3.3 通信方式

通過GPRS/網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完成對(duì)感器數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控，如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)傳輸示意

3.4 數(shù)據(jù)處理

3.4.1 數(shù)據(jù)處理軟件

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的具體操作流程如下：

1）軟件安裝與注冊(cè)：軟件安裝完成后，點(diǎn)擊桌面快捷圖標(biāo)，運(yùn)行軟件。如果軟件沒有進(jìn)行注冊(cè)，會(huì)進(jìn)入軟件的注冊(cè)界面進(jìn)行軟件注冊(cè)，注冊(cè)完成后方可使用軟件。軟件是與計(jì)算機(jī)相關(guān)的，每臺(tái)計(jì)算機(jī)安裝都需要一個(gè)注冊(cè)碼，該注冊(cè)碼對(duì)于同一臺(tái)計(jì)算機(jī)可重復(fù)使用。

2）軟件通信設(shè)置：數(shù)據(jù)采集前首先進(jìn)行通信設(shè)置，設(shè)置通信端口設(shè)置及監(jiān)測(cè)頻率設(shè)定。

3）測(cè)點(diǎn)管理：進(jìn)行測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)及屬性管理。具有增加測(cè)點(diǎn)、刪除測(cè)點(diǎn)、修改測(cè)點(diǎn)功能。

4）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理：查詢歷史數(shù)據(jù)并導(dǎo)出測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，生成變化量曲線圖。

5）數(shù)據(jù)報(bào)表輸出：預(yù)覽輸出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)表。

3.4.2 溫度影響修正

靜力水準(zhǔn)傳感器自身受溫度影響極小，計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)。而溫度變化對(duì)系統(tǒng)影響較大，而且這種影響十分復(fù)雜，包括液體自身隨溫度變化導(dǎo)致的密度變化、通液管的熱脹冷縮導(dǎo)致的液體體積變化等。最直觀的影響主因?yàn)橐后w隨溫度的變化而使密度發(fā)生變化，致使液體自身相對(duì)密度發(fā)生變化導(dǎo)致測(cè)值偏離真實(shí)值。想要測(cè)取最接近真實(shí)的測(cè)值，需要對(duì)每個(gè)傳感器計(jì)算出的液位值進(jìn)行溫度修正。修正公式為：

計(jì)算時(shí)參考修正公式及修正系數(shù)取值范圍，但每個(gè)傳感器還需要反復(fù)進(jìn)行取值計(jì)算，才能得出合理的取值。

取測(cè)點(diǎn)G08為例，選取溫差較大的時(shí)間段數(shù)據(jù)分別進(jìn)行溫度修正前后計(jì)算（圖9）。從圖9中看出，測(cè)點(diǎn)沒有進(jìn)行溫度修正時(shí)的線形變化趨勢(shì)與溫度變化基本一致。通過修正后，基本可以將溫度影響降為最低，達(dá)到良好效果。

圖9 溫度修正前后對(duì)比

4 實(shí)施效果

圖10、圖11分別為7 kPa和17 kPa傳感器的一段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以看出，在采取了一系列的安裝措施及溫差改正后，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠達(dá)到實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確反映地鐵1號(hào)線高架變化的效果。

圖10 7 kPa傳感器數(shù)據(jù)

圖11 17 kPa傳感器數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

目前，既有高架橋梁處于在建工程影響范圍內(nèi)的案例越來越多，本文通過對(duì)被監(jiān)測(cè)高架的結(jié)構(gòu)形式和監(jiān)測(cè)環(huán)境的具體特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，選擇最優(yōu)的監(jiān)測(cè)方法、安裝位置、安裝方式、數(shù)據(jù)采集傳輸方式、數(shù)據(jù)處理措施，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確反映高架的結(jié)構(gòu)位移及變形情況，從而指導(dǎo)在建工程調(diào)整施工，以減小在建工程對(duì)既有高架的影響，進(jìn)而保障既有高架的安全。在實(shí)際施工中還需根據(jù)既有高架的情況，輔以人工監(jiān)測(cè)，采用人工監(jiān)測(cè)與自動(dòng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式，更全面地掌握既有高架的結(jié)構(gòu)位移及變形情況。