吳天恩

（北京鐵城建設監(jiān)理有限責任公司，北京 100000）

隨著我國國民經濟的快速發(fā)展，中國高速鐵路也得到快速發(fā)展，已成為我國交通網的重要組成部分。路基作為高速鐵路軌道的基礎，其具有的強度和穩(wěn)定性直接決定了高鐵軌道的平穩(wěn)性，以及列車運行的速度和安全性。為了保證高鐵線路的穩(wěn)定性，在線路施工過程中必須建立健全的監(jiān)測系統(tǒng)，對工程各單元和重點區(qū)域進行變形監(jiān)測，為工程施工和線路后期使用提供質量控制[1-2]。而在新建高鐵橋梁施工作業(yè)過程中，周邊土體會因橋梁樁體發(fā)生一定的位移，從而對鄰近鐵路橋墩的穩(wěn)定性產生一定的影響，必須在施工過程中對鄰近的橋墩進行監(jiān)控測量，并將信息及時準確地反饋至建設監(jiān)理單位，并對變形超限提出預警并采取相應的加固措施，為后續(xù)線路正常營運，以及施工范圍內的建筑物結構穩(wěn)定性提供保障[2]。

1 工程概況

濟南某高鐵線路位于山東省中部，是山東省城際鐵路網的重要組成部分，正線建筑長度116.247 km，運營長度116.231 km，新建正線橋梁56 座49.098 km，隧道23 座42.395 km，橋隧總長91.493 km，橋隧比例78.71%。于新建濟南東特大橋上跨既有高鐵、聯(lián)絡線工程，交叉點分別處于特大橋48 號—56 號墩之間，交角約37°，以及聯(lián)絡線雙線特大橋42 號—50 號墩之間，交角約37°。擬采用（68+128+68）m 連續(xù)梁上跨既有高鐵、聯(lián)絡線后于東繞城高速前折向南，沿東繞城高速西側前行。新建（68+128+68）m 連續(xù)梁梁高5.6~10 m，基礎采用樁基礎，連續(xù)梁采用轉體施工，橋下既有橋軌面至新建（68+128+68）m 連續(xù)梁梁底最小凈空為11.66 m。為了保障施工安全，需對既有高鐵48 號—56 號墩、聯(lián)絡線42 號—50 號墩進行沉降變形、橫向水平變形和縱向水平變形監(jiān)測。

為了滿足監(jiān)測需要，需要將施工引起的一系列鐵路橋墩的動態(tài)變化信息及時反饋到建設單位、設備管理單位、設計單位及施工單位；及時預報既有鐵路橋墩沉降趨勢，供鐵路運營部門決策使用；對變形超限，提前預警，一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)值達到或者超過預警值，采取相應的措施進行處理，停止施工或者采取加固措施，保障相鄰線路的正常營運，保障施工影響范圍內的建筑結構穩(wěn)定性，維護國家和人民的生命財產安全。為了獲取準確有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)，依據(jù)已有高程控制網進行聯(lián)測，建立監(jiān)測高程控制網，便于將施工過程中標高與施工前標高進行對比分析。除此之外，在項目施工過程中，對影響區(qū)域內的高鐵橋梁的變形進行實時在線24小時自動化監(jiān)測。

2 監(jiān)測作業(yè)方案

2.1 監(jiān)測方法及原則

監(jiān)測方法：對鄰近鐵路橋墩進行水平變形和沉降監(jiān)測，其中水平變形采取在墩頂安裝傾角儀的方式進行自動化監(jiān)測；沉降監(jiān)測采取在墩身上安裝靜力水準儀的方式進行自動化監(jiān)測，同時采取定期人工水準抄平復核校對。為了保證監(jiān)測結果的可信度，監(jiān)測作業(yè)設計原則必須遵從可靠性、先進性、可擴張性、全過程監(jiān)測和方便實用等原則。

1）監(jiān)測系統(tǒng)的主要技術和產品應具有成熟、穩(wěn)定、實用的特點，可充分滿足實際應用、技術開發(fā)及信息管理的需要。保證在惡劣氣候條件下，能進行準確的監(jiān)測。

2）使用成熟的先進技術，各項設備選型上考慮市場上技術支持好、服務力量強、設備性能穩(wěn)定和擴展性好的品牌，確保設計具有先進性及前瞻性。

3）在系統(tǒng)建設時，應保證系統(tǒng)在一定時期內的先進性前提下，設計具有良好擴展性的系統(tǒng)結構，選擇具有良好擴展性和升級能力的產品，系統(tǒng)結構模塊化，以保證整個系統(tǒng)的可擴展性。

4）監(jiān)控項目中的測點采用遠距離自動化監(jiān)測系統(tǒng)，配備計算機及相關軟件以便及時處理量測數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中采用設置警戒值系統(tǒng)，以保證對線路的全過程24 小時實時監(jiān)控。

5）為減少監(jiān)測對線路運營之間的干擾，監(jiān)測系統(tǒng)的安裝和使用應盡量做到方便實用。

2.2 監(jiān)測點的布設及數(shù)量

48#—56#計9 個橋墩，每個橋墩墩頂上（箱體內）布設1 個靜力水準監(jiān)測點，在57#橋墩上（箱體內）布設1 個工作基點。在每個靜力水準監(jiān)測點上設置1 個靜力水準儀，之間用管線相連，進行沉降監(jiān)測，同時在57#墩距離地面1.2 m 處設置1 個人工水準基點。在48#—56#墩身頂部（箱體內）各放置1 個傾角儀，在57#橋墩墩頂上（箱體內）布設1 個工作基點，用于測量橋墩的水平位移量。

42#—50#計9 個橋墩，每個橋墩墩頂上布設1 個靜力水準監(jiān)測點，在41#橋墩上布設1 個工作基點。在每個靜力水準監(jiān)測點上設置1 個靜力水準儀，之間用管線相連，進行沉降監(jiān)測，同時在57#墩距離地面1.2 m 處設置1 個人工水準基點。在42#—50#墩身頂部各放置1 個傾角儀，在41#橋墩墩頂上布設1 個工作基點，用于測量橋墩的水平位移量。

2.3 自動化監(jiān)測技術要求

監(jiān)測頻次。在整個施工期間，對既有濟青高鐵48#—56#和北辛店聯(lián)絡線42#—50#橋墩的變形狀態(tài)實施全天24 小時的自動監(jiān)控，如果監(jiān)測超限，能夠通過短信自動預警。根據(jù)自動化監(jiān)測的特點，擬定在不同施工階段期間采用不同的數(shù)據(jù)采集頻率。施工前（即施工單位開工之前），需要采集10 次有效數(shù)據(jù)作為自動化監(jiān)測的初始值；施工關鍵期監(jiān)測頻次為20 min 1 次；施工完成后延長監(jiān)測3 個月的時段，監(jiān)測頻次為60 min 1 次。同時采用人工監(jiān)測每月進行一次水準復核。對于變形量大的點，根據(jù)實際情況加密監(jiān)測頻次，必要時進行跟蹤監(jiān)測，監(jiān)測結果及時反饋給業(yè)主、設備管理方及施工方。觀測值穩(wěn)定一周后方可逐漸降低監(jiān)測頻次，并且當出現(xiàn)下列情況之一時，應及時提高監(jiān)測頻次：①當監(jiān)測數(shù)據(jù)達到預警值；②監(jiān)測數(shù)據(jù)變化較大或者速率加快；③線路及周邊大量積水、長時間連續(xù)降雨；④周邊地面突發(fā)較大沉降或出現(xiàn)嚴重開裂。

監(jiān)測預警參考值。鄰近施工引起的橋墩的豎向位移和水平位移，會進一步反映到上部結構直至軌面。對于橋梁結構上部軌道而言，可以近似認為軌面與軌道板的變形一致。為了鐵路運行的安全，將鄰近鐵路橋墩的累積沉降量及沉降速率限值取為2 mm（高鐵）和3 mm（聯(lián)絡線），并分為三級預警，并按照限值的60%、75%、90%分別作為黃色、橙色及紅色預警限值。如果出現(xiàn)變形速率或者累積沉降量大于預警值時，則需要及時將監(jiān)測結果反饋給業(yè)主、設計單位、設備管理方及施工方。

超出預警值時的應急措施，如圖1 所示。發(fā)現(xiàn)沉降達到黃色預警值時，第一時間告知施工單位，提醒對方對施工安全措施進行檢查，同時通知監(jiān)理單位、業(yè)主、工務段。繼續(xù)跟蹤監(jiān)測，查看沉降趨勢是否有減緩跡象，如果沉降趨勢加重，達到橙色預警值時，立即向應急處置小組報告。建議應急處置小組全體成員第一時間到達現(xiàn)場，按照各自職責開展工作，立即啟動應急處置方案。同時加大監(jiān)測頻率，與各方實時共享最新監(jiān)測數(shù)據(jù)，如果沉降量達到紅色預警，建議立即停工，采取措施直至消除隱患。

2.4 監(jiān)測基準控制網

監(jiān)測基準控制網的設計：基準控制網包含基準點和工作基點，在施工影響區(qū)域附近選取穩(wěn)定點，以此點為基點取初始值，定期測量對比，現(xiàn)場設置3 個水準基點和2 個工作基點，工作基點均設置在靜力水準路線的工作基點附近，水準基點距離監(jiān)測現(xiàn)場的距離大于200 m，遠離變形影響的范圍區(qū)域?；鶞庶c和工作基點組成的控制網，按照二等水準測量進行定期復測，以檢核工作基點的穩(wěn)定性。

水準測量注意事項：必須嚴格按照相應等級水準測量規(guī)程和工程施工技術要求進行施測和平差計算，確保監(jiān)測起始數(shù)據(jù)的準確性；為了保證測量精度、減少測量過程中系統(tǒng)誤差對測量結果的影響，從人、機、環(huán)境、測量路線和觀測點控制5 個方面進行“五固定”控制，以提高觀測數(shù)據(jù)的準確性。即在實施變形監(jiān)測過程中，要選擇培訓合格和責任心強的固定技術人員，并且固定監(jiān)測過程中技術人員定位，制定最為合理優(yōu)化的觀測路線和觀測方法，觀測路線和觀測方法必須做到有檢核、有平差，要消除不同儀器設備系統(tǒng)誤差差異，為了消除外界溫度、濕度等對觀測結果造成的誤差影響，觀測時間段必須統(tǒng)一。

3 主要監(jiān)測設備及應用

3.1 靜力水準自動化監(jiān)測系統(tǒng)

靜力水準儀是利用連通液的原理進行沉降觀測，多支連通管連接在一起的儲液面總是在同一水平面上，通過測量不同儲液罐的液面高度，經過計算可以得出各個靜力水準儀的相對差異高度值。其中，壓差式靜力水準儀是由儲液器、高精度感應器、處理模塊和保護罩等部件組成，由于壓差式靜力水準儀量程較大，可以直接進行貼地式的安裝，不需要建設觀測墩找平處理，并且體積較小，不會影響鐵路運行安全，儀器測量精度高達±0.2 mm，數(shù)據(jù)采樣頻率高達3 min 每次，可以滿足高精度自動化監(jiān)測要求，因此采用以壓差式靜力水準儀為核心組成的靜力水準自動化監(jiān)測系統(tǒng)。整個監(jiān)測系統(tǒng)由壓差式靜力水準儀、數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、中心信號接收及處理裝置、服務器及計算機軟件系統(tǒng)組成，通過構建的數(shù)據(jù)通信網絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程接收、處理和監(jiān)測信息實時反饋，整個系統(tǒng)可以做到監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、客戶端數(shù)據(jù)接收和可視化分析等多種自動化功能。

3.2 傾角儀

本次監(jiān)測選用HC-X336 雙軸傾角傳感器，主要用于進行傾角測量，測量范圍±1～±15°，長期穩(wěn)定性小于0.002°，高抗震性能大于20 000 g，IP68 防護等級。其原理是通過測量監(jiān)測點在不同時間段靜態(tài)重力加速度的動態(tài)變化，將變化值轉換成傾角變化，進而測量監(jiān)測點線與預先設定的假定水平面之間的夾角或者傾斜參數(shù)，而傳感器內設的溫度補償對傳感器測定傾斜參數(shù)時刻的環(huán)境溫度進行自動補償修正。而在監(jiān)測過程中，根據(jù)雙軸中軸的轉動方向的改變進行計數(shù)測定，并根據(jù)計數(shù)對旋轉角度進行計算，獲取軸位置位移量和變化速率。

3.3 數(shù)據(jù)采集儀

數(shù)據(jù)采集利用數(shù)據(jù)傳感器通過設置的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，將獲取的光電數(shù)據(jù)轉換后通過數(shù)據(jù)傳輸至后端網絡PC 機。為了保證數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)姆€(wěn)定性和實時性，采集設備在非工作狀態(tài)自動實行斷電保護，每次數(shù)據(jù)采集均采用單一指令對傳感器IP 地址進行采集，為了避免其他傳感器對數(shù)據(jù)采集造成干擾，以及避免單一傳感器出現(xiàn)故障對整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)造成影響，傳感器采用并聯(lián)方式，均設置獨立的IP 地址。

3.4 監(jiān)測系統(tǒng)軟件

監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要是基于監(jiān)測系統(tǒng)的可擴展性，按照工程監(jiān)測需求，基于編程系統(tǒng)開發(fā)，系統(tǒng)軟件實現(xiàn)了監(jiān)測信息的不同類別、不同權限設置管理，在設定權限內讓相關人員遠程實時獲取和查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的整體趨勢、數(shù)值化展示、數(shù)據(jù)下載等數(shù)據(jù)處理和顯示，權限內的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息共享，如圖2 所示。并且通過軟件可以對變形閾值和超限預警命令進行設置，當發(fā)生變形異常時，將預警信息及時反饋至相關人員通信設備上，從而提升預警應急預案的啟動。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)顯示界面

4 結束語

為了確保監(jiān)測精度滿足技術要求，首先采用二等水準技術方法對高鐵既有橋墩進行水準抄平，并通過和附近已知監(jiān)測點與水準點聯(lián)測，確保絕對標高，掌握既有橋墩的現(xiàn)狀。為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時性，設立遠程客戶端及手機客戶端實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)共享，建設監(jiān)理部門可實時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，掌握現(xiàn)場監(jiān)測變化情況。除此之外，為了達到監(jiān)測預警效果，監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯總評判、變形預警及處置必須確保及時性，這就要求施工單位必須依據(jù)監(jiān)測項目的特點建立專業(yè)組織機構，并配備完善的專業(yè)技術人員。