运营高速铁路桥梁变形自动监测系统研究与应用

运营高速铁路桥梁变形自动监测系统研究与应用

先正平

中铁八局集团有限公司 四川 成都 610031

摘要：随着我国城市建设的高速发展，城市基础设施建设迎来了又一个高峰期。在地铁隧道、城市道路等基础设施建设过程中，必定会出现与运营高速铁路桥梁交叉的情况，在其基础的施工过程中会对已开通运营的高铁桥梁基础造成影响，为确保高速铁路的运营和结构安全，必须对施工范围影响内的高铁桥梁纵、横向水平变形和竖向变形进行监测。常规的人工测量已很难满足监测精度和监测频率的要求，需研究一套自动化的监测系统应用于工程实践。

关键词：城市建设 高铁桥梁 安全 监测

一、前言

目前，我国已成为世界上高速铁路运营里程最长、运行速度最高、在建规模最大的国家，引领着世界高铁发展。随着国内基础设施的不断完善以及城市发展的需要，大量在建的地铁隧道、城市道路等工程与已开通运营的高铁桥梁形成交叉，在其基础的施工过程中会对已开通运营的高铁桥梁基础造成影响，甚至直接导致既有的高铁桥梁产生纵、横向水平变形和竖向变形。高速铁路无砟轨道对基础稳定性要求非常高，为确保高铁安全运营及结构安全，对其施工范围影响内的高铁桥墩纵、横向水平变形和竖向变形进行监测十分必要。

国内对运营期间高速铁路桥梁变形的监测主要采用常规的人工测量，人工观测受施工现场影响，人员无法直接到达监测部位，多点难以实施同步监测、监测数据不连续，测量工作量大，且不能及时准确的反应运营高速桥梁变形情况。因此采用自动化实时监测系统对高速铁路桥梁变形进行监测更具有实用性。

二、工程概况

成都地铁6号线与成灌铁路在犀浦站交汇，地铁6号线兴业北街站～犀浦路站盾构区间下穿成灌铁路180#～181#、181#～#182#桥墩(与铁路线路正交)。成灌铁路郫县高架桥桥梁上部为32.7m简支梁桥，桥墩为三柱式混凝土墩，每墩下设6根DN1250mm摩擦桩，桩长为31m。地铁隧道边缘与铁路桥墩桩基础边缘最小净距为5m，地铁隧道采用盾构法施工，内衬为钢筋混凝土管片，管片外径为6000mm，内径为5400mm。

图2-1 地铁隧道与铁路桥墩关系图

三、桥墩变形自动化监测系统构建

1、监测设备的选取

（1）DCM沉降监测物位计

该物位计特别适合于要求高精度监测垂直变形的场合，可监测到±0.1mm的高程变化。系统由一系列含有液位传感器的容器组成，容器间由充液管互相连通。基准容器位于一个稳定的基准点，其它容器位于同基准容器大致相同标高的不同位置，任何一个容器与基准容器间的高程变化都将引起相应容器内的液位变化。物位计工作原理：变形产生的压力作用到压力感应部件，压力感应部件将压力信号转换成电信号输出；经过控制系统、数据传输系统和数据分析系统，将测量对象的变形量以直观的数字或图表显示（即将变形的变化量以直观的数值形式显示）。测量原理结构图如下。

P₀ —— 基准测点感知的压力

P_i —— 观测点感知的压力

H₀ —— 基准测点的液柱高

H_i —— 观测点的液柱高

ΔH —— 观测点相对基准点的沉降量

图3-1 竖向变形测量原理结构图

（2）自动全向传感水平变形计

水平变形计工作原理：水平变形测量系统由垂直变形单元组成，采用电容微型摆锤原理，当倾角单元倾斜时，地球重力在相应的摆锤上会产生重力的分量，相应的电容量会变化，通过对电容量初量放大，滤波，转换之后得出倾角。可以测量X/Y两个相互垂直方向的倾斜变化，已知传感器初始安装角度偏向θ及各测点之间间距，通过相应算法转化计算从而测得水平方向的变形变化量。变形测试方法下图所示。

图3-2 水平变形测量原理结构图

（3）自动化综合测试系统

远程监测单元（RTU）系统主要由数据采集系统、电源系统、CDMA无线数据传输终端、防雷器件、接线与通讯接口、防水工业机箱等组成。

各种传感器信号按顺序接入输入信号模块中，经由防雷板处理后，进入DT采集器中传感器采集通道，采集的数据通过串口与CDMA无线数据传输终端连接后，可按TCP/IP协议远程与数据存储与处理系统进行无线通讯。远程监测单元工作、结构示意图如下。

图3-4 远程监测结构示意图

2、监测设备的布置与安装

安装位置：本项目选取施工影响范围内的180#～182#墩进行变形监测。在墩顶各布设1台物位计和1台水平变形计，在远离施工影响区的177#墩布设基准点物位计1台。

安装方法：采用移动升降机将人员和设备运送到墩顶高度，采用环氧树脂粘合剂将传感器支架粘结在墩顶，待粘结强度达到要求后，将静力水准仪固定在专用支架上，并将静力水准仪用液面管联通。水平变形计采用环氧树脂粘合剂直接粘结在墩顶。所有监测元件采用数据传输线缆联通并接入数据采集系统。数据集成及传输系统采用太阳能供电。

图3-5 墩顶监测设备安装 图3-6 现场测线安装

四、监测数据处理

1、数据采集

通过现场监测取得的数据和与之相关的其它资料的搜集、记录等。本监测项目采用DCM沉降物位计、自动全向传感水平变形计将量测值自动传输到数据库管理系统。

图4-1 系统数据采集界面

2、数据整理

每次观测后立即对原始观测数据进行校核和整理，包括原始观测值的检验、物理量的计算、填表制图，初步分析和整编等，初步剔除异常数据，并将检验过的数据输入计算机的数据库管理系统。

图4-2 系统数据整理

3、数据分析

对采集数据进行数理统计和拟合分析各监测物理量值大小，找出变形发展趋势和变化规律，以便对工程的安全状态和应采取的措施进行评估决策。施工期间对监测数据进行统计，采用线性回归、双曲线模型等分析方式绘制变形曲线—速率曲线，剔除无用因素，建立沉降变形曲线模型。通过对变形曲线模拟出的变化趋势，找出可能发生的不利影响，提前进行预警。

4、数据预报和反馈

为确保监测结果的质量，加快信息反馈速度，全部监测数据均由计算机管理，并实时向相关单位提交数据报表，同时附上相应的变形时态曲线图，根据回归分析内容对当月的施工情况进行评价并提出施工建议和相关预防措施。

成灌铁路郫县高架桥180#～182#桥墩在监测期间的监测数据变形时程曲线图如下（选取变形最大的桥墩）。

根据桥墩监测数据变形时程曲线图，地铁盾构下穿施工期间，铁路桥墩累计最大变形发生在181#桥墩。最大竖向变形为1.09mm，最大横向水平变形为0.45mm，最大纵向水平变形为0.30mm，其累计变形值均在规范允许范围内。

五、结论

自动监测是监测技术中最重要的手段，在人工成本日渐高涨的背景下，自动化监测技术能够极大替代人工，特别是监测分析等智能监测技术的发展，极大提高监测效率，节省人力。同时，随着我国越来越多的高铁、地铁、高速公路、市政工程等基础设施建设的实施，自动监测系统将具有更为广阔的应用前景。

参考文献

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作者简介：先正平（1979-），男，高级工程师，从事结构分析、工程设计、施工管理工作。

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