高速铁路大跨度桥梁水中墩变形监测技术研究

蔺爱军

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

高速铁路桥梁墩台在施工和运营期间，需进行变形监测，目的是监测施工质量，分析墩台稳定性，确保列车运营安全。其中位于大型水库或较宽江河里的大跨度桥梁水中墩台的变形监测，由于受现场地形、变形监测高精度要求等条件限制，成为高速铁路桥梁墩台变形监测的难点。

1 目前高速铁路大跨度桥梁水中墩变形监测方法存在问题

1.1 变形监测成果不全面

桥梁墩台变形监测，分为水平位移和垂直沉降监测［1］。目前国内对高速铁路桥梁墩台的变形监测，一般限于一维的沉降监测和稳定性分析，对平面位移进行监测和分析的案例很少。但桥墩在受到外力作用(如地震、船舶撞击、洪水冲刷等)，或地质基础条件发生变化(如地下水位上升或下降、墩台附近遭遇采砂作业或墩台基础长期处于厚淤泥包裹状态)等情况下，墩台稳定性很可能发生不可恢复的平面、高程三维变形，对列车运营安全造成威胁。

桥梁墩台变形观测方案如能提供三维的桥梁墩台变形监测成果和稳定性分析结论，并根据结论分析施工质量或制订桥墩加固方案，意义远比单独一维成果要大。提供三维的桥梁墩台变形监测成果，很有必要。

1.2 现有沉降观测方法存在的弊端

目前国内高速铁路大跨度桥梁墩台沉降观测通常采用几何水准、普通三角高程测量和电子桥梁健康监测系统。但由于受现场地形、观测成本、精度等限制，无法满足沉降观测要求，加之大跨度水中墩台的特殊地形限制，导致现有观测方法存在不同程度弊端。

1.2.1 几何水准方法(水准仪)

受现场地形、河流宽度、墩台跨度等因素制约，无法用水准仪直接进行高速铁路大跨度桥梁水中墩沉降观测。要按规范要求采用几何水准方法进行大跨度桥梁水中墩沉降观测，必须设法解决水准仪仪器架设和立尺的困难(由于河流较宽，往往没有合适的仪器架设点)，并设法减小观测视距至50 m［2，3］以内。为达到这一目的，目前通常采用的措施是在河中搭建观测平台。但在河流中建稳定的观测平台，成本高昂，且观测平台影响航运和行洪，河道管理部门往往要求限期拆除，沉降观测被迫终止。受多种因素制约，无法使用几何水准方法直接进行大跨度桥梁水中墩沉降变形的长期监测工作。测量人员渡河或在平台上作业，安全保障难度大。

1.2.2 普通光电测距三角高程测量(高精度全站仪单向观测)

理想状态下，普通三角高程精度只稍高于三等，达不到二等水准测量的精度，满足不了高速铁路沉降观测精度要求。但三角高程测量受现场地形条件限制小，实施方便、工作效率高，国内一些高速铁路大跨度水中墩沉降观测，大都采用这一方法。一般是在墩身上安装固定棱镜，在岸边架设全站仪，进行中间设站光电测距三角高程测量。这种方案的缺陷有:①单向观测;②大跨度水中墩观测视距往往大于150 m规范限值［2］;③江面上空气折射率变化大等。导致大气折光对高差测量的影响大，实际观测精度往往低于三等，远达不到高速铁路沉降观测二等水准的精度要求，且在墩身上安装高精度棱镜成本高昂。

1.2.3 其他电子桥梁健康监测系统

近年国内有应用自动电子桥梁健康监测系统进行墩台沉降监测的案例。这些系统大都基于光栅光纤倾角测量、合成孔径雷达干涉测量、静力水准测量等技术。由于无法得到绝对沉降量、成果可靠性差、成本高等问题，没能得到大面积推广，因此桥梁墩台变形监测还是以大地测量方法为主。

2 大跨度水中墩沉降观测推荐方法—精密光电测距三角高程测量

精密光电测距三角高程测量的核心思想是通过对2台全站仪改装，实现同时对向观测，削减大气折光对高差测量的影响，提高测量精度。该方法具有几何水准高精度［2］、普通三角高程受现场地形条件限制小的双重优点。

国内目前还没有使用该方法进行桥梁墩台沉降观测的先例，关键难点是如何根据大跨度桥梁水中墩现场条件，综合考虑观测元器件、变形监测点设置、仪器改装等多方面因素，在不影响航运、行洪、列车通行等前提下，设计出满足规范各项要求的实施方案。下面结合实例对该方案进行阐述。

图1为沪昆客运专线江西段东新赣江特大桥跨越赣江段采用的水中墩变形监测方案示意，直线桥，江面宽1.6 km。BM1～BM4为岸上基准点，分4处布设在线路两侧、赣江两岸。图中小矩形为被监测的桥墩，32、33、34……67为桥墩号。下面就观测方案采用的观测元器件、变形监测点设置、仪器改装、同时对向观测提高精度的原因及高差计算等问题做说明。

图1 东新赣江特大桥水中墩沉降观测布置

2.1 观测元器件

岸上基准点、桥墩变形监测点测标均采用CRTSⅡ型板轨道基准网测钉结构形式，即测标顶部为圆锥小坑。规格尺寸、材质(1Cr18Ni9不锈钢［4］)如图2所示。在观测点上架设GPS、全站仪、精密棱镜均采用CRTSⅡ型板轨道基准网测量中使用的强制对中三角座(变形监测点上不需架设GPS);用几何水准联测岸上基准点高程时采用水准尺适配器，确保测量精度。顶部圆锥小坑尺寸加工精度控制在0.1 mm以内，保证和水准尺适配器、强制对中三角座(对中杆要采用耐磨损不锈钢材料加工)密合。

2.2 基准点设置

岸边基准点采用钢筋混凝土现场浇筑，建立强制对中观测墩。基准点的埋设位置应选择在对天通视良好、基础稳定、方便保护、远离强磁场环境、距离线路近的河岸上。每个点要与线路同侧的河对岸点或线路另一侧同岸的点通视。根据观测墩与桥梁墩顶的高差，基准点一般选在距线路中心线80～450 m的范围内，同时观测桥墩顶变形点时仰角小于8°(规范限值为 10°)［2］。

图2 水准点测标构造(单位:mm)

2.3 变形监测点设置

打破墩身观测标一般设置在墩底部高出常水位0.5 m 左右位置的设计惯例［2，4，5］，将沉降观测标设于墩台顶面，每墩布设2处，位于上、下游两侧检查梯附近，观测人员可通过检查梯从梁面到达墩顶(墩顶防护栏内空间足够1人进行全站仪观测)。使用电钻打孔埋设，埋设时应使用锚固胶进行锚固。也可建小型观测墩(观测墩与桥墩顶要结合紧密，不能有缝)，观测墩高度宜低不宜高，以观测线路前后安全护栏钢筋不遮挡观测视线为宜。

2.4 仪器设备要求

精密光电测距三角高程测量所采用的全站仪应具ATR(automatic target recognition)自动目标识别和照准功能，仪器标称精度不应低于0.5″，1 mm+1 ppm。并在2台全站仪把手位置安装经特殊加工的反射棱镜，安装误差不得大于0.1 mm［1］。

测量时每台全站仪和固定编号的三角座配套，保证全站仪的仪器高不变。仪器设备除常规鉴定项目外，还需精确测定2台全站仪(配固定编号三角座)仪器高之差、每台全站仪棱镜中心到仪器中心高度。解决三角高程测量时全站仪仪器高和棱镜高难以精确测量的困难。

2.5 变形监测高差计算公式［7］

如图3所示，在假定地球表面为水平面、视线是直线，不顾及大气折光和地球曲率影响的条件下，A、B两点间的高差hAB三角高程测量的公式为

图3 不考虑地球曲率的计算图式

在考虑大气折光和地球曲率影响的条件下，如图4所示，D和S为地面A、B两点间实测的水平距离和斜距，弧线PE和AF分别为过仪器高P点和地面A点的水准面。实际观测高度角为α时，水平线PG与B点的铅垂线交于G点，GE就是由于地球曲率而产生的高程误差(球差)，用p表示。由于大气折光的影响，自目标N的光弧线NP进入仪器的望远镜，而望远镜的视准轴却位于弧线PN的切线PM上，MN即为大气折光对三角高程的影响(气差)，用r表示。顾及球差和气差改正(两差改正)，式(1)变为

式中，R为地球半径;k为大气折光系数。p和r都与D的平方成正比，与R成反比，r还与k成正比。折光系数k与气温、气压特别是大气密度有关，其值不易测定。一般近似地把大气折光曲线看作圆弧，其半径R'为地球半径的6～7倍。与求p值同样道理，r=D2/(2R')≈(0.14～0.16)D2/(2R)，即 k≈0.14～0.16。由式(3)知，若往测高差为正(负)时，两差改正后会使得高差增大(减小)，这时返测高差为负(正)，两差改正后，高差会减小(增大)，往返高差取均值，则会完全抵消球差的影响。往返测的大气条件差不多时，k值变化较小，气差也可大部分抵消。这就是在精密三角高程测量中同时进行对向观测的原因。

图4 考虑地球曲率的计算图式

在 A、B 两点同时对向观测，假设 D1、α1、i1、V1(D2、α2、i2、V2)为在 A(B)点架设全站仪向 B(A)点观测时的平距、水平面与观测视线夹角、仪器高、棱镜高，根据上述分析

假设w1、w2为每台全站仪棱镜中心到仪器中心高度，则

由此(4)式也可表示为

上式中平距、夹角可现场测得。(i1－i2)为两套全站仪(配固定编号三角座)仪器高之差。(i1－i2)、w1、w2三参数为配套仪器常数，可通过仪器鉴定得到。式⑸即为采用该方案进行沉降变形监测的高差计算公式。

2.6 推荐变形监测方案实施方法及流程

2.6.1 建立岸上基准点平面、高程首级控制网

按照二等平面控制网要求，采用GPS静态测量方式，将BM1～BM4建成大地四边形独立控制网，并与线路CPI控制网采用边联式联测，建立平面首级控制网。

按照二等水准测量要求，采用几何水准方式，测量同岸的BM1、BM3(BM2、BM4)两点之间高差。对跨江段BM1、BM2(BM3、BM4)两点之间高差，如附近有公路桥梁等其它测量通道，可采用几何水准测量方式;如没有，可采用精密光电测距三角高程测量方式进行跨河水准测量，建立首级高程控制网，并与线路水准控制网联测。

2.6.2 桥墩沉降变形梁部施工期间监测方法

桥墩施工完成，模板拆除后，距墩顶安全防护栏及检查梯竣工还有相当长的一段时间(连续梁施工期)，为保证观测人员的安全、测量不受施工干扰，应按梁部施工期桥墩沉降变形监测方案进行桥墩沉降变形观测。具体方法如下。

在墩身适当位置安装与水准仪配套的1 m长铟瓦条码尺，条码尺上、下两端用膨胀螺栓固定于墩身，高度以尺底部高出施工便桥1 m左右，方便水准仪观测为宜。安装全程要保证条码尺竖直不变形，每墩布设2根，安装在墩身对角线位置，最好在河流上、下游两端。

以施工便桥为测量通道，用二等几何水准测量方式，进行桥墩沉降变形监测。测量期间，要禁止车辆通行，确保便桥稳定，以保证测量精度。

2.6.3 桥墩沉降变形永久监测方法

桥墩顶安全防护栏及检查梯竣工、施工便桥拆除后，可按桥墩沉降变形永久监测方案执行。具体方案如下。

每座桥梁墩台的沉降变形监测含上、下游2条观测路线，图中BM1－32－33－34……67号(上游端监测点)－BM2是上游(往)观测路线;BM3－32－33－34……67号(下游端监测点)－BM4是下游(往)观测路线，进行精密光电测距三角高程测量，获取桥墩顶变形点的高程。实际作业要进行往返测量。

东新赣江特大桥32～67号墩位于赣江河水中，最小跨度50 m，最大跨度196 m。2台全站仪均采用强制对中三角座，同时对向观测，消除大气折光对高差测量的影响，使每一段高差观测都按规范要求进行，得到两点间高差。在该方案中，基准点与桥上变形点的联测视距在250 m左右，即可完全满足观测竖角小于8°(规范限值为10°)［2］的要求。墩顶观测最大视距是196 m。所有测量视距远小于精密光电测距三角高程测量要求的一般不大于500 m，最长不应超过1 000 m的要求［2］，符合规范要求。

注意:最后一次墩身条码尺观测与第一次墩顶监测标观测应在同一天进行，并在数据处理时按测标转移处理，确保沉降观测数据的连续性。

2.6.4 桥墩平面变形监测

采用在桥墩顶变形点上安置高精度棱镜，在江两岸基准点上同时架设全站仪，两全站仪互为后视点，用前方边角交会方式，测量变形点平面坐标。在设计基准点网形时，应考虑交会角度应在30°～120°，如太小或太大，在优先考虑满足精密光电测距三角高程要求的前提下，可通过调整基准点位置或增加布设基准点来解决交会角度问题。

3 基准点观测技术要求

按照二等平面控制网要求，采用GPS静态测量方式，建立基准点平面首级控制网，并与线路CPI控制网采用边联式联测。每6个月复测1次［2，8］。建网及复测技术要求应执行现行《高速铁路工程测量规范》(TB10601—2009)的相关规定。

按照二等水准测量要求，建立高程基准网，并与线路二等水准控制网联测，建网及复测技术要求应执行《国家一、二等水准测量规范》(GB/T12897—2006)的相关规定。

4 变形监测技术要求［2］

(1)根据规范要求，桥墩水平位移观测应按二等变形测量等级执行［6］，沉降观测应按变形测量三等规定执行，精度指标见表1。

表1 不同变形测量等级的精度要求 mm

(2)水平位移监测水平角方向观测技术要求应符合表2的规定。

表2 水平角方向观测法的技术要求

(3)边长测量技术要求应符合表3的规定。

表3 边长测量技术要求

(4)精密光电测距三角高程测量采用往返观测，技术要求应符合表4的规定。

表4 精密光电测距三角高程测量主要技术要求

(5)全站仪测量得到的斜距应进行气象和仪器常数改正。当测边两端气象条件差异较大时，应在测站和反射镜站分别测记，取两端平均值进行气象改正。气压、气温读数取位应符合表5的规定。

表5 气压、气温读数取位要求

5 观测实施中的注意事项

(1)由于精确测量桥梁高墩顶部的三维坐标会受测量时的风速、风向、振动、日照等的影响。为确保精度，测量作业应选择在风力小于3级且无明显振动的情况下进行。除要记录气温、气压外，还应记录天气、风速、风向、测站起止时间、河水水位、近期降雨量等信息，以利于对桥墩结构变形特性和异常数据进行综合准确分析。

(2)精密三角高程测量，观测时间的选择取决于成像是否稳定。在日出、日落时，大气垂直折光系数变化较大，不应进行长边观测［10］。在阴天、夜间大气比较稳定的情况下，观测精度最好。

(3)水准尺适配器、强制对中三角座对中杆应采用耐磨损材料。2套全站仪仪器高差值，水准尺适配器高度应和仪器其它鉴定项目一起定期鉴定，防止对测量数据精度造成影响。

(4)如一站观测时间过长，应重新对向观测。尽量降低因没有同时对向观测，大气折光对高差测量的影响［10］。

6 结语

精密光电测距三角高程测量精度高;受地形条件限制小;满足目前国内绝大部分高速铁路大跨度桥梁墩台的沉降观测要求(目前国内高速铁路桥最大跨度为580 m)，监测方法具有普遍适用性;不受通航、行洪、列车通行(可利用夜间空闲时间窗口)等影响;监测成果精度高，同时得到桥墩竖向沉降和水平位移三维成果，对桥梁稳定性分析更具参考价值。根据三维变形监测成果得出的桥梁稳定性分析结论对监测施工质量、制订墩台加固方案、确保铁路运营安全意义更大。

［1］淮海工学院.桥梁工程变形监测［EB/OL］.［2012-02-16］.http://wenku.baidu.com/view/18a9fde0524de518964b7d73.html.

［2］中华人民共和国铁道部.TB10601—2009/J962—2009 高速铁路工程测量规范［S］.北京:中国铁道出版社，2009.

［3］国家测绘局.GB/T12897—2006 国家一、二等水准测量规范［S］.北京:中国标准出版社，2006.

［4］中华人民共和国铁道部.TB10621—2009/J971—2009 高速铁路设计规范(试行)［S］.北京:中国铁道出版社，2009.

［5］中华人民共和国铁道部.JGJ8—2007/J719—2006 客运专线铁路无砟轨道铺设条件评估技术指南［S］.北京:中国铁道出版社，2007.

［6］建设部标准定额研究所.JGJ8—2007/J719—2007 建筑变形测量规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2007.

［7］张正禄，邓勇，等.精密三角高程代替一等水准测量的研究［J］.武汉大学学报:信息科学版，2006(1):5-6.

［8］铁道部工程管理中心.工管技［2009］77号 客运专线铁路变形观测评估技术手册［M］.北京:中国铁道出版社，2009.

［9］成大先，等.机械设计手册［M］.5版.北京:机械工业出版社，2006.

［10］潘正风.精密三角高程测量［EB/OL］.［2012-02-18］.http://wenku.baidu.com/view/560a2885ec3a87c24028c40d.html.