实时沉降监测在运营高速铁路变形监测中的实践

余卫华

中铁二十二局集团第五工程有限公司 重庆 400700

正文：

引言

高速铁路桥梁下进行施工作业，受土方量开挖、混凝土浇筑施工等影响，区域结构应力重新分配，可能致使高铁运营线路桥梁墩台构筑物产生不可逆性变形，危及高铁区段安全平稳运营。为了满足高速铁路高安全和高平顺特点，必须对高速铁路受施工影响区段进行变形监测。液体静力水准系统因其具有精度高、自动化性能好、实时连续测量等特点，应用于运营期高速铁路桥梁结构变形监测，可以有效地弥补传统水准测量监测的不足。

本文结合实际工程，从安全、稳定、实时的需求出发，构建实时沉降监测系统，采用液体静力水准仪等设备，融合通信技术和计算机技术，实现对受下穿施工影响的运营高速铁路桥梁结构的实时监测。

1 工程概况

重庆新建潼南至荣昌高速公路（简称潼荣高速），从某运营高速铁路桥梁段的第17孔（16#与17#墩间）和第18孔（17#墩与18#台间）穿过，现场工况如图1所示，道路中心线与铁路桥梁中心线交角为84°，道路防撞墙边缘至铁路桥墩边缘的最小距离为6.79m，道路侧沟边缘至铁路桥墩承台边缘的最小距离为1.5m，道路面至铁路梁底的最小距离为8.42m，道路路基下方采用管径为108mm的钢花桩注浆处理，桩长7.5m，间隔1.2m。路基挖方955.5m3，填方1874.8m3；路基基底采取注浆加固，注浆深度为4.6m，注浆面积为1425m2，总注浆量为1156.8m3。靠18#台侧由于路基需要挖深约4m，设计采用断面为1.5m*2.0m、桩长为12m、桩间距为4.5m的C30钢筋砼1-7#桩板墙对铁路桥台进行防护，桩边缘至铁路桥墩承台边缘的最小距离为3.0m。

图1 项目现场工况

2 监测内容和监测时间

根据相关规范、监测合同和方案，结合现场实际情况，本项目监测内容主要为：对受下穿施工影响的高速铁路桥梁段16#、17#墩和18#台进行实时沉降监测，并通过人工周期沉降监测对实时监测成果进行检核。

监测时间覆盖下穿运营期某高速铁路交叉施工全过程，实时监测采用24小时不间断自动化测量手段进行数据采集，人工周期监测每7天监测一期，用于对实时监测数据检核。

3 监测技术

3.1 实时沉降监测

自动化实时监测系统主要由数据采集器（液体静力水准仪）、远程监测数据传输系统、数据处理中心三部分构成。在16#、17#墩和18#台沿线路方向两侧（左侧和右侧）各安装1台液体静力水准仪，在施工影响范围外安装1台液体静力水准仪作为基准点，共布设7台液体静力水准仪，如下图所示。

图2 液体静力水准仪布设位置

液体静力水准仪利用连通管的原理，由通液管连接在一起的多个储液罐的液面总是在同一水平面，将基准点置于一个相对测点稳定的水平点，其他储液罐置于标高大致相同的不同位置，当其他储液罐相对于基准罐发生升降时，将引起该罐内液面的上升或下降。通过测量液位的变化，了解监测点相对基准点的升降变形。在液体静力水准仪中灌入适当防冻液，减小温度变化监测的影响。本项目采用振弦式液体静力水准仪，其主要技术指标如表1所示。

表1 液体静力水准仪主要技术指标

实时监测系统可以实现完全无人职守的全自动化变形监测。该系统在智能化计算机软件的支持之下，通过无线的方式控制液体静力水准仪对监测主体变形情况进行连续、实时数据采集，在24小时无人职守的情况下，以亚毫米级的精度全天候监测目标变形。

3.2 人工周期沉降监测

人工周期沉降监测点布设于桥墩沿线路方向两侧，处于静力水准仪正下方，共6个沉降监测点；在远离交叉施工影响区域的稳定地点布置4个沉降监测基准点，整个观测过程中保证基准点的稳定、可靠，且有检核条件。

图3 沉降监测点位布设位置

本项目人工沉降监测采用二等水准观测，使用检定合格的Trimble DiNi03电子水准仪，配合铟瓦条码尺进行数据采集，仪器主要技术指标如表2所示。测量作业严格按照相关规范要求执行，每期监测任务完成后检验数据是否满足精度要求，如不满足则重新观测。

表2 Trimble DiNi03主要技术指标Tab.2 Main technical indexes of Trimble DiNi03

3.3 预警值设置

按照《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》（TB 10182-2017）规定，不限速条件下，受下穿工程影响的高速铁路桥梁墩墩顶竖向位移限值为2mm。本监测方案中采用三级预警机制，结合实际工程，各级预警值设置如表3所示。

表3 沉降监测三级预警限值设置Tab.3 Three-level warning limit setting of settlement monitoring

4 监测结果

4.1 实时沉降监测系统稳定性验证

静力水准仪在监测期间，外界温度的变化会对液面的升降产生影响，从而导致实时监测数据的波动。同时，高速列车通过时产生的振动也会导致液面的波动。为了保证监测数据能真实有效地反映高铁桥墩沉降变化趋势，验证外界温度变化和高速列车通行产生振动对实时监测数据的影响，在实时监测系统调试完成后，按每1h一次的频率连续进行120小时（5天）的测试，获取基准点和6个监测点的实时监测数据进行分析。图4为各静力水准仪液面高度随时间的变化值，图5为各监测点相对基准点的差异沉降变化值。

图4 液体静力水准仪液面高度变化

从图4可以看出，各静力水准仪数据呈周期性波动变化。由于监测开始前5天，现场施工较少，可以认为数据变化主要跟温度有关，在温度升高时，其液面降低，当温度下降时，其液面开始回升，变化周期为24h。在列车通过时，各静力水准仪液面高度变化不明显。

图5 监测点差异沉降变化

差异沉降是同一时刻各监测点液面变化值与基准点液面变化值的差值，能真实反映高铁桥墩的沉降变化。对各监测点差异沉降的波动性进行分析，其差异沉降变化值基本处于（-0.5mm，0.5mm）内，统计各监测点数据的均值和中误差，检验实时沉降监测系统的稳定性。统计结果如表4所示。

表4 监测数据稳定性统计分析

中误差表示数据相对于均值的离散程度，中误差越小，监测数据越稳定。从表4中可以看出，各监测点差异沉降值的中误差均不超过0.2mm，说明监测点波动性不大，实时监测系统具有良好的稳定性。

4.2 沉降监测成果分析

将获取的每24h监测数据取均值，作为高铁桥墩当日的沉降变化值，对6个监测点70天的差异沉降数据进行统计分析，如图6所示。监测期内，最大沉降变化发生在桥台监测点18Z，累计抬升变化0.7mm，桥台另一监测点18Y累计抬升变化0.5mm；桥墩监测点16Z、16Y、17Z和17Y沉降变化较小，变化量位于（-0.2mm，0.1mm）内。所有监测点沉降变化量均小于Ⅰ级预警值1.4mm。

为验证实时监测系统数据的可靠性，在下穿工程施工过程中，以沉降量最大的监测点18Z的监测数据为例，将人工监测数据与实时监测数据进行对比分析。如图7所示。

图7 实时监测和人工周期监测成果对比结果

从图7可看出，两种监测方法的变形趋势具有一致性，且相同时间两者的成果较差小于0.5mm，说明实时监测系统数据成果准确可靠。

5 结论

针对重庆新建潼荣高速下穿某运营期高速铁路工程项目，构建了运营期高速铁路实时监测系统。通过实践证明：该实时沉降监测系统在本项目工作环境中具有稳定性；实时监测成果与人工周期监测成果反映的高速铁路变化趋势基本一致，表明监测系统在运营期高速铁路实时沉降监测中的应用可行。

该监测系统实现了运营高速铁路的远程、实时、连续、高精度监测，能够为运营期高速铁路同类型的实时监测提供借鉴。