地铁施工下穿高架桥桥墩沉降自动监测技术研究

(1.中铁十八局集团第四工程有限公司 天津 300350，2.中铁十八局集团第四工程有限公司 天津 300350，3.中铁十八局集团第四工程有限公司 天津 300350)

一、引言

在地铁建设过程中不可避免的会引起地面扰动甚至会引起较大的地面的不均匀沉降。尤其是在地铁施工过程中下穿既有高架桥，桥墩的变形与沉降均会影响桥面及桥梁的正常使用，所以沉降监测在下穿既有桥梁的地铁施工中显得格外的重要[1]。由于传统的监测主要是由人来完成，不可避免的会造成一定的偶然误差，造成监测结果的不精确导致对既有桥梁因地铁施工造成的沉降量值与实际沉降值的偏差。故本研究以此为切入点，依托成都地铁六号线兴～犀区间成灌线郫县高架桥为研究背景，引入自动监测系统为主、人工监测为辅的桥墩沉降变形监测系统，可以有效避免人工监测的缺点和充分发挥自动监测的优点，可以得到真实可靠的监测系统。

二、工程概况

(一)兴～犀区间及犀浦站与成灌高铁的关系。犀浦站～兴业北街站盾构区间左线穿越181#～182#墩跨，隧道外轮廓线距181#墩承台边缘4.10m，距182#墩承台边缘15.89m；右线穿越180#～181#墩跨，隧道外轮廓线距181#墩承台边缘5.26m，距180#墩承台边缘15.32m。兴～犀区间及犀浦站与成灌高铁的平面位置关系示意图如图1所示。

图1 车站及区间与成灌线平面位置关系示意图

(二)监测内容。对成灌线郫县高架特大桥178#～183#墩的沉降变形进行24小时远程实时监测，采用安伯格轨检小车定期对K15+300～+600段轨道几何形态进行检测。

三、桥墩监测系统构建

本项目基于结构沉降自动监测静力水准仪+倾角计+水位监测计+人工辅助沉降观测构建桥墩沉降变形监测系统。

(一)静力水准仪。本次研究拟采用的静力水准仪量程为±25mm，该仪器在测量两点之间或多点之间相对高程变化的结果准确可靠，且精密度较高。主要应用于大坝、核电站、高层建筑、矿山、滑坡、桥梁、路基等垂直位移和倾斜的监测[4]。静力水准仪中内置的温度传感器还可以同步监测测点处的温度。静力水准系统一般安装在被测物体等高的测墩上或被测物体墙壁等高线上[5]，使用无线自动化综合测试系统对数据进行采集，再通过无线通讯设备与计算机相连，以此实现自动化观测。

(二)倾角仪。智能倾角计是一款模拟电压输出的高精度双轴倾角传感器，小量程最高分辨率能够达到0.006°。智能倾角计内设置有微型固体摆捶，通过测量静态重力场变化，再将重力场变化转变成倾角变化，通过变化电压(0-5V)方式对外输出[6]。

(三)水位监测计。投入式地下水位监测计的原理是所测液体静压力与该液体高度成正比，依托于陶瓷敏感元件或扩散硅的压阻效应，电信号通过所测静压力转变而来[7]。经过温度补偿和线性校正。转换成4-20mADC标准电流信号输出。可实时显示监测数据，并转换为RS485输出，可实现水位液位的自动检测控制。

(四)自动化综合测试系统。自动化综合测试系统是一种全自动无人值守测量、无线数据传输的综合数据采集系统。系统可配接振弦式传感器、电流信号、温度传感器等。系统所采用的分布式结构可任意组成多点式的无线测量控制系统，特别适用于高空、高危、等场所的施工监测和运维监测。自动化综合测试系统示意图如图2所示。

自动化综合测试系统主要由四个子系统所组成并通过网络联系而进行工作，这四个子系统分别是[8]:(1)传感器系统，包括:应变传感器、位移传感器；(2)数据采集系统，包括:供电模块、信号采集、处理模块以及相应的数据存储模块；(3)数据传输系统，包括：GPRS数据传输模块；(4)网络平台系统，包括：服务器、系统控制中心。

图2 自动化综合测试系统示意图

(五)仪器的布置与安装

1.静力水准仪安装位置。本项目选取施工影响范围内的178#～183#墩进行沉降变形监测，178#～183#墩每根墩柱顶布设1台静力水准仪，177#墩布设3台静力水准仪基准点，总共21台静力水准仪[9]。178#～183#墩每根墩柱布置1台倾角计共18台倾角计。177#、180#、181#、182#布设4台水位监测计。

2.安装数量。桥墩监测总共需要：21台静力水准仪、18台倾角计、4台水位监测计。

3.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。在墩顶位置，使用环氧树脂粘合剂将倾角计粘接于墩顶。水位监测计置入水位监测井。所有监测元件通过数据传输线缆联通，并接入数据采集系统。数据集成及传输系统中设置有太阳能发电系统，故仪器本身不用外接电源，均使用太阳能供电。

(六)人工辅助监测。施工单位进场后人工采集基础测量数据，在工程施工期间如果有出现监测数据变化过大或非正常变化时，实际施工单位应将及时安排现场进行人工测量复核，人工复核的要求如下：

沉降监测桥梁墩台时可以借助于在施工期间埋设在墩身沉降监测点进行沉降监测[10]，假设墩身没有沉降监测点，则埋设沉降监测点时应需要根据桥墩墩身/墩顶沉降位移观测点埋设示意图的要求，当将每个墩台上的沉降监测点稳定埋好以后，对各埋设的沉降监测点进行测量，其测量精度不应低于三等水准测量的精度，确定墩身各监测点的沉降情况。水准路线观测示意图如图3所示。

图3 水准路线观测示意图

四、数据整理

监测资料的收集、处理、分析、预测反馈等方面，通常是监测数据反馈整理分析内容与方法的主要内容。

(一)收集。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[11]。本监测项目采用的仪器如结构沉降自动监测静力水准仪、自动全向传感水平位移计将量测值自动传输到数据库管理系统。电子水准仪，全站仪对数据均为自动采集，所采集的人为导入数据库。

在每经过了一个监测周期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[12]，初步筛选出异常数据，并将未被筛选的数据录入数据库管理系统。

(二)预测分析和反馈。通过对采集的数据进行数理统计和拟合分析等数学方法确定各监测物理量值大小，尽可能找出监测对象的变形发展趋势和变化规律，及时评估工程的安全状态，并对存在安全风险的工程部位采取相应应对措施。加快信息反馈速度，确保监测结果的准确性，全部监测数据均由计算机计算管理所得，并应该按时提交监测数据的周报表、提交监测月报，同时附上相应的位移时态曲线图，根据回归分析数据，并对当月的施工情况进行评价并提出施工建议及相关预防措施。监测变量累积值(P)—时间(t)的时态关系曲线如图4所示、监测变量变化速度(△P)—时间(t)的时态关系曲线如图5所示、监测区域变化速度(△V)—测点(S)的空间关系曲线如图6所示。

图4 监测变量累积值(P)—时间(t)的时态关系曲线

图5 监测变量变化速度(△P)—时间(t)的时态关系曲线

图6 监测区域变化速度(△V)—测点(S)的空间关系曲线

五、结论

本文通过对桥墩沉降的自动监测与人工监测数据结合，绘制出监测变量累积值(P)—时间(t)的时态关系曲线、监测变量变化速度(△P)—时间(t)的时态关系曲线、监测区域变化速度(△V)—测点(S)的空间关系曲线，根据回归分析数据，并对当月的施工情况进行评价并提出施工建议及相关预防措施。