靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化系統(tǒng)在高鐵橋墩差異沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

張建民

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300142)

?

靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化系統(tǒng)在高鐵橋墩差異沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

張建民

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300142)

設(shè)計(jì)并采用靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測高鐵相鄰橋墩的差異性沉降，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測全天侯、實(shí)時(shí)化、自動(dòng)化，通過和水準(zhǔn)監(jiān)測的對比，監(jiān)測精度滿足規(guī)范要求。

工程測量高速鐵路差異沉降自動(dòng)監(jiān)測

某高速鐵路鋪軌完成后，在6個(gè)月內(nèi)，采用常規(guī)水準(zhǔn)測量方法開展了4次沉降監(jiān)測，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)A至B段存在大范圍地面區(qū)域沉降。經(jīng)對區(qū)域沉降地區(qū)的橋墩沉降監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有的橋墩相對沉降不均勻，橋墩間高差變化大，其中129號(hào)、130號(hào)橋墩間高差變化達(dá)到4.66 mm，接近限差5 mm，并有繼續(xù)擴(kuò)大的趨勢。為了掌握129號(hào)、130號(hào)墩差異沉降的變化規(guī)律及變化情況，需要增加監(jiān)測頻次，但128號(hào)～131號(hào)橋墩處地勢低洼，積水嚴(yán)重，測量極為困難。如果轉(zhuǎn)為線上監(jiān)測，又只能利用晚上“天窗”時(shí)間在橋上進(jìn)行間接觀測，但高鐵夜間“天窗”時(shí)間有限，也難以保證高頻率監(jiān)測的需要。采用靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)來開展橋墩差異沉降監(jiān)測工作，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測全天侯、實(shí)時(shí)化、自動(dòng)化。

1　監(jiān)測精度

按《高速鐵路工程測量規(guī)范》，沉降監(jiān)測等級劃分和精度要求見表1，沉降監(jiān)測網(wǎng)的主要技術(shù)要求見表2。

表1　沉降監(jiān)測等級劃分和精度要求　mm

表2　沉降監(jiān)測網(wǎng)的主要技術(shù)要求　mm

注：表中n為測站數(shù)。

按《建筑變形測量規(guī)范》，采用靜力水準(zhǔn)測量觀測的主要技術(shù)要求見表3。

高速鐵路無砟軌道橋梁段軌道鋪設(shè)完成后進(jìn)行工后沉降長期觀測，對于靜定結(jié)構(gòu)須滿足均勻沉降量不大于20 mm、相鄰墩臺(tái)沉降差不大于5 mm的要求。按照沉降監(jiān)測量的中誤差小于允許變形值的1/10～1/20的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，監(jiān)測2個(gè)橋墩間的高差中誤差為0.5～0.25 mm，兩次觀測高差較差為1.0～0.5 mm，確定監(jiān)測等級為三等。采用水準(zhǔn)測量方法時(shí)需按照國家二等水準(zhǔn)測量的技術(shù)要求實(shí)測，采用靜力水準(zhǔn)測量方法時(shí)，應(yīng)至少按靜力水準(zhǔn)三等進(jìn)行?？紤]到監(jiān)測的長期性，儀器類型不宜采用敞口式，故按監(jiān)測等級為二等，儀器類型為封閉式進(jìn)行。

表3　靜力水準(zhǔn)觀測的主要技術(shù)要求　mm

注：表中n為高差個(gè)數(shù)。

2　方案設(shè)計(jì)及實(shí)施

2.1監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

在橋墩128號(hào)和131號(hào)底部以橫標(biāo)形式各埋設(shè)一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。選擇其中128號(hào)為靜力水準(zhǔn)儀測量基點(diǎn)，131號(hào)作為檢核點(diǎn)。監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)如圖1所示。

圖1　靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)

2.2靜力水準(zhǔn)儀安裝

靜力水準(zhǔn)儀主要部件由一系列智能液位傳感器及儲(chǔ)液罐組成，儲(chǔ)液罐之間由連通管連通?；鶞?zhǔn)罐置于128號(hào)橋墩上，其他儲(chǔ)液罐置于高度大致相同的其他橋墩上，當(dāng)其他儲(chǔ)液罐相對于基準(zhǔn)罐發(fā)生升降時(shí)，將引起罐內(nèi)液面的上升或下降。通過測量液位的變化，測定被測點(diǎn)相對基點(diǎn)的升降變形，能夠較為方便地測量兩個(gè)及以上橋墩的差異沉降變化或垂直變形。

在128號(hào)～131號(hào)四個(gè)橋墩垂直鐵路方向兩側(cè)的底部分別布置1個(gè)靜力水準(zhǔn)儀，用鐵質(zhì)扣件與膨脹螺栓固定，并在橋墩周圍設(shè)置圍欄以保護(hù)儀器。靜力水準(zhǔn)儀工作點(diǎn)之間通過專用的軟管進(jìn)行聯(lián)通。軟管外采用φ≥10 cm鋼管保護(hù)，埋設(shè)于地面以下，埋深不小于1 m。

2.3數(shù)據(jù)采集模塊

安裝數(shù)據(jù)采集模塊用于定時(shí)采集靜力水準(zhǔn)儀測量的數(shù)據(jù)，增加GPRS傳輸模塊后，將靜力水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲杉渲小２杉渲袛?shù)據(jù)處理器自動(dòng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)并通過網(wǎng)絡(luò)上傳，通過網(wǎng)絡(luò)(數(shù)據(jù)中心)即可實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理及對儀器的實(shí)時(shí)操作。靜力水準(zhǔn)監(jiān)測系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)

2.4軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)采用隨儀器配置的數(shù)據(jù)采集軟件和對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的數(shù)據(jù)處理軟件，針對本項(xiàng)目特點(diǎn)，在隨機(jī)軟件的基礎(chǔ)上開發(fā)了數(shù)據(jù)處理分析軟件，用于數(shù)據(jù)的處理與分析。

2.5變形監(jiān)測

基準(zhǔn)點(diǎn)測量按照二等水準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)執(zhí)行。采用徠卡DNA02電子水準(zhǔn)儀，對4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行閉合環(huán)水準(zhǔn)測量。初始值測量時(shí)選擇128號(hào)為零點(diǎn)，平差計(jì)算其他3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)高程，建立獨(dú)立高程系統(tǒng)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)復(fù)測按照同等標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

觀測周期設(shè)計(jì)為第一周每天一次，根據(jù)變化量和穩(wěn)定性調(diào)整為每周一次，這樣可以節(jié)省電池消耗，避免頻繁更換蓄電池。監(jiān)測過程中如果發(fā)現(xiàn)沉降出現(xiàn)速率變大或累計(jì)沉降超限較大等情況應(yīng)縮短觀測周期。測量時(shí)應(yīng)注意以下問題：

①觀測前向連通管內(nèi)充液時(shí)，不得將空氣帶入，可采用自然壓力排氣充液法或人工排氣充水法進(jìn)行充液。

②連通管應(yīng)平放在支架上，當(dāng)通過障礙物時(shí)，應(yīng)防止連通管在垂直方向出現(xiàn)Ω形而形成滯氣“死角”。

③連通管任何一段的高度都應(yīng)低于儲(chǔ)液筒底部。

④觀測時(shí)間應(yīng)選在氣溫最穩(wěn)定的時(shí)段，觀測讀數(shù)應(yīng)在液體完全呈靜態(tài)下進(jìn)行，本項(xiàng)目數(shù)據(jù)采集時(shí)間為凌晨3點(diǎn)，處于“天窗”時(shí)間無列車通行時(shí)段。

⑤每次觀測，可取2～3個(gè)讀數(shù)的中數(shù)作為一次觀測值，讀數(shù)較差限差小于0.3 mm。

2.6數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集采用隨機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件，數(shù)據(jù)分析采用

符合客運(yùn)專線變形監(jiān)測技術(shù)規(guī)范的沉降變形統(tǒng)計(jì)分析軟件。應(yīng)及時(shí)整理、檢查原始數(shù)據(jù)，處理時(shí)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行計(jì)算、復(fù)核制度，數(shù)據(jù)結(jié)果保留到0.01 mm。

3　與水準(zhǔn)監(jiān)測成果的對比

2014年6月，對安裝后的靜力水準(zhǔn)測量設(shè)備進(jìn)行了測試調(diào)整，設(shè)備正常運(yùn)行后，在2014年7月至9月期間，7天一個(gè)周期，共進(jìn)行了8次水準(zhǔn)測量，通過水準(zhǔn)測量進(jìn)一步驗(yàn)證靜力水準(zhǔn)測量監(jiān)測結(jié)果的可靠性。以2014年7月13日的水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)作為監(jiān)測首期數(shù)據(jù)，水準(zhǔn)測量及靜力水準(zhǔn)監(jiān)測對比分析如圖3、圖4和圖5所示。

圖3　水準(zhǔn)測量各期成果與首期對比

圖4　靜力水準(zhǔn)測量各期成果與首期對比

圖5　靜力水準(zhǔn)測量與水準(zhǔn)測量各期成果對比

從圖3中可以看出，129號(hào)橋墩出現(xiàn)了較為明顯的下沉，累計(jì)沉降量達(dá)到2.5 mm；從圖4中可以看出，129號(hào)橋墩累計(jì)沉降量為3 mm；從圖5中可以看出，靜力水準(zhǔn)測量與水準(zhǔn)測量在各期的差值均優(yōu)于1 mm。

4　結(jié)論

靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)安裝較為簡便，自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測、實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)掌握沉降變化情況。通過和水準(zhǔn)監(jiān)測的對比，說明靜力水準(zhǔn)測量的精度與水準(zhǔn)測量的精度基本相當(dāng)，在橋墩差異沉降區(qū)域安裝靜力水準(zhǔn)儀完全可以替代傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測量，解決人工測量作業(yè)不便的問題。

[1]TB10601—2009高速鐵路工程測量規(guī)范[S]

[2]JGJ/T8—2007建筑變形測量規(guī)范[S]

[3]GB50497—2009建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S]

[4]GB/T12897—2006國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范[S]

[5]李樹偉.高速鐵路沉降監(jiān)測方法的應(yīng)用探討[J].鐵道勘察，2011(6):16-18

[6]范紅波.鐵路施工便梁沉降自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[J].鐵道勘察，2012(1)：103-105

[7]史雪峰，陳開利，鐘繼衛(wèi)，等.高速鐵路橋梁基礎(chǔ)沉降遠(yuǎn)程無線監(jiān)測技術(shù)研究[J].橋梁監(jiān)測與加固，2011(1)：1-4

[8]何曉業(yè).靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在大科學(xué)工程中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢[J].核科學(xué)與工程,2006(4):332-336

The Application of Hydrostatic Level Automatic System in Pier Difference Settlement of High-Speed Railways

ZHANG Jianmin

2016-01-13

張建民(1975—)，男，2009年畢業(yè)于天津大學(xué)土木工程專業(yè)，工程師。

1672-7479(2016)02-0001-02

TU433

B