多元传感器智能监测系统在高铁监测中的应用

石 岩，符新新，孔繁帆

（1.南京市测绘勘察研究院股份有限公司，江苏 南京 210000；2.北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100000）

随着我国铁路运营里程的不断递增，临近既有铁路营业线的工程建设也逐渐增多，尤其是高速铁路对线路平顺性要求更高、运维更加严格[1]。同时，运营线网不断密集，出现大量下穿工程穿越高铁并行段，施工影响桥墩数量较多的情况，传统监测方式已无法保证铁路营业线的结构安全。因此，在外部工程施工期间，对运营期铁路结构提供自动化、连续性、智能化的变形监测需求日益迫切。本文以新建道路下穿高铁工程为例，研究了多元传感器智能监测系统在高铁桥墩监测中的应用。

本文以佳营南路下穿高铁桥墩工程为例，通过对高铁桥墩进行自动化变形监测，掌握了外部工程在施工过程中对既有高铁结构造成的变形，为铁路管理单位提供了及时准确的数据，为判定外部工程施工对既有高铁桥墩的影响，确保桥墩变形在可控范围和安全施工提供了可靠的数据支持[2]。由于该项目外部工程穿越区段高铁并行段桥墩数量较多，且桥墩下观测环境较差，传统人工监测很难满足高铁营业线保护监测的要求[3]，因此本文采用结合多元传感器的高精度智能结构监测系统进行高铁桥墩自动化实时监测。

1 工程实例

1.1 工程概况

佳营南路下穿工程位于南京市秦淮区，道路中心线对应京沪高铁里程约K1027＋444 m。南京市佳营南路下穿京沪高铁等桥孔工程下穿京沪高铁、沪蓉上、下行联络线、仙宁线处新建U槽结构，外U槽长118.4 m。设计里程为K0+410.358～K0+528.758，U槽外宽33.4 m。佳营南路引道段机动车道采用U槽结构，内U槽长75 m，设计里程为K0+528.758～K0+603.758，内U槽外宽18.5 m。外部工程与铁路位置关系如图1所示。

图1 外部工程与铁路位置关系图

项目在佳营南路道路东侧（京沪高铁秦淮河特大桥57#～58#墩之间）设置一孔φ1.25 m钢筋混凝土圆形护涵，采用顶管施工，护涵内通过14孔10 kV电力管。14孔10 kV电力管采用1-φ1.25 m钢筋混凝土护涵防护（顶进施工），长度为117 m。Φ120雨水管采用1-φ2.2 m钢筋混凝土护涵防护（明挖现浇），长度为113 m。项目涉铁区段主要为外U槽结构，里程为K0+410.358～K0+528.758，长118.4 m。施工位置所处环境较差，施工可能会引起铁路桥墩的变形，从而影响铁路的安全运行。佳营南路下穿工程下穿仙宁铁路秦淮河特大桥27#～28#墩之间、沪蓉铁路上行联络线特大桥56＃～57＃墩之间、京沪高铁秦淮河特大桥56＃～57＃墩之间、沪蓉铁路下行联络线特大桥52＃～53＃墩之间。

本次监测的佳营南路下穿影响段包括：①仙宁铁路秦淮河特大桥27#～28#墩；②沪蓉铁路上行联络线特大桥56＃～57＃墩；③京沪高铁秦淮河特大桥56＃～57＃墩；④沪蓉铁路下行联络线特大桥52＃～53＃墩。项目对新建道路施工影响段高铁桥墩进行垂直位移、水平位移（横桥向、顺桥向）的实时动态监测。

1.2 监测系统设计

1.2.1 数据采集系统

由于传统的人工铁路监测时间滞后且效率低，为实时反映高铁桥墩变形情况，项目采用高精度智能结构监测系统实施自动化监测。系统内置智能监测软件，集成数据采集、分析、处理和智能预警等功能，结合了智能型传感器（静力水准、倾角仪）、无线通信技术、计算机技术与数据处理系统[4]。系统集成了稳定的通信硬件设计与成熟的数据分析处理软件设计，通过低功耗、长距离的无线通信控制，实现了数据自动采集、稳定高效传输、远程控制、数据智能处理等核心功能，形成了一套智能化、数字化、网络化的变形监测系统[5]。系统对大量监测数据进行结构化处理，实现从数据到成果的转化，提升了信息的可用性和有效性；同时将传统的人为剔除粗差转变为通过计算机算法进行数据过滤，提高了数据处理的速度与效率。

数据采集模块主要由监测传感器、多功能采集终端、通信单元、智能控制模块等组成[6]。该模块性能稳定、兼容性强，可连接全站仪、静力水准仪、倾角仪等多元传感器，自动完成周期监测数据采集。在日常监测过程中，可实时检查设备运行状态，根据不同项目需求设置数据采集频次与周期。数据处理模块通过算法对采集的各类观测数据进行自动分类、基准点稳定性分析、外界影响因素识别、异常值（粗差）剔除、平差解算等数据处理。成果发布模块负责对各项目监测成果进行信息化数据管理，可按测项实时查询数据并导出数据；同时可根据规范和项目设计要求，设置各测项的预警值和报警值，将超出预设值的异常信息远程通知项目管理人员，实时跟踪铁路结构变形状态。

1.2.2 桥墩垂直位移监测

1）静力水准监测方式。本项目桥墩垂直位移监测采用自动化静力水准监测系统，利用电感式静力水准设备自动采集桥墩垂直位移变形值，再通过采集模块接入自动化监测系统，经无线通信技术远程控制设备采集监测数据，从而形成一套从数据采集、传输、处理、分析到发布的高精度智能结构监测系统。HD-2NJ103-1型高精度静力水准仪由储液罐、液位传感器、通液管、金属罩、基座、温度补偿、数据处理模块等部件组成（图2），适用于基坑、路基边坡、市政隧道、地铁隧道、管廊、桥梁、大坝等各种建（构）筑物变形监测[7]。静力水准系统是观测各点位高差及其变化值的精密仪器，通常设置在待测体（墩柱、墙壁）的等高位置，利用通液管将多个设备的储液罐进行连接，采用高集成度模块化自动测量单元采集数据并链接计算机，从而实现远程自动化监测。

图2 静力水准仪示意图

静力水准测量基于伯努利方程原理实施，即通液管中的液体压力处于静止状态时满足伯努利方程。根据该原理制成的静力水准设备或系统可测量各点位之间的高差，再根据测量值的变化计算各监测点的垂直位移。实施过程中，将系统内一个观测设备安置在基准点上，其他观测设备安置在目标点上，进行重复多次观测，得到各待测点的垂直位移。

基准静力水准仪作为监测系统的起算依据，应设置在变形影响区域外的稳定位置。本项目基准静力水准仪布设在施工范围影响外两侧稳定的桥墩上，基准静力水准仪与监测点应布设在同一水平面。为准确反映高铁桥墩的变形影响，项目在每个桥墩横桥向布设1个静力水准仪。为避免日常施工对设备造成破坏，静力水准仪布设在桥墩墩顶向下0.3 m处，布设时应保证所有静力水准仪在同一个水平面，各监测点高差不得超过20 cm（图3）。化平差成果，后期进行实时采集。

图3 静力水准仪现场安装图

1.2.3 桥墩倾斜监测

桥墩倾斜监测采用倾角仪进行数据采集。项目采用HC-B300型双轴数显倾角仪监测建（构）筑物相对于垂直面的倾斜与水平面的位移[8]。HC-B300型倾角仪属于双轴小量程数显倾角仪，系统内置高精度差分转换器，输出两个方向俯仰角度，根据现场情况，倾斜监测的绝对精度可达±0.003°。将倾角仪布设在监测范围内桥墩顺桥向墩底以上0.3 m处（图4），每个桥墩布设1个倾角仪，可测量横桥向和顺桥向的倾斜变量，并通过算法换算为桥墩水平方向的位移量。

图4 倾角仪现场安装图

2）全站仪监测方式。在静力水准自动化监测的同时，为检核数据的稳定性与准确性，在每个桥墩布设静力水准仪位置附近安装监测棱镜进行全站仪自动化监测，并将两套实时监测数据进行对比分析。为提高全站仪监测系统中基准点的稳健性，基准点采用多个基准点形成点组的布设方式，每组设立8个基准点。本项目在变形影响区外稳定位置布设基准点组，结合现场周边环境，在施工影响区域两侧分别外扩3个桥墩的墩身布设基准点。

全站仪工作基点布设位置选择在监测区域内，设点位置应能保证工作基点观测范围覆盖该监测段全部监测点以及对应的起算基准点，并应满足基准网网形和精度要求。工作基点的选址还应考虑仪器的观测视线满足视场要求，以确保日常监测精度。基准网是由工作基点与顺桥向距离最远的基准点组构成的独立三维基准网坐标框架，首次基准网测量采用Leica TM50全站仪（±0.5''，±0.6+1.0 ppm）与配套机载多测回测角测距程序，利用导线法获取基准点的初始三维坐标。基准网平面测量参照《高速铁路工程测量规范》二等水平位移监测控制网技术要求施测。后期日常监测采用空间后方交会法，且基准点与监测点各观测1个测回。在施工影响区域内的桥墩上分别布设1个监测棱镜，监测点初始坐标取值采用多个周期的自动

将安装完成后的全部倾角仪链接至数据采集模块，通过网络传输实现自动化远程监测。数据自动采集单元是联系控制主机与倾角仪的纽带，是实现远程监测的重要环节。该设备具有可靠性高、温度稳定性好、抗干扰能力强、测值稳定等特点。

1.3 数据处理

自动化监测系统对自动采集的各类观测数据进行平差处理，利用已建立的数学模型分析不同环境状态下桥墩结构变形特征[9]，尤其是列车运行中产生震动的影响规律，剔除异常监测数据（粗差），进而平差解算获得最终监测成果。

2 数据分析

分析本项目在新建道路下穿工程U型槽施工期间（2020年6—10月）自动化监测数据发现，最大阶段变形量为-0.5 mm（56#），垂直位移百日变形速率最大值为-0.004 mm/d；且期间各测点变化平稳，无明显变形趋势，铁路结构整体变形相对稳定，说明佳莹南路下穿京沪线施工对京沪高速铁路的影响很小。同时，本文对项目影响段特征点位变形曲线图进行了分析，结果如图5所示。

在实施静力水准自动化监测时，项目同时进行了全站仪自动化监测数据采集，针对相同的施工阶段，选取同期自动化静力水准仪与全站仪监测数据进行对比分析。京沪高铁56#、57#桥墩的横桥向垂直位移数据对比曲线如图6所示，可以看出，静力水准仪与全站仪监测的桥墩垂直位移变形趋势较一致，二者最大差异为0.4 mm，差异标准偏差为0.22 mm，均能符合高铁桥墩变形监测要求。

图6 特征点位静力水准仪与全站仪垂直位移监测成果对比曲线

由上述数据可知，新建道路下穿工程U型槽施工期间，桥墩垂直位移变化量较小，阶段最大变化量为-0.6 mm（沪蓉下行#53，下沉）；项目施工期间，监测区段内桥墩垂直位移变化量分布均匀，所有垂直位移监测数据均未达到预警值，监测数据无显著波动。

通过分析倾角仪采集的倾斜数据发现，至施工完成监测结束，监测区段桥墩水平位移（倾斜）数据变化较小，均在报警值以内，其中顺桥向阶段最大变化量为-0.5 mm（京沪高铁#56，沿高铁线路向东侧位移），横桥向阶段最大变化量为-0.6 mm（沪蓉下行#53，垂直于高铁线路向南侧位移），期间各测点变化平稳，无明显变形趋势。特征点位倾斜监测成果曲线如图7所示。

图7 特征点位倾斜监测成果曲线图

3 结语

1）佳营南路下穿京沪高铁等桥孔工程从围护结构施工至新建道路穿越工程施工结束，桥墩垂直位移最大变化量为-0.5 mm，水平位移（倾斜）最大变化量为-0.6 mm，各测项变形量均小于报警值，且数据变化平缓，无显著变形趋势，项目段高架桥墩结构受临近施工的影响不明显。同时，静力水准系统与全站仪同周期的监测成果反映的高速铁路变化趋势基本一致，均能满足高速铁路变形监测的精度要求，具有较好的可行性。

2）将静力水准仪、倾角仪和全站仪进行智能化整合，用于高速铁路运营期自动化实时监测，可实现监测数据的自动化采集、传输与处理，系统集成度高，数据可靠且受外界环境干扰小，不仅降低了人工成本，而且提高了高速铁路运营期间的监测效率。其主要优势为：①专业性，人工处理无法确保处理者具备同样的专业水平，将在一定程度上影响数据的准确度；②时效性，计算机算法根据设定的处理范围和周期进行实时动态处理，拓展了数据处理的广度。

3）采用多元传感器进行全时段监测，实时处理分析监测数据，为铁路管理单位提供了科学的现场管理与决策依据，确保涉铁工程安全顺利完工，也为类似工程项目的开展积累了相关经验。