高铁特大桥线路变形监测方案设计

吴天恩

（北京铁城建设监理有限责任公司，北京 100000）

随着我国国民经济的快速发展，中国高速铁路也得到快速发展，已成为我国交通网的重要组成部分。路基作为高速铁路轨道的基础，其具有的强度和稳定性直接决定了高铁轨道的平稳性，以及列车运行的速度和安全性。为了保证高铁线路的稳定性，在线路施工过程中必须建立健全的监测系统，对工程各单元和重点区域进行变形监测，为工程施工和线路后期使用提供质量控制[1-2]。而在新建高铁桥梁施工作业过程中，周边土体会因桥梁桩体发生一定的位移，从而对邻近铁路桥墩的稳定性产生一定的影响，必须在施工过程中对邻近的桥墩进行监控测量，并将信息及时准确地反馈至建设监理单位，并对变形超限提出预警并采取相应的加固措施，为后续线路正常营运，以及施工范围内的建筑物结构稳定性提供保障[2]。

1 工程概况

济南某高铁线路位于山东省中部，是山东省城际铁路网的重要组成部分，正线建筑长度116.247 km，运营长度116.231 km，新建正线桥梁56 座49.098 km，隧道23 座42.395 km，桥隧总长91.493 km，桥隧比例78.71%。于新建济南东特大桥上跨既有高铁、联络线工程，交叉点分别处于特大桥48 号—56 号墩之间，交角约37°，以及联络线双线特大桥42 号—50 号墩之间，交角约37°。拟采用（68+128+68）m 连续梁上跨既有高铁、联络线后于东绕城高速前折向南，沿东绕城高速西侧前行。新建（68+128+68）m 连续梁梁高5.6~10 m，基础采用桩基础，连续梁采用转体施工，桥下既有桥轨面至新建（68+128+68）m 连续梁梁底最小净空为11.66 m。为了保障施工安全，需对既有高铁48 号—56 号墩、联络线42 号—50 号墩进行沉降变形、横向水平变形和纵向水平变形监测。

为了满足监测需要，需要将施工引起的一系列铁路桥墩的动态变化信息及时反馈到建设单位、设备管理单位、设计单位及施工单位；及时预报既有铁路桥墩沉降趋势，供铁路运营部门决策使用；对变形超限，提前预警，一旦发现监测数值达到或者超过预警值，采取相应的措施进行处理，停止施工或者采取加固措施，保障相邻线路的正常营运，保障施工影响范围内的建筑结构稳定性，维护国家和人民的生命财产安全。为了获取准确有效的监测数据，依据已有高程控制网进行联测，建立监测高程控制网，便于将施工过程中标高与施工前标高进行对比分析。除此之外，在项目施工过程中，对影响区域内的高铁桥梁的变形进行实时在线24小时自动化监测。

2 监测作业方案

2.1 监测方法及原则

监测方法：对邻近铁路桥墩进行水平变形和沉降监测，其中水平变形采取在墩顶安装倾角仪的方式进行自动化监测；沉降监测采取在墩身上安装静力水准仪的方式进行自动化监测，同时采取定期人工水准抄平复核校对。为了保证监测结果的可信度，监测作业设计原则必须遵从可靠性、先进性、可扩张性、全过程监测和方便实用等原则。

1）监测系统的主要技术和产品应具有成熟、稳定、实用的特点，可充分满足实际应用、技术开发及信息管理的需要。保证在恶劣气候条件下，能进行准确的监测。

2）使用成熟的先进技术，各项设备选型上考虑市场上技术支持好、服务力量强、设备性能稳定和扩展性好的品牌，确保设计具有先进性及前瞻性。

3）在系统建设时，应保证系统在一定时期内的先进性前提下，设计具有良好扩展性的系统结构，选择具有良好扩展性和升级能力的产品，系统结构模块化，以保证整个系统的可扩展性。

4）监控项目中的测点采用远距离自动化监测系统，配备计算机及相关软件以便及时处理量测数据，并在数据处理系统中采用设置警戒值系统，以保证对线路的全过程24 小时实时监控。

5）为减少监测对线路运营之间的干扰，监测系统的安装和使用应尽量做到方便实用。

2.2 监测点的布设及数量

48#—56#计9 个桥墩，每个桥墩墩顶上（箱体内）布设1 个静力水准监测点，在57#桥墩上（箱体内）布设1 个工作基点。在每个静力水准监测点上设置1 个静力水准仪，之间用管线相连，进行沉降监测，同时在57#墩距离地面1.2 m 处设置1 个人工水准基点。在48#—56#墩身顶部（箱体内）各放置1 个倾角仪，在57#桥墩墩顶上（箱体内）布设1 个工作基点，用于测量桥墩的水平位移量。

42#—50#计9 个桥墩，每个桥墩墩顶上布设1 个静力水准监测点，在41#桥墩上布设1 个工作基点。在每个静力水准监测点上设置1 个静力水准仪，之间用管线相连，进行沉降监测，同时在57#墩距离地面1.2 m 处设置1 个人工水准基点。在42#—50#墩身顶部各放置1 个倾角仪，在41#桥墩墩顶上布设1 个工作基点，用于测量桥墩的水平位移量。

2.3 自动化监测技术要求

监测频次。在整个施工期间，对既有济青高铁48#—56#和北辛店联络线42#—50#桥墩的变形状态实施全天24 小时的自动监控，如果监测超限，能够通过短信自动预警。根据自动化监测的特点，拟定在不同施工阶段期间采用不同的数据采集频率。施工前（即施工单位开工之前），需要采集10 次有效数据作为自动化监测的初始值；施工关键期监测频次为20 min 1 次；施工完成后延长监测3 个月的时段，监测频次为60 min 1 次。同时采用人工监测每月进行一次水准复核。对于变形量大的点，根据实际情况加密监测频次，必要时进行跟踪监测，监测结果及时反馈给业主、设备管理方及施工方。观测值稳定一周后方可逐渐降低监测频次，并且当出现下列情况之一时，应及时提高监测频次：①当监测数据达到预警值；②监测数据变化较大或者速率加快；③线路及周边大量积水、长时间连续降雨；④周边地面突发较大沉降或出现严重开裂。

监测预警参考值。邻近施工引起的桥墩的竖向位移和水平位移，会进一步反映到上部结构直至轨面。对于桥梁结构上部轨道而言，可以近似认为轨面与轨道板的变形一致。为了铁路运行的安全，将邻近铁路桥墩的累积沉降量及沉降速率限值取为2 mm（高铁）和3 mm（联络线），并分为三级预警，并按照限值的60%、75%、90%分别作为黄色、橙色及红色预警限值。如果出现变形速率或者累积沉降量大于预警值时，则需要及时将监测结果反馈给业主、设计单位、设备管理方及施工方。

超出预警值时的应急措施，如图1 所示。发现沉降达到黄色预警值时，第一时间告知施工单位，提醒对方对施工安全措施进行检查，同时通知监理单位、业主、工务段。继续跟踪监测，查看沉降趋势是否有减缓迹象，如果沉降趋势加重，达到橙色预警值时，立即向应急处置小组报告。建议应急处置小组全体成员第一时间到达现场，按照各自职责开展工作，立即启动应急处置方案。同时加大监测频率，与各方实时共享最新监测数据，如果沉降量达到红色预警，建议立即停工，采取措施直至消除隐患。

2.4 监测基准控制网

监测基准控制网的设计：基准控制网包含基准点和工作基点，在施工影响区域附近选取稳定点，以此点为基点取初始值，定期测量对比，现场设置3 个水准基点和2 个工作基点，工作基点均设置在静力水准路线的工作基点附近，水准基点距离监测现场的距离大于200 m，远离变形影响的范围区域。基准点和工作基点组成的控制网，按照二等水准测量进行定期复测，以检核工作基点的稳定性。

水准测量注意事项：必须严格按照相应等级水准测量规程和工程施工技术要求进行施测和平差计算，确保监测起始数据的准确性；为了保证测量精度、减少测量过程中系统误差对测量结果的影响，从人、机、环境、测量路线和观测点控制5 个方面进行“五固定”控制，以提高观测数据的准确性。即在实施变形监测过程中，要选择培训合格和责任心强的固定技术人员，并且固定监测过程中技术人员定位，制定最为合理优化的观测路线和观测方法，观测路线和观测方法必须做到有检核、有平差，要消除不同仪器设备系统误差差异，为了消除外界温度、湿度等对观测结果造成的误差影响，观测时间段必须统一。

3 主要监测设备及应用

3.1 静力水准自动化监测系统

静力水准仪是利用连通液的原理进行沉降观测，多支连通管连接在一起的储液面总是在同一水平面上，通过测量不同储液罐的液面高度，经过计算可以得出各个静力水准仪的相对差异高度值。其中，压差式静力水准仪是由储液器、高精度感应器、处理模块和保护罩等部件组成，由于压差式静力水准仪量程较大，可以直接进行贴地式的安装，不需要建设观测墩找平处理，并且体积较小，不会影响铁路运行安全，仪器测量精度高达±0.2 mm，数据采样频率高达3 min 每次，可以满足高精度自动化监测要求，因此采用以压差式静力水准仪为核心组成的静力水准自动化监测系统。整个监测系统由压差式静力水准仪、数据采集装置、数据通信系统、中心信号接收及处理装置、服务器及计算机软件系统组成，通过构建的数据通信网络实现数据的远程接收、处理和监测信息实时反馈，整个系统可以做到监测数据采集、数据处理、数据传输、客户端数据接收和可视化分析等多种自动化功能。

3.2 倾角仪

本次监测选用HC-X336 双轴倾角传感器，主要用于进行倾角测量，测量范围±1～±15°，长期稳定性小于0.002°，高抗震性能大于20 000 g，IP68 防护等级。其原理是通过测量监测点在不同时间段静态重力加速度的动态变化，将变化值转换成倾角变化，进而测量监测点线与预先设定的假定水平面之间的夹角或者倾斜参数，而传感器内设的温度补偿对传感器测定倾斜参数时刻的环境温度进行自动补偿修正。而在监测过程中，根据双轴中轴的转动方向的改变进行计数测定，并根据计数对旋转角度进行计算，获取轴位置位移量和变化速率。

3.3 数据采集仪

数据采集利用数据传感器通过设置的无线数据传输模块，将获取的光电数据转换后通过数据传输至后端网络PC 机。为了保证数据采集和传输的稳定性和实时性，采集设备在非工作状态自动实行断电保护，每次数据采集均采用单一指令对传感器IP 地址进行采集，为了避免其他传感器对数据采集造成干扰，以及避免单一传感器出现故障对整个数据采集系统造成影响，传感器采用并联方式，均设置独立的IP 地址。

3.4 监测系统软件

监测系统软件主要是基于监测系统的可扩展性，按照工程监测需求，基于编程系统开发，系统软件实现了监测信息的不同类别、不同权限设置管理，在设定权限内让相关人员远程实时获取和查看监测数据，并实现监测数据信息的整体趋势、数值化展示、数据下载等数据处理和显示，权限内的监测数据信息共享，如图2 所示。并且通过软件可以对变形阈值和超限预警命令进行设置，当发生变形异常时，将预警信息及时反馈至相关人员通信设备上，从而提升预警应急预案的启动。

图2 监测系统软件数据显示界面

4 结束语

为了确保监测精度满足技术要求，首先采用二等水准技术方法对高铁既有桥墩进行水准抄平，并通过和附近已知监测点与水准点联测，确保绝对标高，掌握既有桥墩的现状。为保证监测数据的实时性，设立远程客户端及手机客户端实现监测数据共享，建设监理部门可实时查看监测数据，掌握现场监测变化情况。除此之外，为了达到监测预警效果，监测数据的汇总评判、变形预警及处置必须确保及时性，这就要求施工单位必须依据监测项目的特点建立专业组织机构，并配备完善的专业技术人员。