高铁自动化沉降监测技术在铁路施工安全管理中的应用.docx

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高铁自动化沉降监测技术在铁路施工安全管理中的应用

高铁自动化沉降监测技术在铁路施工安全管理中的应用

0引言

随着城市化进程不断发展，道路、管线等市政工程网日趋完善，与高铁产生交叉的市政基础设施越来越多，临近高铁营业线施工项目也大量增加。

由此对高速铁路施工安全管理和安全运营要求也越来越高，而高速铁路变形监测［1］数据的高效性、准确性、实时性也成为高速铁路施工安全管理的重中之重。

高速铁路在舒适性、平顺性、安全性等方面都有很高要求，运行过程中易受高铁临近营业线施工干扰，因此，在高铁临近营业线施工期间，对变形监测精度和监测频率要求也越来越高。

传统的人工监测受仪器设备、数据处理及天窗点等限制很难做到实时监测，且在测量过程中受地形条件、施工环境等因素限制也较大。

因此，自动化监测技术［2］应运而生。

自动化监测不但可对测点进行全天候、全自动数据采集，而且系统可自动生成监测成果报告，并能实时发送到铁路设备管理单位，当变形量接近警戒值时，还能进行主动提醒，通过自动拨打电话、发送短信、平台消息提醒等方式通知相关管理单位。

自动化监测具备自动存储数据功能，可保留大量监测数据，并利用监测数据建立数据分析模型进行快速分析比对，利用监测大数据，整合归纳，为监测科研提供理论数据支撑。

基于自动化监测技术的突出特点，各种自动化监测技术应运而生，形成了监测几何变量和物理变量的多种监测传感器，如位移计、静力水准仪、裂缝计、水压计、激光收敛计等。

何晓业［3］以CCD核心传感器的静力水准系统的标定方法和数学拟合过程证明了该方法的可行性；郭晓菲［4］提出了使用磁致伸缩液位传感器取代传统传感器的设想，并应用到实践，验证了所有性能参数均能满足工程实际需要；张高帅［5］将静力水准相关技术应用到高速铁路线下工程变形监测中，取得了良好效果。

以静力水准仪在高铁沉降监测中的应用为例，论述自动化监测技术的优势和可行性，及其在铁路施工过程中数据处理的精确性、推广的经济性和安全管理的高效性。

1静力水准仪原理

静力水准仪的原理是将连通液管连接一系列传感器容器，其中每个容器的初始液位由内部精密位移传感器测出，当液位发生变化时，传感器感应杆上的自由浮球会随之升降，浮球位移由传感器感应，以电信号的形式被采集进而转化成沉降物理量输出。

静力水准仪根据其传感器不同又分为：

光电式（CCD）、振弦式、电容式［6］、压差式。

其测量原理［7］见图1、图2，共布设n个测点，1号为相对基准点。

图1初始状态静力水准测量［7］

图2［7］ 任意状态静力水准测量

初始状态时各测点安装底面相对于基准面间的距离为：

Y01、Y02、…、Y0i、…、Y0n，（i为测点代号，i=1，2，…、n）；各测点安装底面与液面间的水平距离为：

h01、h02、h0i、…、h0n，

当发生不均匀沉降后，设各测点安装底面的相对变化量为：

Δhj1、Δhj2、Δhji、…、Δhjn（j为测次代号，j=1，2，3…n）；各测点容器内液面水平线相对于变化后安装底面的距离为hj1、hj2、hji、…、hjn；变化后安装底面相对于基准面间的距离为Yj1、Yj2、…、Yji、…、Yjn。

2工作流程

基于静力水准仪的测量系统［8］包括传感器端数据采集、物联网系统数据汇总及平台信息发布、供电系统和数据处理云平台，处理数据的工作流程见图3。

图3静力水准仪工作流程图

3应用案例

3.1监测对象

以市政道路施工穿越某高速铁路为例，对道路施工影响范围内的铁路桥墩进行沉降观测。

根据道路与该高速铁路的相对位置关系和TB10101—2018《铁路工程测量规范》要求，确定沉降观测范围为：

铁路桥第436#—440#桥墩，需观测桥墩共5个。

以市政道路下穿处的437#、438#2个桥墩为研究对象。

3.2监测数据

静力水准仪是通过连通液面的变化来反映沉降变化的，温度变化会导致测试数据波动。

此外，临近既有线高速列车通过时产生的振动也会导致液面波动。

由于施工开挖及回填阶段对高铁桥墩影响最大［9-10］，在此选取12月份数据进行分析，其中2018年12月6—7日是开挖、灌浆、回填阶段（见图4）。

图42018年12月6日437#桥墩监测数据

437#桥墩在12月6日进行回填土，从图4可知，4：

23前沉降最大，为0.363mm；在22：

23时沉降最小，为-0.008mm。

12月7日，437#桥墩灌注隔离桩时，13：

23时沉降最大，为0.451mm，2：

23时沉降最小，为-0.129mm（见图5）。

图52018年12月7日437#桥墩监测数据

437#桥墩的12月曲线图，沉降均＜1mm，对桥墩的监测均符合规范要求的精度（见图6）。

图6437#桥墩的12月份沉降曲线

同时间段沉降差：

437#桥墩在2：

23沉降差最大，为-0.533mm，10：

23沉降差最小，为-0.027mm（见表1）。

表1437#桥墩施工期间各时段监测数据

12月6日，437#桥墩回填土时，438#桥墩在4：

23前沉降最大，为0.332mm，在9：

23时沉降最小，为0.148mm（见图7）。

图72018年12月6日438#桥墩监测数据

12月7日，437#桥墩灌注隔离桩时，438#桥墩在1：

23时沉降最大，为0.442mm，在2：

23时位移最小，为-0.043mm（见图8、图9）。

图82018年12月7日438#桥墩监测数据

图92018年12月438#沉降曲线

438#桥墩的12月沉降曲线图，沉降均＜1mm，对桥墩的监测均符合规范要求的精度。

同时间段沉降差：

438#桥墩在4：

23分沉降差最大，为-0.374mm，最小为-0.058mm（见表2）。

表2438#桥墩施工期间各时段监测数据

4监测数据反馈

4.1与传统监测对比优势

传统人工监测通常用高精度电子水准仪施测，按二等水准的测量要求进行反复监测，现场情况往往处处受限，如施工围挡造成视线不通、现场地形起伏较大造成高程传递时多次迂回搬站、基坑挖掘过深造成人员无法靠近立尺或测量等。

与传统人工测量相比，静力水准仪监测技术除了能完美避开上述情况，还能快速、实时、高效地为铁路设备管理单位在施工回填时，提供高铁桥墩沉降参考数据，根据数据变化采取有效的管理措施。

2000年以前，实时监测一直是设想，随着电子科技飞速发展，实时监测已经达到监测人员足不出户就可以收到来自远方的精密数据信息。

目前基于静力水准仪的自动化沉降监测技术已取得较大进展，传统人工在线上测量时，需天窗点作业，对行车组织要求高，对铁路从业人员的安全也是考验。

基于静力水准仪的特性，尤其在偏僻、高寒、深山、城乡结合部等气象条件或人文情况复杂地区，静力水准仪有人工监测无可比拟的优势。

与人工监测数据对比，静力水准仪监测具有以下特点：

（1）精度较高。

其变形误差值均在相关规范的限值之内，符合高铁桥墩沉降监测规范要求，实例证明静力水准测量精度完全可用于高铁桥墩的变形监测；

（2）沉降曲线线性走向一致。

在桥墩荷载变大或施工影响时，变化曲线同时出现波峰或波谷，线形起伏较大且变化幅度相当；在未施工期间，线形较平缓且变化幅度相当；在同一时间内达到波峰，又在同一时间内达到波谷，可证明静力水准测量在沉降监测中可精准反映出监测点的位移变化。

4.2信息管理平台用户反馈

传感器将实时监测数据发送到信息管理平台，按照相关标准与规范，信息管理平台对不同测点的数据进行分组、整理后，自动进行各测点的差值计算，呈现出各测点变化后的变形曲线和图形，使监测结果完整展现给平台用户。

平台用户利用电脑、手机、平板也可实时查询监测数据，其中包括数据报表、沉降趋势变化分析及达到预警状态的铁路桥墩变化量。

监测数据在平台上实时更新，平台用户可随时随地查看。

平台用户也可随时查看历史、实时监测数据以及预警、报警信息，实现真正意义上足不出户的远程监测。

对超出警戒阈值，系统平台会发出预警信息和报警，及时以短信形式将预测和警示结果发给相关部门，使监测结果反馈更具时效性，以便在第一时间制定有效的应急预案，达到消除隐患的目的。

平台信息管理系统把每个测点的有效信息都保存在数据库里，以供用户查询、下载、分析，能保证数据的安全与有效，时时确保监测数据的真实性和可追溯性。

5结束语

（1）静力水准仪监测系统在高铁监测中的应用，充分发挥了其高精度、实时监测的特点，全天候预警能够高效地实现铁路施工安全管理目标，能够精准、科学地反映高铁桥墩的变形情况，从而指导临近高速铁路线的施工组织安排。

（2）与传统人工监测方法相比，静力水准仪监测系统的数据量更丰富，判断预测监测点变化趋势更精准。

（3）推广应用前景广阔。

实时、快速，更全面、更直观、更高效地反映路外施工对高铁桥梁墩台造成的沉降变化，有利于设备管理单位掌握设备情况，有针对性地指导施工。

基于静力水准仪的监测技术能提高监测效率，减少人工作业强度，节省项目成本。

（4）经济性显著。

在施工工期较长的项目中，可节省大量人工成本，降低劳动强度。

只需设备安装和系统维护人员，人工设定采集间隔，数据自动传输。

（5）静力水准仪监测系统只是位移传感器的一种，在高铁设备中运用大量传感器，如裂缝计、应力计、土压计等，这些传感器实时收集相应的数据信息，由物联网系统连接，协作运行，以保障高速铁路的安全运营。

（6）提高监测人员的安全系数。

铁路变形监测往往配合施工同时进行，施工工作与监测工作互相交叉，监测环境复杂，使监测任务具有很大安全隐患；而静力水准仪监测技术的远程监控，无疑给监测人员配置了一副实时监测的“千里眼”。

（7）静力水准仪被越来越广泛的应用在地铁、隧道、市政桥梁及各类设施的沉降监测工作中，但市政工程对监测精度要求不高。

由于高速铁路对变形精度要求较高，在高速铁路桥墩、路基沉降监测等领域应用和研究较少，在此，进一步扩大和验证了静力水准仪的使用范围。