基于自由設(shè)站的高鐵橋墩水平位移監(jiān)測(cè)方法探討

夏朝龍

摘 要：針對(duì)通視條件不足情況下高鐵橋墩水平位移監(jiān)測(cè)，本文引入高鐵CPⅢ軌道平面測(cè)量方法進(jìn)行高鐵橋墩水平位移監(jiān)測(cè)，通過理論分析和工程實(shí)例驗(yàn)證，基于自由設(shè)站的高鐵橋墩水平位移監(jiān)測(cè)法設(shè)站靈活，能有效應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境不通視等問題，同時(shí)，在配合高精度全站儀的情況下，能夠滿足更高精度監(jiān)測(cè)精度要求。

關(guān)鍵詞：自由設(shè)站；水平位移；邊角交會(huì)；CPⅢ軌道控制網(wǎng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.248

1 引言

隨著高鐵新建線路及車站基建設(shè)施的改造升級(jí)，需要橫跨、穿越或臨近既有高鐵線路施工，勢(shì)必會(huì)危及既有高鐵線路或車站構(gòu)筑物的安全，因此必須進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。打樁或基坑等施工破壞了原有地基的穩(wěn)定狀態(tài)，不僅其邊緣會(huì)存在沉降和水平位移，而且還會(huì)對(duì)基坑周邊地層、建造物的地基產(chǎn)生沉降和傾斜效應(yīng)[5]。為了保障既有高鐵的營(yíng)運(yùn)安全，根據(jù)國(guó)家關(guān)于臨近營(yíng)運(yùn)高鐵施工管理的相關(guān)規(guī)定，在施工的過程中按照一定的頻次對(duì)既有高鐵線路的沉降和水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

有時(shí)施工監(jiān)測(cè)環(huán)境空間有限，例如線下式車站改擴(kuò)建改造，周邊建筑物的圍擋物較多，通視條件極其有限。而以往高鐵橋墩的水平為監(jiān)測(cè)方法（如視準(zhǔn)線法、極坐標(biāo)法、前方交會(huì)等[3，4]）是基于施工區(qū)域外可以布設(shè)相對(duì)穩(wěn)定的水平位移基準(zhǔn)點(diǎn)，并能確保其與大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)通視的條件下才能實(shí)測(cè)。因此常規(guī)水平位移監(jiān)測(cè)方法已不能完全滿足對(duì)營(yíng)運(yùn)高鐵橋墩水平位移監(jiān)測(cè)的復(fù)雜環(huán)境。隨著高精度智能全站儀在高鐵測(cè)量中的廣泛應(yīng)用，基于自由設(shè)站的水平位移監(jiān)測(cè)方法不僅能有效避免施工干擾，而且還能有效規(guī)避監(jiān)測(cè)空間及通視等問題的限制，同時(shí)還能有效保障或提升監(jiān)測(cè)的精度及效率。首先本文將介紹這種基于自由設(shè)站的橋墩水平位移監(jiān)測(cè)方法，其次將以南方某線下式一級(jí)車站的中心站房改擴(kuò)建工程為例論證該方法的可行性。

2 基于自由設(shè)站的水平位移監(jiān)測(cè)方法

2.1 自由設(shè)站水平位移測(cè)量原理

基于自由測(cè)站的CPⅢ平面控制網(wǎng)測(cè)量方法是高速鐵路軌道平面控制網(wǎng)施測(cè)的主要方式。該方法在沿線路架設(shè)全站儀，采用自由測(cè)站邊角交會(huì)法測(cè)量線路兩側(cè)多對(duì)CPⅢ點(diǎn)的方向和距離，并聯(lián)測(cè)就近的CPI 或CPⅡ，以獲取CPⅢ控制網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)的一種控制網(wǎng)建網(wǎng)測(cè)量的方法[2]。CPⅢ平面控制網(wǎng)屬于邊角控制網(wǎng)，它與傳統(tǒng)邊角網(wǎng)測(cè)量有很大差異。傳統(tǒng)的邊角網(wǎng)測(cè)量是在控制點(diǎn)上設(shè)站，采用對(duì)向觀測(cè)以獲取與相鄰或相近控制點(diǎn)間的邊角關(guān)系；而CPⅢ平面控制網(wǎng)則僅以控制點(diǎn)作為觀測(cè)對(duì)象采用自由測(cè)站進(jìn)行邊角交會(huì)測(cè)量。

根據(jù)《高速鐵路測(cè)量規(guī)范》要求，相鄰CPIII點(diǎn)間的相對(duì)點(diǎn)位中誤差均要求小于1mm，因此CPI或CPII點(diǎn)的觀測(cè)距離不宜超過300m，CPIII點(diǎn)的觀測(cè)距離不宜超過180m[1]?；贑PⅢ控制網(wǎng)的高精度以及實(shí)際中橋墩水平位移監(jiān)測(cè)精度要求和形狀，可以采用自由測(cè)站的觀測(cè)方法，對(duì)線狀或一定寬度的帶狀施工區(qū)域周邊的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行水平位移監(jiān)測(cè)。如圖2所示，可以參照CPIII平面控制網(wǎng)形設(shè)計(jì)水平位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)，其中測(cè)站位置可根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況靈活設(shè)置。

2.2 監(jiān)測(cè)網(wǎng)的平差計(jì)算及其精度評(píng)定

通過上述公式推導(dǎo)，即可獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)及其中誤差，然后根據(jù)兩期監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量坐標(biāo)及其中誤差，通過誤差傳播公式計(jì)算，可計(jì)算出任意兩期水平位移監(jiān)測(cè)之間的變形量及其精度。

3 工程實(shí)例

以某線下式一級(jí)車站的中心站房改擴(kuò)建工程為例，該車站設(shè)4站臺(tái)12線，其中正線4條，到發(fā)線8條，站臺(tái)為4個(gè)島式站臺(tái)。站臺(tái)長(zhǎng)度450m，站臺(tái)總寬約120m，站臺(tái)屋面分中心站房雨棚和兩側(cè)站房雨棚兩部分，其中心站房改擴(kuò)建工程計(jì)劃埋設(shè)樁、承臺(tái)共計(jì)38根，樁長(zhǎng)35米。根據(jù)要求需在打樁期間對(duì)施工區(qū)域周邊橋墩的水平、垂直位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確保高鐵線路的安全運(yùn)行。在打樁施工期間水準(zhǔn)沉降監(jiān)測(cè)要求1次/2小時(shí)，水平位移監(jiān)測(cè)頻次不低于1次/天。由于被監(jiān)測(cè)橋墩包裹在站臺(tái)兩側(cè)站房雨棚之中，且施工區(qū)域及其周邊的通視情況較差，無法采用一般水平位移監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行實(shí)測(cè)，因此我們利用自由設(shè)站水平位移監(jiān)測(cè)方法對(duì)其實(shí)施監(jiān)測(cè)。

基準(zhǔn)點(diǎn)、設(shè)站點(diǎn)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)情況如圖3所示，在打樁區(qū)域兩側(cè)橋墩頂端采用CPIII預(yù)埋件方式布設(shè)18個(gè)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，受車站空間限制，在車站兩側(cè)分別以強(qiáng)制對(duì)中樁的方式各布設(shè)2個(gè)水平位移基準(zhǔn)點(diǎn)，并在獨(dú)立坐標(biāo)系下采用GPS測(cè)量方式獲取基準(zhǔn)成果，然后按照?qǐng)D中所示觀測(cè)路徑，采用自由設(shè)站方式對(duì)橋墩水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。本項(xiàng)目采用徠卡TS15全站儀（標(biāo)稱精度），每站至少觀測(cè)3個(gè)測(cè)回，且每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)至少?gòu)?個(gè)不同測(cè)站進(jìn)行觀測(cè)，要求水平監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中誤差小于2mm，相鄰點(diǎn)位中誤差小于1.0mm。

為了保證橋墩水平位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)起算成果的可靠性，取水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)、監(jiān)測(cè)網(wǎng)兩次成果的平均值作為首期基準(zhǔn)值。再利用第2節(jié)所述誤差分析方法對(duì)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位誤差進(jìn)行分析。如表1所示，我們給出了該監(jiān)測(cè)網(wǎng)第2、3期水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)X、Y坐標(biāo)方向及點(diǎn)位中誤差的精度統(tǒng)計(jì)表，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位中誤差的精度均優(yōu)于1.0mm，因此該分析結(jié)果可以說明——使用標(biāo)稱精度為及以上的高精度智能全站儀采用自由設(shè)站方式可以滿足較高等級(jí)水平位移監(jiān)測(cè)的精度要求。

4 結(jié)論

（1）基于自由設(shè)站的水平位移監(jiān)測(cè)方法在一定精度智能全站儀的支撐下可以滿足橋墩水平位移監(jiān)測(cè)的精度需求；通過增加測(cè)回?cái)?shù)及更高精度智能全站儀可進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)的精度；

（2）基于自由設(shè)站的水平位移監(jiān)測(cè)方法設(shè)站靈活多變，對(duì)施工區(qū)域環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，特別適用于監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)空間狹小、施工干擾因素多、通視條件差等水平位移監(jiān)測(cè)環(huán)境。

（3）基于自由設(shè)站的水平位移監(jiān)測(cè)方法是基于CPIII平面控制網(wǎng)測(cè)量理論而來，對(duì)適用區(qū)域范圍的要求還有待進(jìn)一步探究。暫時(shí)可根據(jù)CPIII平面控制網(wǎng)測(cè)量對(duì)起算點(diǎn)、觀測(cè)點(diǎn)距離及精度的要求，來適時(shí)決定該方法的使用環(huán)境。

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