基于感光技術(shù)的橋墩沉降全自動(dòng)觀測的研究

李楊

摘 要 隨著國家經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，國內(nèi)相繼建設(shè)以“四縱四橫”為主骨架的高速鐵路和客運(yùn)專線，高鐵建設(shè)的軌道地基大量采用“以橋代路”的形式，同一座橋地質(zhì)條件會(huì)不同變化。因此，建設(shè)期和運(yùn)營期均需要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期的監(jiān)測。本文對(duì)目前傳統(tǒng)的橋墩沉降監(jiān)測方式進(jìn)行探討，并提出了采用激光和光電感應(yīng)裝置的方式監(jiān)測橋墩沉降。

關(guān)鍵詞 橋墩沉降監(jiān)測;光電感應(yīng);激光測距

1概況

現(xiàn)階段，對(duì)于橋梁變形的監(jiān)測包括橋梁的撓度、沉降、扭曲三個(gè)方面。其中，橋梁沉降對(duì)于整個(gè)橋梁工程的安全穩(wěn)定性至關(guān)重要。橋墩作為橋梁的中間支承物，支承著橋梁上部結(jié)構(gòu)的荷載，并將它傳給地基基礎(chǔ)，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的安全，墩臺(tái)的不均勻沉降將使橋上線路產(chǎn)生“折角形”的軌道不平順，對(duì)車輛的運(yùn)行安全性和旅客的乘坐舒適性造成不利的影響。為了保證高速鐵路的高平順性，高鐵規(guī)范要求對(duì)所有橋梁的橋墩均要進(jìn)行沉降評(píng)估，并對(duì)其工后沉降進(jìn)行了嚴(yán)格的要求，橋墩臺(tái)均勻沉降量≤15mm，相鄰墩臺(tái)沉降量之差≤5m[1，2]。因此，為了保證高速鐵路的高平順性需對(duì)橋墩墩進(jìn)行沉降監(jiān)測。

2現(xiàn)有橋墩沉降監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀

在橋梁工程建設(shè)中，橋墩沉降的原因主要有以下幾種：路基問題。在橋墩建設(shè)中，若路基強(qiáng)度不足，難以承受墩臺(tái)的重量或者承載力不足，極易導(dǎo)致橋墩沉降變形。某些橋墩建設(shè)于水上，很難保障路基承載力符合要求。橋墩自身質(zhì)量。常見的橋墩由混凝土為主要建設(shè)材料，在混凝土澆筑施工中，常因各種因素導(dǎo)致混凝土裂縫，影響橋墩質(zhì)量，增大橋墩沉降變形的原因。施工人員水平不足、現(xiàn)場施工管理不足等，都會(huì)影響橋墩自身質(zhì)量，在橋墩運(yùn)行中，橋墩極易產(chǎn)生沉降、變形現(xiàn)象，影響工程質(zhì)量。承載力不足。橋墩是支撐橋梁橋面的重要建筑，若橋墩無法承載上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，橋墩必然會(huì)出現(xiàn)沉降、變形問題。

目前，國內(nèi)主要通過傳統(tǒng)監(jiān)測手段來實(shí)現(xiàn)橋墩沉降的監(jiān)測，如全站儀或水準(zhǔn)測量等。此類沉降監(jiān)測手段的缺點(diǎn)在于作業(yè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。且由于大氣折射誤差、豎直角觀測誤差及儀器量取影響，全站儀高程測量的精度只能達(dá)到三、四等水準(zhǔn)測量或者接近二等水準(zhǔn)測的精度要求。對(duì)于水準(zhǔn)測量法，沉降觀測點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)容易受外界擾動(dòng)以及觀測方式、氣象等環(huán)境條件限制。因此，傳統(tǒng)的監(jiān)測手段存在諸多的局限性，難以滿足大型工程結(jié)構(gòu)的長期健康監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)警要求。

高速鐵路主要采用無砟軌道結(jié)構(gòu)，周圍環(huán)境輕微的沉降變形都會(huì)被放大，對(duì)高速鐵路造成影響，橋梁項(xiàng)目建設(shè)期沉降變形監(jiān)測等級(jí)為三等，其運(yùn)營期沉降變形監(jiān)測精度按照《高速鐵路工程測量規(guī)范》（ TB 10601-2009） “變形測量等級(jí)劃分和精度要求”中的“三等”執(zhí)行。橋梁項(xiàng)目運(yùn)營期沉降監(jiān)測項(xiàng)目垂直位移監(jiān)測網(wǎng)采用分級(jí)布網(wǎng)、逐級(jí)控制的方法實(shí)施。高程系統(tǒng)采用 1985 國家高程基準(zhǔn)，結(jié)合精密控制測量網(wǎng)建立三級(jí)沉降變形監(jiān)測網(wǎng)，對(duì)橋梁進(jìn)行沉降變形監(jiān)測，三級(jí)監(jiān)測網(wǎng)中的點(diǎn)包括基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)和沉降變形觀測點(diǎn)，分層逐級(jí)控制[3]。工作基點(diǎn)埋設(shè)在穩(wěn)定區(qū)域，在觀測期間穩(wěn)定不變，作為沉降變形觀測點(diǎn)的高程起算點(diǎn)。工作基點(diǎn)除使用普通水準(zhǔn)點(diǎn)外，可按照國家二等水準(zhǔn)測量的技術(shù)要求進(jìn)一步加密水準(zhǔn)基點(diǎn)。

3基于感光技術(shù)的橋墩沉降全自動(dòng)觀測系統(tǒng)的研究

基于感光技術(shù)的橋墩沉降全自動(dòng)觀測系統(tǒng)是一種激光撓度測量裝置，包括檢測主機(jī)，檢測主機(jī)上設(shè)置有檢測面以及在檢測面限定范圍內(nèi)水平移動(dòng)的線陣掃描裝置，檢測面為透明結(jié)構(gòu)的方形檢測面，檢測主機(jī)下方設(shè)有與被測點(diǎn)相連接的固定板，固定板上設(shè)有激光測距儀，激光測距儀在固定板上的位置可調(diào)，激光測距儀通過旋轉(zhuǎn)云臺(tái)與固定板相連，激光測距儀與旋轉(zhuǎn)云臺(tái)鉸接相連，以實(shí)現(xiàn)激光測距儀水平方向位置的調(diào)整，旋轉(zhuǎn)云臺(tái)與固定板鉸接相連，以實(shí)現(xiàn)激光測距儀垂直方向位置的調(diào)整。固定板為L型固定板，其水平板面與檢測主機(jī)的底部相連，其垂直板面通過膨脹螺栓與被測點(diǎn)相固定，旋轉(zhuǎn)云臺(tái)與膨脹螺栓鉸接相連。主機(jī)內(nèi)置有鋰電池及GPR模塊，檢測主機(jī)的上方設(shè)置有用于遮陽及防雨水的罩體，罩體上方設(shè)置有用于固定太陽能電池板的支架，太陽能電池板為檢測主機(jī)內(nèi)部的鋰電池供電。主機(jī)內(nèi)置有鬧鈴喚醒裝置，其采用獨(dú)立的紐扣電池供電。當(dāng)完成采樣工作后，測量主機(jī)可以設(shè)定下一次的工作啟動(dòng)時(shí)間，然后測量主機(jī)完全斷電，再次啟時(shí)時(shí)由鬧鈴喚醒裝置進(jìn)行工作，最大限度地實(shí)現(xiàn)省電。

測量時(shí)以激光測距儀發(fā)射的線激光作為參考的水平線，將激光的光斑照射到測量裝置的檢測面上，線陣掃描裝置在檢測面內(nèi)沿水平方向來回掃描，實(shí)現(xiàn)對(duì)光斑形狀和位置的判斷，并通過測量光斑在檢測面的位置變化來計(jì)算測量裝置的沉降值。

測量裝置在使用時(shí)，可采用極聯(lián)的方式進(jìn)行測量。即將第一臺(tái)測量裝置及最后一臺(tái)測量裝置放在標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)上，將其余測量裝置分別放置在每個(gè)被測點(diǎn)上，通過調(diào)整激光測距儀的位置，使前一臺(tái)測量裝置的激光測距儀發(fā)射出的線激光投射在下一臺(tái)測量裝置的檢測面上，并位于檢測面的中心位置;通過線陣CCD掃描裝置來回掃描，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)光斑形狀和位置的判斷;激光測距儀發(fā)射線激光的同時(shí)，可測量激光測距儀距離檢測面的距離，通過測量激光發(fā)射點(diǎn)和檢測面的距離變化，可判斷沉降發(fā)生的原因，如距離沒有發(fā)生變化，則是檢測面的沉降導(dǎo)致的;如距離發(fā)生了變化，則是檢測面發(fā)生了傾斜。

4結(jié)束語

目前，國內(nèi)還是通過傳統(tǒng)檢測手段來實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)沉降的監(jiān)測。研究新型橋梁監(jiān)測技術(shù)，突破現(xiàn)有技術(shù)的局限性具有重要的學(xué)術(shù)與工程價(jià)值，因此運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、信息技術(shù)的監(jiān)測理念，建立高效的高鐵施工監(jiān)測平臺(tái)，有效處理日益龐大的海量數(shù)據(jù)并加以分析，從而達(dá)到增強(qiáng)高鐵橋梁施工的安全性，加快監(jiān)測作業(yè)精度和效率，降低監(jiān)測人工成本，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB10601-2009高速鐵路工程測量規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2009.

[2] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)〔2006〕158號(hào)客運(yùn)專線鐵路無碴軌道鋪設(shè)條件評(píng)估技術(shù)指南[M].北京：中國鐵道出版社，2006.

[3] 鐵道部工程管理中心.客運(yùn)專線鐵路變形觀測評(píng)估技術(shù)手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2009.