高鐵客站房建設(shè)備結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用

吳亞奇 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司土地房產(chǎn)部

1 高鐵站房現(xiàn)階段情況分析

我國(guó)鐵路客站建設(shè)分為四個(gè)階段，上世紀(jì)五六十年代為站房和雨棚站臺(tái)獨(dú)立，各站臺(tái)、雨棚完全分離的布局形式，屋面材料多為青瓦，石棉瓦，瓦楞鐵等。七八十年代通過(guò)增加站房與站臺(tái)雨棚之間的連廊、地道解決風(fēng)雨干擾乘降的問(wèn)題，材料多采用預(yù)應(yīng)力混凝土板。九十年代多為現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板和彩色壓型鋼板。2000年以后，隨著國(guó)內(nèi)鐵路的發(fā)展。揚(yáng)州站、北京站雨棚率先采用無(wú)站臺(tái)柱結(jié)構(gòu)體系，主體結(jié)構(gòu)采用空間管桁架，屋面為金屬鋁鎂錳等材料，隨后大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系在高鐵客站建設(shè)中全面投入使用?，F(xiàn)階段，高鐵站站房根據(jù)線路軌道與站房的位置關(guān)系布置形式主要分為（a）線側(cè)式、（b）線上式、（c）線下式（見圖1）。根據(jù)需求，結(jié)構(gòu)形式有的采用無(wú)柱鋼結(jié)構(gòu)雨棚，有的采用疊合板式鋼柱混凝土雨棚。

圖1 站房布局形式

由于高鐵客站空間結(jié)構(gòu)跨度大、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣，常期受高鐵運(yùn)行振動(dòng)影響，又因?yàn)榈刭|(zhì)狀態(tài)及環(huán)境氣候等因素都存在較大差異，各種疊加狀態(tài)下對(duì)站房、雨棚的結(jié)構(gòu)安全的影響也各不相同。針對(duì)人流較大，人員密集的大型客站，實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)對(duì)其結(jié)構(gòu)的安全評(píng)定、運(yùn)行安全和可靠性控制非常必要。

建筑結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)方法主要有常規(guī)大地測(cè)量方法、物理學(xué)傳感器法、攝影測(cè)量技術(shù)、光纖傳感技術(shù)等。在上海局管內(nèi)已有上海虹橋站超長(zhǎng)梁監(jiān)測(cè)、杭州東站站房鋼結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、南京南站結(jié)構(gòu)應(yīng)力、動(dòng)力響應(yīng)和變形測(cè)試等部分的監(jiān)測(cè)工程都取得了一定的成果。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)、空間技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，多層次、多視角和自動(dòng)化的大型鋼結(jié)構(gòu)建筑物多維、健康、安全性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展迅速并逐漸形成規(guī)模。本文嘗試從利用北斗GNSS定位技術(shù)和脈沖靜力水準(zhǔn)儀對(duì)大型站房屋面位移、站臺(tái)雨棚沉降等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的角度去分析安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用可能性。

2 案例基本情況

阜陽(yáng)西站為線上式站房，總規(guī)模10臺(tái)18臺(tái)面22線。高架站房采用上進(jìn)下出人流導(dǎo)向設(shè)計(jì)，出站口接市政地下停車場(chǎng)、商業(yè)部分。站房面積約4萬(wàn)平方米，站房高度40 m，雨棚面積4萬(wàn)平方米。路基填方高度約為6 m~7 m。站房采用鉆孔灌注樁的樁基礎(chǔ)形式。深度為15 m~35 m。建設(shè)過(guò)程中因站前廣場(chǎng)基坑施工影響，站臺(tái)路基存在不同程度的沉降的情況進(jìn)行了人工檢測(cè)。從2018年9月到2019年9月全年監(jiān)測(cè)路基最大累計(jì)沉降量達(dá)到225 mm，且社會(huì)通廊與前后路基差異沉降較大，并未有明顯的收斂趨勢(shì)。

作為高鐵站房后期運(yùn)營(yíng)、維護(hù)管理的職能部門，考慮到運(yùn)營(yíng)期間房建設(shè)備將承受重力荷載、溫度荷載、風(fēng)荷載、基礎(chǔ)變形等因素的影響，站房屋面狀態(tài)具有一定的不確定性。在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中能動(dòng)態(tài)地對(duì)站房、雨棚、社會(huì)通廊進(jìn)行自動(dòng)的位移沉降檢測(cè)設(shè)置尤為重要，在新線介入過(guò)程中參與組織了相關(guān)單位對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行了分析、優(yōu)化。

3 方案的選用

采用人工檢測(cè)存在安全風(fēng)險(xiǎn)和精度不穩(wěn)定、達(dá)不到實(shí)時(shí)提供數(shù)據(jù)，受到天窗點(diǎn)作業(yè)時(shí)間限制等限制，使檢測(cè)數(shù)據(jù)很難達(dá)不到預(yù)期要求。

基于北斗高精度位移監(jiān)測(cè)技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)是：可直接提供監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)及其絕對(duì)或相對(duì)變化量，沒有量程限制，實(shí)現(xiàn)7×24 h不間斷監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)精度高，效率快，北斗系統(tǒng)有別于GPS的無(wú)源定位原理，采用雙星有源定位模式，并具有短報(bào)文通信功能，已經(jīng)成功應(yīng)用在測(cè)繪、電信、水利、建筑變形監(jiān)測(cè)、交通運(yùn)輸和國(guó)家安全等諸多領(lǐng)域，是我國(guó)發(fā)展自主產(chǎn)權(quán)定位系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。對(duì)水平位移檢測(cè)能夠提供技術(shù)、精度和實(shí)效的保障。

為避免人工監(jiān)測(cè)對(duì)正常鐵路營(yíng)運(yùn)帶來(lái)的干擾，且滿足監(jiān)測(cè)精度要求的基礎(chǔ)上，需要選用可以自動(dòng)測(cè)量、采集數(shù)據(jù)的儀器進(jìn)行測(cè)量，脈沖式靜力水準(zhǔn)儀是一種精密液位測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于測(cè)量多個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)沉降，其監(jiān)測(cè)沉降的精度可達(dá)0.1 mm，并可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、分析及成果發(fā)送，這樣既滿足監(jiān)測(cè)精度要求的條件下減少對(duì)鐵路營(yíng)運(yùn)造成影響，同時(shí)也避免了作業(yè)人員的人身安全風(fēng)險(xiǎn)。

本案日常在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為兩部分，一是根據(jù)北斗GNSS接受器的技術(shù)特性，適用于大雨棚、屋面等開闊能接收衛(wèi)星型號(hào)的部位，用于水平方向的位移監(jiān)測(cè)。二是小雨棚、社會(huì)通廊立柱上方安裝脈沖式靜力水準(zhǔn)儀用于小雨棚、社會(huì)通廊及站臺(tái)路基的沉降監(jiān)測(cè)，兩部分?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)容通過(guò)算法優(yōu)化共同接入管理系統(tǒng)。

4 北斗GNSS水平位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方案

4.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在站房的屋面上的15個(gè)位置（軸B-K,p11、軸B-E,P11、.....軸B-A，2/10）上安裝北斗衛(wèi)星定位接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)站房的水平位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)采集終端由太陽(yáng)能供電，北斗基準(zhǔn)站布設(shè)在站房屋面的4個(gè)平面點(diǎn)的固定端。分布如圖2所示。

圖2 北斗GNSS分區(qū)布置示意圖

4.2 北斗GNSS數(shù)據(jù)傳輸

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線電傳輸模塊傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)服務(wù)中心，并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，數(shù)據(jù)傳輸采用GPRS無(wú)線傳輸方式，GPRS具有全天候在線，接入速度快等特點(diǎn)，用戶只要在數(shù)據(jù)發(fā)送端保證有通訊信號(hào)覆蓋，接收端保證接收到Internet網(wǎng)絡(luò)，分配固定的IP地址，就可以將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到計(jì)算機(jī)中，為解決偶有天氣影響信號(hào)不能穩(wěn)定覆蓋的問(wèn)題，本系統(tǒng)采用北斗短報(bào)文通信方式作為GPRS無(wú)線傳輸?shù)难a(bǔ)充，傳輸示意如圖3所示。

圖3 北斗通訊數(shù)據(jù)傳輸示意圖

4.3 北斗GNSS數(shù)據(jù)處理

通過(guò)的GNSS監(jiān)控軟件，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)解算，實(shí)時(shí)提供站房表面變化情況，并通過(guò)短信進(jìn)行預(yù)警。

前端工控機(jī)中內(nèi)置自主研發(fā)的GNSS監(jiān)控軟件，該軟件集成了基于改進(jìn)部分模糊度法的卡爾曼濾波數(shù)據(jù)處理模塊，可以處理北斗或GPS單頻原始觀測(cè)數(shù)據(jù)。

4.4 北斗GNSS數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)

GNSS數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)入庫(kù)、實(shí)時(shí)顯示、查詢，報(bào)警信息發(fā)送、查詢、報(bào)表生成功能，為相關(guān)人員管理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供C/S架構(gòu)平臺(tái)。如圖4所示，該模塊可查詢、實(shí)時(shí)顯示GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，生成相應(yīng)報(bào)表，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)入庫(kù)及發(fā)送報(bào)警信息短信及郵件。

圖4 北斗GNSS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示

4.5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析和技術(shù)報(bào)告

監(jiān)測(cè)過(guò)程中提交的成果文件如沉降變形匯總表、沉降變形曲線圖、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)分析報(bào)告。針對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果，將每次觀測(cè)結(jié)果及時(shí)分析總結(jié)，對(duì)位移和沉降影響進(jìn)行分析研究，每季度、每年度并提交沉降監(jiān)測(cè)分析報(bào)告。有針對(duì)性的研究評(píng)價(jià)沉降對(duì)鐵路營(yíng)運(yùn)安全所造成的影響及危害，并形成下監(jiān)測(cè)周期的預(yù)測(cè)報(bào)告。

5 脈沖式靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方案

5.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置（見圖5）

脈沖式靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)主要用在站臺(tái)部分及社會(huì)通廊沉降情況進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

圖5 靜力水準(zhǔn)儀分布示意圖

5.2 脈沖式靜力水準(zhǔn)儀精度（見表1）

表1 脈沖式靜力水準(zhǔn)儀精度

脈沖式靜力水準(zhǔn)儀的結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中主體容器，連通管、電容傳感器等部分組成。當(dāng)主體安裝墩發(fā)生高程變化時(shí)，主體容器將相對(duì)于位置產(chǎn)生液面變化，引起裝有中間極的浮子與固定及固定在容器頂?shù)囊唤M電容極板間的相對(duì)位置發(fā)生變化，當(dāng)裝置測(cè)出電容比的變化即可計(jì)算出計(jì)算得測(cè)點(diǎn)的相對(duì)沉降高度。

圖6 脈沖式靜力水準(zhǔn)儀結(jié)構(gòu)及原理示意圖

在站臺(tái)的正線與到發(fā)線之間的電纜槽部位，每隔60 m布置一臺(tái)脈沖式靜力水準(zhǔn)儀，社會(huì)通廊部分的結(jié)構(gòu)柱上各布設(shè)一臺(tái)，儀器之間通氣管、通訊四芯電纜連接。儀器、線路均用膨脹螺栓及專用卡口緊固于固定結(jié)構(gòu)或者埋設(shè)在混凝土塊體上。

5.3 脈沖式靜力水準(zhǔn)儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)

脈沖式靜力水準(zhǔn)基準(zhǔn)與北斗GNSS保持一致，在站臺(tái)與咽喉區(qū)GNSS搭接部分段落，布設(shè)固定點(diǎn)，同一點(diǎn)上分別安裝北斗GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備及和脈沖式靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)設(shè)備，將兩套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)順接起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)屋面水平位移及路基站臺(tái)垂直沉降的共同監(jiān)測(cè)。

5.4 脈沖式靜力水準(zhǔn)儀的安裝

在安裝與布設(shè)脈沖式靜力水準(zhǔn)儀的安裝尺寸如圖7所示，按照要求在測(cè)點(diǎn)預(yù)埋n180三個(gè)均勻布設(shè)的M8×40螺桿。

圖7 脈沖式靜力水準(zhǔn)儀的安裝圖

觀測(cè)系統(tǒng)由若干測(cè)點(diǎn)組成（其中一個(gè)測(cè)點(diǎn)為系統(tǒng)基準(zhǔn)點(diǎn)），布設(shè)時(shí)與位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)相隔布設(shè)，整套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括脈沖式靜力水準(zhǔn)儀、數(shù)據(jù)記錄儀，無(wú)線通信模塊、放置采集單元和無(wú)線模塊的機(jī)柜，在電線纜穿越軌道時(shí)將采用信號(hào)屏蔽措施，防止對(duì)軌道信號(hào)傳輸造成干擾（見圖8）。

圖8 脈沖式靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)圖

5.5 脈沖式靜力水準(zhǔn)儀的數(shù)據(jù)處理

使用數(shù)字接口能直接獲得當(dāng)前容器的水位值，而任意容器內(nèi)水位的變化量按照如下方式計(jì)算：

式中：△L為水位變化量，單位mm；

R0為測(cè)點(diǎn)初讀數(shù)，單位mm；

R1為測(cè)點(diǎn)當(dāng)前讀數(shù)，單位mm。

對(duì)于一個(gè)完整的脈沖式靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，設(shè)置基準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)的編號(hào)為0，其余測(cè)點(diǎn)編號(hào)為1、2、..、N，則任意測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的沉降（抬升）量表示為：

式中：Ri1為等于測(cè)點(diǎn)i的當(dāng)前讀數(shù)，單位mm；

Ri0為測(cè)點(diǎn)i的初始讀數(shù)，單位mm；

R01為基準(zhǔn)點(diǎn)的當(dāng)前讀數(shù)，單位mm；

R00為基準(zhǔn)點(diǎn)的初始讀數(shù)，單位mm；

△EL為沉降（或抬升）量，單位mm；

由上述數(shù)據(jù)可得出，測(cè)點(diǎn)讀數(shù)的變化量與基準(zhǔn)點(diǎn)讀數(shù)的變化量之差即為測(cè)點(diǎn)的沉降量，而當(dāng)△EL＜0，表示測(cè)點(diǎn)發(fā)生沉降，△EL＞0，表示測(cè)點(diǎn)發(fā)生抬升。再結(jié)合對(duì)應(yīng)的脈沖式靜力水準(zhǔn)儀的編號(hào)，便可獲取站臺(tái)具體位置的沉降情況。

6 經(jīng)濟(jì)適用性比較

通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)的布設(shè)使用，提高了安全觀測(cè)的效率，降低了長(zhǎng)期觀測(cè)的成本。能夠及時(shí)收集各種負(fù)載狀態(tài)下的位移、沉降數(shù)據(jù)，確保屋面、站臺(tái)雨棚結(jié)構(gòu)的安全性。同時(shí)保障了旅客出行、行車組織的安全性，避免了施工天窗的人員現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)帶來(lái)的安全隱患及產(chǎn)生的相關(guān)安全防護(hù)、觀測(cè)設(shè)備租賃、人員費(fèi)用。本案整套系統(tǒng)布設(shè)硬件費(fèi)用約為70萬(wàn)元，每平方成本為8.75元，根據(jù)實(shí)測(cè)項(xiàng)目的規(guī)模和測(cè)點(diǎn)設(shè)置的密度，單方費(fèi)用可能會(huì)有上下的浮動(dòng)。按每天收集存儲(chǔ)一次的數(shù)據(jù)的觀測(cè)頻率設(shè)定。一次性投入與后期維護(hù)費(fèi)用約相較人工觀測(cè)和委外觀測(cè)有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

表2 全站監(jiān)測(cè)單次的費(fèi)用估算

委外單次觀測(cè)的收費(fèi)如表2所示，收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)按《工程查勘設(shè)計(jì)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)》（2002修訂本）。

7 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合現(xiàn)有國(guó)內(nèi)硬件資源及北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的適用性，可廣泛用于類似的營(yíng)運(yùn)站房及大型建筑物項(xiàng)目的雪荷載、風(fēng)荷載及建筑應(yīng)力變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上。根據(jù)位置和監(jiān)測(cè)方式的不同可以靈活選用相應(yīng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過(guò)實(shí)時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上數(shù)據(jù)的讀取來(lái)分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移或者沉降的情況。具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是對(duì)建筑設(shè)備的安全評(píng)定、運(yùn)行安全和可靠性控制的必要手段，下一步將逐步完善本案在監(jiān)測(cè)過(guò)程遇到的問(wèn)題，與屋面視頻監(jiān)控相結(jié)合，能有效減少極限位置的人工巡查，形成更有針對(duì)性、更成熟的監(jiān)測(cè)方案，在管內(nèi)其他大型高鐵站房日常營(yíng)運(yùn)維護(hù)中形成點(diǎn)到面的推廣，建立大數(shù)據(jù)庫(kù)，達(dá)到局管內(nèi)各站的站房屋面、站臺(tái)雨棚等建筑、構(gòu)筑物安全、健康狀況進(jìn)行線上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目標(biāo)。