高鐵自動(dòng)化沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)在鐵路施工安全管理中的應(yīng)用

楊秉輝

（鄭萬(wàn)鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)河南有限責(zé)任公司 運(yùn)輸安全部，河南鄭州 450000）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程不斷發(fā)展，道路、管線(xiàn)等市政工程網(wǎng)日趨完善，與高鐵產(chǎn)生交叉的市政基礎(chǔ)設(shè)施越來(lái)越多，臨近高鐵營(yíng)業(yè)線(xiàn)施工項(xiàng)目也大量增加。由此對(duì)高速鐵路施工安全管理和安全運(yùn)營(yíng)要求也越來(lái)越高，而高速鐵路變形監(jiān)測(cè)［1］數(shù)據(jù)的高效性、準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性也成為高速鐵路施工安全管理的重中之重。

高速鐵路在舒適性、平順性、安全性等方面都有很高要求，運(yùn)行過(guò)程中易受高鐵臨近營(yíng)業(yè)線(xiàn)施工干擾，因此，在高鐵臨近營(yíng)業(yè)線(xiàn)施工期間，對(duì)變形監(jiān)測(cè)精度和監(jiān)測(cè)頻率要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)受儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)處理及天窗點(diǎn)等限制很難做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且在測(cè)量過(guò)程中受地形條件、施工環(huán)境等因素限制也較大。因此，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)［2］應(yīng)運(yùn)而生。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)不但可對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行全天候、全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集，而且系統(tǒng)可自動(dòng)生成監(jiān)測(cè)成果報(bào)告，并能實(shí)時(shí)發(fā)送到鐵路設(shè)備管理單位，當(dāng)變形量接近警戒值時(shí)，還能進(jìn)行主動(dòng)提醒，通過(guò)自動(dòng)撥打電話(huà)、發(fā)送短信、平臺(tái)消息提醒等方式通知相關(guān)管理單位。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)具備自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)功能，可保留大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)分析模型進(jìn)行快速分析比對(duì)，利用監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)，整合歸納，為監(jiān)測(cè)科研提供理論數(shù)據(jù)支撐?；谧詣?dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的突出特點(diǎn)，各種自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，形成了監(jiān)測(cè)幾何變量和物理變量的多種監(jiān)測(cè)傳感器，如位移計(jì)、靜力水準(zhǔn)儀、裂縫計(jì)、水壓計(jì)、激光收斂計(jì)等。

何曉業(yè)［3］以CCD核心傳感器的靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的標(biāo)定方法和數(shù)學(xué)擬合過(guò)程證明了該方法的可行性；郭曉菲［4］提出了使用磁致伸縮液位傳感器取代傳統(tǒng)傳感器的設(shè)想，并應(yīng)用到實(shí)踐，驗(yàn)證了所有性能參數(shù)均能滿(mǎn)足工程實(shí)際需要；張高帥［5］將靜力水準(zhǔn)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到高速鐵路線(xiàn)下工程變形監(jiān)測(cè)中，取得了良好效果。

以靜力水準(zhǔn)儀在高鐵沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用為例，論述自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和可行性，及其在鐵路施工過(guò)程中數(shù)據(jù)處理的精確性、推廣的經(jīng)濟(jì)性和安全管理的高效性。

1 靜力水準(zhǔn)儀原理

靜力水準(zhǔn)儀的原理是將連通液管連接一系列傳感器容器，其中每個(gè)容器的初始液位由內(nèi)部精密位移傳感器測(cè)出，當(dāng)液位發(fā)生變化時(shí)，傳感器感應(yīng)桿上的自由浮球會(huì)隨之升降，浮球位移由傳感器感應(yīng)，以電信號(hào)的形式被采集進(jìn)而轉(zhuǎn)化成沉降物理量輸出。靜力水準(zhǔn)儀根據(jù)其傳感器不同又分為：光電式（CCD）、振弦式、電容式［6］、壓差式。其測(cè)量原理［7］見(jiàn)圖1、圖2，共布設(shè)n個(gè)測(cè)點(diǎn)，1號(hào)為相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)。

圖1 初始狀態(tài)靜力水準(zhǔn)測(cè)量［7］

圖2［7］ 任意狀態(tài)靜力水準(zhǔn)測(cè)量

初始狀態(tài)時(shí)各測(cè)點(diǎn)安裝底面相對(duì)于基準(zhǔn)面間的距離為：Y01、Y02、…、Y0i、…、Y0n，（i為測(cè)點(diǎn)代號(hào)，i=1，2，…、n）；各測(cè)點(diǎn)安裝底面與液面間的水平距離為：h01、h02、h0i、…、h0n，

當(dāng)發(fā)生不均勻沉降后，設(shè)各測(cè)點(diǎn)安裝底面的相對(duì)變化量為：Δhj1、Δhj2、Δhji、…、Δhjn（j為測(cè)次代號(hào)，j=1，2，3…n）；各測(cè)點(diǎn)容器內(nèi)液面水平線(xiàn)相對(duì)于變化后安裝底面的距離為hj1、hj2、hji、…、hjn；變化后安裝底面相對(duì)于基準(zhǔn)面間的距離為Yj1、Yj2、…、Yji、…、Yjn。

2 工作流程

基于靜力水準(zhǔn)儀的測(cè)量系統(tǒng)［8］包括傳感器端數(shù)據(jù)采集、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯總及平臺(tái)信息發(fā)布、供電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理云平臺(tái)，處理數(shù)據(jù)的工作流程見(jiàn)圖3。

圖3 靜力水準(zhǔn)儀工作流程圖

3 應(yīng)用案例

3.1 監(jiān)測(cè)對(duì)象

以市政道路施工穿越某高速鐵路為例，對(duì)道路施工影響范圍內(nèi)的鐵路橋墩進(jìn)行沉降觀(guān)測(cè)。根據(jù)道路與該高速鐵路的相對(duì)位置關(guān)系和TB 10101—2018《鐵路工程測(cè)量規(guī)范》要求，確定沉降觀(guān)測(cè)范圍為：鐵路橋第436#—440#橋墩，需觀(guān)測(cè)橋墩共5個(gè)。以市政道路下穿處的437#、438#2個(gè)橋墩為研究對(duì)象。

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

靜力水準(zhǔn)儀是通過(guò)連通液面的變化來(lái)反映沉降變化的，溫度變化會(huì)導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)。此外，臨近既有線(xiàn)高速列車(chē)通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致液面波動(dòng)。

由于施工開(kāi)挖及回填階段對(duì)高鐵橋墩影響最大［9-10］，在此選取12月份數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中2018年12月6—7日是開(kāi)挖、灌漿、回填階段（見(jiàn)圖4）。

圖4 2018年12月6日437#橋墩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

437#橋墩在12月6日進(jìn)行回填土，從圖4可知，4：23前沉降最大，為0.363 mm；在22：23時(shí)沉降最小，為-0.008 mm。

12月7日，437#橋墩灌注隔離樁時(shí)，13：23時(shí)沉降最大，為0.451 mm，2：23時(shí)沉降最小，為-0.129 mm（見(jiàn)圖5）。

圖5 2018年12月7日437#橋墩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

437#橋墩的12月曲線(xiàn)圖，沉降均＜1 mm，對(duì)橋墩的監(jiān)測(cè)均符合規(guī)范要求的精度（見(jiàn)圖6）。

圖6 437#橋墩的12月份沉降曲線(xiàn)

同時(shí)間段沉降差：437#橋墩在2：23沉降差最大，為-0.533mm，10：23沉降差最小，為-0.027mm（見(jiàn)表1）。

表1 437#橋墩施工期間各時(shí)段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

12月6日，437#橋墩回填土?xí)r，438#橋墩在4：23前沉降最大，為0.332 mm，在9：23時(shí)沉降最小，為0.148 mm（見(jiàn)圖7）。

圖7 2018年12月6日438#橋墩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

12月7日，437#橋墩灌注隔離樁時(shí)，438#橋墩在1：23時(shí)沉降最大，為0.442 mm，在2：23時(shí)位移最小，為-0.043 mm（見(jiàn)圖8、圖9）。

圖8 2018年12月7日438#橋墩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖9 2018年12月438#沉降曲線(xiàn)

438#橋墩的12月沉降曲線(xiàn)圖，沉降均＜1 mm，對(duì)橋墩的監(jiān)測(cè)均符合規(guī)范要求的精度。

同時(shí)間段沉降差：438#橋墩在4：23分沉降差最大，為-0.374 mm，最小為-0.058 mm（見(jiàn)表2）。

表2 438#橋墩施工期間各時(shí)段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋

4.1 與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)比優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)通常用高精度電子水準(zhǔn)儀施測(cè)，按二等水準(zhǔn)的測(cè)量要求進(jìn)行反復(fù)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)情況往往處處受限，如施工圍擋造成視線(xiàn)不通、現(xiàn)場(chǎng)地形起伏較大造成高程傳遞時(shí)多次迂回搬站、基坑挖掘過(guò)深造成人員無(wú)法靠近立尺或測(cè)量等。

與傳統(tǒng)人工測(cè)量相比，靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)技術(shù)除了能完美避開(kāi)上述情況，還能快速、實(shí)時(shí)、高效地為鐵路設(shè)備管理單位在施工回填時(shí)，提供高鐵橋墩沉降參考數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)變化采取有效的管理措施。

2000年以前，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一直是設(shè)想，隨著電子科技飛速發(fā)展，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)已經(jīng)達(dá)到監(jiān)測(cè)人員足不出戶(hù)就可以收到來(lái)自遠(yuǎn)方的精密數(shù)據(jù)信息。目前基于靜力水準(zhǔn)儀的自動(dòng)化沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)已取得較大進(jìn)展，傳統(tǒng)人工在線(xiàn)上測(cè)量時(shí)，需天窗點(diǎn)作業(yè)，對(duì)行車(chē)組織要求高，對(duì)鐵路從業(yè)人員的安全也是考驗(yàn)?；陟o力水準(zhǔn)儀的特性，尤其在偏僻、高寒、深山、城鄉(xiāng)結(jié)合部等氣象條件或人文情況復(fù)雜地區(qū)，靜力水準(zhǔn)儀有人工監(jiān)測(cè)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)具有以下特點(diǎn)：（1）精度較高。其變形誤差值均在相關(guān)規(guī)范的限值之內(nèi)，符合高鐵橋墩沉降監(jiān)測(cè)規(guī)范要求，實(shí)例證明靜力水準(zhǔn)測(cè)量精度完全可用于高鐵橋墩的變形監(jiān)測(cè)；（2）沉降曲線(xiàn)線(xiàn)性走向一致。在橋墩荷載變大或施工影響時(shí)，變化曲線(xiàn)同時(shí)出現(xiàn)波峰或波谷，線(xiàn)形起伏較大且變化幅度相當(dāng)；在未施工期間，線(xiàn)形較平緩且變化幅度相當(dāng)；在同一時(shí)間內(nèi)達(dá)到波峰，又在同一時(shí)間內(nèi)達(dá)到波谷，可證明靜力水準(zhǔn)測(cè)量在沉降監(jiān)測(cè)中可精準(zhǔn)反映出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化。

4.2 信息管理平臺(tái)用戶(hù)反饋

傳感器將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到信息管理平臺(tái)，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，信息管理平臺(tái)對(duì)不同測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組、整理后，自動(dòng)進(jìn)行各測(cè)點(diǎn)的差值計(jì)算，呈現(xiàn)出各測(cè)點(diǎn)變化后的變形曲線(xiàn)和圖形，使監(jiān)測(cè)結(jié)果完整展現(xiàn)給平臺(tái)用戶(hù)。

平臺(tái)用戶(hù)利用電腦、手機(jī)、平板也可實(shí)時(shí)查詢(xún)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其中包括數(shù)據(jù)報(bào)表、沉降趨勢(shì)變化分析及達(dá)到預(yù)警狀態(tài)的鐵路橋墩變化量。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在平臺(tái)上實(shí)時(shí)更新，平臺(tái)用戶(hù)可隨時(shí)隨地查看。

平臺(tái)用戶(hù)也可隨時(shí)查看歷史、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及預(yù)警、報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)真正意義上足不出戶(hù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

對(duì)超出警戒閾值，系統(tǒng)平臺(tái)會(huì)發(fā)出預(yù)警信息和報(bào)警，及時(shí)以短信形式將預(yù)測(cè)和警示結(jié)果發(fā)給相關(guān)部門(mén)，使監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋更具時(shí)效性，以便在第一時(shí)間制定有效的應(yīng)急預(yù)案，達(dá)到消除隱患的目的。

平臺(tái)信息管理系統(tǒng)把每個(gè)測(cè)點(diǎn)的有效信息都保存在數(shù)據(jù)庫(kù)里，以供用戶(hù)查詢(xún)、下載、分析，能保證數(shù)據(jù)的安全與有效，時(shí)時(shí)確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可追溯性。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在高鐵監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，充分發(fā)揮了其高精度、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，全天候預(yù)警能夠高效地實(shí)現(xiàn)鐵路施工安全管理目標(biāo)，能夠精準(zhǔn)、科學(xué)地反映高鐵橋墩的變形情況，從而指導(dǎo)臨近高速鐵路線(xiàn)的施工組織安排。

（2）與傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)方法相比，靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量更豐富，判斷預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化趨勢(shì)更精準(zhǔn)。

（3）推廣應(yīng)用前景廣闊。實(shí)時(shí)、快速，更全面、更直觀(guān)、更高效地反映路外施工對(duì)高鐵橋梁墩臺(tái)造成的沉降變化，有利于設(shè)備管理單位掌握設(shè)備情況，有針對(duì)性地指導(dǎo)施工?；陟o力水準(zhǔn)儀的監(jiān)測(cè)技術(shù)能提高監(jiān)測(cè)效率，減少人工作業(yè)強(qiáng)度，節(jié)省項(xiàng)目成本。

（4）經(jīng)濟(jì)性顯著。在施工工期較長(zhǎng)的項(xiàng)目中，可節(jié)省大量人工成本，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。只需設(shè)備安裝和系統(tǒng)維護(hù)人員，人工設(shè)定采集間隔，數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸。

（5）靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只是位移傳感器的一種，在高鐵設(shè)備中運(yùn)用大量傳感器，如裂縫計(jì)、應(yīng)力計(jì)、土壓計(jì)等，這些傳感器實(shí)時(shí)收集相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，由物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)連接，協(xié)作運(yùn)行，以保障高速鐵路的安全運(yùn)營(yíng)。

（6）提高監(jiān)測(cè)人員的安全系數(shù)。鐵路變形監(jiān)測(cè)往往配合施工同時(shí)進(jìn)行，施工工作與監(jiān)測(cè)工作互相交叉，監(jiān)測(cè)環(huán)境復(fù)雜，使監(jiān)測(cè)任務(wù)具有很大安全隱患；而靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，無(wú)疑給監(jiān)測(cè)人員配置了一副實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的“千里眼”。

（7）靜力水準(zhǔn)儀被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用在地鐵、隧道、市政橋梁及各類(lèi)設(shè)施的沉降監(jiān)測(cè)工作中，但市政工程對(duì)監(jiān)測(cè)精度要求不高。由于高速鐵路對(duì)變形精度要求較高，在高速鐵路橋墩、路基沉降監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用和研究較少，在此，進(jìn)一步擴(kuò)大和驗(yàn)證了靜力水準(zhǔn)儀的使用范圍。