RocMOS變形監(jiān)測系統(tǒng)在鄰近多條高鐵橋梁施工中的應(yīng)用

劉萬屹 中國鐵路上海局集團有限公司南京橋工段

汪明薇 中國鐵路上海局集團有限公司東華地鐵公司

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷發(fā)展，新建城市道路上跨、下穿或鄰近既有高速鐵路橋梁的工程不斷增加。在此類項目建設(shè)過程中，不可避免地鄰近高鐵橋進行大面積、深基坑開挖作業(yè)，在施工荷載的作用下，很容易對既有高鐵橋梁下部結(jié)構(gòu)土體產(chǎn)生擾動，破壞土體的初始平衡狀態(tài)，從而導(dǎo)致既有鐵路橋橋墩產(chǎn)生沉降和水平位移。為了確保高鐵在施工期間的運營安全，需要對高鐵橋墩進行定期甚至加頻連續(xù)地動態(tài)監(jiān)測，以便及時采取有效措施控制施工對高鐵橋梁的影響范圍和程度。目前，高鐵自動化監(jiān)測手段如全站儀、靜力水準儀、傾斜儀、光纖光柵等發(fā)展越來越成熟，這些自動化監(jiān)測手段的使用逐漸成為鄰近高鐵施工信息化的發(fā)展方向，為風險預(yù)測及施工過程的安全總體把控提供有效的參考經(jīng)驗。

本文以南京市佳營南路下穿京滬高鐵等橋孔工程監(jiān)測項目為背景，由于該項目實施期間同時有地鐵五號線盾構(gòu)穿越該路段，故委托了兩家監(jiān)測單位分別使用全站儀及Roc-MOS變形監(jiān)測系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集方式為靜力水準儀）進行監(jiān)測，通過比較兩種監(jiān)測手段測出數(shù)據(jù)的差異，驗證該系統(tǒng)在高鐵橋梁監(jiān)測中運用的可靠性，討論其適用范圍及優(yōu)缺點，為今后高鐵橋梁監(jiān)測提供參考。

1 RocMOS變形監(jiān)測系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)包含以下幾個部分：（1）數(shù)據(jù)采集單元（RT-2000終端，靜力水準儀、傾角儀傳感器）；（2）數(shù)據(jù)傳輸單元（4G無線通訊模塊）；（3）數(shù)據(jù)處理與分析子系統(tǒng)單元（RocMOS監(jiān)測軟件及服務(wù)器，roceye瀏覽器，各類報警系統(tǒng)）；（4）輔助子系統(tǒng)（供電、避雷、綜合布線等輔助子系統(tǒng)）。

1.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)及應(yīng)用

RocMOS變形監(jiān)測系統(tǒng)高度集成各種功能模塊，可應(yīng)對全部常見的變形監(jiān)測現(xiàn)場。它通過手機sim卡4G網(wǎng)絡(luò)模塊，兼容GNSS設(shè)備并搭載靜力水準儀、傾角儀傳感器，完成各種數(shù)據(jù)聯(lián)合解算分析，以計算機終端、手機客戶端等形式為施工單位、設(shè)備單位、建設(shè)單位提供智慧服務(wù)。它能夠?qū)崿F(xiàn)在風險事件條件下，及時通過手機短信、客戶端信息等形式為各方提供預(yù)警的功能。因此，通過電腦客戶端軟件遠程訪問和控制，該系統(tǒng)可完全實現(xiàn)無人值守，它專業(yè)的機身設(shè)計也可抵抗惡劣環(huán)境。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 RocMOS自動化監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 工程實例運用

2.1 工程概況

佳營南路下穿工程位于南京市秦淮區(qū)，道路中心線對應(yīng)京滬高鐵里程約K1027＋444 m。該工程在京滬高鐵、滬蓉上、下行聯(lián)絡(luò)線、仙寧線高鐵橋下方新建U槽結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)同時上跨在建的地鐵5號線。

本工程（如圖2所示）下穿仙寧鐵路秦淮河特大橋27#～28#墩間、滬蓉鐵路上行聯(lián)絡(luò)線特大橋55?！?6＃墩間（現(xiàn)場踏勘為56?！?7＃墩）、京滬高鐵秦淮河特大橋56?！?7＃墩間、滬蓉鐵路下行聯(lián)絡(luò)線特大橋52?！?3＃墩間。

圖2 施工總平面圖

本工程的總體施工順序為降土施工→維護體系施工→U型槽施工→排水體系施工→道路路面施工，整個工程分段進行流水作業(yè)。

（1）降土施工：高鐵橋下土方降至離鐵路高架梁底板高度6 m以上。

（2）維護體系施工：①對高鐵橋墩進行安全防護，砼防撞墩防護，搭設(shè)鋼管臨時支撐設(shè)施，設(shè)置安全防護網(wǎng)、安全警示標志、標牌等措施→②對鉆孔樁位置進行拉槽，拉槽高度為1～1.5 m，保證鉆孔樁機械凈高〉6.0 m→③施打圍護排樁及拉森板樁，施工U槽兩側(cè)防護排樁、冠梁，養(yǎng)護至設(shè)計強度，在拉森板樁與圍護排樁之間壓密注漿形成止水帷幕。

（3）U型槽施工：①施工樁頂永久混凝土支撐，開挖U槽基坑，土體開挖卸載，應(yīng)分層對稱進行→②按照分層對稱開挖要求開挖至第二道臨時鋼管支撐底，設(shè)置第二道臨時鋼管支撐，再開挖至基坑底部→③現(xiàn)澆U槽底板，設(shè)置傳力帶，達到強度后拆除第二道臨時支撐→④現(xiàn)澆U槽邊墻→⑤U槽和圍護樁間回填。

（4）排水體系施工：①埋設(shè)U型槽下的橫穿管道→②進行沉井、工作井、接收井施工→③頂管作業(yè)→④封堵洞口→⑤U型槽內(nèi)排水溝施工。

（5）道路路面施工：①道路路基施工→②路面基層施工→③鋪筑平側(cè)石及人行道板→④鋪瀝青路面。

為確保高鐵運營及盾構(gòu)施工安全，盾構(gòu)在影響區(qū)域內(nèi)（隧道兩側(cè)1倍洞徑范圍內(nèi)）佳營南路U型槽樁基施工完成后再進行穿越。

2.2 監(jiān)測點布設(shè)及監(jiān)測內(nèi)容

沉降基準點位于測區(qū)外穩(wěn)定的區(qū)域，直接在基準點上布設(shè)靜力水準儀，埋設(shè)基準點基礎(chǔ)墩。

垂直位移監(jiān)測主要測量高鐵結(jié)構(gòu)在豎直方向的位移量，根據(jù)位移量變化情況可以判斷施工的開挖、填方對高鐵橋墩的影響，也能間接反映施工安全和工程質(zhì)量情況。高鐵垂直位移監(jiān)測主要采用的方法是水準測量，也采用靜力水準儀自動化監(jiān)測及精密三角高程測量等方法。橋墩沉降監(jiān)測點直接埋設(shè)在施工影響范圍內(nèi)的橋墩上，每墩布設(shè)2個點。利用鋼帶加固固定在墩腰兩側(cè)，具體布設(shè)如圖3，共布設(shè)36個。

圖3 橋墩沉降監(jiān)測點布置示意圖

水平位移監(jiān)測是測量高鐵橋墩在水平方向上的位移量，水平位移一般會在高鐵線下挖方或堆土嚴重的情況下出現(xiàn)，高鐵橋梁墩臺兩側(cè)受力不均勻，就會導(dǎo)致水平位移發(fā)生變化，危及高鐵安全。橋墩水平位移監(jiān)測點利用傾角儀布設(shè)在橋墩底部地面以上0.5 m～1 m處，每個橋墩布設(shè)1個，具體布設(shè)如圖4，共布設(shè)16個。

圖4 橋墩水平位移監(jiān)測點布設(shè)示意圖

本工程涉及的高鐵橋墩監(jiān)測點分布如圖5所示，本文僅討論U型槽施工對高鐵橋墩的影響。

圖5 點位布設(shè)示意圖

2.3 數(shù)據(jù)采集單元（靜力水準儀、傾角儀）介紹

本實例中靜力水準儀采用HD-2NJ103-1型，是一種差壓式的傳感器，由儲液器、高精度感應(yīng)器、處理模塊、保護罩等部件組成。利用各個監(jiān)測點之間的壓力值的變化計算出沉降量，傳感器體積小、量程大，在其量程之內(nèi)，靜力水準儀可以隨著地面走勢安裝而不需要調(diào)平。

傾角儀選用HD-3NQ128型雙軸傾角計，采用微機電生產(chǎn)工藝傾角單元，體積小、功耗低、一致性和穩(wěn)定性很高，是數(shù)字型傾角傳感器，工作溫度達到工業(yè)級別-40℃～+85℃。

2.4 變形監(jiān)測管理系統(tǒng)的應(yīng)用

變形監(jiān)測管理系統(tǒng)運用RocMOS監(jiān)測軟件搭載各種硬件，通過各類通訊方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、傳輸、報警等智能化服務(wù)。

RocMOS監(jiān)測軟件的特點：（1）可單窗口多項目、多設(shè)備管理，兼容主流測量機器人，可接入多環(huán)境與巖土傳感器；（2）單測站、多測站、多設(shè)備組網(wǎng)監(jiān)測，復(fù)雜區(qū)域監(jiān)測也可以輕松實現(xiàn)；（3）集成監(jiān)測網(wǎng)精度分析功能，提高組網(wǎng)精度的利器；（4）自適應(yīng)擬穩(wěn)技術(shù)，多種網(wǎng)平差方式和模型自動選擇，確保亞毫米級測量精度；（5）單純網(wǎng)絡(luò)通訊，有效解決串口與網(wǎng)絡(luò)多次轉(zhuǎn)換帶來的系統(tǒng)故障；（6）網(wǎng)絡(luò)或服務(wù)器故障數(shù)據(jù)采集和同步，監(jiān)測數(shù)據(jù)冗余存儲，永不丟失；（7）集成遠程電源管理功能，對異常設(shè)備冷啟動，可解決設(shè)備導(dǎo)致的系統(tǒng)故障；（8）多種、多級報警設(shè)置，支持短信、電話語音、電子郵件、微信、手機APP報警（圖6）。

圖6 軟件主界面

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)據(jù)查詢

登錄RocMOS變形監(jiān)測系統(tǒng)可實時更新并顯示所監(jiān)測橋墩在每一時段的沉降位移數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的變化趨勢圖可反映現(xiàn)場施工對高鐵橋墩的影響，為鐵路管理部門監(jiān)管提供風險預(yù)警和趨勢判斷;鐵路監(jiān)管部門也可利用監(jiān)測數(shù)據(jù)，更好地把控高鐵營業(yè)線施工的工程質(zhì)量，避免影響高鐵運營安全的事故發(fā)生（圖7）。

圖7 RocMOS數(shù)據(jù)平臺電腦客戶端軟件

3.2 數(shù)據(jù)分析

圖8～圖10分別為2020年7月2日～7月19日RocMOS變形監(jiān)測系統(tǒng)及同一施工階段全站儀測量京滬高鐵56#、57#橋墩的橫橋向、順橋向水平位移及沉降數(shù)據(jù)對比。

從圖8可看出，京滬高鐵橋墩56#、57#橫向位移觀測數(shù)據(jù)分別在7月12日、7月7日差異最大，為0.4 mm和0.3 mm，監(jiān)測時間段整體測量數(shù)據(jù)及趨勢趨同，差異幅度不大。

圖8 京滬高鐵56#、57#橋墩橫橋向水平位移

從圖9可看出，京滬高鐵橋墩56#、57#順橋位移觀測數(shù)據(jù)分別在7月8日、7月4日差異最大，為0.5 mm和0.4 mm，監(jiān)測時間段整體測量數(shù)據(jù)及趨勢趨同，差異幅度不大。

圖9 京滬高鐵56#、57#橋墩順橋向水平位移

從圖10可看出，京滬高鐵56#橋墩兩靜力水準沉降數(shù)據(jù)基本吻合，同期數(shù)據(jù)對比小于0.1 mm,相對于全站儀測量數(shù)據(jù)，差距最大在7月15日、7月17日，為0.4 mm，三條數(shù)據(jù)曲線在監(jiān)測時間段整體測量數(shù)據(jù)及趨勢趨同。京滬高鐵57#橋墩兩靜力水準沉降數(shù)據(jù)基本吻合，7月8日-11日數(shù)據(jù)完全相同，并且同期數(shù)據(jù)對比小于0.2 mm,相對于全站儀測量數(shù)據(jù)，差距最大在7月9日，為0.6 mm，三條數(shù)據(jù)曲線在監(jiān)測時間段整體測量數(shù)據(jù)及趨勢趨同，差異幅度不大。

圖10 京滬高鐵56#、57#橋墩橋墩沉降量

3.3 數(shù)據(jù)評估

通過以上監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，可看出兩種監(jiān)測方法測量結(jié)果趨勢基本吻合。但是由于采用全站儀測量的數(shù)據(jù)有人為因素誤差，且列車通過時會對靜力水準儀、傾角儀瞬時讀數(shù)的準確性產(chǎn)生影響，從而數(shù)據(jù)在某些時間離散波動比較大，但整體說明RocMOS變形監(jiān)測系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)具有高度有效性和可靠性。

3.4 特點對比

基于鄰近高鐵橋梁施工不同監(jiān)測手段的運用，現(xiàn)將Roc-MOS變形監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)全站儀人工測量特點對比見表1。

表1 RocMOS變形監(jiān)測與全站儀人工測量特點對比

4 結(jié)論

本文以南京市佳營南路下穿京滬高鐵等多條高鐵橋梁施工為研究背景，基于RocMOS變形監(jiān)測系統(tǒng)在U槽、盾構(gòu)施工中的運用，對既有高鐵橋墩沉降變形進行了數(shù)據(jù)采集和分析，獲得了橋墩沉降位移的發(fā)展規(guī)律。該系統(tǒng)不但可及時、有效、快速收集施工過程中的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)，反映施工中對高鐵設(shè)備的安全影響，還能為高鐵施工智能化、高效化的提供具體的工程實例，具有重要的應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義。