多元傳感器智能監(jiān)測系統(tǒng)在高鐵監(jiān)測中的應(yīng)用

石 巖，符新新，孔繁帆

（1.南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210000；2.北京城建勘測設(shè)計研究院有限責任公司，北京 100000）

隨著我國鐵路運營里程的不斷遞增，臨近既有鐵路營業(yè)線的工程建設(shè)也逐漸增多，尤其是高速鐵路對線路平順性要求更高、運維更加嚴格[1]。同時，運營線網(wǎng)不斷密集，出現(xiàn)大量下穿工程穿越高鐵并行段，施工影響橋墩數(shù)量較多的情況，傳統(tǒng)監(jiān)測方式已無法保證鐵路營業(yè)線的結(jié)構(gòu)安全。因此，在外部工程施工期間，對運營期鐵路結(jié)構(gòu)提供自動化、連續(xù)性、智能化的變形監(jiān)測需求日益迫切。本文以新建道路下穿高鐵工程為例，研究了多元傳感器智能監(jiān)測系統(tǒng)在高鐵橋墩監(jiān)測中的應(yīng)用。

本文以佳營南路下穿高鐵橋墩工程為例，通過對高鐵橋墩進行自動化變形監(jiān)測，掌握了外部工程在施工過程中對既有高鐵結(jié)構(gòu)造成的變形，為鐵路管理單位提供了及時準確的數(shù)據(jù)，為判定外部工程施工對既有高鐵橋墩的影響，確保橋墩變形在可控范圍和安全施工提供了可靠的數(shù)據(jù)支持[2]。由于該項目外部工程穿越區(qū)段高鐵并行段橋墩數(shù)量較多，且橋墩下觀測環(huán)境較差，傳統(tǒng)人工監(jiān)測很難滿足高鐵營業(yè)線保護監(jiān)測的要求[3]，因此本文采用結(jié)合多元傳感器的高精度智能結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)進行高鐵橋墩自動化實時監(jiān)測。

1 工程實例

1.1 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。南京市佳營南路下穿京滬高鐵等橋孔工程下穿京滬高鐵、滬蓉上、下行聯(lián)絡(luò)線、仙寧線處新建U槽結(jié)構(gòu)，外U槽長118.4 m。設(shè)計里程為K0+410.358～K0+528.758，U槽外寬33.4 m。佳營南路引道段機動車道采用U槽結(jié)構(gòu)，內(nèi)U槽長75 m，設(shè)計里程為K0+528.758～K0+603.758，內(nèi)U槽外寬18.5 m。外部工程與鐵路位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 外部工程與鐵路位置關(guān)系圖

項目在佳營南路道路東側(cè)（京滬高鐵秦淮河特大橋57#～58#墩之間）設(shè)置一孔φ1.25 m鋼筋混凝土圓形護涵，采用頂管施工，護涵內(nèi)通過14孔10 kV電力管。14孔10 kV電力管采用1-φ1.25 m鋼筋混凝土護涵防護（頂進施工），長度為117 m。Φ120雨水管采用1-φ2.2 m鋼筋混凝土護涵防護（明挖現(xiàn)澆），長度為113 m。項目涉鐵區(qū)段主要為外U槽結(jié)構(gòu)，里程為K0+410.358～K0+528.758，長118.4 m。施工位置所處環(huán)境較差，施工可能會引起鐵路橋墩的變形，從而影響鐵路的安全運行。佳營南路下穿工程下穿仙寧鐵路秦淮河特大橋27#～28#墩之間、滬蓉鐵路上行聯(lián)絡(luò)線特大橋56?！?7＃墩之間、京滬高鐵秦淮河特大橋56?！?7＃墩之間、滬蓉鐵路下行聯(lián)絡(luò)線特大橋52＃～53＃墩之間。

本次監(jiān)測的佳營南路下穿影響段包括：①仙寧鐵路秦淮河特大橋27#～28#墩；②滬蓉鐵路上行聯(lián)絡(luò)線特大橋56＃～57＃墩；③京滬高鐵秦淮河特大橋56＃～57＃墩；④滬蓉鐵路下行聯(lián)絡(luò)線特大橋52?！?3＃墩。項目對新建道路施工影響段高鐵橋墩進行垂直位移、水平位移（橫橋向、順橋向）的實時動態(tài)監(jiān)測。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

由于傳統(tǒng)的人工鐵路監(jiān)測時間滯后且效率低，為實時反映高鐵橋墩變形情況，項目采用高精度智能結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)實施自動化監(jiān)測。系統(tǒng)內(nèi)置智能監(jiān)測軟件，集成數(shù)據(jù)采集、分析、處理和智能預警等功能，結(jié)合了智能型傳感器（靜力水準、傾角儀）、無線通信技術(shù)、計算機技術(shù)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[4]。系統(tǒng)集成了穩(wěn)定的通信硬件設(shè)計與成熟的數(shù)據(jù)分析處理軟件設(shè)計，通過低功耗、長距離的無線通信控制，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動采集、穩(wěn)定高效傳輸、遠程控制、數(shù)據(jù)智能處理等核心功能，形成了一套智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的變形監(jiān)測系統(tǒng)[5]。系統(tǒng)對大量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)化處理，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)到成果的轉(zhuǎn)化，提升了信息的可用性和有效性；同時將傳統(tǒng)的人為剔除粗差轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^計算機算法進行數(shù)據(jù)過濾，提高了數(shù)據(jù)處理的速度與效率。

數(shù)據(jù)采集模塊主要由監(jiān)測傳感器、多功能采集終端、通信單元、智能控制模塊等組成[6]。該模塊性能穩(wěn)定、兼容性強，可連接全站儀、靜力水準儀、傾角儀等多元傳感器，自動完成周期監(jiān)測數(shù)據(jù)采集。在日常監(jiān)測過程中，可實時檢查設(shè)備運行狀態(tài)，根據(jù)不同項目需求設(shè)置數(shù)據(jù)采集頻次與周期。數(shù)據(jù)處理模塊通過算法對采集的各類觀測數(shù)據(jù)進行自動分類、基準點穩(wěn)定性分析、外界影響因素識別、異常值（粗差）剔除、平差解算等數(shù)據(jù)處理。成果發(fā)布模塊負責對各項目監(jiān)測成果進行信息化數(shù)據(jù)管理，可按測項實時查詢數(shù)據(jù)并導出數(shù)據(jù)；同時可根據(jù)規(guī)范和項目設(shè)計要求，設(shè)置各測項的預警值和報警值，將超出預設(shè)值的異常信息遠程通知項目管理人員，實時跟蹤鐵路結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)。

1.2.2 橋墩垂直位移監(jiān)測

1）靜力水準監(jiān)測方式。本項目橋墩垂直位移監(jiān)測采用自動化靜力水準監(jiān)測系統(tǒng)，利用電感式靜力水準設(shè)備自動采集橋墩垂直位移變形值，再通過采集模塊接入自動化監(jiān)測系統(tǒng)，經(jīng)無線通信技術(shù)遠程控制設(shè)備采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而形成一套從數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、分析到發(fā)布的高精度智能結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)。HD-2NJ103-1型高精度靜力水準儀由儲液罐、液位傳感器、通液管、金屬罩、基座、溫度補償、數(shù)據(jù)處理模塊等部件組成（圖2），適用于基坑、路基邊坡、市政隧道、地鐵隧道、管廊、橋梁、大壩等各種建（構(gòu)）筑物變形監(jiān)測[7]。靜力水準系統(tǒng)是觀測各點位高差及其變化值的精密儀器，通常設(shè)置在待測體（墩柱、墻壁）的等高位置，利用通液管將多個設(shè)備的儲液罐進行連接，采用高集成度模塊化自動測量單元采集數(shù)據(jù)并鏈接計算機，從而實現(xiàn)遠程自動化監(jiān)測。

圖2 靜力水準儀示意圖

靜力水準測量基于伯努利方程原理實施，即通液管中的液體壓力處于靜止狀態(tài)時滿足伯努利方程。根據(jù)該原理制成的靜力水準設(shè)備或系統(tǒng)可測量各點位之間的高差，再根據(jù)測量值的變化計算各監(jiān)測點的垂直位移。實施過程中，將系統(tǒng)內(nèi)一個觀測設(shè)備安置在基準點上，其他觀測設(shè)備安置在目標點上，進行重復多次觀測，得到各待測點的垂直位移。

基準靜力水準儀作為監(jiān)測系統(tǒng)的起算依據(jù)，應(yīng)設(shè)置在變形影響區(qū)域外的穩(wěn)定位置。本項目基準靜力水準儀布設(shè)在施工范圍影響外兩側(cè)穩(wěn)定的橋墩上，基準靜力水準儀與監(jiān)測點應(yīng)布設(shè)在同一水平面。為準確反映高鐵橋墩的變形影響，項目在每個橋墩橫橋向布設(shè)1個靜力水準儀。為避免日常施工對設(shè)備造成破壞，靜力水準儀布設(shè)在橋墩墩頂向下0.3 m處，布設(shè)時應(yīng)保證所有靜力水準儀在同一個水平面，各監(jiān)測點高差不得超過20 cm（圖3）?；讲畛晒?，后期進行實時采集。

圖3 靜力水準儀現(xiàn)場安裝圖

1.2.3 橋墩傾斜監(jiān)測

橋墩傾斜監(jiān)測采用傾角儀進行數(shù)據(jù)采集。項目采用HC-B300型雙軸數(shù)顯傾角儀監(jiān)測建（構(gòu)）筑物相對于垂直面的傾斜與水平面的位移[8]。HC-B300型傾角儀屬于雙軸小量程數(shù)顯傾角儀，系統(tǒng)內(nèi)置高精度差分轉(zhuǎn)換器，輸出兩個方向俯仰角度，根據(jù)現(xiàn)場情況，傾斜監(jiān)測的絕對精度可達±0.003°。將傾角儀布設(shè)在監(jiān)測范圍內(nèi)橋墩順橋向墩底以上0.3 m處（圖4），每個橋墩布設(shè)1個傾角儀，可測量橫橋向和順橋向的傾斜變量，并通過算法換算為橋墩水平方向的位移量。

圖4 傾角儀現(xiàn)場安裝圖

2）全站儀監(jiān)測方式。在靜力水準自動化監(jiān)測的同時，為檢核數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與準確性，在每個橋墩布設(shè)靜力水準儀位置附近安裝監(jiān)測棱鏡進行全站儀自動化監(jiān)測，并將兩套實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析。為提高全站儀監(jiān)測系統(tǒng)中基準點的穩(wěn)健性，基準點采用多個基準點形成點組的布設(shè)方式，每組設(shè)立8個基準點。本項目在變形影響區(qū)外穩(wěn)定位置布設(shè)基準點組，結(jié)合現(xiàn)場周邊環(huán)境，在施工影響區(qū)域兩側(cè)分別外擴3個橋墩的墩身布設(shè)基準點。

全站儀工作基點布設(shè)位置選擇在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，設(shè)點位置應(yīng)能保證工作基點觀測范圍覆蓋該監(jiān)測段全部監(jiān)測點以及對應(yīng)的起算基準點，并應(yīng)滿足基準網(wǎng)網(wǎng)形和精度要求。工作基點的選址還應(yīng)考慮儀器的觀測視線滿足視場要求，以確保日常監(jiān)測精度?；鶞示W(wǎng)是由工作基點與順橋向距離最遠的基準點組構(gòu)成的獨立三維基準網(wǎng)坐標框架，首次基準網(wǎng)測量采用Leica TM50全站儀（±0.5''，±0.6+1.0 ppm）與配套機載多測回測角測距程序，利用導線法獲取基準點的初始三維坐標?；鶞示W(wǎng)平面測量參照《高速鐵路工程測量規(guī)范》二等水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)技術(shù)要求施測。后期日常監(jiān)測采用空間后方交會法，且基準點與監(jiān)測點各觀測1個測回。在施工影響區(qū)域內(nèi)的橋墩上分別布設(shè)1個監(jiān)測棱鏡，監(jiān)測點初始坐標取值采用多個周期的自動

將安裝完成后的全部傾角儀鏈接至數(shù)據(jù)采集模塊，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸實現(xiàn)自動化遠程監(jiān)測。數(shù)據(jù)自動采集單元是聯(lián)系控制主機與傾角儀的紐帶，是實現(xiàn)遠程監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)。該設(shè)備具有可靠性高、溫度穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、測值穩(wěn)定等特點。

1.3 數(shù)據(jù)處理

自動化監(jiān)測系統(tǒng)對自動采集的各類觀測數(shù)據(jù)進行平差處理，利用已建立的數(shù)學模型分析不同環(huán)境狀態(tài)下橋墩結(jié)構(gòu)變形特征[9]，尤其是列車運行中產(chǎn)生震動的影響規(guī)律，剔除異常監(jiān)測數(shù)據(jù)（粗差），進而平差解算獲得最終監(jiān)測成果。

2 數(shù)據(jù)分析

分析本項目在新建道路下穿工程U型槽施工期間（2020年6—10月）自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，最大階段變形量為-0.5 mm（56#），垂直位移百日變形速率最大值為-0.004 mm/d；且期間各測點變化平穩(wěn)，無明顯變形趨勢，鐵路結(jié)構(gòu)整體變形相對穩(wěn)定，說明佳瑩南路下穿京滬線施工對京滬高速鐵路的影響很小。同時，本文對項目影響段特征點位變形曲線圖進行了分析，結(jié)果如圖5所示。

在實施靜力水準自動化監(jiān)測時，項目同時進行了全站儀自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，針對相同的施工階段，選取同期自動化靜力水準儀與全站儀監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析。京滬高鐵56#、57#橋墩的橫橋向垂直位移數(shù)據(jù)對比曲線如圖6所示，可以看出，靜力水準儀與全站儀監(jiān)測的橋墩垂直位移變形趨勢較一致，二者最大差異為0.4 mm，差異標準偏差為0.22 mm，均能符合高鐵橋墩變形監(jiān)測要求。

圖6 特征點位靜力水準儀與全站儀垂直位移監(jiān)測成果對比曲線

由上述數(shù)據(jù)可知，新建道路下穿工程U型槽施工期間，橋墩垂直位移變化量較小，階段最大變化量為-0.6 mm（滬蓉下行#53，下沉）；項目施工期間，監(jiān)測區(qū)段內(nèi)橋墩垂直位移變化量分布均勻，所有垂直位移監(jiān)測數(shù)據(jù)均未達到預警值，監(jiān)測數(shù)據(jù)無顯著波動。

通過分析傾角儀采集的傾斜數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，至施工完成監(jiān)測結(jié)束，監(jiān)測區(qū)段橋墩水平位移（傾斜）數(shù)據(jù)變化較小，均在報警值以內(nèi)，其中順橋向階段最大變化量為-0.5 mm（京滬高鐵#56，沿高鐵線路向東側(cè)位移），橫橋向階段最大變化量為-0.6 mm（滬蓉下行#53，垂直于高鐵線路向南側(cè)位移），期間各測點變化平穩(wěn)，無明顯變形趨勢。特征點位傾斜監(jiān)測成果曲線如圖7所示。

圖7 特征點位傾斜監(jiān)測成果曲線圖

3 結(jié)語

1）佳營南路下穿京滬高鐵等橋孔工程從圍護結(jié)構(gòu)施工至新建道路穿越工程施工結(jié)束，橋墩垂直位移最大變化量為-0.5 mm，水平位移（傾斜）最大變化量為-0.6 mm，各測項變形量均小于報警值，且數(shù)據(jù)變化平緩，無顯著變形趨勢，項目段高架橋墩結(jié)構(gòu)受臨近施工的影響不明顯。同時，靜力水準系統(tǒng)與全站儀同周期的監(jiān)測成果反映的高速鐵路變化趨勢基本一致，均能滿足高速鐵路變形監(jiān)測的精度要求，具有較好的可行性。

2）將靜力水準儀、傾角儀和全站儀進行智能化整合，用于高速鐵路運營期自動化實時監(jiān)測，可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動化采集、傳輸與處理，系統(tǒng)集成度高，數(shù)據(jù)可靠且受外界環(huán)境干擾小，不僅降低了人工成本，而且提高了高速鐵路運營期間的監(jiān)測效率。其主要優(yōu)勢為：①專業(yè)性，人工處理無法確保處理者具備同樣的專業(yè)水平，將在一定程度上影響數(shù)據(jù)的準確度；②時效性，計算機算法根據(jù)設(shè)定的處理范圍和周期進行實時動態(tài)處理，拓展了數(shù)據(jù)處理的廣度。

3）采用多元傳感器進行全時段監(jiān)測，實時處理分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，為鐵路管理單位提供了科學的現(xiàn)場管理與決策依據(jù)，確保涉鐵工程安全順利完工，也為類似工程項目的開展積累了相關(guān)經(jīng)驗。