王立峰

通号（郑州）电气化局有限公司，中国·河南 郑州 450000

1 项目背景

国道234 线郑州境国道310 以南段（荥阳乔楼至崔庙段）改建工程上跨郑西高铁建设地点为郑州荥阳市，起点里程K18+110.973，终点里程K18+618.373，桥梁全长507.4m。重点控制工程为2×75mT 型钢构预应力混凝土转体桥（上跨郑西高铁）。

左幅桥墩基坑边缘与铁路下行线封闭网之间的最小距离为5.26m，与铁路下行线路堑坡顶之间的最小距离为12.27m，与铁路下行线中心的最小距离为24.02m。右幅桥墩基坑边缘与铁路上行线封闭网之间的最小距离为4.68m，与铁路上行线路堑坡顶之间的最小距离为11.41m，与铁路上行线中心的最小距离为21.82m。

为保证转体桥施工全过程对徐兰高铁变形的影响可靠，采用变形自动化监测系统对徐兰高铁进行变形监测。

2 监测主要设备及与既有线关系

变形监测系统设备主要分为两类。第一类为沉降变形自动化监测类设备，第二类为水平变形监测类设备。

2.1 沉降变形自动化监测类设备

主要包括传感器、通液连接设备、供电设备和通信传输设备。

（1）传感器（60 支）：硅压阻式静力水准仪，外包保护罩后，通过后扩底锚栓直接固定在距离轨道板底座1.7m 外的封闭层上。

（2）储液罐（8 台）：为测量元件提供液体压力。通过后扩底锚栓直接固定在距离轨道板底座1.7m 外的封闭层上。

（3）通液连接设备（500m）：为通液管及通气管，外包保温棉和橡胶套管，通过卡子和螺栓固定在距离轨道板1.7m 外的封闭层上。

（4）供电设备（8 块）：设备采用太阳能方式供电。太阳能电池板固定在防护栅栏外。

（5）通信传输设备（8 台）：采用4G 网络方式通信，信号传输模块安装在防护栅栏外的设备箱内。

2.2 水平变形监测类设备

采用自动化全站仪进行监测，主要设备包括自动化全站仪、棱镜、供电设备和传输设备。

（1）自动化全站仪（2 台）：采用天宝S9 型全站仪，安装位置位于排水沟与电缆槽之间的浆砌片石斜坡上，距离轨道板底座2.4m。

（2）棱镜（46 支）：采用天宝trimbleprism-25 型棱镜。棱镜安装在距离轨道板底座边缘0.1～1.7m 范围内的路基封闭层上。

（3）供电设备（4 块）：设备采用太阳能方式供电。太阳能电池板固定在防护栅栏外。

（4）通信设备（2 台）：采用4G 网络方式通信，信号传输模块安装在防护栅栏外的设备箱内，如图1所示。

图1 监测设备安装平面示意图

3 沉降变形自动化监测系统设备安装

3.1 沉降传感器

本项目采用精度高，灵敏度高，线性度好的压力传感器，共60 支，每侧30 支。采用的压力传感器是利用硅的压阻效应制成的，其核心部分是一块沿某晶向切割的N 型的圆形硅膜片，在膜片上利用集成电路工艺方法扩散上四个阻值相等的P 型电阻，用导线将其构成平衡电桥。膜片的四周用圆硅环（硅杯）固定，其下部是与被测系统相连的高压腔，上部一般可与大气连通。在被测压力P 作用下，膜片产生应力和应变，相应的集成电阻也随之变化，通过平衡电桥转化为电压变化信号后，测量电压变化值即可间接测量得到液位变化值，如图2所示。

图2 自动化监测元器件

3.2 通液管及通气管

测点之间采用通气及通液管连接。通液及通气管采用内径8mm，壁厚1mm 的PA 尼龙管，具备较高的强度和耐久性，可以保证监测期间液体不会渗漏和挥发。通液管及通气管采用保温棉包裹后放置在橡胶套管内，固定于路基封闭层上，接触网杆外侧。

为了保护通液管路不被破坏，采用非金属橡胶套管对通液管路进行保护。每1m 橡胶套管采用U 型扣件固定在路肩的混凝土封闭层上，如图3所示。橡胶套管共计500m，每侧250m。由于固定橡胶套管所采用的U 型卡子不是直接承受动力荷载的承重结构，采用M6×70mm 膨胀螺栓固定。

图3 自通液及通气管实物图

3.3 储液罐

储液罐尺寸为Φ160×350mm，采用不锈钢保护壳保护。储液罐设备箱安装在网内，心最不利位置处距离线路中心3.6m，横向上，与接触网杆对应布置，不侵入设备限界。采用4 颗M8×80mm 后扩底锚栓固定于接触网杆边。储液罐采用后扩底锚栓固定。

3.4 太阳能板及设备箱

沉降变形太阳能板及设备箱安装在防护栅栏外侧1m 范围内。太阳电电池板的最高安装高度不大于防护栅栏高度。太阳能电池板尺寸为67cm×47cm，采用φ150mm×3mm 钢管固定。钢管埋深80cm。钢管埋设位置原地面采用现浇混凝土换填，换填深度30cm。设备箱平面尺寸为100cm×50cm，高度为60cm，采用预埋螺栓锚固在换填后的现浇混凝土面上。

4 水平变形自动化监测设备安装

4.1 现场踏勘、放样

根据监测设计方案的测点布置，在现场确定测点和自动化全站仪的安装位置，注意应确保自动化全站仪与测点间相互通视，且小视场角小于9.4′，以免自动化全站仪照错棱镜。确定好位置后，用红漆标记。

4.2 网内施工：全站仪基础施工

自动化全站仪支架采用预制混凝土墩的形式固定在路肩侧的浆砌片石边坡上。首先拆除安装位置处的砌石边坡后，安装Φ300×3mm 钢管，钢管埋深为70cm。安装混凝土基础模板，混凝土基础平面尺寸为50cm×50cm，厚度为70cm，对钢管进行固定。自动化全站仪的安装位置应严格按照设计图纸进行，并逐测点确定通视条件，避免被接触网支柱、橡胶套管等遮挡。全部确认无误后，进行全站仪基础的施工。

4.3 网内作业：全站仪安装、棱镜安装、保护罩安装

混凝土初凝24h 后，在钢管上部固定全站仪连接件，并安装全站仪及保护罩。棱镜的安装固定采用后扩底锚栓固定在路肩的封闭层上，以确保安装牢固，不会脱落和侵限。棱镜支架高度小于10cm，并加保护罩保护。全站仪与棱镜的通视条件的核查应贯穿安装和调试过程始终，在确定全部全站仪和棱镜的位置后，进行一次性统一安装，在全站仪和棱镜安装固定前，应确保全站仪与每个棱镜之间的通视条件，避免打孔固定完成后才发现通视条件不良，增加现场返工工作量，造成废弃螺栓孔，甚至导致天窗时间延点的情况出现。

如图4所示，本项目共设置2 台TrimbleS9 自动化全站仪，全站仪通过现浇混凝土墩固定于路基面电缆槽外侧的浆砌片石斜坡上，距离线路中心4.3m 以上。

图4 水平检测点横断面布置图

如图5所示，水平变形自动化测量采用trimbleprism-25型棱镜。采用1 颗M8⋆80 后扩底锚栓固定在路基面的封闭层上。棱镜布置在轨道底座板边缘与电缆槽边缘之间的范围内，具体安装位置根据现场通视条件确定。距离线路中心线的最小距离为2.0m，未侵入高速车辆限界。棱镜安装完成后，加保护罩保护。

图5 棱镜安装示意图

4.4 网外作业：设备箱、电池板安装

机箱和太阳能电池板均安装在防护栅栏外侧。与沉降监测系统的设备箱及电池板统一安装。

4.5 调试

连接供电、通信模块，开机后首先进行机器学习，以便将棱镜的位置输入到全站仪中，使全站仪可以自动识别各个棱镜。采集三次数据取平均值作为初始值存储到数据库后，开始正常监测。自动化水平变形监测的频率为1 次/小时。

4.6 验收

全部系统安装完成后，由业主组织水平变形监测系统的验收工作。

5 监测周期、频率及预警值

5.1 监测周期及频率

监测系统应在隔离桩施工前完成安装，并采集初始值。工程竣工1 个月，且监测数据已稳定后结束监测，并拆除监测设备。

变形监测频次结合上跨桥施工过程对徐兰高铁的影响风险确定。其中，变形监测频次如表1所示。

表1 施工内容与监测频次

5.2 检测预警值

5.2.1 相关规定

TG/WG115-2012《高速铁路无砟轨道线路维修规则》：WJ-7 型扣件左右位置调整量±6mm，钢轨高低位置调整量+26mm，-4mm。WJ-8 型扣件左右位置调整量±5mm，钢轨高低位置调整量+26mm，-4mm。300-1 型扣件左右位置调整量±8mm，钢轨高低位置调整量+26mm，-4mm。SFC 型扣件左右位置调整量±6mm，钢轨高低位置调整量30mm，如表2所示。

表2 线路静态几何尺寸容许偏差管理值

5.2.2 预警值

监测过程中的预警值分为黄色、橙色、红色三级预警，分别为经常保养值的60%、75%、90%，如表3所示。

表3 线路静态几何尺寸容许偏差管理值

6 监测结果

6.1 郑西高铁下行线沉降监测情况

如图6所示，本次累计沉降量在监控控制指标范围内，没有发生预警。差异沉降量波动范围是在-0.96mm～0.69mm，最大与最小差异沉降量的测点分别为ZX-S-X-14，ZXS-X-1，监测结果小于黄色预警值。

图6 郑西高铁下行线沉降监测情况

6.2 郑西高铁上行线沉降监测情况

如图7所示，本次累计沉降量在监控控制指标范围内，没有发生预警。差异沉降量波动范围是在-1.70mm～0.97mm，最大与最小差异沉降量的测点分别为ZX-S-S-17，ZXS-S-15 监测结果小于黄色预警值。

图7 郑西高铁上行线沉降监测情况

6.3 郑西高铁下行线水平变形监测情况

如图8所示，本次累计沉降量在监控控制指标范围内，没有发生预警。差异沉降量波动范围是在-0.29mm～0.89mm，最大与最小差异沉降量的测点分别为ZX-D-X-11，ZXD-X-9，监测结果小于黄色预警值。

图8 郑西高铁下行线水平变形监测情况

6.4 郑西高铁上行线水平变形监测情况

如图9所示，本次累计沉降量在监控控制指标范围内，没有发生预警。差异沉降量波动范围是在-1.47mm～1.47mm，最大与最小差异沉降量的测点分别为ZX-D-S-15-Y，ZXD-S-19-Y，监测结果小于黄色预警值。

图9 郑西高铁上行线水平变形监测情况

7 结语

本次采用自动化变形监测，通过先进的仪器设备代替传统人工测量，提高了测量精度，减少了观测误差，同时最大限度地减少了对高速铁路运营的二次干扰。本次设计采用的监测系统将各设备元件形成统一整体，使测试数据能相互进行校核，运用系统功效对铁路结构进行立体监测，确保所测数据的准确、及时。同时，在施工过程中进行连续监测采样，确保了水平变形及沉降监测的精确可靠性，为变形监测提供了一种新的监测手段。