张俊彪
（中铁二十四局集团浙江工程有限公司 浙江杭州 310009）
摘 要 铁路是国家交通运输的命脉，目前中国铁路中高铁超过2万公里，居世界第一位。而随着经济的发展，越来越多的工程实施中要邻近或穿越铁路，而铁路(尤其高速铁路)对线路平顺性和稳定性具有较高的要求，超出限差的变形会危及行车安全。对于邻近或穿越铁路工程施工中，由于地质条件、荷载条件、材料性质、施工技术和外部其他因素的复杂影响，实际情况和理论上常常有出入，因施工导致铁路，尤其是高铁位移已出现多起。文章结合杭黄高铁传芳特大桥施工，介绍了紧邻高铁桥梁软弱基础施工自动监测技术，为类似工程施工可提供经验参考。
关键词 环境复杂 高风险 近距离施工 安全监测
中图分类号： 文献标识码 ：
Automatic Monitoring Technology for construction of weak foundation adjacent to high-speed railway bridge
Zhang Junbiao
（China Railway 24th Bureau Group Zhejiang Engineering Co. Ltd. , Hangzhou Zhejiang 310009, China）
Abstract Railway is the lifeblood of national transportation. At present, China has more than 20,000 kilometers of high-speed railway, ranking first in the world. With the development of economy, more and more projects need to be close to or across the railway, and the railway (especially high-speed railway) has higher requirements for the smoothness and stability of the line. In the construction of adjacent or crossing railway projects, there are often differences between the actual situation and the theory due to the complicated influence of geological conditions, loading conditions, material properties, construction technology and other external factors, in particular, the high-speed rail displacement has occurred many times. Based on the construction of Chuanfang Bridge on hangzhou-huangtie high-speed railway, this paper introduces the automatic monitoring technology for the soft foundation construction of the bridge adjacent to the high-speed railway.
Keywords It's a complex environment; High risk; Close construction; Safety Monitoring
1[基金项目：中铁二十四局集团浙江工程有限公司科技计划研发项目[科研（2016）07号]。
作者简介：张俊彪（1984.11-），男，工程师，主要从事建设工程项目施工技术与安全管理工作。] 工程概况
杭黄铁路站前Ⅲ标传芳特大桥位于杭州市萧山区所前镇，分传芳（左线）特大桥和传芳右线特大桥，从杭长铁路左右线接入。
传芳特大桥桥梁全长3.523km，桥梁下部结构采用桩基础+承台+空心/实心墩身形式。其中涉及到邻近杭长高铁营业线施工传芳左右线特大桥共29个桥墩，长度约900m，桩基长度12~34m，墩身高度13.5~33.5m。
2 施工难点
(1)桥梁施工邻近沪昆高铁，影响施工线路长，安全风险高；
(2)距离沪昆高铁非常近，两座特大桥与沪昆高铁净间距小于10米桥墩7个，与最小承台间距分别为2.53m，施工防护压力大；
(3)施工区域地质复杂，此处地质包含流塑状淤泥质黏土，软塑状粉质黏土，流沙土，细圆砾土，极限抗压强度大于167MPa的凝灰岩等，沉降控制难度大；
(4)邻近的沪昆高铁时速350Km/h，24h内变形速率数据控制在2mm以内，控制要求高，传统监测技术难以实现。
3 施工方法简述
传芳特大桥钻孔桩采用旋挖钻机施工；承台基础采用钢板桩防护开挖,就地模筑法施工；墩身采用钢模板,就地模筑法施工；梁体为运、架一体化架设施工。
图1 传芳特大桥与沪昆高铁平面位置图
4 施工监测技术
4.1 传统监测方法
4.1.1 传统位移监测技术
传统的位移监测，大多采用水准仪、全站仪进行测量，以标准沉降观测标为测点，比如围护桩顶沉降监测，观测标预埋在冠梁中，用水准仪测量，但基准点、测点容易被现场施工器械破坏。而且大都以人工测试为主，受现场施工与检测条件、天气条件、时间(白天、夜晚)的影响较大。
4.1.2 静力水准自动化监测技术
静力水准自动化监测技术，受到液体流动速度影响，距离稍远流速会导致数据变化严重滞后，起不到实时预警效果；且仪器会出现数据漂移，稳定性不好；现场安装条件要求高，安装复杂。
4.1.3 全站仪机器人进行自动化监测
全站仪机器人对类似于地铁车站这种小范围、多测点的监测，比较适用，但对长距离监测，其基准点设置困难，成本高。
4.1.4 卫星定位系统进行自动化监测
卫星定位监测系统，受到军用卫星权限控制，精度很难达到精密监测要求；隧道等地下空间、高架桥下等处卫星信号获取困难；受卫星信号影响，瞬时精度不稳定，系统误差解决困难；且卫星定位监测系统成本高，工程上大面积应用存在一定困难[1]。
4.2 智能光电位移自动监测技术
智能光电位移监测技术是将激光光斑成像、互联网数据通信技术融合在一起的位移量测技术，主要针对高速铁路、普通铁路、地铁、隧道、公路、水利、桥梁等土木工程的位移监测。
4.2.1 技术原理
技术原理是其结合互联网技术，以实现工程施工的自动监测系统[2]。该系统具有测试仪器小型化、数据采集自动化、数据传输无线化、数据分析远程化、信息报警及时化、监测数据共享化的要求。
激光光斑成像技术是将激光准直技术、光电成像技术、图像处理技术融合在一起的变形测量技术。它是利用激光的单向性，从一个测点将激光对准另一个测点的成像靶面，经过图像处理的方法找出激光光斑的中心位置，信号处理系统可以通过无线网络将数据发送到服务器，以记录其初始的光斑位置。当测点2相对于测点1发生位移，那么在成像靶面上的激光光斑发生位移，根据两次的测量数据，可以得到两测点的相对位移。在试验室环境下，单个传感器精度可达0.01mm，系统集成精度可达0.1mm。
施工自动监测系统主要包传感器系统及数据处理系统，通过局域网连接。项目现场的局域网由解调仪组成，通过网线和路由器连接；互联网采用3G路由器；远程终端用户可访问解调仪监测数据，数据采集、分析、监测管理通过SR-PDMS-智能光电位移监测系统软件系统实现[3] 。
4.2.2 技术特点
(1)采用一次性布设智能光电位移传感器的形式，能够保证全线监测数据的连续性和统一性，并可完成施工后的持续测量。
(2)配套使用的自动化监测系统，采用物联网技术，实现了数据自动采集、自动传输，数据处理与分析更加及时科学准确，一旦发现超出预警范围的量测数据，系统马上报警，辅助工程技术人员做出正确的决策，及时采取相应的工程措施，整个反应过程几分钟。
(3)测试系统不受时间、天气限制，可以根据需要随时加密测试频次。
(4)自动化监测仪器安装、调试简单、操作简单、成本低、安全可靠。
5 技术系统组成及现场实施
5.1 系统组成
邻近既有铁路工程施工自动监测系统主要包含5个子系统，由低至高依次为：
（1）传感器子系统：主要是硬件传感器，包括智能光电二维位移传感器等；
（2）数据采集和传输子系统：该部分是整个监测系统的核心，包括解调仪和自动化数据采集单元硬件，以及数据采集和传输软件；
（3）数据处理及控制子系统：该部分主要是进行数据的处理和入库；
（4）数据库子系统：用于存储海量监测数据；
（5）监测管理分析子系统：该系统为用户提供一个可视化的界面对监测项目进行数据查询和项目管理，并可以自动预警和生成监测报告；
项目现场的局域网由解调仪组成，通过网线和路由器连接；互联网采用3G路由器；远程终端用户可访问解调仪监测数据。
图2 系统工作示意图
5.1.1 传感器子系统
在自动化监测系统中，最底层的传感器子系统主要包含用于监测高铁桥墩位移的智能光电位移传感器。硬件传感器(智能光电二维位移传感器等)，包括SR-PDSL-V01发射器、SR-PDSR-V01接收器、SR-BDSP-V01双向高精度位移测试滑台、SR-PDMF-V01系统主机。
SR-PDSL-V01激光发射器：采用高亮度进口OSRAM欧司朗532nm激光器，可保证在30米范围内光斑半径不超过6mm。
SR-PDSR-V01激光接收器：采用CMOS图像传感器作为沉降位移测量传感器，CMOS图像传感器为本系统的技术核心，用来识别激光光斑的二维位置，从而测量激光发射器和激光接收器之间的相对位移。系统实现无接触测量，测量精度在不考虑空气等外界因素影响光斑的情况下可达0.1mm测量精度，激光接收器与系统主机采用有线传输，激光接收器与激光发射器可根据实际情况选择有线传输或无线传输两种通讯方式。
SR-BDSP-V01双向高精度位移测试滑台：双向高精度位移测试滑台，实质是一个双向数显的游标卡尺，用于仪器出厂前的参数标定、现场安装时的精度标定。
SR-PDMF-V01系统主机：WIN7操作系统。
5.1.2 数据采集和传输子系统
数据采集和传输子系统主要由无线数据采集仪、3G无线网络模块、供电模块等配件构成。主要实现的功能有：
(1)调试采集，实时查看采集数据及数据传输状态；
(2)数据采集与转发；
(3)系统电池管理、仪器的休眠与唤醒；
(4)无线数据采集仪的采集频率的设置。
5.1.3数据处理与控制子系统
数据处理与控制子系统以服务的形式运行在服务器上。该系统的主要功能是接收数据采集和传输子系统上传的监测数据，并根据项目的配置将数据转化为具体的监测指标存储到数据库中。
5.1.4数据库子系统
数据库子系统的硬件为一台数据库计算机，安装有关系型数据库软件[4]。其功能主要是储存采集系统采集到的海量数据，并供后续数据处理软件进行查询和处理。
5.1.5监测管理分析子系统
监测管理分析子系统是一个采用C-S(客户端-服务器)模式的软件，运行在个人电脑上。该系统分为7个模块，如下表所示。
其中前5个模块面向所有用户，用于监测项目的数据查询和管理，“综合管理”模块面向系统管理员，用于对已有项目、人员、功能的管理。“项目配置”模块面向项目开发者，可以实现将监测数据及时、有效的发送至用户。
5.2 现场实施
5.2.1 现场调查及准备工作
依据监测方案对设备安装现场进行实地调查，得出设备安装允许条件，针对现场实际情况制定详细安装方案，准备所需安装设备材料，并与现场有关业主、施工等单位做好沟通联系工作。
5.2.2 现场设备安装调试
⑴基础安装
目前本系统已实际应用于临近高铁运营线施工项目的监测工作中，监测系统多针对临近高铁桥梁施工监测，设备安装于既有高铁桥梁上，针对高铁桥梁的施工特点，监测系统基座多安装于桥梁人孔处，基座型式可采用现浇混泥土块（25×25×25mm）或结构胶连接基座钢板进行，基座钢板用螺杆、合金支架等固定型材从桥梁人孔处伸入梁内。
⑵传感器架设、接线工作
按照发射器—接收器/发射器—接收器/发射器—接收器的规则，将监测方案规定传感器架设在已安装好的型材上，各数据线接口与传感器接口一对应连接，数据线、外接电源线皆连通于现场系统控制箱，控制箱内各系统模块连接正常，检查无误，接线工作完毕。
⑶现场设备、系统调试
接线工作完毕、检查无误，启动电源，启动控制计算机及控制系统程序，将激光发射器光束照准接收器靶面中心部位。对准工作完成后，将各接收器编码录入控制系统，读取系统监测数据，进行初调试，记录各测点几天监测初始数据，分析并设置各测点位移数据起始值、预警值等系统值，观测系统监测数据显示趋于稳定，完成系统调试工作。
⑷后续监测
监测系统调试完毕、系统稳定后，监测工作进入正常工作，现场监测人员负责仪器设备的日常维护，监控人员可随时远程登录实时监测系统，对各测点的位移情况进行实时跟踪监测，系统自动处理数据反馈给监测人员，监测人员根据数据反馈情况按照既定工作程序对有关各方进行汇报监测情况。
6 实施效果
自动化监测和人工监测的数据对比时间区域为2016年6月15号～1月10号，现在以杭长客专左线36#墩为例，介绍自动化测试与人工测试数据数据对比情况。
左线36#墩水平位移：自动化监测变化范围为-0.31mm～1.31mm；人工监测变化范围为-0.4mm～1.2mm。自动化数据与人工数据对比差值变化范围为-0.09mm～0.11mm。
左线36#墩沉降：自动化监测变化范围为-1.02mm～1.06mm；人工监测变化范围为-1.0mm～1. 0mm。自动化数据与人工数据对比差值变化范围为-0.02mm～0.06mm。
从两者数据来看，变化趋势相近，数据相差亦在规范允许范围内。
7 结束语
智能光电位移传感器监测技术采用一次性布设智能光电位移传感器的形式，配套使用的自动化监测系统，采用物联网技术，实现了数据自动采集、自动传输，数据处理与分析更加及时科学准确[5]，现场在应用过程中最大程度减少了外界因素的干扰，及时、科学、准确的完成了监测工作。
参考文献
[1] 陈雄新. GPS技术进行滑坡监测数据采集及控制探讨[J].科技创新与应用，2014（6）：104.
[2] 王群敏. 光电式双向位移计测试影响因素室内试验研
究[J]. 山西建筑，2017（25）：197.
[3] 田松伟. 静力水准在某基坑沉降监测中的应用及误差
分析 [J].测绘工程 ，2016（11）：45.
[4] 张明聚. 盾构下穿高速铁路高架桥沉降变形控制技术[J].施工技术 ，2014（2）：68.
[5] 刘克颖. 桥梁桩基干法施工技术的探讨[J].科技创新与生产力，2013（4）：145.
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附：作者简介
作者简介表
序号 作者姓名 性别 学 历 职称 现任职务 专业技术领域或研究方向 修改文章的联系方式 接收期刊的收件人联系方式 备注
1 张俊彪 男 毕业学校：东北大学
毕业时间：2020年1月
所学专业：土木工程 工程师 安全总监 施工技术与安全生产管理 姓名：张俊彪
手机：18806525010
邮箱：442317340@qq.com 姓名：靳炳强
手机：15024421221
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