RocMOS變形監測系統在鄰近多條高鐵橋梁施工中的應用

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

隨著城鎮化建設的不斷發展，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，在施工荷載的作用下，很容易對既有高鐵橋梁下部結構土體產生擾動，破壞土體的初始平衡狀態，從而導致既有鐵路橋橋墩產生沉降和水平位移。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地動態監測，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，高鐵自動化監測手段如全站儀、靜力水準儀、傾斜儀、光纖光柵等發展越來越成熟，這些自動化監測手段的使用逐漸成為鄰近高鐵施工信息化的發展方向，為風險預測及施工過程的安全總體把控提供有效的參考經驗。

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

1 RocMOS變形監測系統概述

1.1 系統組成

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

1.2 系統功能實現及應用

RocMOS變形監測系統高度集成各種功能模塊，可應對全部常見的變形監測現場。它通過手機sim卡4G網絡模塊，兼容GNSS設備并搭載靜力水準儀、傾角儀傳感器，完成各種數據聯合解算分析，以計算機終端、手機客戶端等形式為施工單位、設備單位、建設單位提供智慧服務。它能夠實現在風險事件條件下，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，該系統可完全實現無人值守，它專業的機身設計也可抵抗惡劣環境。系統結構如圖1所示。

圖1 RocMOS自動化監測系統結構圖

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，道路中心線對應京滬高鐵里程約K1027＋444 m。該工程在京滬高鐵、滬蓉上、下行聯絡線、仙寧線高鐵橋下方新建U槽結構，該結構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、滬蓉鐵路上行聯絡線特大橋55?！?6＃墩間（現場踏勘為56?！?7＃墩）、京滬高鐵秦淮河特大橋56?！?7＃墩間、滬蓉鐵路下行聯絡線特大橋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。

（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，搭設鋼管臨時支撐設施，設置安全防護網、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槽兩側防護排樁、冠梁，養護至設計強度，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，設置第二道臨時鋼管支撐，再開挖至基坑底部→③現澆U槽底板，設置傳力帶，達到強度后拆除第二道臨時支撐→④現澆U槽邊墻→⑤U槽和圍護樁間回填。

（4）排水體系施工：①埋設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→④封堵洞口→⑤U型槽內排水溝施工。

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

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

2.2 監測點布設及監測內容

沉降基準點位于測區外穩定的區域，直接在基準點上布設靜力水準儀，埋設基準點基礎墩。

垂直位移監測主要測量高鐵結構在豎直方向的位移量，根據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量情況。高鐵垂直位移監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測及精密三角高程測量等方法。橋墩沉降監測點直接埋設在施工影響范圍內的橋墩上，每墩布設2個點。利用鋼帶加固固定在墩腰兩側，具體布設如圖3，共布設36個。

圖3 橋墩沉降監測點布置示意圖

水平位移監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，高鐵橋梁墩臺兩側受力不均勻，就會導致水平位移發生變化，危及高鐵安全。橋墩水平位移監測點利用傾角儀布設在橋墩底部地面以上0.5 m～1 m處，每個橋墩布設1個，具體布設如圖4，共布設16個。

圖4 橋墩水平位移監測點布設示意圖

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

圖5 點位布設示意圖

2.3 數據采集單元（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、高精度感應器、處理模塊、保護罩等部件組成。利用各個監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，靜力水準儀可以隨著地面走勢安裝而不需要調平。

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

2.4 變形監測管理系統的應用

變形監測管理系統運用RocMOS監測軟件搭載各種硬件，通過各類通訊方式實現數據處理、傳輸、報警等智能化服務。

RocMOS監測軟件的特點：（1）可單窗口多項目、多設備管理，兼容主流測量機器人，可接入多環境與巖土傳感器；（2）單測站、多測站、多設備組網監測，復雜區域監測也可以輕松實現；（3）集成監測網精度分析功能，提高組網精度的利器；（4）自適應擬穩技術，多種網平差方式和模型自動選擇，確保亞毫米級測量精度；（5）單純網絡通訊，有效解決串口與網絡多次轉換帶來的系統故障；（6）網絡或服務器故障數據采集和同步，監測數據冗余存儲，永不丟失；（7）集成遠程電源管理功能，對異常設備冷啟動，可解決設備導致的系統故障；（8）多種、多級報警設置，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 監測數據分析

3.1 數據查詢

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

圖7 RocMOS數據平臺電腦客戶端軟件

3.2 數據分析

圖8～圖10分別為2020年7月2日～7月19日RocMOS變形監測系統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據對比。

從圖8可看出，京滬高鐵橋墩56#、57#橫向位移觀測數據分別在7月12日、7月7日差異最大，為0.4 mm和0.3 mm，監測時間段整體測量數據及趨勢趨同，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#順橋位移觀測數據分別在7月8日、7月4日差異最大，為0.5 mm和0.4 mm，監測時間段整體測量數據及趨勢趨同，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據基本吻合，同期數據對比小于0.1 mm,相對于全站儀測量數據，差距最大在7月15日、7月17日，為0.4 mm，三條數據曲線在監測時間段整體測量數據及趨勢趨同。京滬高鐵57#橋墩兩靜力水準沉降數據基本吻合，7月8日-11日數據完全相同，并且同期數據對比小于0.2 mm,相對于全站儀測量數據，差距最大在7月9日，為0.6 mm，三條數據曲線在監測時間段整體測量數據及趨勢趨同，差異幅度不大。

圖10 京滬高鐵56#、57#橋墩橋墩沉降量

3.3 數據評估

通過以上監測數據對比分析，可看出兩種監測方法測量結果趨勢基本吻合。但是由于采用全站儀測量的數據有人為因素誤差，且列車通過時會對靜力水準儀、傾角儀瞬時讀數的準確性產生影響，從而數據在某些時間離散波動比較大，但整體說明RocMOS變形監測系統檢測數據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測手段的運用，現將Roc-MOS變形監測系統與傳統全站儀人工測量特點對比見表1。

表1 RocMOS變形監測與全站儀人工測量特點對比

4 結論

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變形監測系統在U槽、盾構施工中的運用，對既有高鐵橋墩沉降變形進行了數據采集和分析，獲得了橋墩沉降位移的發展規律。該系統不但可及時、有效、快速收集施工過程中的各項監測數據，反映施工中對高鐵設備的安全影響，還能為高鐵施工智能化、高效化的提供具體的工程實例，具有重要的應用價值和現實意義。