RocMOS变形监测系统在邻近多条高铁桥梁施工中的应用

刘万屹 中国铁路上海局集团有限公司南京桥工段

汪明薇 中国铁路上海局集团有限公司东华地铁公司

随着城镇化建设的不断发展，新建城市道路上跨、下穿或邻近既有高速铁路桥梁的工程不断增加。在此类项目建设过程中，不可避免地邻近高铁桥进行大面积、深基坑开挖作业，在施工荷载的作用下，很容易对既有高铁桥梁下部结构土体产生扰动，破坏土体的初始平衡状态，从而导致既有铁路桥桥墩产生沉降和水平位移。为了确保高铁在施工期间的运营安全，需要对高铁桥墩进行定期甚至加频连续地动态监测，以便及时采取有效措施控制施工对高铁桥梁的影响范围和程度。目前，高铁自动化监测手段如全站仪、静力水准仪、倾斜仪、光纤光栅等发展越来越成熟，这些自动化监测手段的使用逐渐成为邻近高铁施工信息化的发展方向，为风险预测及施工过程的安全总体把控提供有效的参考经验。

本文以南京市佳营南路下穿京沪高铁等桥孔工程监测项目为背景，由于该项目实施期间同时有地铁五号线盾构穿越该路段，故委托了两家监测单位分别使用全站仪及Roc-MOS变形监测系统（数据采集方式为静力水准仪）进行监测，通过比较两种监测手段测出数据的差异，验证该系统在高铁桥梁监测中运用的可靠性，讨论其适用范围及优缺点，为今后高铁桥梁监测提供参考。

1 RocMOS变形监测系统概述

1.1 系统组成

该系统包含以下几个部分：（1）数据采集单元（RT-2000终端，静力水准仪、倾角仪传感器）；（2）数据传输单元（4G无线通讯模块）；（3）数据处理与分析子系统单元（RocMOS监测软件及服务器，roceye浏览器，各类报警系统）；（4）辅助子系统（供电、避雷、综合布线等辅助子系统）。

1.2 系统功能实现及应用

RocMOS变形监测系统高度集成各种功能模块，可应对全部常见的变形监测现场。它通过手机sim卡4G网络模块，兼容GNSS设备并搭载静力水准仪、倾角仪传感器，完成各种数据联合解算分析，以计算机终端、手机客户端等形式为施工单位、设备单位、建设单位提供智慧服务。它能够实现在风险事件条件下，及时通过手机短信、客户端信息等形式为各方提供预警的功能。因此，通过电脑客户端软件远程访问和控制，该系统可完全实现无人值守，它专业的机身设计也可抵抗恶劣环境。系统结构如图1所示。

图1 RocMOS自动化监测系统结构图

2 工程实例运用

2.1 工程概况

佳营南路下穿工程位于南京市秦淮区，道路中心线对应京沪高铁里程约K1027＋444 m。该工程在京沪高铁、沪蓉上、下行联络线、仙宁线高铁桥下方新建U槽结构，该结构同时上跨在建的地铁5号线。

本工程（如图2所示）下穿仙宁铁路秦淮河特大桥27#～28#墩间、沪蓉铁路上行联络线特大桥55＃～56＃墩间（现场踏勘为56＃～57＃墩）、京沪高铁秦淮河特大桥56＃～57＃墩间、沪蓉铁路下行联络线特大桥52＃～53＃墩间。

图2 施工总平面图

本工程的总体施工顺序为降土施工→维护体系施工→U型槽施工→排水体系施工→道路路面施工，整个工程分段进行流水作业。

（1）降土施工：高铁桥下土方降至离铁路高架梁底板高度6 m以上。

（2）维护体系施工：①对高铁桥墩进行安全防护，砼防撞墩防护，搭设钢管临时支撑设施，设置安全防护网、安全警示标志、标牌等措施→②对钻孔桩位置进行拉槽，拉槽高度为1～1.5 m，保证钻孔桩机械净高〉6.0 m→③施打围护排桩及拉森板桩，施工U槽两侧防护排桩、冠梁，养护至设计强度，在拉森板桩与围护排桩之间压密注浆形成止水帷幕。

（3）U型槽施工：①施工桩顶永久混凝土支撑，开挖U槽基坑，土体开挖卸载，应分层对称进行→②按照分层对称开挖要求开挖至第二道临时钢管支撑底，设置第二道临时钢管支撑，再开挖至基坑底部→③现浇U槽底板，设置传力带，达到强度后拆除第二道临时支撑→④现浇U槽边墙→⑤U槽和围护桩间回填。

（4）排水体系施工：①埋设U型槽下的横穿管道→②进行沉井、工作井、接收井施工→③顶管作业→④封堵洞口→⑤U型槽内排水沟施工。

（5）道路路面施工：①道路路基施工→②路面基层施工→③铺筑平侧石及人行道板→④铺沥青路面。

为确保高铁运营及盾构施工安全，盾构在影响区域内（隧道两侧1倍洞径范围内）佳营南路U型槽桩基施工完成后再进行穿越。

2.2 监测点布设及监测内容

沉降基准点位于测区外稳定的区域，直接在基准点上布设静力水准仪，埋设基准点基础墩。

垂直位移监测主要测量高铁结构在竖直方向的位移量，根据位移量变化情况可以判断施工的开挖、填方对高铁桥墩的影响，也能间接反映施工安全和工程质量情况。高铁垂直位移监测主要采用的方法是水准测量，也采用静力水准仪自动化监测及精密三角高程测量等方法。桥墩沉降监测点直接埋设在施工影响范围内的桥墩上，每墩布设2个点。利用钢带加固固定在墩腰两侧，具体布设如图3，共布设36个。

图3 桥墩沉降监测点布置示意图

水平位移监测是测量高铁桥墩在水平方向上的位移量，水平位移一般会在高铁线下挖方或堆土严重的情况下出现，高铁桥梁墩台两侧受力不均匀，就会导致水平位移发生变化，危及高铁安全。桥墩水平位移监测点利用倾角仪布设在桥墩底部地面以上0.5 m～1 m处，每个桥墩布设1个，具体布设如图4，共布设16个。

图4 桥墩水平位移监测点布设示意图

本工程涉及的高铁桥墩监测点分布如图5所示，本文仅讨论U型槽施工对高铁桥墩的影响。

图5 点位布设示意图

2.3 数据采集单元（静力水准仪、倾角仪）介绍

本实例中静力水准仪采用HD-2NJ103-1型，是一种差压式的传感器，由储液器、高精度感应器、处理模块、保护罩等部件组成。利用各个监测点之间的压力值的变化计算出沉降量，传感器体积小、量程大，在其量程之内，静力水准仪可以随着地面走势安装而不需要调平。

倾角仪选用HD-3NQ128型双轴倾角计，采用微机电生产工艺倾角单元，体积小、功耗低、一致性和稳定性很高，是数字型倾角传感器，工作温度达到工业级别-40℃～+85℃。

2.4 变形监测管理系统的应用

变形监测管理系统运用RocMOS监测软件搭载各种硬件，通过各类通讯方式实现数据处理、传输、报警等智能化服务。

RocMOS监测软件的特点：（1）可单窗口多项目、多设备管理，兼容主流测量机器人，可接入多环境与岩土传感器；（2）单测站、多测站、多设备组网监测，复杂区域监测也可以轻松实现；（3）集成监测网精度分析功能，提高组网精度的利器；（4）自适应拟稳技术，多种网平差方式和模型自动选择，确保亚毫米级测量精度；（5）单纯网络通讯，有效解决串口与网络多次转换带来的系统故障；（6）网络或服务器故障数据采集和同步，监测数据冗余存储，永不丢失；（7）集成远程电源管理功能，对异常设备冷启动，可解决设备导致的系统故障；（8）多种、多级报警设置，支持短信、电话语音、电子邮件、微信、手机APP报警（图6）。

图6 软件主界面

3 监测数据分析

3.1 数据查询

登录RocMOS变形监测系统可实时更新并显示所监测桥墩在每一时段的沉降位移数据，通过数据的变化趋势图可反映现场施工对高铁桥墩的影响，为铁路管理部门监管提供风险预警和趋势判断;铁路监管部门也可利用监测数据，更好地把控高铁营业线施工的工程质量，避免影响高铁运营安全的事故发生（图7）。

图7 RocMOS数据平台电脑客户端软件

3.2 数据分析

图8～图10分别为2020年7月2日～7月19日RocMOS变形监测系统及同一施工阶段全站仪测量京沪高铁56#、57#桥墩的横桥向、顺桥向水平位移及沉降数据对比。

从图8可看出，京沪高铁桥墩56#、57#横向位移观测数据分别在7月12日、7月7日差异最大，为0.4 mm和0.3 mm，监测时间段整体测量数据及趋势趋同，差异幅度不大。

图8 京沪高铁56#、57#桥墩横桥向水平位移

从图9可看出，京沪高铁桥墩56#、57#顺桥位移观测数据分别在7月8日、7月4日差异最大，为0.5 mm和0.4 mm，监测时间段整体测量数据及趋势趋同，差异幅度不大。

图9 京沪高铁56#、57#桥墩顺桥向水平位移

从图10可看出，京沪高铁56#桥墩两静力水准沉降数据基本吻合，同期数据对比小于0.1 mm,相对于全站仪测量数据，差距最大在7月15日、7月17日，为0.4 mm，三条数据曲线在监测时间段整体测量数据及趋势趋同。京沪高铁57#桥墩两静力水准沉降数据基本吻合，7月8日-11日数据完全相同，并且同期数据对比小于0.2 mm,相对于全站仪测量数据，差距最大在7月9日，为0.6 mm，三条数据曲线在监测时间段整体测量数据及趋势趋同，差异幅度不大。

图10 京沪高铁56#、57#桥墩桥墩沉降量

3.3 数据评估

通过以上监测数据对比分析，可看出两种监测方法测量结果趋势基本吻合。但是由于采用全站仪测量的数据有人为因素误差，且列车通过时会对静力水准仪、倾角仪瞬时读数的准确性产生影响，从而数据在某些时间离散波动比较大，但整体说明RocMOS变形监测系统检测数据具有高度有效性和可靠性。

3.4 特点对比

基于邻近高铁桥梁施工不同监测手段的运用，现将Roc-MOS变形监测系统与传统全站仪人工测量特点对比见表1。

表1 RocMOS变形监测与全站仪人工测量特点对比

4 结论

本文以南京市佳营南路下穿京沪高铁等多条高铁桥梁施工为研究背景，基于RocMOS变形监测系统在U槽、盾构施工中的运用，对既有高铁桥墩沉降变形进行了数据采集和分析，获得了桥墩沉降位移的发展规律。该系统不但可及时、有效、快速收集施工过程中的各项监测数据，反映施工中对高铁设备的安全影响，还能为高铁施工智能化、高效化的提供具体的工程实例，具有重要的应用价值和现实意义。