寧波南站上跨深基坑鐵路便橋靜態(tài)監(jiān)測技術(shù)*

魯四平，彭儀普，康日兆，李 林

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075;2.中鐵十七局集團，山西 太原 030006)

寧波南站改建工程中，新建國鐵站房基坑分為5區(qū)，基坑總面積為28000 m2，其中I－1區(qū)南北結(jié)構(gòu)長為245.25 m，集散廳結(jié)構(gòu)寬為75 m，站房基坑開挖長度為278 m，寬123.5 m，深度約9 m，地下第2和3層為地鐵2號線，最大深度為24 m，該基坑設(shè)3道鋼筋砼支撐。站房與地鐵聯(lián)合基坑土方量約35 m2。為保證既有線路暢通，基坑施工期間，采用雙線臨時鐵路便橋通行，臨時鐵路便橋全長133.6 m，寬12.9 m，格構(gòu)柱91 根，C40 鋼筋砼梁板連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)，開挖分6層并逐層安裝28a槽鋼剪刀撐，格構(gòu)柱間設(shè)3道鋼筋砼圈梁。該項目于2011年3月列車擺渡到臨時鐵路便橋上開始實施，2011年12月5日臨時鐵路便橋下第1層土方開始開挖，2012年1月6日便橋下第1層土方開挖結(jié)束;2012年3月4日便橋下第2層土方開始開挖，2012年3月22日便橋下第2層土方開挖結(jié)束;2012年4月16日便橋下第3層土方開始開挖，2012年5月2日便橋下第3層土方開挖結(jié)束。開挖結(jié)束后，每層隨即施工剪刀撐和格構(gòu)間鋼筋砼圈梁。為確保寧波南站深基坑的施工質(zhì)量和臨時鐵路便橋運營安全，驗證便橋和基坑設(shè)計所采取的各種假設(shè)和參數(shù)的正確性，指導(dǎo)基坑開挖、便橋支撐及支護結(jié)構(gòu)的施工，實現(xiàn)動態(tài)設(shè)計和信息化技術(shù)管理，中南大學(xué)承擔了該新型臨時鐵路便橋的施工監(jiān)測技術(shù)工作。本文擬對該橋梁靜態(tài)監(jiān)測情況進行技術(shù)總結(jié)、分析和研究，希望對今后類似工程的監(jiān)測實施有所借鑒。

1 監(jiān)測內(nèi)容和目的

監(jiān)測目的:(1)確保基坑施工期間，臨時鐵路便橋的健康狀態(tài)和正常通行能力，保證運營線路安全;(2)驗證臨時鐵路便橋承重結(jié)構(gòu)設(shè)計，指導(dǎo)基坑開挖和支護結(jié)構(gòu)的施工。具體監(jiān)測內(nèi)容和頻率如下。

(1)鐵路便橋的三維(水平位移、沉降)監(jiān)測。臨時鐵路便橋變形監(jiān)測的核心內(nèi)容是對橋梁上各重要點的空間位置變化進行精密觀測，通過觀測布設(shè)在橋梁上關(guān)鍵部位上觀測點的三維坐標在一定時期內(nèi)變化來實現(xiàn)，三維坐標變化包括水平位移和沉降。

(2)鐵路便橋梁板的應(yīng)力監(jiān)測。在臨時鐵路便橋主梁支座和主梁跨中位置布置鋼筋正應(yīng)力測點，以監(jiān)測在鐵路運營和基坑開挖施工過程中這些截面的應(yīng)力變化與應(yīng)力分布情況，評估橋梁結(jié)構(gòu)的可靠度。

(3)監(jiān)測頻率。①橋面隆沉:10 mm，2 mm/d;橋面水平位移(X向):10 mm，1 mm/d;橋面水平位移(Y向):10 mm，1 mm/d。②橋面相鄰測點差異隆沉:5 mm，1 mm/d;橋面相鄰測點差異水平位移(X向):3 mm，1 mm/d。③鋼筋應(yīng)力200 N/m2。④橋面隆沉每天至少1次，橋面位移每12 h 1次，鋼筋應(yīng)力每天1次，特殊情況另定。

2 技術(shù)方案

2.1 三維監(jiān)測控制網(wǎng)

概念:基準點指遠離施工鐵路便橋(施工場地)，且本身穩(wěn)定用于檢核和觀測工作基點穩(wěn)定性的點;工作基點指基本穩(wěn)定，且靠近基坑，用于測量變形點的位置或沉降變化的點(工作基點一般埋設(shè)帶強制對中的觀測墩);監(jiān)測點指埋設(shè)在變形體上反映監(jiān)測對象變形的點。根據(jù)現(xiàn)場條件，鐵路便橋三維(水平沉降位移)監(jiān)測采用由基準點監(jiān)測工作基點、再由工作基點監(jiān)測變形點的兩級觀測層次。

兩級水平位移監(jiān)測均采用邊角網(wǎng)方案。根據(jù)模擬設(shè)計，觀測以精密光電測距為主，方向觀測為輔?；鶞示W(wǎng)觀測技術(shù)要求:光電測距中誤差不大于±1.0 mm;方向觀測中誤差不大于 ±2.0″。為提高初始值的可靠性，首次觀測(零周期)的觀測量加倍。

為便于分解水平變形量，平面坐標采用獨立坐標系，坐標軸與便橋橋梁中線平行，X軸向東為正，Y軸向北為正。高程采用獨立高程系。

基準網(wǎng)由3個基準點和5個工作基點構(gòu)成(圖1)。基準點選擇在遠離基坑的穩(wěn)定位置，測量標志采用固定微型棱鏡。基準網(wǎng)采用LeicaTCA全站儀觀測角度和距離各四測回，經(jīng)嚴密平差后，方向觀測中誤差為 ±1.8″，光電測距中誤差為 ±0.8 mm，最大點位誤差為 ±0.4 mm;最大點間誤差 ±0.3 mm，滿足測量精度要求?；鶞示W(wǎng)點高程采用Trimble數(shù)字水準儀DINI03(±0.3 mm/km)施測。

圖1 三維變形控制網(wǎng)布置示意圖Fig.1 3D deformation control network layout diagram

便橋北側(cè)和南側(cè)各布設(shè)2個工作基點(便橋北側(cè)C和D，便橋南側(cè)A和B)，選擇在便橋東西側(cè)橋臺的較穩(wěn)定位置處，采用強制對中砼固定觀測墩，見圖2;安裝精密型不銹鋼強制對中盤，見圖3。軸套和插軸公差小于0.1 mm。

2.2 鐵路便橋的三維(水平位移、沉降)監(jiān)測

根據(jù)現(xiàn)場條件，在4個工作基點(橋臺處A，B，C和D，如圖4所示)架設(shè)Leica TCA1201+精密全站儀，對鐵路便橋南側(cè)(S1～S25)和北側(cè)(N1～N25)的變形點進行三維監(jiān)測。變形點安裝采用角鋼用膨脹螺栓強制固定在橋梁兩側(cè)格構(gòu)柱的位置，精密小棱鏡始終強制固定在角鋼上，保證橋梁與小棱鏡同步變形，變形監(jiān)測點布置如圖5所示。

為了保證觀測精度，將監(jiān)測區(qū)域劃分為2個區(qū):便橋北側(cè)、便橋南側(cè)(圖4)，并采用統(tǒng)一監(jiān)測基準和觀測方法。便橋南側(cè)和北側(cè)以S13和N13分界，南側(cè)即在工作基點A架設(shè)全站儀，后視工作基點B，監(jiān)測三維變形點S1～S13，然后在工作基點B架設(shè)全站儀，后視工作基點A，監(jiān)測三維變形點S14～S25;北側(cè)即在工作基點D架設(shè)全站儀，后視工作基點C，監(jiān)測三維變形點N1～N13，然后在工作基點C架設(shè)全站儀，后視工作基點D，監(jiān)測三維變形點N14～N25。從而保證監(jiān)測的距離在橋梁全長的一半內(nèi)(即133.6/2)內(nèi)，大幅減小測量誤差，保證測量的精度。在4個工作基點(橋臺處A，B，C和D)旁灌注樁上用測量杯托布置4個沉降測量工作基點，如圖6所示，保證高程的精確傳遞。

圖2 固定觀測墩(工作基點)Fig.2 Fixed observation pier(working base point)

圖3 強制對中盤Fig.3 Forced to set disc

圖4 三維變形監(jiān)測點平面布置圖Fig.4 3D deformation monitoring points layout

Leica TCA 1201+全站儀(標稱精度:測角±1.0″，測距±1 mm+1PPm)，由于采用強制對中和監(jiān)測棱鏡固定方案，這樣橋梁橫向(垂直于橋軸線方向)和高程誤差主要由測角誤差引起，橋梁縱向誤差(平行于橋軸線方向)主要由測距誤差引起。精度估算如下:

其中:mmax橫和mmax豎為橋梁橫向和橋梁豎向最大中誤差。橋梁縱向方向(即橋梁長度方向)最大中誤差為全站儀的最小測距誤差±1 mm。

2.3 鐵路便橋梁板的應(yīng)力監(jiān)測

根據(jù)對多種應(yīng)力測試儀器的性能比較，考慮要適合長期觀測并能保證足夠的精度，選用長沙金碼高科生產(chǎn)的鋼弦式應(yīng)變計(埋入式)和配套的頻率接收儀作為應(yīng)力觀測儀器。該應(yīng)變計的溫度誤差小、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強，適合于應(yīng)力長期觀測。四芯屏蔽導(dǎo)線連接至橋端安全位置監(jiān)測。四芯屏蔽導(dǎo)線連接至橋端安全位置監(jiān)測。應(yīng)力監(jiān)測點在便橋上具體位置如圖7所示。

圖5 三維變形監(jiān)測點現(xiàn)場布置圖Fig.5 3D deformation monitoring site layout

圖6 沉降測量工作基點現(xiàn)場布置Fig.6 Settlement measurement base point site layout

圖7 便橋應(yīng)力現(xiàn)場監(jiān)測Fig.7 Temporary bridge stress monitoring

3 數(shù)據(jù)分析

臨時鐵路便橋下土方共分3次開挖，每一層開挖后，施工剪刀撐和澆筑格構(gòu)間鋼筋砼圈梁，各層土方開挖過程中，監(jiān)測情況分析如下。

(1)便橋下第1層土方開挖期間，便橋北側(cè)長度縮短11.7 mm，便橋南側(cè)長度縮短11.6 mm，造成便橋東西側(cè)方向向便橋中間縱向變形，變形最大為東西側(cè)橋臺位置5～6 mm，趨勢向便橋中間方向遞減，便橋中間縱向基本不變。

便橋下第2層土方開挖期間，受溫度影響，便橋北側(cè)長度伸長9.8 mm，便橋南側(cè)長度伸長10.2 mm，抵消了便橋下第1層土方開挖期間長度縮短現(xiàn)象。變形最大為南側(cè)中間位置(S13)，向東偏移3 mm左右。

便橋下第3層土方開挖期間，便橋東西向(長度)變形較小，整體變形最大在±(2～3)mm范圍內(nèi)。

(2)便橋下第1層土方開挖期間，便橋南北測(橫向)向北位移，呈弓形中間最大為 －1.8 mm(S14)，幅度南側(cè)大于北側(cè)(北側(cè)最大約－1.0 mm)。

便橋下第2層土方開挖期間，便橋南北側(cè)(橫向)基本穩(wěn)定，日常沒有大的變形，目前，橫向為向北位移，呈弓形中間最大－2.3 mm(N17)，幅度南側(cè)與北側(cè)基本相同(南側(cè)最大約－2.0 mm，S14)。

便橋下第3層土方開挖期間，便橋南北側(cè)(橫向)基本穩(wěn)定，日常沒有大的變形，目前，橫向為向北位移，呈弓形中間最大為－2.4 mm(S14)，幅度南側(cè)與北側(cè)基本相同(北側(cè)最大約 －1.9 mm，N20)。

(3)便橋下第1層土方開挖期間，便橋南北測(高程方向呈隆起趨勢)，基本呈弓形中間最大為－5.0 mm(S10)，幅度南側(cè)大于北側(cè)(北側(cè)最大約為 －1.8 mm)。

便橋下第2層土方開挖期間，便橋南北測(高程方向呈隆起趨勢)，基本呈弓形中間最大為－9.0 mm(N16)，幅度南側(cè)與北側(cè)基本相同(南側(cè)最大約 －8.6 mm，S11)。

便橋下第3層土方開挖期間，便橋南北測(高程方向呈隆起趨勢)，基本呈弓形中間最大－18.6 mm(S11)，幅度南側(cè)大于北側(cè)(南側(cè)最大約－14.1 mm，N17)。高程采用獨立高程系。

(4)鋼筋應(yīng)力以便橋2011年3月通車前，清零為初始值，所測量的數(shù)據(jù)為鋼筋應(yīng)變儀測量原始值，未考慮鋼筋混凝土收縮徐變和溫度影響;便橋下第1，2和3層土方開挖后，鋼筋應(yīng)力每層變化約±20 MPa。(鋼筋應(yīng)力報警值±200 MPa)。應(yīng)力變形較平穩(wěn)。

圖8 第1層土方開挖期間，北側(cè)中間點N11的時間－位移曲線Fig.8 The first layer of earth excavation period，time displacement curve of N11

圖9 第2層土方開挖期間，南側(cè)中間點S14的時間－位移曲線Fig.9 The second layer of earth excavation period，time displacement curve of S14

圖10 第3層土方開挖期間，南側(cè)中間點S13的時間－位移曲線Fig.10 The third layer of earth excavation period，time displacement curve of S14

圖11 第2層土方開挖期間，便橋中間應(yīng)力監(jiān)測點的時間－位移曲線Fig.11 The second layer of earth excavation period，time displacement curve of stress monitoring

(5)便橋三維監(jiān)測和應(yīng)力監(jiān)測點隨時間變形曲線見圖11～14。其中X方向為順橋向，向東變形為負，向西變形為正;Y方向為橫橋向，向北變形為負，向南變形為正;H方向為高程方向，隆起為負，下沉為正。

4 結(jié)論

(1)寧波南站上跨深基坑鐵路便橋結(jié)構(gòu)形式為國內(nèi)首創(chuàng)。其臨時鐵路便橋為3.8～6 m共24跨不等跨現(xiàn)澆鋼筋混凝土連續(xù)板橋，全長133.6 m，橋?qū)?2.9 m，采用角鋼格構(gòu)柱作為臨時鐵路便橋的支撐，在目前鐵路工程中暫無先例，且該便橋位于寧波車站的繁忙干線，在便橋下深基坑開挖的同時，須保證沿海鐵路列車絕對安全平穩(wěn)地通行，安全監(jiān)測至關(guān)重要。

(2)本文依據(jù)該工程的現(xiàn)場實際、結(jié)構(gòu)的特點和設(shè)計的要求，制定了橋梁靜態(tài)監(jiān)測的具體實施方案、數(shù)據(jù)分析與處理模式，對該橋梁變形的規(guī)律進行了分析研究，為深基坑安全和信息化施工提供了指導(dǎo)，保障了鐵路便橋上列車安全運營。對今后類似的橋梁施工監(jiān)測有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

［1］彭儀普，許 曦，楊文雅.客運專線無碴軌道精密定軌測量技術(shù)研究［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2007，4(6):78－82.PENG Yi-pu，XU Xi，YANG Wen-ya.Precisely survey for ballastless track in the passenger dedicated railway line［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2007，4(6):78－82.

［2］彭儀普，應(yīng)力軍，曾群峰.客運專線無砟軌道德國幾何尺寸驗收標準的測量誤差分析［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2008，5(6):48 －52.PENG Yi-pu，YING Li-jun，ZENG Qun-feng.Analysis of survey error for acceptance standards of passenger dedicated line in German［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2008，5(6):48 －52.

［3］高速鐵路工程測量規(guī)范［M］.北京:中國鐵道出版社，2009.The regulation for engineering surveying of High－Speed Railway［M］.Beijing:China Railway Press，2009.

［4］李志俊，彭儀普.客運專線CPⅢ測量有關(guān)技術(shù)分析［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2011，8(2):123 －128.LI Zhi-jun，PENG Yi-pu.Technical analysis of the CPⅢsurveying to the passenger dedicated railway line［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2011，8(2):123－128.

［5］卓健成.工程控制測量建網(wǎng)理論［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，1996.ZUO Jian-cheng.Building net theoey of engineering control surveying［M］.Chengdu:Southwest Jiaotong Univer-sity Press，1996.

［5］Ashkenazi V，Roberts G W.Experimental monitoring of the humber bridge using一 GPS［J］.Proceedings of the Institution of Civil Engineers Civil Engineering，1997，120(4):177－182.

［6］Aktan A，Emin Catbas F，Neeati，Grimmelsman Kirk A.Pervizpour Mesut.Development of a model health monitoring guide for major bridges［R］.Drexel Intelligent Infrastructure and Transportation Safety Institute，2003.

［7］劉成龍.三點極坐標后方交會原理及其精度估算［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，1995，30(3):251 －256.LIU Cheng-long.The principle of three points polar coordinate resection and its precision estimate［J］.Journal of Southwest Jiaotong University，1995，30(3):251 －256.

［8］朱寶訓(xùn)，劉成龍，楊天宇.后方交會方法及其精度評定問題的研究［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報，2004，12(3):26－29.ZHU Bao-xun，LIU Cheng-long，YANG Tian-yu.Resection method and its precision evaluation［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2004，12(3):26 －29.

［9］董學(xué)智，李 勝，李愛民.變形監(jiān)測技術(shù)在橋梁監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.測繪，2002，35(1):13 －15.DONG Xue-zhi，LI Sheng，LI Ai-min，Deformation monitoring on the application of bridge monitor［J］.Journal of Survey and Maping，2002，35(1):13 －15.

［10］池秀文，趙 旭，吳 浩，等.橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)的三維GIS平臺關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2011，33(4):99 －103.CHI Xiu-wen，ZHAO Xu，WU Hao，et al.The key techniques research on bridge monitoring data based 3D GIS platform［J］.Journal of Wuhan University of Technology，2011，33(4):99 －103.