自動(dòng)化監(jiān)測在高鐵橋墩糾偏施工中的應(yīng)用

鄭勇波

(1.上海京海工程技術(shù)有限公司，上海 200125； 2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092)

1 引 言

高架橋是高鐵工程中最常用的一種結(jié)構(gòu)形式。高鐵線路往往位于城郊或農(nóng)村，無法進(jìn)行全天候管理，即使封閉，影響范圍內(nèi)仍經(jīng)常出現(xiàn)違法土堆載或卸載現(xiàn)象，從而導(dǎo)致高架橋橋墩產(chǎn)生較大側(cè)向位移。因高鐵列車對軌道的定位精度要求很高，位移量超出一定范圍，對應(yīng)線路即會降速運(yùn)行甚至停運(yùn)。

某段高鐵高架橋由于受到堆土和右側(cè)新開河道的影響，導(dǎo)致橋墩發(fā)生側(cè)向位移。為把橋墩反向糾偏至原位置，需在開挖河流的一側(cè)設(shè)置高壓旋噴樁，利用旋噴樁的噴射壓力對土體的擠壓作用帶動(dòng)橋梁基礎(chǔ)偏移，以達(dá)到橋梁結(jié)構(gòu)的整體糾偏作用。

高鐵橋墩糾偏施工只能在凌晨運(yùn)營天窗時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行，而且土體擠壓作用存在一定的滯后效應(yīng)，為準(zhǔn)確控制橋墩和梁體糾偏量和實(shí)時(shí)了解其最終變形狀態(tài)，需對橋墩和梁體進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測。目的在于把施工引起的結(jié)構(gòu)變形動(dòng)態(tài)信息及時(shí)反饋給施工單位，使之能夠在現(xiàn)場及時(shí)調(diào)整糾偏施工推進(jìn)速率，優(yōu)化和改進(jìn)施工方法，確保高鐵高架橋結(jié)構(gòu)的安全。

2 工程概況

本段高鐵高架橋含5個(gè)橋墩，上部結(jié)構(gòu)為簡支箱梁，橋墩高約 21.0 m～23.0 m，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁長約 67.5 m～70.5 m。工程區(qū)域位于上海市松江區(qū)，屬于濱海平原地區(qū)，地形平坦，地面高程一般為 1.5 m～3.0 m，沿線基本為農(nóng)田、村舍。區(qū)域內(nèi)土層為典型的上海深厚軟土層，主要有①1人工填土層、②2黏土層、③1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、④淤泥質(zhì)黏土層、⑤1黏土層、⑥1黏土層、⑥2粉質(zhì)黏土層、⑦1粉土層及⑦2粉細(xì)砂層。地下水因大氣降水及地表水的補(bǔ)給，水量較豐富，埋深一般為 0.2 m～1.5 m。工程所處區(qū)域地震動(dòng)峰值加速度為 0.1 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜的特征周期為 0.35 s。

線路偏移量一覽表 表1

圖1 自動(dòng)化監(jiān)測與施工工況關(guān)系

根據(jù)5個(gè)橋墩對應(yīng)的高鐵線路運(yùn)營期變形數(shù)據(jù)，并考慮線路扣件調(diào)整量，線路橫向偏差情況如表1所示，偏移量以垂直線路方向?yàn)橹?。主要施工工序如下：施工?yīng)力釋放孔→施工鋼板樁→施工旋噴樁→施工掏土孔→施工變形槽，每個(gè)工況完成即根據(jù)自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行糾偏效果評估，并及時(shí)調(diào)整施工工藝。自動(dòng)化監(jiān)測與施工工況的具體關(guān)系如圖1所示。

3 監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 數(shù)據(jù)采集

本次監(jiān)測采用獨(dú)立平面坐標(biāo)系統(tǒng)，以沿高鐵線路方向?yàn)閄軸，與線路垂直方向?yàn)閅軸。平面坐標(biāo)系統(tǒng)實(shí)際建立時(shí)，先假定起始方位角，建立一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，然后在CAD圖中將坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)至監(jiān)測用獨(dú)立平面坐標(biāo)系統(tǒng)，再根據(jù)旋轉(zhuǎn)的角度調(diào)整起始方位角，從而建立滿足定向要求的平面坐標(biāo)系。監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)采用邊角網(wǎng)的形式建立，包括1個(gè)工作站及3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。工作站選擇施工區(qū)域外相對穩(wěn)定、方便使用的位置，并同時(shí)與監(jiān)測點(diǎn)通視?；鶞?zhǔn)點(diǎn)布設(shè)在軌道交通線路兩側(cè)，遠(yuǎn)離施工區(qū)域，采用強(qiáng)制觀測墩結(jié)合觀測標(biāo)架的方式布設(shè)，使其與基準(zhǔn)點(diǎn)近似成等邊三角形。采用徠卡測量機(jī)器人TM30進(jìn)行觀測，觀測時(shí)，儀器架設(shè)在工作站上，監(jiān)測期間不許搬動(dòng)，工作房24小時(shí)派人值守。工作站及儀器布置示意圖如圖2所示。

圖2 工作站及儀器布置

根據(jù)高架橋結(jié)構(gòu)形式，在每個(gè)橋墩和梁體上布置4個(gè)自動(dòng)化監(jiān)測點(diǎn)，以反映該橋墩及其梁體位移變化量。由于現(xiàn)場承臺覆土較厚，不利于觀測，同時(shí)考慮監(jiān)測的全面性，因此將位移監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)在墩身下部和頂部以及梁體兩端。此外，為精確測量每個(gè)橋墩的沉降量，還在每個(gè)橋墩的底部位置布設(shè)一個(gè)沉降觀測點(diǎn)，某個(gè)墩臺點(diǎn)位布置情況如圖3所示。監(jiān)測范圍內(nèi)總計(jì)5個(gè)橋墩，監(jiān)測點(diǎn)整體分布示意圖如圖4所示。

圖3墩臺監(jiān)測點(diǎn)布置

圖4 監(jiān)測點(diǎn)分布示意圖

本次所采用自動(dòng)變形監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、控制系統(tǒng)、告警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)管理等部分組成，圖5所示為系統(tǒng)組成示意圖。自動(dòng)化觀測基本過程：首先，TM30測量機(jī)器人架設(shè)在工作站上，瞄準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)，采用后方交會的方法檢查工作站的站點(diǎn)坐標(biāo)。接著，采用全圓觀測法測量各監(jiān)測點(diǎn)的角度與距離，然后將測量的原始數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸?shù)胶笈_處理軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)平差和變形曲線的繪制，處理過程詳見3.2節(jié)。學(xué)習(xí)測量之后的后續(xù)監(jiān)測過程均由儀器自動(dòng)完成。

圖5 自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)組成

3.2 數(shù)據(jù)處理

采用極坐標(biāo)法觀測直接獲得變形點(diǎn)三維坐標(biāo)，再對施測結(jié)果進(jìn)行差分處理。即：按極坐標(biāo)的方法測量測站點(diǎn)(基準(zhǔn)點(diǎn))至其他基準(zhǔn)點(diǎn)和變形點(diǎn)的斜距、水平角和垂直角，將測站點(diǎn)至具有代表性氣象條件的基準(zhǔn)點(diǎn)測量值與其基準(zhǔn)值(基準(zhǔn)點(diǎn)測量或復(fù)測值)相比，求得差值。

(1)距離的差分改正

(1)

改良Jaslow技術(shù)下單枚Z-cage聯(lián)合單側(cè)椎弓根螺釘固定治療腰椎間盤突出癥（單鴻劍，等）11：988

(2)

(2)球氣差的改正

如上述的距離測量一樣，如果某一時(shí)刻測得監(jiān)測站與某基準(zhǔn)點(diǎn)間的單向三角高差hJ為：

hJ=dJ×sinα+iJ-aJ

(3)

式中：α—垂直角，iJ—儀器高，aJ—棱鏡高。

那么，根據(jù)下式可求出球氣差改正系數(shù)c：

(4)

按下式可求出變形點(diǎn)與監(jiān)測站之間經(jīng)球氣差改正的三角高差△hp：

(5)

(6)

(3)方位角的差分改正

(7)

(8)

(4)變形點(diǎn)三維坐標(biāo)和變形量的計(jì)算

綜合以上各項(xiàng)差分改正，按極坐標(biāo)計(jì)算公式可準(zhǔn)確求出每周期各變形點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

(9)

式中：X0、Y0、Z0——監(jiān)測站的坐標(biāo)值。

(10)

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本次監(jiān)測于2015年6月27日完成初始值采集工作，自6月28日起開始進(jìn)行全面監(jiān)測，至8月11日20時(shí)監(jiān)測工作結(jié)束，橋墩和梁體位移共監(jiān)測446次。至最后一次觀測時(shí)，375#橋墩糾偏量為 18 mm，對應(yīng)梁體糾偏量為 16.9 mm；376#橋墩糾偏量為 28.5 mm，對應(yīng)梁體糾偏量為 29.6 mm；377#橋墩糾偏量為 17.3 mm，對應(yīng)梁體糾偏量為 15.6 mm。整體來看，與表1所述的線路偏移量基本一致，說明糾偏達(dá)到預(yù)期目的。梁體的梁體X方向、梁體Y方向、橋墩X方向及橋墩Y方向位移累計(jì)變化量-時(shí)間曲線圖分別如圖6～圖9所示。

分析曲線圖可知，所有梁體和橋墩位移日變化量均小于 4.0 mm。其中，梁體位移在7月2日3時(shí)L376-1、L376-2、L377-1、L377-2日變化量分別達(dá)到 3.1 mm、3.1 mm、3.2 mm、3.3 mm；7月28日3時(shí)L376-1、L376-2、L377-1、L377-2日變化量分別達(dá)到 3.2 mm、3.1 mm、3.1 mm、3.3 mm；8月5日3時(shí)30分L376-1、L376-2日變化量分別達(dá)到3.1 mm、3.2 mm。橋墩位移在7月2日3時(shí)D376-1、D377-1、D377-2日變化量分別達(dá)到3.1 mm、3.3 mm、3.4 mm；7月28日3時(shí)D376-1、D377-1、D377-2日變化量分別達(dá)到3.1 mm、3.5 mm、3.0 mm；8月3日3時(shí)D376-2日變化量達(dá)到 3.8 mm；8月5日3時(shí)30分D376-1、D376-2日變化量分別達(dá)到 3.3 mm、3.6 mm；8月6日3時(shí)D376-1、D376-2日變化量分別達(dá)到3.2 mm、3.8 mm；8月7日3時(shí)D376-2日變化量達(dá)到 3.5 mm。

上述情況出現(xiàn)后，立即進(jìn)行加密監(jiān)測，同時(shí)施工方也高度重視，及時(shí)調(diào)整施工工藝，直至施工結(jié)束，沒有發(fā)現(xiàn)位移繼續(xù)增大的情況。后經(jīng)分析，上述現(xiàn)象發(fā)生主要是旋噴樁距離橋墩越來越近，噴漿壓力加大所致。

圖6 梁體X方向位移累計(jì)變化量-時(shí)間曲線

圖7 梁體Y方向位移累計(jì)變化量-時(shí)間曲線

圖8 橋墩X方向位移累計(jì)變化量-時(shí)間曲線

圖9 橋墩Y方向位移累計(jì)變化量-時(shí)間曲線

5 結(jié) 論

本文研究所取得的有價(jià)值結(jié)論主要有：

(1)針對高架橋糾偏施工的特點(diǎn)和要求進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，滿足后續(xù)施工控制對位移數(shù)據(jù)及時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求。

(2)糾偏作業(yè)過程中，自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)均實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確反映了高架橋結(jié)構(gòu)的位移量，說明自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)在高架橋工程糾偏施工中應(yīng)用是可行的。

(3)糾偏施工的控制關(guān)鍵在于旋噴漿液壓力的控制，根據(jù)自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整施工參數(shù)和施工工藝很有必要。