公路路基下穿高速鐵路橋梁監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

張志國(guó)

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

新建路基下穿既有高速鐵路橋梁改變土層的原始應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，進(jìn)而引起鄰近既有高鐵橋梁的不均勻變形，其變形和受力狀態(tài)與復(fù)雜的地質(zhì)條件、荷載、施工及邊界工況有關(guān)。針對(duì)該問(wèn)題，目前主要采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，來(lái)判斷設(shè)計(jì)方案的可行性；但由于地層分布的不均勻、力學(xué)參數(shù)的代表性等因素影響，數(shù)值模擬分析結(jié)果只能起到輔助分析以確定橋梁變形特征以及最不利工況的作用。為了增強(qiáng)施工風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)見(jiàn)性，掌握公路路基施工對(duì)高鐵橋梁準(zhǔn)確的變形影響數(shù)值，需對(duì)橋梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)。目前高鐵橋梁監(jiān)測(cè)技術(shù)分為自動(dòng)化和人工兩種方式，高鐵橋梁變形監(jiān)測(cè)要求精度高、頻率高，本文結(jié)合實(shí)際的工程案例，重點(diǎn)介紹自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)成功應(yīng)用情況，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概述

1.1 工程概況

京滬高鐵設(shè)計(jì)速度350 km/h，無(wú)砟軌道類型，線間距5 m；道路為東西向二級(jí)公路。道路與高鐵交叉角度81°，下穿處鐵路為32 m簡(jiǎn)支箱梁，現(xiàn)狀橋下凈高約8.4 m。下穿處采取路基形式整幅從高鐵293#～294#橋墩間穿越。道路采用雙向兩車道，下穿高鐵橋梁處路基橫斷面形式為0.75 m土路肩+7.75 m行車道+0.75 m土路肩，道路全寬9.25 m，機(jī)動(dòng)車道路拱橫坡為1.5%的雙向坡。道路設(shè)計(jì)邊緣距離高鐵橋墩基礎(chǔ)大小距離為5.14 m。高鐵西側(cè)有一處天然溝，溝底距離現(xiàn)狀地面約5 m。道路與高鐵橋墩位置關(guān)系剖面見(jiàn)圖1。

圖1 道路與高鐵橋墩位置關(guān)系剖面(單位：m)

1.2 工程地質(zhì)條件

2 有限元數(shù)值模擬

三維模型采用Midas GTS軟件建立，模型x軸、y軸、z軸分別為線路縱向、橫向和豎向。模型尺寸150 m×100 m×50 m。土體采用修正摩爾庫(kù)倫本構(gòu)[1]，混凝土采用彈性本構(gòu)。模型中橋墩、樁基礎(chǔ)采用梁?jiǎn)卧M，路基填方及挖方、路面鋪裝采用三維實(shí)體單元模擬。模型底部設(shè)為固定約束，側(cè)面設(shè)為法向約束。橋墩及梁部荷載按橋梁設(shè)計(jì)荷載查取，并換算為等效均布荷載施加在承臺(tái)，三維有限元模型見(jiàn)圖2。本模型選取土層相關(guān)地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 三維有限元計(jì)算模型(單位：m)

表1 土層地質(zhì)參數(shù)

3 監(jiān)測(cè)方案及實(shí)施

3.1 監(jiān)測(cè)方式

該工程采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)為主、人工監(jiān)測(cè)為輔的監(jiān)測(cè)方式。人工監(jiān)測(cè)采用TrimbleDini03電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，儀器的精度為0.3 mm/km，可精確讀至0.01 mm。

3.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用具有濾波、平滑等關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理算法的自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化、遠(yuǎn)程化控制平臺(tái)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)展示與查詢系統(tǒng)5大部分組成。架構(gòu)方案見(jiàn)圖3。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

3.3 監(jiān)測(cè)方案

由于高鐵運(yùn)行速度快，對(duì)無(wú)砟軌道的平順性要求非常嚴(yán)格[2]且考慮到土的各向異性、流變性、應(yīng)力路徑的作用和時(shí)空效應(yīng)的特性，以及在施工中由于地質(zhì)條件、荷載條件、材料性質(zhì)、施工技術(shù)和外界其他因素的復(fù)雜影響，實(shí)際情況和理論上可能有出入，因此在仿真分析指導(dǎo)下有計(jì)劃地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作，可以更進(jìn)一步的確保高鐵運(yùn)營(yíng)安全。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)基點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)均布置在高鐵箱梁內(nèi)，能部分排除區(qū)域沉降影響，且測(cè)量結(jié)果均是相對(duì)基點(diǎn)的累計(jì)變形；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)應(yīng)橋墩墩身上布設(shè)了可定期復(fù)測(cè)的人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)。既有高鐵橋墩沉降監(jiān)測(cè)方案詳見(jiàn)圖4。

圖4 高鐵橋墩沉降監(jiān)測(cè)方案(單位：m)

為了滿足運(yùn)營(yíng)管理部門要求，確保儀器設(shè)備精度和正常投入使用，監(jiān)測(cè)設(shè)備采用掛壁式支架將儀器設(shè)備固定在支座頂部箱梁腹板內(nèi)壁上，支架與箱梁采用黏貼的形式進(jìn)行連接；監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行調(diào)平，設(shè)備通液口和管線應(yīng)在同一個(gè)平面內(nèi)，上下高度差不超過(guò)2 cm；儀器設(shè)備和通液通氣管應(yīng)采用保溫棉進(jìn)行保溫處理；設(shè)備安裝完成后應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抬升和溫度穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置詳見(jiàn)圖5。

圖5 靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 仿真結(jié)果分析

仿真分析結(jié)果見(jiàn)表2。由表可知：整個(gè)仿真分析過(guò)程中橋墩變形量292#<295#<294#<293#。單階段最大隆起、最大沉降均發(fā)生在293#墩，影響數(shù)值分別為0.523 mm和0.032 mm，發(fā)生于小里程溝內(nèi)路基填方和大里程側(cè)開挖至基床2個(gè)階段。293#橋墩仿真分析結(jié)果中最大累計(jì)沉降數(shù)值為0.677 mm，發(fā)生于道路運(yùn)營(yíng)階段，不超過(guò)預(yù)警值1.2 mm，設(shè)計(jì)方案可行。根據(jù)仿真分析結(jié)果判斷，監(jiān)測(cè)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注293#和294#橋墩的變形情況。仿真分析技術(shù)手段指出了高鐵橋梁變形特征及最不利工況，為后續(xù)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的監(jiān)測(cè)提供了技術(shù)指導(dǎo)。

表2 仿真分析結(jié)果 mm

4.2 人工與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

人工沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)成熟，精度可靠。為了驗(yàn)證自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，可提取相同人工測(cè)量時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比兩組數(shù)據(jù)的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。在整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，對(duì)高鐵橋墩進(jìn)行了4次人工測(cè)量，時(shí)間分別為2019/12/24、2019/12/8、2019/12/22、2020/1/2。首次人工測(cè)量在施工作業(yè)前進(jìn)行采集，采集3次取其平均值作為本項(xiàng)目人工測(cè)量的初始值，以初始值為基礎(chǔ)，依次獲得人工橋墩沉降監(jiān)測(cè)的變形值，橋墩變形數(shù)值見(jiàn)表3。整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中對(duì)高鐵橋墩連續(xù)進(jìn)行了110 d的自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，取其人工監(jiān)測(cè)時(shí)刻自動(dòng)化測(cè)量的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 人工測(cè)量與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)橋墩變形值 mm

依據(jù)《鄰近鐵路營(yíng)業(yè)線施工安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》(TB 10314-2021)7.2.1規(guī)定，橋墩墩頂豎向位移限值應(yīng)控制在2 mm內(nèi)。為了確保高鐵運(yùn)營(yíng)的絕對(duì)安全且留出合理的變形可控空間，故按照位移限值的60%作為高鐵變形的預(yù)警值，80%作為高鐵變形的控制值。從3次數(shù)據(jù)來(lái)看，測(cè)量結(jié)果均小于黃色預(yù)警值，變形均在可控制范圍之內(nèi)。且人工監(jiān)測(cè)最大變形位置與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)變形最大位置均為293#橋墩，人工監(jiān)測(cè)數(shù)值結(jié)果為-0.685 mm，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)值結(jié)果為-0.702 mm。

由表3可知，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律一致，數(shù)值大小略有差異，表明項(xiàng)目自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以代表橋墩變形的實(shí)時(shí)和真實(shí)狀態(tài)。

4.3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，每10 min獲取一組原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)濾波[3]、平滑等算法處理后每小時(shí)生成一組有效數(shù)據(jù)，圖6為各橋墩監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降變形隨施工過(guò)程的發(fā)展規(guī)律。由圖6可知。施工階段隨著下穿路基填土荷載的逐步加載，橋墩各測(cè)點(diǎn)的沉降變形逐漸增大，最大變形位于臨近路基的293#橋墩，最大值約0.7 mm。施工完成2個(gè)月后變形逐漸趨于穩(wěn)定，最大變形值約為1.05 mm，變形結(jié)果小于黃色預(yù)警值，在可控制范圍內(nèi)。另外，對(duì)比各橋墩變形的沉降量可知，變形大小與填土距離橋墩位置相關(guān)，填土越臨近橋墩沉降變形越大。

5 結(jié)論

(1)公路路基下穿施工導(dǎo)致影響范圍內(nèi)高鐵橋墩發(fā)生不同程度的沉降變形，單階段下293#和294#沉降值分別為0.523 mm和0.338 mm，發(fā)生于小里程溝內(nèi)路基填方工況；293#和294#累計(jì)最大沉降值分別為0.677 mm和0.444 mm，293#和294#橋墩填土階段變形比例占總變形的比例分別為77%和76%。仿真分析技術(shù)手段指出了高鐵橋梁變形特征及最不利工況，為后續(xù)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中遴選重點(diǎn)監(jiān)測(cè)方向提供了技術(shù)指導(dǎo)。

(2)施工完成時(shí)，鄰近路基的293#橋墩累計(jì)沉降監(jiān)測(cè)值約為0.7 mm，施工完成后橋墩繼續(xù)沉降，橋墩變形呈現(xiàn)出一定的滯后性。整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，最大變形的293#橋墩沉降為1.05 mm，施工完成與最大變形時(shí)間間隔約為50 d。監(jiān)測(cè)周期內(nèi)所有橋墩沉降變形結(jié)果均在黃色預(yù)警值(1.2 mm)以內(nèi)，滿足高鐵運(yùn)營(yíng)安全的要求。

(3)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有良好的一致性，數(shù)值大小略有差異；自動(dòng)化沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作整體穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠，且橋墩最大沉降變形量1.05 mm在預(yù)警值范圍以內(nèi)，未對(duì)運(yùn)營(yíng)高鐵橋梁結(jié)構(gòu)造成顯著影響。