高速鐵路橋梁水中墩沉降監測技術

魯科學

(中鐵十五局集團有限公司，河南洛陽 471002)

1 工程概況

某高速鐵路一特大橋的1273～1313號墩位于懷洪新河河道內，除1285～1288號墩設計為(40+56+40)m懸灌梁外，其他均為32 m簡支梁。其中1276～1310號墩位于河道河水中，靠河的4個墩在汛期也都處于水中，從而使得這些橋墩無法按要求進行沉降監測。

2 水中墩進行沉降監測的必要性

為了保證高速鐵路的高平順性，高鐵規范要求對所有橋梁的橋墩均要進行沉降評估，并對其工后沉降進行了嚴格的要求:橋墩臺均勻沉降量≤15 mm，相鄰墩臺沉降量之差≤5 mm［1-3］。同時，由于水中墩的地質情況不同于其他橋墩，從而使得水中墩的沉降情況也無法參照其他橋墩。因此，不論從規范的強制要求來看，還是從實際操作來看，為了保證高速鐵路的高平順性都需對水中墩進行沉降監測。

3 水中墩沉降監測的方法及可行性

根據現行有關規范和評估共識:橋梁評估至少需進行2次，每次監測期不應小于3個月，且應在橋墩荷載施加完成后進行。據此，理論上可以認為只要滿足橋梁架設完成后有不少于6個月的監測期，那么根據這期間監測的數據就可以進行沉降評估。這樣，對于水中墩的沉降監測就只需解決以下問題:如何對水中墩架梁后進行不少于6個月的沉降監測。

由于水中墩長期處于水中，在地面按正常的沉降監測方案是無法實施監測的。但是，當梁架設完成后梁面就變成了很方便的測量通道，這時，只須將原本應設在橋墩上的監測標轉設在橋墩對應的梁面上來，然后將梁面上的監測標志按規范進行監測，最后再將梁面上的監測成果和地面的高程基準建立聯系即可完成水中墩沉降監測網的運轉。水中墩沉降監測方法示意見圖1。

圖1 水中墩監測方法示意

根據《高速鐵路工程測量規范》(TB10601—2009)的規定，高速鐵路線下橋梁工程沉降監測按照三等變形測量進行，采用二等水準施測。具體要求見表1。

表1 三等變形測量具體要求 mm

4 水中墩沉降監測網設計

沉降監測網由水準基點、工作基點和沉降監測點組成［4］，由于本監測區域范圍較小，因此可將水準基點和工作基點合并處理。

如圖1所示，分別在1273、1313號墩適當位置各埋設2個基準點，分別為JZA1、JZA2和JZB1、JZB2，其中JZA1、JZB1距離橋墩100 mm左右，作為工作基點使用，測量時可一站測得墩身觀測標。基準點埋設位置應穩定、易于保存和使用，埋設標準參照國家二等水準點［5］。基準點應在啟用前6個月埋設完成，以保證其在使用時已穩定。

在1273、1313號墩上埋設墩身觀測標，標準和其他普通墩身標相同;在1275～1311號墩頂梁面左右各埋設1個監測標，埋設標準同梁體徐變觀測標。編號為:墩號+L+1或2(左1，右2)。

高程系統可采用獨立高程，也可采用與施工一致的高程系統，即1985國家高程基準。

5 沉降監測的實施

沉降監測儀器采用天寶DINI12型數字水準儀及配套的銦瓦尺，儀器標稱精度:每千米往返測高差中誤差0.3 mm。

5.1 基準網的測設

為工作簡便，監測網采用獨立高程基準，如需采用與施工一致的高程系統，只需將兩個系統聯測即可。基準網的測設分2部分:地面部分和梁面部分。

地面部分包括，JZA2-JZA1-1275D兩段高差測量和JZB2-JZB1-1311D兩段高差測量。測量時按照二等水準技術要求［1、5］進行。

梁面部分主要是1273L2～1313L2之間高差。如果線路較長(大于2.5 km)，可提高觀測標準(如按一等水準設置測量限差)，或者增加測回數以提高基準網精度。

5.2 h1、h2值的確定

按照圖1所示，要通過梁面將兩邊的基準網統一，需要確定1275D與1275L2之間的高差h1及1311D與1311L2之間的高差h2。h1、h2的精確值可以采用當前CPⅢ測量技術中成熟的“中間設站全站儀三角高程”測得［1，6］。但是，沉降監測的本質上需要的是沉降值，它是個差值，所以并不需要去測設h1、h2的實際值，而且由于橋墩的高強度和高荷載，它的形變可忽略不計，因此只需在基準網測設時給它們賦個值就可以了，以后涉及到它們的時候均將這個賦值做真值使用就可以了。

為了方便，可將 h1、h2全部賦值為10.000 0 m。如要保證沉降監測高程基準與施工基準的統一，可以采用“中間設站全站儀三角高程”精確地測得h1、h2。

5.3 基準網的數據處理

在外業數據測量完成后，即可進行基準網的數據處理工作。

首先建立獨立高程基準，將 JZA2高程賦值為30.000 0 m。然后根據外業測量數據按照支水準進行解算，求得JZA1、JZB1、JZB2的高程。

5.4 沉降監測的實施

基準網測設完成后就可以按固定頻率開展沉降監測工作。為了保證有足夠的監測數據，監測頻率嚴格按照7 d一次執行。

每次觀測時，按照圖1所示，首先觀測出兩頭基準點至橋墩觀測標的高差h11、h22。然后將儀器搬站到梁上，依次測量梁面上各監測點間的高差，梁面上的監測點將組成一個大的閉合環。如果梁面長度較長(大于2.5 km)，為了提高精度可以在每個墩上的兩個梁面監測點之間加測一段高差，這樣就又形成了眾多小的閉合環，從而提高監測精度。

5.5 平差計算

每期監測工作完成后，即可根據測得的高差數據建立平差文件，平差文件建立如下(大部分水準測量軟件均可自動完成):

JZA1，高程

JZB1，高程

JZA1，1275D，h11，測距

1275D，1275L2，h1(10.0000)，測距(0)

1275L2，1276L2，高差，測距

………

1311L2，1311D，h2(－10.0000)，測距(0)

1311D，JZB1，h22，測距

由于 h1、h2是在基準網測設時全部賦值為10.000 0 m，在以后工作中作為真值使用的，所以可以將上面的平差文件進一步優化如下:

JZA1，高程

JZB1，高程

JZA1，1275L2，h11，測距

1275L2，1276L2，高差，測距

………

1311L2，JZB1，h22，測距

如果是采用統一高程基準不能進行上面的平差文件優化。

平差文件建立完成后即可進行平差計算，平差后各監測點的高程即可全部得出。利用這些監測點高程就可計算求出每個監測點的沉降值。

6 規范［1］中要求的各種精度指標分析

監測儀器采用天寶DINI12T型電子水準儀，標稱精度為每千米高差中誤差0.3 mm，但是在觀測中各種限差及操作方法都是按照二等水準進行的，所以在進行精度分析時按照每千米往返測高差中誤差0.6 mm進行計算分析(經過日常積累的數據分析，其實際精度優于0.6 mm)。

由于二等水準前后視距為50 m左右，所以1 km大概應設置10站，則1 km往返測高差h=(h1+h2+……+h10－－－……－)/2。

由于儀器的各種限差設置相同、觀測方法相同，所以可以認為各測站為同精度觀測［7］，設單程一測站高差精度為Vn，則每千米往返測高差中誤差Vh=(Vn·)/2。將Vh=0.6 mm代入上式有Vn= 0 .6/≈0.268 mm。進一步求算，可得往返一測站高差精度=0.19 mm。滿足規范中“每站高差中誤差0.3 mm”［1］的要求。

規范［1］中要求沉降監測網的相鄰基準點的高差中誤差1 mm。在建立基準網的時候是嚴格按照二等水準進行建立，采用儀器的每千米往返測高差中誤差為0.6 mm，最遠的相鄰基準點為JZA1、JZB1。這2個基準點間的測距基本上等于水中墩的跨度L=1.3 km，則相鄰基準點最大高差中誤差m≈0.6≈0.68 mm。同時根據m極值為1可以推算出L的極值為2.7 km。理論上如果增加測回數為N，則L的極值為N/0.36(km)。

規范［1］中要求變形觀測點的高程中誤差為1 mm。如圖1所示，由于監測網共包含41個墩，各墩之間均可一站觀測，則最長的觀測線路共需44站，則精度最弱點為22站觀測數據，其精度為Vn·≈0.89 mm，n為測站數。如果監測時也采用往返觀測，則最弱點的精度為·≈0.63 mm。取極值推算，最大監測長度可達100測站。通過對實際觀測數據分析，變形點高程精度90%以上分布在0.2～0.8 mm，未發現高程精度低于1 mm的點。

規范［1］要求相鄰沉降觀測點的高差中誤差為0.5 mm。實際在觀測中，相鄰的觀測點均可1站觀測完成，因此滿足規范要求。通過對所有觀測數據的分析，相鄰觀測點的高差中誤差95%均分布在0.1～0.3 mm，沒有超過0.5 mm的。

7 水中墩沉降評估分析

當沉降監測期滿足3個月后即可進行第一次評估預測，當監測時長大于6個月后即可進行第二次評估預測［2，3，8］。

開展評估預測前應對監測數據進行整理，主要是統計每個監測點的沉降量和繪制沉降量－時間曲線。

沉降的評估預測工作一般都由業主委托專門的評估單位進行，所以下面隨機選取1280L1號監測點為例，利用雙曲線回歸方程進行評估預測。

1280L1號監測點的沉降量-時間曲線見圖2。

圖2 1280L1號監測點評估分析曲線

7.1 第一次評估預測

選取1280L1號監測點中2009年2月26日至2009年6月11日的數據進行首次沉降評估分析。

按照《客運專線鐵路變形觀測評估技術手冊》中的雙曲線法進行回歸分析［9-10］。回歸方程為:S(t)=通過求解得，S(t)=，相關系數為0.957，最終沉降為1.67 mm，回歸曲線見圖2。

7.2 第二次評估預測

以1280L1號監測點全部6個月的觀測數據進行回歸分析，得S(t)=，相關系數為0.975，最終沉降為1.75 mm，S(t)/S(t=∞)=81.5%，回歸曲線見圖2。

通過對2次評估成果分析，各項指標均滿足文獻［1-3］要求。

8 結論

通過以上理論和實踐數據分析可知，本技術方法在高速鐵路橋梁水中墩沉降監測中完全可以滿足高鐵相關規范要求。同時按照本技術方法監測的我標段水中墩也順利通過了沉降評估專家組的首次評估和最終評估，因此本技術方法是切實可行的，對完善我國高速鐵路橋梁沉降監測體系具有很好的借鑒意義。通過對本技術方法的優化，水中墩的監測長度可達4 km以上。

另外，本水中墩的沉降監測技術與目前國內常用的2種水中墩監測技術(在水中修建棧橋作為觀測通道，以常規水準觀測進行的沉降監測;在橋墩安裝特殊反射裝置，以高精度全站儀三角高程進行的沉降監測)相比，本監測技術具有以下明顯的優點:大大節約了沉降監測成本;實施起來簡單、方便;可以確保高鐵通車運營后沉降監測的連續性;較三角高程法，監測精度更高，監測長度更長。

因此，對于高速鐵路橋梁水中墩的沉降監測筆者建議:在水中墩架梁完成之前可不進行沉降監測;在水中墩架梁完成后按本項目的監測技術開始進行沉降監測;對水中墩沉降監測數據的評估分析按照高鐵相關規范要求進行，可優先采用雙曲線法。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB 10601—2009 高速鐵路工程測量規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［2］中華人民共和國鐵道部.鐵建設［2006］158號 客運專線鐵路無碴軌道鋪設條件評估技術指南［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［3］鐵道部工程管理中心.客運專線鐵路變形觀測評估技術手冊［M］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［4］陳永奇.工程測量學［M］.北京:測繪出版社，1995.

［5］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 12897—2006 國家一、二等水準測量規范［S］.北京:國家測繪局，2006.

［6］田錫波，田山，于長帥，高志偉.全站儀三角高程中點法在大西客運專線橋墩測量中的應用［J］.鐵道標準設計，2011(S1):102-103.

［7］武漢測繪科技大學測量平差教研室.測量平差基礎［M］.北京:測繪出版社，1996.

［8］湯曉光，陳善雄，許錫昌，秦尚林.論鐵路客運專線沉降變形評估標準與合理控制［J］.鐵道標準設計，2010(2):1-3.

［9］張紅亮.雙曲線與指數曲線在客運專線鐵路沉降評估中的應用［J］.鐵道標準設計，2011(S1):33-35.

［10］王小剛，陳善雄，余飛，王星運.拓展雙曲線法在鐵路客運專線路基沉降預測中的應用［J］.鐵道標準設計，2010(2):39-42.