高速鐵路運營期線橋結構沉降監測及安全評估

徐明偉

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津 300251)

高速鐵路運營期線橋結構沉降監測及安全評估

徐明偉

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津 300251)

采用InSAR差分干涉技術及精密工程測量網進行橋梁墩臺及線上構筑物的差異沉降監測和變形監測，對橋梁結構和軌道結構進行安全性分析及評估。

高速鐵路 運營監測 安全評估

高速鐵路運行速度快，對線橋結構的穩定性有很高的要求。高速鐵路下部建筑物的沉降直接影響到線橋設備的質量狀態，只有通過全面、細致、高精度的運營監測，才能掌握線橋結構的具體變化情況，尤其是對處在不均勻區域地面沉降范圍內的線橋結構進行有效監測并及時對線橋結構物的安全性做出合理評價就顯得尤為重要，對于確保高速動車組運行安全具有十分重要的意義。

1 監測內容及目的

1.1 區域性地面沉降監測

為了得到沿線大范圍地面沉降等值線圖，一般采用InSAR差分干涉技術進行大范圍面狀區域的地面沉降測量，以得到鐵路沿線地面沉降的宏觀情況。目前，為了提高InSAR的測量精度，一般采用D-InSAR技術及PS技術進行數據處理及相關分析，主要流程為復型影像數據的配準、干涉條紋圖的生成、相位解纏、高程計算等。如圖1，左右兩幅圖為沉降等值線圖的不同表達方式，從沉降等值線圖中能夠直觀反映高速鐵路沿線較大范圍地面沉降的現實情況，從而為監測方案的合理制定提供直接依據。

圖1 沉降等值線圖

1.2 精密工程控制網的沉降監測

在運營期間，通過對高速鐵路建設期間建設完成的精密工程控制網(主要是精密高程控制網)進行周期性復測，以維護鐵路沿線高程基準有較高的高程精度。同時，也是確定鐵路沿線水準點以點成線而形成的淺層地表沉降(埋深較淺的普通水準點)和深層地面沉降(埋深較深的深埋水準點，埋深一般在40～70 m)的直接觀測資料。如圖2，通過周期性的對高程控制網進行復測，在維護高程基準精度的同時，對合理劃分重點沉降區段具有重要意義。

1.3 橋墩及相鄰墩臺間差異的沉降監測

運營期間對橋梁墩臺進行逐墩觀測，通過普查性的逐墩觀測可以在建設期間橋墩沉降監測的基礎上，更為準確地監測到橋梁運營期間的沉降變化趨勢，為確定重點監測地段及橋梁相鄰墩臺間差異沉降變化情況提供準確數據。如圖3，可以清晰反映某段橋墩監測中相鄰墩臺間差異沉降變化情況，而圖4是反映監測段落內橋梁墩臺的縱向沉降趨勢，圖3和圖4所用數據是進行橋梁安全性評價的重要依據，也是后續梁體安全整治的數據基礎。

圖2 水準點沉降曲線

圖3 橋墩間高差變化

圖4 橋墩高程變化

1.4 線上構筑的變形監測

線上結構物的監測中，軌道控制網(CPⅢ)平面及高程的周期性復測是主要工作內容，通過對CPⅢ的復測，可以準確監測線橋結構物最為直接的沉降變形情況，同時也是維護線上控制網精度的主要方式，為軌頂高程測量及線路結構物的靜態檢測(包括軌距、軌向、高低、水平、扭曲等檢測指標)提供基礎數據(如圖5所示)。

圖5 軌道控制網高程變化曲線

線上結構物的監測中，軌頂高程測量是直接測定軌道面縱向差異沉降變化趨勢的主要途徑，為準確分析軌道面長波及短波不平順性提供了直接的觀測數據。通過對軌面平順性的分析，為進一步進行軌道靜態檢查和軌道整治方案的制定提供數據支持。

在線路結構差異沉降變化情況影響最大的范圍內，最易發生線上結構病害的地段設置觀測斷面，以監測軌道面、軌道板、梁面等結構物之間在線路橫向上的相對變化情況。通常監測斷面設置如圖6和圖7。

圖6 橋梁監測斷面的設置

圖7 路基監測斷面設置

1.5 其他監測方式

根據監測內容和監測目的的多樣性，在運營監測過程中，根據不同的結構特點和監測精度，合理選擇其他監測手段，主要包括：構筑物面狀變形可以采用近景攝影測量、地面LiDAR掃描、微波干涉測量等技術；構筑物的傾斜變形、扭曲變形等可以采用精密水準、全站儀測點等常用技術；構筑物特征點的實時變形觀測可以采用各種形式的位移傳感器測量；對于沉降機理方面的監測可以采用監測地下水水位的水位計測量、不同地層沉降差異的深井分層標測量等手段。

2 橋梁結構安全性分析

2.1 簡支梁安全性分析

均勻的區域性地面沉降，對橋梁結構不會造成影響，只有不均沉降總量的增加會造成線路坡度的變化，影響橋上線路坡度。沉降地段的橋梁安全性主要根據樁基形式及樁長與地面沉降壓縮土層深度之間的關系來確定，一般地面沉降壓縮土層深度大于樁長時，從地面沉降預測趨勢及結構受力分析，橋梁本身是安全可靠的。結合簡支結構的特點，在出現較大的相鄰橋墩不均勻沉降現象時，梁體本身有著較大的適應性，以32 m梁為例，即使相鄰橋墩出現100 mm的不均勻沉降，其附加坡度為0.31%，梁體本身也不會出現破壞情況。同時，在區域沉降段落一般采用可調支座，增加結構對沉降的適應能力。可調高支座類型不同，調高高度不同，對線路坡度的調節能力也不同，一般對設計坡度的調整量最大可達到2%。

2.2 連續梁結構安全性分析

在連續梁地段出現較大差異沉降時，需要對連續梁結構的安全性進行具體分析。根據連續梁結構形式，對梁部結構進行了理論計算，按照原設計模型，以相同的計算精度，根據現狀不均勻沉降值進行結構受力理論分析，計算得到現狀主要截面正應力(主跨和邊跨的支點、跨中、邊跨中的受力情況)。根據現狀主要截面正應力與設計模型對比分析墩臺所對應的梁體位置的應力及安全系數變化情況，分析確定當前主梁截面正應力、剪應力、主應力，以及強度、抗裂安全系數是否滿足規范要求。一旦出現不利因素，立即進一步開展必要的橋梁監測，采取必要的防范措施，避免梁體開裂等病害發生。

3 軌道結構安全性分析

以CRTSⅡ型板式無砟軌道結構為例。根據工程實際沉降情況，對相鄰墩臺和臺后過渡段(摩擦板、端刺)發生沉降后的無砟軌道結構進行安全性試算分析。試算步驟如下：

(1)根據軌道所處地段結構特點(橋梁段主要分為簡支梁和連續梁，路基段主要為臺后過渡段)，以設計資料為依據，合理確定試算模型。

(2)根據軌道結構的設計參數，合理確定試算參數。

(3)通過簡支梁結構對計算結果進行初步分析。簡支梁墩臺差異沉降對軌道結構的耐久性和安全性影響上，曲線地段相鄰墩臺差異沉降大于15 mm時，底座板裂紋寬度可能超過0.3 mm；直線地段相鄰墩臺差異沉降超過35 mm時，底座板裂紋寬度可能超過0.3 mm；曲線地段，當相鄰墩臺差異沉降超過70 mm時，底座板與梁體間固結機構的縱向力超過設計荷載，影響結構安全；直線地段，當相鄰墩臺差異沉降超過75 mm時，底座板與梁體間固結機構的縱向力超過設計荷載，影響結構安全。

(4)通過連續梁結構對計算結果進行初步分析。連續梁墩臺差異沉降對軌道結構的耐久性和安全性影響上，當相鄰墩臺差異沉降超過15 mm時，底座板裂紋寬度可能超過0.3 mm，影響結構耐久性，進而影響結構安全。相鄰墩臺沉降差異在計算范圍內，底座板與梁體間固結機構的縱向力未超過設計荷載，不影響結構安全。

(5)通過臺后過渡段(摩擦板、端刺)結構對計算結果進行初步分析，當過渡段沉降差大于50 mm/50 m時，底座板裂紋寬度可能超過0.3 mm，影響結構耐久性，進而影響結構安全。

4 結論

高速鐵路的運營監測工作需要運用多種測量手段，從整體到局部、從全面到重點地開展各項監測內容，通過對多種監測數據和結果的綜合分析，必要時及時調整監測方案，做到監測項目合理有效、經濟實用，尤其是在重點地段的線橋結構物變形監測工作中，必須根據結構物特點開展切實有效的監測工作，為結構物安全性分析提供有效監測數據。通過對線橋結構物在既有沉降量的基礎上的建模分析，確定結構物安全預警的限值或預判安全空間。

[1] 李樹偉.高速鐵路沉降監測方法的應用探討[J].鐵道勘察，2011(6):16-18

[2] 陳希成.高速鐵路板式軌道結構力學分析[D].成都：西南交通大學，2008

[3] 喬永平.橋梁結構極限承載力分析及安全性評估[D].南寧：廣西大學，2009

PreliminaryDiscussionontheSettlementMonitoringandSaftyAssessmentofHigh-speedRailway’sStructureofTrackandBridgeDuringOperation

XU Ming-wei

2014-05-08

徐明偉(1982—)，男，2005年畢業于西南交通大學測繪工程專業，工程師。

1672-7479(2014)04-0020-04

TU433

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