盾構(gòu)隧道近距離下穿武廣高鐵橋梁變形監(jiān)測(cè)分析

傅江華

（中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖北武漢 430071）

1 工程概況

武漢市軌道交通某區(qū)間盾構(gòu)下穿武廣高鐵高架橋下行線和上行線。盾構(gòu)左線從 6#、7# 橋墩之間穿越，盾構(gòu)右線從 7#、8# 橋墩之間穿越，6#、7#、8# 橋墩橋跨間距均為 32.6 m 簡(jiǎn)支梁。下穿處武廣高鐵線間距 5 m，設(shè)計(jì)速度350 km/h。6#、7#、8# 橋墩樁基樁長(zhǎng)分別為 18 m、18.5 m 和 19 m，樁頂距地面約 2.5 m，隧道底部距樁底分別為1.504 m、0.975 m 和0.473 m。區(qū)間隧道頂部覆土約15.06 m，與橋樁結(jié)構(gòu)水平最小凈距為 8.12 m（圖 1）。

下穿處土層由雜填土、一般黏性土、老黏性土組成，基巖埋藏較淺。區(qū)間沿線為三級(jí)階地剝蝕堆積垅崗區(qū)，下穿武廣高鐵盾構(gòu)隧道洞身位于 20a-2 中風(fēng)化泥巖，地面至隧道頂?shù)貙又饕獮殡s填土、10-2 粉質(zhì)黏土、20a-1 強(qiáng)風(fēng)化泥巖。

2 盾構(gòu)施工

盾構(gòu)機(jī)采用 2 臺(tái)土壓復(fù)合式平衡盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)外徑 6.44 m。盾構(gòu)隧道采用通用型管片錯(cuò)縫拼裝，用 M30彎螺栓連接，管片環(huán)寬 1.5 m，外徑 6.2 m，內(nèi)徑 5.5 m，厚度 0.35 m，楔形量 40 mm。左線盾構(gòu)從 2016 年 11 月 9日開(kāi)始進(jìn)入武廣高鐵核心保護(hù)區(qū) 20 m 范圍，2016 年 11月 13 日盾尾脫出高鐵核心保護(hù)區(qū) 20 m 影響范圍；右線盾構(gòu)從 2016 年 11 月 15 日開(kāi)始進(jìn)入武廣高鐵核心保護(hù)區(qū)20 m 范圍，2016 年 11 月 19 日盾尾脫出高鐵核心保護(hù)區(qū)20 m 影響范圍。左、右線盾構(gòu)施工期間以 12 環(huán)/天左右的速度向前推進(jìn)。

圖1 盾構(gòu)下穿武廣高鐵剖面圖（單位：m）

3 橋梁變形監(jiān)測(cè)

本工程采用全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)武廣高鐵橋梁的變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由測(cè)量機(jī)器人、監(jiān)測(cè)站、控制計(jì)算機(jī)房、基準(zhǔn)點(diǎn)和變形點(diǎn)等 5 部分組成（圖 2）。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過(guò)因特網(wǎng)控制遠(yuǎn)程 GPRS 模塊或通過(guò)數(shù)據(jù)連接線遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行，系統(tǒng)在無(wú)需操作人員干預(yù)的條件下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)、記錄、處理、存儲(chǔ)、變形量報(bào)表編制和變形趨勢(shì)顯示等功能。

圖2 自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成示意圖

3.1 監(jiān)測(cè)原理方法

監(jiān)測(cè)儀器為測(cè)量機(jī)器人，又稱(chēng)自動(dòng)全站儀，是一種集自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、自動(dòng)照準(zhǔn)、自動(dòng)測(cè)角與測(cè)距、自動(dòng)目標(biāo)跟蹤、自動(dòng)記錄于一體的測(cè)量平臺(tái)。測(cè)量機(jī)器人配置了動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、CDD 相機(jī)以及相應(yīng)的目標(biāo)識(shí)別軟件，首次粗略瞄準(zhǔn)目標(biāo)并通過(guò)按鍵或系統(tǒng)軟件向全站儀下達(dá)指令后，全站儀中的 CDD 相機(jī)可自動(dòng)借助目標(biāo)識(shí)別軟件對(duì)返回的信號(hào)進(jìn)行邏輯分析，準(zhǔn)確判斷出棱鏡中心的位置。日常觀測(cè)時(shí)，不再需要人為操作儀器進(jìn)行瞄點(diǎn)，只要下達(dá)觀測(cè)指令后，全站儀啟動(dòng)伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)軟件，自動(dòng)完成系列測(cè)量動(dòng)作。

測(cè)量機(jī)器人測(cè)量精度高，能夠同時(shí)測(cè)距和測(cè)角，從而自動(dòng)完成空間三維絕對(duì)坐標(biāo)的測(cè)算，常采用自由設(shè)站法和固定設(shè)站法（極坐標(biāo)法）來(lái)進(jìn)行測(cè)量，其中又以固定設(shè)站法（極坐標(biāo)法）居多。極坐標(biāo)法的基本原理就是將全站儀架設(shè)到已知點(diǎn)上，然后通過(guò)后視已知點(diǎn)來(lái)確定觀測(cè)目標(biāo)點(diǎn)與已知方向間的水平夾角、垂直角和斜距，通過(guò)這些觀測(cè)量和設(shè)站點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)求得目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

3.2 觀測(cè)墩設(shè)置

為了提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和監(jiān)測(cè)的連續(xù)性，在不影響施工又便于觀測(cè)的位置設(shè)置了 2 個(gè)觀測(cè)墩，這樣可以保證測(cè)站穩(wěn)定。2 個(gè)觀測(cè)墩可同時(shí)對(duì) 3 個(gè)橋墩及梁體進(jìn)行觀測(cè)，相互校檢提高觀測(cè)精度，并且可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)（圖 3）。

圖3 觀測(cè)墩?qǐng)D

3.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

為了測(cè)出橋墩的沉降，順橋向和橫橋向位移、傾斜，在每個(gè)橋墩處設(shè)置 4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中，2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在橋墩頂部?jī)啥宋恢茫? 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在橋墩底部?jī)啥藢?duì)應(yīng)位置，3 個(gè)橋墩共計(jì)布置 12 個(gè)橋墩監(jiān)測(cè)點(diǎn)?？紤]到簡(jiǎn)支梁與橋墩的相互關(guān)系以及高速鐵路行車(chē)安全，在監(jiān)測(cè)梁體沉降、橫順橋向水平位移時(shí)，在 6#、7# 和 7#、8# 橋跨間對(duì)應(yīng)簡(jiǎn)支梁梁端底各布置 1 個(gè)梁端監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共布置 4 個(gè)（圖 4）。

圖4 橋墩及梁端監(jiān)測(cè)點(diǎn)圖

3.4 監(jiān)測(cè)頻率及報(bào)警值

結(jié)合國(guó)內(nèi)已有盾構(gòu)穿越鐵路的工程經(jīng)驗(yàn)、相關(guān)規(guī)范要求，制定武廣高鐵橋墩及梁體變形預(yù)警值及報(bào)警值如表 1。當(dāng)實(shí)測(cè)值超過(guò)報(bào)警值時(shí)，分析其原因并采取相應(yīng)的安全措施。根據(jù)盾構(gòu)下穿施工對(duì)武廣高鐵橋的影響程度，制定相應(yīng)的監(jiān)測(cè)頻率如表 2，其中，在盾構(gòu)左線下穿期間監(jiān)測(cè)頻率加密至 1 次 / h。

表1 橋墩及梁體變形預(yù)報(bào)警值 mm

表2 監(jiān)測(cè)頻率 次/天

3.5 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.5.1 橋梁沉降

圖5、圖 6 分別為左、右線盾構(gòu)下穿期間武廣高鐵橋墩及梁體累計(jì)沉降變化曲線，從圖 5、圖 6 中可以看出梁體沉降大小及沉降變形趨勢(shì)基本與橋墩一致。

圖5 橋墩累計(jì)沉降變化曲線

圖6 梁體累計(jì)沉降變化曲線

左線盾構(gòu)進(jìn)入高鐵正下方前一段時(shí)間，各橋墩及梁體呈隆起趨勢(shì)，但隆起量較小，最大隆起量為 0.2 mm；左線盾構(gòu)進(jìn)入高鐵正下方后，橋墩及梁體開(kāi)始出現(xiàn)沉降變形趨勢(shì)，橋墩累計(jì)最大沉降為 6#墩 和 7#墩 ，沉降值為 -0.4 mm；梁體沉降最大測(cè)點(diǎn)為 6# -5、7# -6 測(cè)點(diǎn)，沉降值為 -0.4 mm，隨后開(kāi)始出現(xiàn)隆起，這與二次注漿有關(guān)。

右線盾構(gòu)下穿期間，橋墩及梁體沉降變形趨勢(shì)與左線下穿類(lèi)似，橋墩隆起最大為 8#墩，隆起值為 0.3 mm，最大沉降為 7#，沉降值為 -0.4 mm；梁體隆起最大測(cè)點(diǎn)為 8# -5，隆起量為 0.3 mm，沉降最大測(cè)點(diǎn)為 7# -6，沉降值為 -0.4 mm。整個(gè)盾構(gòu)下穿期間，橋墩及梁體累計(jì)最大沉降未達(dá)到報(bào)警值。

3.5.2 橋梁水平位移

圖7、圖 8 分別為盾構(gòu)下穿期間橋墩及梁體累計(jì)橫向水平位移變化曲線圖，圖 9、圖 10 分別為盾構(gòu)下穿期間橋墩及梁體累計(jì)順向水平位移變化曲線圖。從圖中可以得出，盾構(gòu)刀盤(pán)進(jìn)入高鐵橋正下方前一段時(shí)間，各橋墩水平位移均較小，進(jìn)入高鐵橋下方后，無(wú)論橫向位移還是順向位移均出現(xiàn)較明顯的變化，與沉降變形相比，盾構(gòu)下穿引起橋墩及梁體水平位移變化較大。

圖7 橋墩累計(jì)橫向水平位移變化曲線

圖8 梁體累計(jì)橫向水平位移變化曲線

圖9 橋墩累計(jì)順向水平位移變化曲線

圖10 梁體累計(jì)順向水平位移變化曲線

左線盾構(gòu)穿越期間，橋墩橫向水平位移最大的為 6#墩，位移量為 +0.8 mm（圖 7），梁體橫向位移最大的為 7# -5、7# -6，位移量為 + 0.7 mm（圖 8）。橋墩順向水平位移最大的為 6#墩，位移量為 +0.4 mm（圖 9），梁體順向水平位移最大的為 7# -6，位移量為+0.5 mm（圖 10）。

右線盾構(gòu)穿越期間，橋墩及梁體橫向水平位移變化較小，最大位移量為 +0.4 mm（圖 7、圖 8）。橋墩順向水平位移最大的為 7#墩，位移量為 -0.7 mm（圖 9），梁體順向水平位移最大的為 6# -5，位移量為 -0.5 mm（圖 10）。各橋墩橫、順橋向水平位移均未達(dá)到報(bào)警值。

3.5.3 橋墩傾斜率

圖11、圖 12 分別為盾構(gòu)下穿期間橋墩累計(jì)橫、順橋向傾斜率變化曲線。從圖中可以得出，盾構(gòu)施工進(jìn)入高鐵橋下方后，6#墩、7#墩、8# 墩無(wú)明顯傾斜變化。橋墩橫向傾斜變化最大的為 7#墩，最大累計(jì)傾斜為0.04%，橋墩順向傾斜變化最大的為 8#墩，最大累計(jì)傾斜為 -0.02%。

圖11 橋墩累計(jì)橫向傾斜率變化曲線

圖12 橋墩累計(jì)順向傾斜率變化曲線

4 結(jié)論

（1）在整個(gè)盾構(gòu)穿越武廣高鐵橋梁過(guò)程中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大變形值均未超過(guò) 1.0 mm，均未達(dá)到報(bào)警值。

（2）盾構(gòu)下穿對(duì)橋墩及梁體沉降影響較小，對(duì)橋墩、梁體水平位移影響相對(duì)較大。

（3）盾構(gòu)穿越武廣高鐵橋施工中，利用以全自動(dòng)全站儀為核心的全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)橋墩和梁端的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)可真實(shí)地反應(yīng)盾構(gòu)施工對(duì)鐵路的影響。