自動化監測在高鐵橋墩糾偏施工中的應用

鄭勇波

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

1 引 言

高架橋是高鐵工程中最常用的一種結構形式。高鐵線路往往位于城郊或農村，無法進行全天候管理，即使封閉，影響范圍內仍經常出現違法土堆載或卸載現象，從而導致高架橋橋墩產生較大側向位移。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，對應線路即會降速運行甚至停運。

某段高鐵高架橋由于受到堆土和右側新開河道的影響，導致橋墩發生側向位移。為把橋墩反向糾偏至原位置，需在開挖河流的一側設置高壓旋噴樁，利用旋噴樁的噴射壓力對土體的擠壓作用帶動橋梁基礎偏移，以達到橋梁結構的整體糾偏作用。

高鐵橋墩糾偏施工只能在凌晨運營天窗時間段內進行，而且土體擠壓作用存在一定的滯后效應，為準確控制橋墩和梁體糾偏量和實時了解其最終變形狀態，需對橋墩和梁體進行自動化監測。目的在于把施工引起的結構變形動態信息及時反饋給施工單位，使之能夠在現場及時調整糾偏施工推進速率，優化和改進施工方法，確保高鐵高架橋結構的安全。

2 工程概況

本段高鐵高架橋含5個橋墩，上部結構為簡支箱梁，橋墩高約 21.0 m～23.0 m，基礎采用鉆孔灌注樁，樁長約 67.5 m～70.5 m。工程區域位于上海市松江區，屬于濱海平原地區，地形平坦，地面高程一般為 1.5 m～3.0 m，沿線基本為農田、村舍。區域內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淤泥質粉質黏土層、④淤泥質黏土層、⑤1黏土層、⑥1黏土層、⑥2粉質黏土層、⑦1粉土層及⑦2粉細砂層。地下水因大氣降水及地表水的補給，水量較豐富，埋深一般為 0.2 m～1.5 m。工程所處區域地震動峰值加速度為 0.1 g，地震動反應譜的特征周期為 0.35 s。

線路偏移量一覽表 表1

圖1 自動化監測與施工工況關系

根據5個橋墩對應的高鐵線路運營期變形數據，并考慮線路扣件調整量，線路橫向偏差情況如表1所示，偏移量以垂直線路方向為主。主要施工工序如下：施工應力釋放孔→施工鋼板樁→施工旋噴樁→施工掏土孔→施工變形槽，每個工況完成即根據自動化監測數據進行糾偏效果評估，并及時調整施工工藝。自動化監測與施工工況的具體關系如圖1所示。

3 監測系統

3.1 數據采集

本次監測采用獨立平面坐標系統，以沿高鐵線路方向為X軸，與線路垂直方向為Y軸。平面坐標系統實際建立時，先假定起始方位角，建立一個坐標系統，然后在CAD圖中將坐標軸旋轉至監測用獨立平面坐標系統，再根據旋轉的角度調整起始方位角，從而建立滿足定向要求的平面坐標系。監測基準網采用邊角網的形式建立，包括1個工作站及3個基準點。工作站選擇施工區域外相對穩定、方便使用的位置，并同時與監測點通視。基準點布設在軌道交通線路兩側，遠離施工區域，采用強制觀測墩結合觀測標架的方式布設，使其與基準點近似成等邊三角形。采用徠卡測量機器人TM30進行觀測，觀測時，儀器架設在工作站上，監測期間不許搬動，工作房24小時派人值守。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

根據高架橋結構形式，在每個橋墩和梁體上布置4個自動化監測點，以反映該橋墩及其梁體位移變化量。由于現場承臺覆土較厚，不利于觀測，同時考慮監測的全面性，因此將位移監測點埋設在墩身下部和頂部以及梁體兩端。此外，為精確測量每個橋墩的沉降量，還在每個橋墩的底部位置布設一個沉降觀測點，某個墩臺點位布置情況如圖3所示。監測范圍內總計5個橋墩，監測點整體分布示意圖如圖4所示。

圖3墩臺監測點布置

圖4 監測點分布示意圖

本次所采用自動變形監測系統主要由數據采集、數據傳輸、控制系統、告警系統、數據處理、數據分析和數據管理等部分組成，圖5所示為系統組成示意圖。自動化觀測基本過程：首先，TM30測量機器人架設在工作站上，瞄準基準點，采用后方交會的方法檢查工作站的站點坐標。接著，采用全圓觀測法測量各監測點的角度與距離，然后將測量的原始數據通過網絡模塊傳輸到后臺處理軟件，進行數據自動平差和變形曲線的繪制，處理過程詳見3.2節。學習測量之后的后續監測過程均由儀器自動完成。

圖5 自動化監測系統組成

3.2 數據處理

采用極坐標法觀測直接獲得變形點三維坐標，再對施測結果進行差分處理。即：按極坐標的方法測量測站點(基準點)至其他基準點和變形點的斜距、水平角和垂直角，將測站點至具有代表性氣象條件的基準點測量值與其基準值(基準點測量或復測值)相比，求得差值。

(1)距離的差分改正

(1)

改良Jaslow技術下單枚Z-cage聯合單側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，如果某一時刻測得監測站與某基準點間的單向三角高差hJ為：

hJ=dJ×sinα+iJ-aJ

(3)

式中：α—垂直角，iJ—儀器高，aJ—棱鏡高。

那么，根據下式可求出球氣差改正系數c：

(4)

按下式可求出變形點與監測站之間經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)變形點三維坐標和變形量的計算

綜合以上各項差分改正，按極坐標計算公式可準確求出每周期各變形點的三維坐標。

(9)

式中：X0、Y0、Z0——監測站的坐標值。

(10)

4 監測數據分析

本次監測于2015年6月27日完成初始值采集工作，自6月28日起開始進行全面監測，至8月11日20時監測工作結束，橋墩和梁體位移共監測446次。至最后一次觀測時，375#橋墩糾偏量為 18 mm，對應梁體糾偏量為 16.9 mm；376#橋墩糾偏量為 28.5 mm，對應梁體糾偏量為 29.6 mm；377#橋墩糾偏量為 17.3 mm，對應梁體糾偏量為 15.6 mm。整體來看，與表1所述的線路偏移量基本一致，說明糾偏達到預期目的。梁體的梁體X方向、梁體Y方向、橋墩X方向及橋墩Y方向位移累計變化量-時間曲線圖分別如圖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L376-1、L376-2、L377-1、L377-2日變化量分別達到 3.1 mm、3.1 mm、3.2 mm、3.3 mm；7月28日3時L376-1、L376-2、L377-1、L377-2日變化量分別達到 3.2 mm、3.1 mm、3.1 mm、3.3 mm；8月5日3時30分L376-1、L376-2日變化量分別達到3.1 mm、3.2 mm。橋墩位移在7月2日3時D376-1、D377-1、D377-2日變化量分別達到3.1 mm、3.3 mm、3.4 mm；7月28日3時D376-1、D377-1、D377-2日變化量分別達到3.1 mm、3.5 mm、3.0 mm；8月3日3時D376-2日變化量達到 3.8 mm；8月5日3時30分D376-1、D376-2日變化量分別達到 3.3 mm、3.6 mm；8月6日3時D376-1、D376-2日變化量分別達到3.2 mm、3.8 mm；8月7日3時D376-2日變化量達到 3.5 mm。

上述情況出現后，立即進行加密監測，同時施工方也高度重視，及時調整施工工藝，直至施工結束，沒有發現位移繼續增大的情況。后經分析，上述現象發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方向位移累計變化量-時間曲線

圖7 梁體Y方向位移累計變化量-時間曲線

圖8 橋墩X方向位移累計變化量-時間曲線

圖9 橋墩Y方向位移累計變化量-時間曲線

5 結 論

本文研究所取得的有價值結論主要有：

(1)針對高架橋糾偏施工的特點和要求進行自動監測系統設計，滿足后續施工控制對位移數據及時性和準確性的要求。

(2)糾偏作業過程中，自動化監測數據均實時和準確反映了高架橋結構的位移量，說明自動化監測技術在高架橋工程糾偏施工中應用是可行的。

(3)糾偏施工的控制關鍵在于旋噴漿液壓力的控制，根據自動化監測數據實時調整施工參數和施工工藝很有必要。