鄰近施工影響下既有高速鐵路自動化監測技術

酈 曄

(中國鐵路上海局集團有限公司南京鐵路樞紐工程建設指揮部，江蘇 南京 200142)

隨著我國鐵路網建設的日益完善，與既有高鐵線發生并線的鐵路線路越來越多，例如魯南高鐵在曲阜東站接入京滬高鐵、南沿江城際鐵路在江寧站引入寧杭高鐵等。既有高鐵線鄰近施工極易引起地層擾動從而產生位移變形，影響既有高鐵基礎設施的穩定性和軌道的平順性，成為威脅高鐵列車安全運行的又一風險源。利用現代沉降監測技術，實時掌握鄰近施工對既有高鐵線路變形的影響，成為確保鄰近施工有序實施和既有高鐵線路安全運營的有效保障。陳成剛、楊秉輝等基于靜力水準原理，構建了自動化沉降監測技術，并成功將其應用于臨近施工對既有線沉降變形監測[1,2]；閔永智等構建了基于圖像檢測技術的沉降在線監測系統，并應用于現場無砟軌道表面監測，累積誤差小于1.0 mm[3]；郭高冉等提出一種基于光纖振動加速傳感陣列的高速鐵路無砟軌道基礎變形監測方法，但該方法無法直接得到沉降變形值[4]；此外，合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)等先進測量技術也開始在鐵路沿線沉降變形監測中應用[5,6]，但因該方法測試精度稍低、易受天氣等因素影響，故常用于區域大范圍監測中，對于局部結構的沉降變形監測仍處于研究探索階段。

本文基于靜力水準測試原理，構建了既有鐵路橋梁、路基等基礎設施沉降變形自動化監測系統，并將其應用于鄰近施工的高鐵線路結構沉降變形監測，保證了既有高鐵線路的安全運營。

1 工程概況

新建南沿江城際鐵路為高鐵客運專線，設計速度350 km/h，正線長度278.145 km，部分區段與既有寧杭高鐵存在并行區間。因新建客運專線相對既有高鐵下部基礎的不同，存在不同并行方式：橋穿橋、橋并橋、路并橋、路并路，各類并行方式對應的典型工況如表1所示。

在并行線路區段范圍內，因新建線與既有線間距較小，新建線施工必然對既有線結構產生影響，也是既有線高鐵列車運營安全風險最高的區段。

2 監測系統構建

針對臨近施工影響范圍內的既有高鐵基礎設施，構建沉降變形數據采集-傳輸-存儲-分析-預警自動化的監測系統，其基本構成如圖1所示。

圖1 監測系統構成

系統生成的數據及報表等會發送至現場管理、施工、監理單位及既有線工務段等相關單位負責人，便于及時有效的進行信息溝通和交流，為既有線的安全運營和臨近施工工藝的優化提供準確可靠的支撐，也便于超限預警后應急預案的實施。

表1 新建南沿江城際鐵路與寧杭客專典型并行區段

2.1 理論評估

為評估新線建設施工對既有線結構沉降變形的影響，采用有限元分析軟件建立典型并行區段的三維仿真分析模型，其中各工況對應的三維有限元分析模型見圖2、圖3。

圖2 Q1工況有限元模型及結果

圖3 不同工況有限元分析模型

圖2模型中假定各土層均呈勻質水平層狀分布，并采用修正摩爾-庫倫模型模擬土體的本構關系；摩擦樁采用梁單元模擬，土體、橋墩及承臺等均采用實體單元模擬；橋梁的上部結構通過自重形式加載于橋墩上；土體水平四周邊界采用水平約束，底邊界采用豎向約束。為減小邊界條件的影響，模型全長320 m，寬150 m，高60 m。由圖2(b)可知， 87號橋墩沉降量最大，為1.1 mm。

通過計算得到，Q2、Q3及L4工況下既有線橋墩或路基因新線施工引起的最大沉降量分別為0.6 mm、3.0 mm及3.1 mm。相對Q2工況，Q1工況對應的承臺最小距離、最小樁間距更小，故其受臨近施工影響更顯著，對應的橋墩沉降量更大。對比四種工況，因新線路基施工對地層擾動較橋梁施工顯著，既有線結構無論是橋梁還是路基，其沉降量較橋穿橋、橋并橋工況均較大，甚至會造成既有線部分位置沉降量超限[7]。因此，需要對既有線結構進行沉降變形監測，獲取新線實際施工對既有線結構沉降的影響規律，從而指導新線施工。

2.2 測點選擇及傳感器布設

測點布設的合理性決定了監測數據反映既有線變形空間分布的真實性和可靠性，并且與監測系統構建的經濟性直接相關。對既有橋梁結構，臨近施工通過影響橋墩的變形改變橋上軌道結構的幾何形位，因此其測點主要布設于各個橋墩頂部或梁端，故Q1、Q2及Q3工況中各橋墩均設置測點，并且位于施工側；既有線路基結構，臨近施工的影響程度主要與線間距相關，故在普通路基地段的沉降變形測點間距較大，為20 m；在路基幫填段因線間距減小，測點間距減小至10 m；此外，在理論分析得到沉降量較大的區段測點也需進行加密。圖4為現場不同結構對應的測點傳感器布設。

圖4 現場測點傳感器布設

2.3 監測數據處理及分析

以Q3段監測數據為例，因數據采集頻率較高，既有線列車運行時間間隔較短，測量數據極易受到車致振動的影響，表現出較大的波動特征。針對高鐵運營特點，線路維護的“天窗時間”為每天0:00～4:00，此時高速列車停止運行，車致振動現象消失；同時考慮沉降變形為緩慢變化過程，故采用此時間段內監測數據的中位數作為當日沉降變形數據；取中位數之前需要依據拉依達準則及中位數濾波等方法剔除數據中的異常值。處理后的數據如圖5所示(其中部分時間段因供電設備故障造成數據不連續)。圖5中豎坐標差異沉降表示該測點相對前一測點的沉降量，其中負值表示當前測點相對前一測點發生下沉，正值則相反。

圖5 不同測點沉降量隨時間變化數據(處理后)

從圖5結果看出，監測期間相鄰橋墩間的差異沉降量均較小，在-0.66～0.89 mm之間波動，其中最大差異沉降發生在70號橋墩位置；70號橋墩對應的差異沉降在2020年12月20日至2021年1月20日之間的波動范圍均較大，這是因此時間范圍新建線路基施工所致。

對L4工況，主要關注路基的累積沉降變形，圖6為截至2022年3月24日既有高鐵上下行路基累積沉降變形分布曲線，此時下行線K11+108—K11+381輕質土幫填完成，K11+381—K11+702輕質土幫填正在進行，上行線K11+088—K11+513.7輕質土幫填正在進行。

從圖6結果看出，幫填區域的路基會發生小幅的隆起變形，因上行線幫填區域范圍稍大于下行區域，故其隆起變形幅值也稍大，上、下行線幫填區域隆起變形幅值分別為0.4 mm和0.3 mm；幫填完成區段會因土體重量增加而發生沉降變形；從整體來看，上下行區段對應的路基沉降變形量不顯著，最大累積沉降量不到0.6 mm。

圖6 L4累積沉降量分布曲線

對比監測結果與仿真分析可見，仿真結果與實測結果的規律基本一致，但仿真結果顯著大于實際監測值，其主要原因為仿真模型對土體性能的簡化，尤其是既有線下的土體，因長時間受到列車荷載的作用，其性能與鄰近施工土體性能必然存在較大差異，但為簡化計算，仿真模型中兩者均簡化性能相同的土體；此外，土層均勻性分布與實際存在較大偏差，也會對計算結果造成影響。因此，依托仿真模型進行定性分析，指導建立沉降變形監測系統是掌握臨近施工對既有線沉降變形影響的重要手段，也是既有線安全運行的重要保證。

2.4 預警預報

臨近施工對既有線路影響監測數據在達到一定水平時自動預警預報。系統發出預警后應立即進行現場踏勘、測點人工復測，確保信息可靠，避免誤報，并形成預警分析報告。對于非誤報情況，需要通過優化施工工藝、調整施工開挖、填筑、鉆進等工程措施的進度或者加強既有結構物保護措施將變形速率、累計變形量控制在預定的范圍內，從而保證既有高鐵在施工期的運營安全。

3 結束語

鄰近施工會對既有高速鐵路結構安全狀態產生影響，基于有限元方法開展了南沿江城際鐵路施工對鄰近寧杭高鐵橋梁和路基結構沉降變形的影響分析，指導新線與既有線典型并行區段測點選擇，形成了集安全評估、自動化監測、預警預報、應急預案于一體的風險管控技術體系，應用效果良好。