高速铁路桥梁水中墩沉降监测技术

鲁科学

(中铁十五局集团有限公司，河南洛阳 471002)

1 工程概况

某高速铁路一特大桥的1273～1313号墩位于怀洪新河河道内，除1285～1288号墩设计为(40+56+40)m悬灌梁外，其他均为32 m简支梁。其中1276～1310号墩位于河道河水中，靠河的4个墩在汛期也都处于水中，从而使得这些桥墩无法按要求进行沉降监测。

2 水中墩进行沉降监测的必要性

为了保证高速铁路的高平顺性，高铁规范要求对所有桥梁的桥墩均要进行沉降评估，并对其工后沉降进行了严格的要求:桥墩台均匀沉降量≤15 mm，相邻墩台沉降量之差≤5 mm［1-3］。同时，由于水中墩的地质情况不同于其他桥墩，从而使得水中墩的沉降情况也无法参照其他桥墩。因此，不论从规范的强制要求来看，还是从实际操作来看，为了保证高速铁路的高平顺性都需对水中墩进行沉降监测。

3 水中墩沉降监测的方法及可行性

根据现行有关规范和评估共识:桥梁评估至少需进行2次，每次监测期不应小于3个月，且应在桥墩荷载施加完成后进行。据此，理论上可以认为只要满足桥梁架设完成后有不少于6个月的监测期，那么根据这期间监测的数据就可以进行沉降评估。这样，对于水中墩的沉降监测就只需解决以下问题:如何对水中墩架梁后进行不少于6个月的沉降监测。

由于水中墩长期处于水中，在地面按正常的沉降监测方案是无法实施监测的。但是，当梁架设完成后梁面就变成了很方便的测量通道，这时，只须将原本应设在桥墩上的监测标转设在桥墩对应的梁面上来，然后将梁面上的监测标志按规范进行监测，最后再将梁面上的监测成果和地面的高程基准建立联系即可完成水中墩沉降监测网的运转。水中墩沉降监测方法示意见图1。

图1 水中墩监测方法示意

根据《高速铁路工程测量规范》(TB10601—2009)的规定，高速铁路线下桥梁工程沉降监测按照三等变形测量进行，采用二等水准施测。具体要求见表1。

表1 三等变形测量具体要求 mm

4 水中墩沉降监测网设计

沉降监测网由水准基点、工作基点和沉降监测点组成［4］，由于本监测区域范围较小，因此可将水准基点和工作基点合并处理。

如图1所示，分别在1273、1313号墩适当位置各埋设2个基准点，分别为JZA1、JZA2和JZB1、JZB2，其中JZA1、JZB1距离桥墩100 mm左右，作为工作基点使用，测量时可一站测得墩身观测标。基准点埋设位置应稳定、易于保存和使用，埋设标准参照国家二等水准点［5］。基准点应在启用前6个月埋设完成，以保证其在使用时已稳定。

在1273、1313号墩上埋设墩身观测标，标准和其他普通墩身标相同;在1275～1311号墩顶梁面左右各埋设1个监测标，埋设标准同梁体徐变观测标。编号为:墩号+L+1或2(左1，右2)。

高程系统可采用独立高程，也可采用与施工一致的高程系统，即1985国家高程基准。

5 沉降监测的实施

沉降监测仪器采用天宝DINI12型数字水准仪及配套的铟瓦尺，仪器标称精度:每千米往返测高差中误差0.3 mm。

5.1 基准网的测设

为工作简便，监测网采用独立高程基准，如需采用与施工一致的高程系统，只需将两个系统联测即可。基准网的测设分2部分:地面部分和梁面部分。

地面部分包括，JZA2-JZA1-1275D两段高差测量和JZB2-JZB1-1311D两段高差测量。测量时按照二等水准技术要求［1、5］进行。

梁面部分主要是1273L2～1313L2之间高差。如果线路较长(大于2.5 km)，可提高观测标准(如按一等水准设置测量限差)，或者增加测回数以提高基准网精度。

5.2 h1、h2值的确定

按照图1所示，要通过梁面将两边的基准网统一，需要确定1275D与1275L2之间的高差h1及1311D与1311L2之间的高差h2。h1、h2的精确值可以采用当前CPⅢ测量技术中成熟的“中间设站全站仪三角高程”测得［1，6］。但是，沉降监测的本质上需要的是沉降值，它是个差值，所以并不需要去测设h1、h2的实际值，而且由于桥墩的高强度和高荷载，它的形变可忽略不计，因此只需在基准网测设时给它们赋个值就可以了，以后涉及到它们的时候均将这个赋值做真值使用就可以了。

为了方便，可将 h1、h2全部赋值为10.000 0 m。如要保证沉降监测高程基准与施工基准的统一，可以采用“中间设站全站仪三角高程”精确地测得h1、h2。

5.3 基准网的数据处理

在外业数据测量完成后，即可进行基准网的数据处理工作。

首先建立独立高程基准，将 JZA2高程赋值为30.000 0 m。然后根据外业测量数据按照支水准进行解算，求得JZA1、JZB1、JZB2的高程。

5.4 沉降监测的实施

基准网测设完成后就可以按固定频率开展沉降监测工作。为了保证有足够的监测数据，监测频率严格按照7 d一次执行。

每次观测时，按照图1所示，首先观测出两头基准点至桥墩观测标的高差h11、h22。然后将仪器搬站到梁上，依次测量梁面上各监测点间的高差，梁面上的监测点将组成一个大的闭合环。如果梁面长度较长(大于2.5 km)，为了提高精度可以在每个墩上的两个梁面监测点之间加测一段高差，这样就又形成了众多小的闭合环，从而提高监测精度。

5.5 平差计算

每期监测工作完成后，即可根据测得的高差数据建立平差文件，平差文件建立如下(大部分水准测量软件均可自动完成):

JZA1，高程

JZB1，高程

JZA1，1275D，h11，测距

1275D，1275L2，h1(10.0000)，测距(0)

1275L2，1276L2，高差，测距

………

1311L2，1311D，h2(－10.0000)，测距(0)

1311D，JZB1，h22，测距

由于 h1、h2是在基准网测设时全部赋值为10.000 0 m，在以后工作中作为真值使用的，所以可以将上面的平差文件进一步优化如下:

JZA1，高程

JZB1，高程

JZA1，1275L2，h11，测距

1275L2，1276L2，高差，测距

………

1311L2，JZB1，h22，测距

如果是采用统一高程基准不能进行上面的平差文件优化。

平差文件建立完成后即可进行平差计算，平差后各监测点的高程即可全部得出。利用这些监测点高程就可计算求出每个监测点的沉降值。

6 规范［1］中要求的各种精度指标分析

监测仪器采用天宝DINI12T型电子水准仪，标称精度为每千米高差中误差0.3 mm，但是在观测中各种限差及操作方法都是按照二等水准进行的，所以在进行精度分析时按照每千米往返测高差中误差0.6 mm进行计算分析(经过日常积累的数据分析，其实际精度优于0.6 mm)。

由于二等水准前后视距为50 m左右，所以1 km大概应设置10站，则1 km往返测高差h=(h1+h2+……+h10－－－……－)/2。

由于仪器的各种限差设置相同、观测方法相同，所以可以认为各测站为同精度观测［7］，设单程一测站高差精度为Vn，则每千米往返测高差中误差Vh=(Vn·)/2。将Vh=0.6 mm代入上式有Vn= 0 .6/≈0.268 mm。进一步求算，可得往返一测站高差精度=0.19 mm。满足规范中“每站高差中误差0.3 mm”［1］的要求。

规范［1］中要求沉降监测网的相邻基准点的高差中误差1 mm。在建立基准网的时候是严格按照二等水准进行建立，采用仪器的每千米往返测高差中误差为0.6 mm，最远的相邻基准点为JZA1、JZB1。这2个基准点间的测距基本上等于水中墩的跨度L=1.3 km，则相邻基准点最大高差中误差m≈0.6≈0.68 mm。同时根据m极值为1可以推算出L的极值为2.7 km。理论上如果增加测回数为N，则L的极值为N/0.36(km)。

规范［1］中要求变形观测点的高程中误差为1 mm。如图1所示，由于监测网共包含41个墩，各墩之间均可一站观测，则最长的观测线路共需44站，则精度最弱点为22站观测数据，其精度为Vn·≈0.89 mm，n为测站数。如果监测时也采用往返观测，则最弱点的精度为·≈0.63 mm。取极值推算，最大监测长度可达100测站。通过对实际观测数据分析，变形点高程精度90%以上分布在0.2～0.8 mm，未发现高程精度低于1 mm的点。

规范［1］要求相邻沉降观测点的高差中误差为0.5 mm。实际在观测中，相邻的观测点均可1站观测完成，因此满足规范要求。通过对所有观测数据的分析，相邻观测点的高差中误差95%均分布在0.1～0.3 mm，没有超过0.5 mm的。

7 水中墩沉降评估分析

当沉降监测期满足3个月后即可进行第一次评估预测，当监测时长大于6个月后即可进行第二次评估预测［2，3，8］。

开展评估预测前应对监测数据进行整理，主要是统计每个监测点的沉降量和绘制沉降量－时间曲线。

沉降的评估预测工作一般都由业主委托专门的评估单位进行，所以下面随机选取1280L1号监测点为例，利用双曲线回归方程进行评估预测。

1280L1号监测点的沉降量-时间曲线见图2。

图2 1280L1号监测点评估分析曲线

7.1 第一次评估预测

选取1280L1号监测点中2009年2月26日至2009年6月11日的数据进行首次沉降评估分析。

按照《客运专线铁路变形观测评估技术手册》中的双曲线法进行回归分析［9-10］。回归方程为:S(t)=通过求解得，S(t)=，相关系数为0.957，最终沉降为1.67 mm，回归曲线见图2。

7.2 第二次评估预测

以1280L1号监测点全部6个月的观测数据进行回归分析，得S(t)=，相关系数为0.975，最终沉降为1.75 mm，S(t)/S(t=∞)=81.5%，回归曲线见图2。

通过对2次评估成果分析，各项指标均满足文献［1-3］要求。

8 结论

通过以上理论和实践数据分析可知，本技术方法在高速铁路桥梁水中墩沉降监测中完全可以满足高铁相关规范要求。同时按照本技术方法监测的我标段水中墩也顺利通过了沉降评估专家组的首次评估和最终评估，因此本技术方法是切实可行的，对完善我国高速铁路桥梁沉降监测体系具有很好的借鉴意义。通过对本技术方法的优化，水中墩的监测长度可达4 km以上。

另外，本水中墩的沉降监测技术与目前国内常用的2种水中墩监测技术(在水中修建栈桥作为观测通道，以常规水准观测进行的沉降监测;在桥墩安装特殊反射装置，以高精度全站仪三角高程进行的沉降监测)相比，本监测技术具有以下明显的优点:大大节约了沉降监测成本;实施起来简单、方便;可以确保高铁通车运营后沉降监测的连续性;较三角高程法，监测精度更高，监测长度更长。

因此，对于高速铁路桥梁水中墩的沉降监测笔者建议:在水中墩架梁完成之前可不进行沉降监测;在水中墩架梁完成后按本项目的监测技术开始进行沉降监测;对水中墩沉降监测数据的评估分析按照高铁相关规范要求进行，可优先采用双曲线法。

［1］中华人民共和国铁道部.TB 10601—2009 高速铁路工程测量规范［S］.北京:中国铁道出版社，2009.

［2］中华人民共和国铁道部.铁建设［2006］158号 客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南［M］.北京:中国铁道出版社，2006.

［3］铁道部工程管理中心.客运专线铁路变形观测评估技术手册［M］.北京:中国铁道出版社，2009.

［4］陈永奇.工程测量学［M］.北京:测绘出版社，1995.

［5］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 12897—2006 国家一、二等水准测量规范［S］.北京:国家测绘局，2006.

［6］田锡波，田山，于长帅，高志伟.全站仪三角高程中点法在大西客运专线桥墩测量中的应用［J］.铁道标准设计，2011(S1):102-103.

［7］武汉测绘科技大学测量平差教研室.测量平差基础［M］.北京:测绘出版社，1996.

［8］汤晓光，陈善雄，许锡昌，秦尚林.论铁路客运专线沉降变形评估标准与合理控制［J］.铁道标准设计，2010(2):1-3.

［9］张红亮.双曲线与指数曲线在客运专线铁路沉降评估中的应用［J］.铁道标准设计，2011(S1):33-35.

［10］王小刚，陈善雄，余飞，王星运.拓展双曲线法在铁路客运专线路基沉降预测中的应用［J］.铁道标准设计，2010(2):39-42.