自动化监测在高铁桥墩纠偏施工中的应用

郑勇波

(1.上海京海工程技术有限公司，上海 200125； 2.同济大学地下建筑与工程系，上海 200092)

1 引 言

高架桥是高铁工程中最常用的一种结构形式。高铁线路往往位于城郊或农村，无法进行全天候管理，即使封闭，影响范围内仍经常出现违法土堆载或卸载现象，从而导致高架桥桥墩产生较大侧向位移。因高铁列车对轨道的定位精度要求很高，位移量超出一定范围，对应线路即会降速运行甚至停运。

某段高铁高架桥由于受到堆土和右侧新开河道的影响，导致桥墩发生侧向位移。为把桥墩反向纠偏至原位置，需在开挖河流的一侧设置高压旋喷桩，利用旋喷桩的喷射压力对土体的挤压作用带动桥梁基础偏移，以达到桥梁结构的整体纠偏作用。

高铁桥墩纠偏施工只能在凌晨运营天窗时间段内进行，而且土体挤压作用存在一定的滞后效应，为准确控制桥墩和梁体纠偏量和实时了解其最终变形状态，需对桥墩和梁体进行自动化监测。目的在于把施工引起的结构变形动态信息及时反馈给施工单位，使之能够在现场及时调整纠偏施工推进速率，优化和改进施工方法，确保高铁高架桥结构的安全。

2 工程概况

本段高铁高架桥含5个桥墩，上部结构为简支箱梁，桥墩高约 21.0 m～23.0 m，基础采用钻孔灌注桩，桩长约 67.5 m～70.5 m。工程区域位于上海市松江区，属于滨海平原地区，地形平坦，地面高程一般为 1.5 m～3.0 m，沿线基本为农田、村舍。区域内土层为典型的上海深厚软土层，主要有①1人工填土层、②2黏土层、③1淤泥质粉质黏土层、④淤泥质黏土层、⑤1黏土层、⑥1黏土层、⑥2粉质黏土层、⑦1粉土层及⑦2粉细砂层。地下水因大气降水及地表水的补给，水量较丰富，埋深一般为 0.2 m～1.5 m。工程所处区域地震动峰值加速度为 0.1 g，地震动反应谱的特征周期为 0.35 s。

线路偏移量一览表 表1

图1 自动化监测与施工工况关系

根据5个桥墩对应的高铁线路运营期变形数据，并考虑线路扣件调整量，线路横向偏差情况如表1所示，偏移量以垂直线路方向为主。主要施工工序如下：施工应力释放孔→施工钢板桩→施工旋喷桩→施工掏土孔→施工变形槽，每个工况完成即根据自动化监测数据进行纠偏效果评估，并及时调整施工工艺。自动化监测与施工工况的具体关系如图1所示。

3 监测系统

3.1 数据采集

本次监测采用独立平面坐标系统，以沿高铁线路方向为X轴，与线路垂直方向为Y轴。平面坐标系统实际建立时，先假定起始方位角，建立一个坐标系统，然后在CAD图中将坐标轴旋转至监测用独立平面坐标系统，再根据旋转的角度调整起始方位角，从而建立满足定向要求的平面坐标系。监测基准网采用边角网的形式建立，包括1个工作站及3个基准点。工作站选择施工区域外相对稳定、方便使用的位置，并同时与监测点通视。基准点布设在轨道交通线路两侧，远离施工区域，采用强制观测墩结合观测标架的方式布设，使其与基准点近似成等边三角形。采用徕卡测量机器人TM30进行观测，观测时，仪器架设在工作站上，监测期间不许搬动，工作房24小时派人值守。工作站及仪器布置示意图如图2所示。

图2 工作站及仪器布置

根据高架桥结构形式，在每个桥墩和梁体上布置4个自动化监测点，以反映该桥墩及其梁体位移变化量。由于现场承台覆土较厚，不利于观测，同时考虑监测的全面性，因此将位移监测点埋设在墩身下部和顶部以及梁体两端。此外，为精确测量每个桥墩的沉降量，还在每个桥墩的底部位置布设一个沉降观测点，某个墩台点位布置情况如图3所示。监测范围内总计5个桥墩，监测点整体分布示意图如图4所示。

图3墩台监测点布置

图4 监测点分布示意图

本次所采用自动变形监测系统主要由数据采集、数据传输、控制系统、告警系统、数据处理、数据分析和数据管理等部分组成，图5所示为系统组成示意图。自动化观测基本过程：首先，TM30测量机器人架设在工作站上，瞄准基准点，采用后方交会的方法检查工作站的站点坐标。接着，采用全圆观测法测量各监测点的角度与距离，然后将测量的原始数据通过网络模块传输到后台处理软件，进行数据自动平差和变形曲线的绘制，处理过程详见3.2节。学习测量之后的后续监测过程均由仪器自动完成。

图5 自动化监测系统组成

3.2 数据处理

采用极坐标法观测直接获得变形点三维坐标，再对施测结果进行差分处理。即：按极坐标的方法测量测站点(基准点)至其他基准点和变形点的斜距、水平角和垂直角，将测站点至具有代表性气象条件的基准点测量值与其基准值(基准点测量或复测值)相比，求得差值。

(1)距离的差分改正

(1)

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(2)

(2)球气差的改正

如上述的距离测量一样，如果某一时刻测得监测站与某基准点间的单向三角高差hJ为：

hJ=dJ×sinα+iJ-aJ

(3)

式中：α—垂直角，iJ—仪器高，aJ—棱镜高。

那么，根据下式可求出球气差改正系数c：

(4)

按下式可求出变形点与监测站之间经球气差改正的三角高差△hp：

(5)

(6)

(3)方位角的差分改正

(7)

(8)

(4)变形点三维坐标和变形量的计算

综合以上各项差分改正，按极坐标计算公式可准确求出每周期各变形点的三维坐标。

(9)

式中：X0、Y0、Z0——监测站的坐标值。

(10)

4 监测数据分析

本次监测于2015年6月27日完成初始值采集工作，自6月28日起开始进行全面监测，至8月11日20时监测工作结束，桥墩和梁体位移共监测446次。至最后一次观测时，375#桥墩纠偏量为 18 mm，对应梁体纠偏量为 16.9 mm；376#桥墩纠偏量为 28.5 mm，对应梁体纠偏量为 29.6 mm；377#桥墩纠偏量为 17.3 mm，对应梁体纠偏量为 15.6 mm。整体来看，与表1所述的线路偏移量基本一致，说明纠偏达到预期目的。梁体的梁体X方向、梁体Y方向、桥墩X方向及桥墩Y方向位移累计变化量-时间曲线图分别如图6～图9所示。

分析曲线图可知，所有梁体和桥墩位移日变化量均小于 4.0 mm。其中，梁体位移在7月2日3时L376-1、L376-2、L377-1、L377-2日变化量分别达到 3.1 mm、3.1 mm、3.2 mm、3.3 mm；7月28日3时L376-1、L376-2、L377-1、L377-2日变化量分别达到 3.2 mm、3.1 mm、3.1 mm、3.3 mm；8月5日3时30分L376-1、L376-2日变化量分别达到3.1 mm、3.2 mm。桥墩位移在7月2日3时D376-1、D377-1、D377-2日变化量分别达到3.1 mm、3.3 mm、3.4 mm；7月28日3时D376-1、D377-1、D377-2日变化量分别达到3.1 mm、3.5 mm、3.0 mm；8月3日3时D376-2日变化量达到 3.8 mm；8月5日3时30分D376-1、D376-2日变化量分别达到 3.3 mm、3.6 mm；8月6日3时D376-1、D376-2日变化量分别达到3.2 mm、3.8 mm；8月7日3时D376-2日变化量达到 3.5 mm。

上述情况出现后，立即进行加密监测，同时施工方也高度重视，及时调整施工工艺，直至施工结束，没有发现位移继续增大的情况。后经分析，上述现象发生主要是旋喷桩距离桥墩越来越近，喷浆压力加大所致。

图6 梁体X方向位移累计变化量-时间曲线

图7 梁体Y方向位移累计变化量-时间曲线

图8 桥墩X方向位移累计变化量-时间曲线

图9 桥墩Y方向位移累计变化量-时间曲线

5 结 论

本文研究所取得的有价值结论主要有：

(1)针对高架桥纠偏施工的特点和要求进行自动监测系统设计，满足后续施工控制对位移数据及时性和准确性的要求。

(2)纠偏作业过程中，自动化监测数据均实时和准确反映了高架桥结构的位移量，说明自动化监测技术在高架桥工程纠偏施工中应用是可行的。

(3)纠偏施工的控制关键在于旋喷浆液压力的控制，根据自动化监测数据实时调整施工参数和施工工艺很有必要。