邻近施工影响下既有高速铁路自动化监测技术

郦 晔

(中国铁路上海局集团有限公司南京铁路枢纽工程建设指挥部，江苏 南京 200142)

随着我国铁路网建设的日益完善，与既有高铁线发生并线的铁路线路越来越多，例如鲁南高铁在曲阜东站接入京沪高铁、南沿江城际铁路在江宁站引入宁杭高铁等。既有高铁线邻近施工极易引起地层扰动从而产生位移变形，影响既有高铁基础设施的稳定性和轨道的平顺性，成为威胁高铁列车安全运行的又一风险源。利用现代沉降监测技术，实时掌握邻近施工对既有高铁线路变形的影响，成为确保邻近施工有序实施和既有高铁线路安全运营的有效保障。陈成刚、杨秉辉等基于静力水准原理，构建了自动化沉降监测技术，并成功将其应用于临近施工对既有线沉降变形监测[1,2]；闵永智等构建了基于图像检测技术的沉降在线监测系统，并应用于现场无砟轨道表面监测，累积误差小于1.0 mm[3]；郭高冉等提出一种基于光纤振动加速传感阵列的高速铁路无砟轨道基础变形监测方法，但该方法无法直接得到沉降变形值[4]；此外，合成孔径雷达干涉测量(InSAR)等先进测量技术也开始在铁路沿线沉降变形监测中应用[5,6]，但因该方法测试精度稍低、易受天气等因素影响，故常用于区域大范围监测中，对于局部结构的沉降变形监测仍处于研究探索阶段。

本文基于静力水准测试原理，构建了既有铁路桥梁、路基等基础设施沉降变形自动化监测系统，并将其应用于邻近施工的高铁线路结构沉降变形监测，保证了既有高铁线路的安全运营。

1 工程概况

新建南沿江城际铁路为高铁客运专线，设计速度350 km/h，正线长度278.145 km，部分区段与既有宁杭高铁存在并行区间。因新建客运专线相对既有高铁下部基础的不同，存在不同并行方式：桥穿桥、桥并桥、路并桥、路并路，各类并行方式对应的典型工况如表1所示。

在并行线路区段范围内，因新建线与既有线间距较小，新建线施工必然对既有线结构产生影响，也是既有线高铁列车运营安全风险最高的区段。

2 监测系统构建

针对临近施工影响范围内的既有高铁基础设施，构建沉降变形数据采集-传输-存储-分析-预警自动化的监测系统，其基本构成如图1所示。

图1 监测系统构成

系统生成的数据及报表等会发送至现场管理、施工、监理单位及既有线工务段等相关单位负责人，便于及时有效的进行信息沟通和交流，为既有线的安全运营和临近施工工艺的优化提供准确可靠的支撑，也便于超限预警后应急预案的实施。

表1 新建南沿江城际铁路与宁杭客专典型并行区段

2.1 理论评估

为评估新线建设施工对既有线结构沉降变形的影响，采用有限元分析软件建立典型并行区段的三维仿真分析模型，其中各工况对应的三维有限元分析模型见图2、图3。

图2 Q1工况有限元模型及结果

图3 不同工况有限元分析模型

图2模型中假定各土层均呈匀质水平层状分布，并采用修正摩尔-库伦模型模拟土体的本构关系；摩擦桩采用梁单元模拟，土体、桥墩及承台等均采用实体单元模拟；桥梁的上部结构通过自重形式加载于桥墩上；土体水平四周边界采用水平约束，底边界采用竖向约束。为减小边界条件的影响，模型全长320 m，宽150 m，高60 m。由图2(b)可知， 87号桥墩沉降量最大，为1.1 mm。

通过计算得到，Q2、Q3及L4工况下既有线桥墩或路基因新线施工引起的最大沉降量分别为0.6 mm、3.0 mm及3.1 mm。相对Q2工况，Q1工况对应的承台最小距离、最小桩间距更小，故其受临近施工影响更显著，对应的桥墩沉降量更大。对比四种工况，因新线路基施工对地层扰动较桥梁施工显著，既有线结构无论是桥梁还是路基，其沉降量较桥穿桥、桥并桥工况均较大，甚至会造成既有线部分位置沉降量超限[7]。因此，需要对既有线结构进行沉降变形监测，获取新线实际施工对既有线结构沉降的影响规律，从而指导新线施工。

2.2 测点选择及传感器布设

测点布设的合理性决定了监测数据反映既有线变形空间分布的真实性和可靠性，并且与监测系统构建的经济性直接相关。对既有桥梁结构，临近施工通过影响桥墩的变形改变桥上轨道结构的几何形位，因此其测点主要布设于各个桥墩顶部或梁端，故Q1、Q2及Q3工况中各桥墩均设置测点，并且位于施工侧；既有线路基结构，临近施工的影响程度主要与线间距相关，故在普通路基地段的沉降变形测点间距较大，为20 m；在路基帮填段因线间距减小，测点间距减小至10 m；此外，在理论分析得到沉降量较大的区段测点也需进行加密。图4为现场不同结构对应的测点传感器布设。

图4 现场测点传感器布设

2.3 监测数据处理及分析

以Q3段监测数据为例，因数据采集频率较高，既有线列车运行时间间隔较短，测量数据极易受到车致振动的影响，表现出较大的波动特征。针对高铁运营特点，线路维护的“天窗时间”为每天0:00～4:00，此时高速列车停止运行，车致振动现象消失；同时考虑沉降变形为缓慢变化过程，故采用此时间段内监测数据的中位数作为当日沉降变形数据；取中位数之前需要依据拉依达准则及中位数滤波等方法剔除数据中的异常值。处理后的数据如图5所示(其中部分时间段因供电设备故障造成数据不连续)。图5中竖坐标差异沉降表示该测点相对前一测点的沉降量，其中负值表示当前测点相对前一测点发生下沉，正值则相反。

图5 不同测点沉降量随时间变化数据(处理后)

从图5结果看出，监测期间相邻桥墩间的差异沉降量均较小，在-0.66～0.89 mm之间波动，其中最大差异沉降发生在70号桥墩位置；70号桥墩对应的差异沉降在2020年12月20日至2021年1月20日之间的波动范围均较大，这是因此时间范围新建线路基施工所致。

对L4工况，主要关注路基的累积沉降变形，图6为截至2022年3月24日既有高铁上下行路基累积沉降变形分布曲线，此时下行线K11+108—K11+381轻质土帮填完成，K11+381—K11+702轻质土帮填正在进行，上行线K11+088—K11+513.7轻质土帮填正在进行。

从图6结果看出，帮填区域的路基会发生小幅的隆起变形，因上行线帮填区域范围稍大于下行区域，故其隆起变形幅值也稍大，上、下行线帮填区域隆起变形幅值分别为0.4 mm和0.3 mm；帮填完成区段会因土体重量增加而发生沉降变形；从整体来看，上下行区段对应的路基沉降变形量不显著，最大累积沉降量不到0.6 mm。

图6 L4累积沉降量分布曲线

对比监测结果与仿真分析可见，仿真结果与实测结果的规律基本一致，但仿真结果显著大于实际监测值，其主要原因为仿真模型对土体性能的简化，尤其是既有线下的土体，因长时间受到列车荷载的作用，其性能与邻近施工土体性能必然存在较大差异，但为简化计算，仿真模型中两者均简化性能相同的土体；此外，土层均匀性分布与实际存在较大偏差，也会对计算结果造成影响。因此，依托仿真模型进行定性分析，指导建立沉降变形监测系统是掌握临近施工对既有线沉降变形影响的重要手段，也是既有线安全运行的重要保证。

2.4 预警预报

临近施工对既有线路影响监测数据在达到一定水平时自动预警预报。系统发出预警后应立即进行现场踏勘、测点人工复测，确保信息可靠，避免误报，并形成预警分析报告。对于非误报情况，需要通过优化施工工艺、调整施工开挖、填筑、钻进等工程措施的进度或者加强既有结构物保护措施将变形速率、累计变形量控制在预定的范围内，从而保证既有高铁在施工期的运营安全。

3 结束语

邻近施工会对既有高速铁路结构安全状态产生影响，基于有限元方法开展了南沿江城际铁路施工对邻近宁杭高铁桥梁和路基结构沉降变形的影响分析，指导新线与既有线典型并行区段测点选择，形成了集安全评估、自动化监测、预警预报、应急预案于一体的风险管控技术体系，应用效果良好。