公路路基下穿高速铁路桥梁监测关键技术

张志国

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

新建路基下穿既有高速铁路桥梁改变土层的原始应力场和位移场，进而引起邻近既有高铁桥梁的不均匀变形，其变形和受力状态与复杂的地质条件、荷载、施工及边界工况有关。针对该问题，目前主要采用有限元软件进行数值模拟分析，来判断设计方案的可行性；但由于地层分布的不均匀、力学参数的代表性等因素影响，数值模拟分析结果只能起到辅助分析以确定桥梁变形特征以及最不利工况的作用。为了增强施工风险的预见性，掌握公路路基施工对高铁桥梁准确的变形影响数值，需对桥梁进行监测。目前高铁桥梁监测技术分为自动化和人工两种方式，高铁桥梁变形监测要求精度高、频率高，本文结合实际的工程案例，重点介绍自动化监测技术成功应用情况，以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概述

1.1 工程概况

京沪高铁设计速度350 km/h，无砟轨道类型，线间距5 m；道路为东西向二级公路。道路与高铁交叉角度81°，下穿处铁路为32 m简支箱梁，现状桥下净高约8.4 m。下穿处采取路基形式整幅从高铁293#～294#桥墩间穿越。道路采用双向两车道，下穿高铁桥梁处路基横断面形式为0.75 m土路肩+7.75 m行车道+0.75 m土路肩，道路全宽9.25 m，机动车道路拱横坡为1.5%的双向坡。道路设计边缘距离高铁桥墩基础大小距离为5.14 m。高铁西侧有一处天然沟，沟底距离现状地面约5 m。道路与高铁桥墩位置关系剖面见图1。

图1 道路与高铁桥墩位置关系剖面(单位：m)

1.2 工程地质条件

2 有限元数值模拟

三维模型采用Midas GTS软件建立，模型x轴、y轴、z轴分别为线路纵向、横向和竖向。模型尺寸150 m×100 m×50 m。土体采用修正摩尔库伦本构[1]，混凝土采用弹性本构。模型中桥墩、桩基础采用梁单元模拟，路基填方及挖方、路面铺装采用三维实体单元模拟。模型底部设为固定约束，侧面设为法向约束。桥墩及梁部荷载按桥梁设计荷载查取，并换算为等效均布荷载施加在承台，三维有限元模型见图2。本模型选取土层相关地质参数见表1。

图2 三维有限元计算模型(单位：m)

表1 土层地质参数

3 监测方案及实施

3.1 监测方式

该工程采用自动化监测为主、人工监测为辅的监测方式。人工监测采用TrimbleDini03电子水准仪进行监测，仪器的精度为0.3 mm/km，可精确读至0.01 mm。

3.2 监测系统架构

监测系统采用具有滤波、平滑等关键数据处理算法的自动化、实时化、远程化控制平台。监测系统平台由传感器系统、数据采集和传输系统、供电系统、数据处理系统、数据展示与查询系统5大部分组成。架构方案见图3。

图3 监测系统架构

3.3 监测方案

由于高铁运行速度快，对无砟轨道的平顺性要求非常严格[2]且考虑到土的各向异性、流变性、应力路径的作用和时空效应的特性，以及在施工中由于地质条件、荷载条件、材料性质、施工技术和外界其他因素的复杂影响，实际情况和理论上可能有出入，因此在仿真分析指导下有计划地进行现场监测工作，可以更进一步的确保高铁运营安全。自动化监测基点和测点均布置在高铁箱梁内，能部分排除区域沉降影响，且测量结果均是相对基点的累计变形；自动化监测设备对应桥墩墩身上布设了可定期复测的人工监测点。既有高铁桥墩沉降监测方案详见图4。

图4 高铁桥墩沉降监测方案(单位：m)

为了满足运营管理部门要求，确保仪器设备精度和正常投入使用，监测设备采用挂壁式支架将仪器设备固定在支座顶部箱梁腹板内壁上，支架与箱梁采用黏贴的形式进行连接；监测设备安装过程中应进行调平，设备通液口和管线应在同一个平面内，上下高度差不超过2 cm；仪器设备和通液通气管应采用保温棉进行保温处理；设备安装完成后应对系统进行抬升和温度稳定性实验。静力水准系统的现场设置详见图5。

图5 静力水准系统的现场安装

4 数据分析

4.1 仿真结果分析

仿真分析结果见表2。由表可知：整个仿真分析过程中桥墩变形量292#<295#<294#<293#。单阶段最大隆起、最大沉降均发生在293#墩，影响数值分别为0.523 mm和0.032 mm，发生于小里程沟内路基填方和大里程侧开挖至基床2个阶段。293#桥墩仿真分析结果中最大累计沉降数值为0.677 mm，发生于道路运营阶段，不超过预警值1.2 mm，设计方案可行。根据仿真分析结果判断，监测过程中应重点关注293#和294#桥墩的变形情况。仿真分析技术手段指出了高铁桥梁变形特征及最不利工况，为后续项目实施过程中的监测提供了技术指导。

表2 仿真分析结果 mm

4.2 人工与自动化监测结果对比分析

人工沉降监测技术成熟，精度可靠。为了验证自动化监测数据的可靠性，可提取相同人工测量时间节点下的自动化监测数据，通过对比两组数据的手段来实现。在整个项目实施过程中，对高铁桥墩进行了4次人工测量，时间分别为2019/12/24、2019/12/8、2019/12/22、2020/1/2。首次人工测量在施工作业前进行采集，采集3次取其平均值作为本项目人工测量的初始值，以初始值为基础，依次获得人工桥墩沉降监测的变形值，桥墩变形数值见表3。整个项目实施过程中对高铁桥墩连续进行了110 d的自动化实时监测，取其人工监测时刻自动化测量的数据见表3。

表3 人工测量与自动化监测桥墩变形值 mm

依据《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》(TB 10314-2021)7.2.1规定，桥墩墩顶竖向位移限值应控制在2 mm内。为了确保高铁运营的绝对安全且留出合理的变形可控空间，故按照位移限值的60%作为高铁变形的预警值，80%作为高铁变形的控制值。从3次数据来看，测量结果均小于黄色预警值，变形均在可控制范围之内。且人工监测最大变形位置与自动化监测变形最大位置均为293#桥墩，人工监测数值结果为-0.685 mm，自动化监测数值结果为-0.702 mm。

由表3可知，自动化监测数据与人工监测数据规律一致，数值大小略有差异，表明项目自动化监测数据可靠，自动化监测数据可以代表桥墩变形的实时和真实状态。

4.3 自动化监测结果分析

本项目监测周期内，每10 min获取一组原始数据，经过滤波[3]、平滑等算法处理后每小时生成一组有效数据，图6为各桥墩监测点的沉降变形随施工过程的发展规律。由图6可知。施工阶段随着下穿路基填土荷载的逐步加载，桥墩各测点的沉降变形逐渐增大，最大变形位于临近路基的293#桥墩，最大值约0.7 mm。施工完成2个月后变形逐渐趋于稳定，最大变形值约为1.05 mm，变形结果小于黄色预警值，在可控制范围内。另外，对比各桥墩变形的沉降量可知，变形大小与填土距离桥墩位置相关，填土越临近桥墩沉降变形越大。

5 结论

(1)公路路基下穿施工导致影响范围内高铁桥墩发生不同程度的沉降变形，单阶段下293#和294#沉降值分别为0.523 mm和0.338 mm，发生于小里程沟内路基填方工况；293#和294#累计最大沉降值分别为0.677 mm和0.444 mm，293#和294#桥墩填土阶段变形比例占总变形的比例分别为77%和76%。仿真分析技术手段指出了高铁桥梁变形特征及最不利工况，为后续项目实施过程中遴选重点监测方向提供了技术指导。

(2)施工完成时，邻近路基的293#桥墩累计沉降监测值约为0.7 mm，施工完成后桥墩继续沉降，桥墩变形呈现出一定的滞后性。整个监测过程中，最大变形的293#桥墩沉降为1.05 mm，施工完成与最大变形时间间隔约为50 d。监测周期内所有桥墩沉降变形结果均在黄色预警值(1.2 mm)以内，满足高铁运营安全的要求。

(3)自动化监测数据与人工监测数据具有良好的一致性，数值大小略有差异；自动化沉降监测系统工作整体稳定，监测数据可靠，且桥墩最大沉降变形量1.05 mm在预警值范围以内，未对运营高铁桥梁结构造成显著影响。