寧波南站上跨深基坑鐵路便橋靜態監測技術*

魯四平，彭儀普，康日兆，李 林

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075;2.中鐵十七局集團，山西 太原 030006)

寧波南站改建工程中，新建國鐵站房基坑分為5區，基坑總面積為28000 m2，其中I－1區南北結構長為245.25 m，集散廳結構寬為75 m，站房基坑開挖長度為278 m，寬123.5 m，深度約9 m，地下第2和3層為地鐵2號線，最大深度為24 m，該基坑設3道鋼筋砼支撐。站房與地鐵聯合基坑土方量約35 m2。為保證既有線路暢通，基坑施工期間，采用雙線臨時鐵路便橋通行，臨時鐵路便橋全長133.6 m，寬12.9 m，格構柱91 根，C40 鋼筋砼梁板連續剛構結構，開挖分6層并逐層安裝28a槽鋼剪刀撐，格構柱間設3道鋼筋砼圈梁。該項目于2011年3月列車擺渡到臨時鐵路便橋上開始實施，2011年12月5日臨時鐵路便橋下第1層土方開始開挖，2012年1月6日便橋下第1層土方開挖結束;2012年3月4日便橋下第2層土方開始開挖，2012年3月22日便橋下第2層土方開挖結束;2012年4月16日便橋下第3層土方開始開挖，2012年5月2日便橋下第3層土方開挖結束。開挖結束后，每層隨即施工剪刀撐和格構間鋼筋砼圈梁。為確保寧波南站深基坑的施工質量和臨時鐵路便橋運營安全，驗證便橋和基坑設計所采取的各種假設和參數的正確性，指導基坑開挖、便橋支撐及支護結構的施工，實現動態設計和信息化技術管理，中南大學承擔了該新型臨時鐵路便橋的施工監測技術工作。本文擬對該橋梁靜態監測情況進行技術總結、分析和研究，希望對今后類似工程的監測實施有所借鑒。

1 監測內容和目的

監測目的:(1)確保基坑施工期間，臨時鐵路便橋的健康狀態和正常通行能力，保證運營線路安全;(2)驗證臨時鐵路便橋承重結構設計，指導基坑開挖和支護結構的施工。具體監測內容和頻率如下。

(1)鐵路便橋的三維(水平位移、沉降)監測。臨時鐵路便橋變形監測的核心內容是對橋梁上各重要點的空間位置變化進行精密觀測，通過觀測布設在橋梁上關鍵部位上觀測點的三維坐標在一定時期內變化來實現，三維坐標變化包括水平位移和沉降。

(2)鐵路便橋梁板的應力監測。在臨時鐵路便橋主梁支座和主梁跨中位置布置鋼筋正應力測點，以監測在鐵路運營和基坑開挖施工過程中這些截面的應力變化與應力分布情況，評估橋梁結構的可靠度。

(3)監測頻率。①橋面隆沉:10 mm，2 mm/d;橋面水平位移(X向):10 mm，1 mm/d;橋面水平位移(Y向):10 mm，1 mm/d。②橋面相鄰測點差異隆沉:5 mm，1 mm/d;橋面相鄰測點差異水平位移(X向):3 mm，1 mm/d。③鋼筋應力200 N/m2。④橋面隆沉每天至少1次，橋面位移每12 h 1次，鋼筋應力每天1次，特殊情況另定。

2 技術方案

2.1 三維監測控制網

概念:基準點指遠離施工鐵路便橋(施工場地)，且本身穩定用于檢核和觀測工作基點穩定性的點;工作基點指基本穩定，且靠近基坑，用于測量變形點的位置或沉降變化的點(工作基點一般埋設帶強制對中的觀測墩);監測點指埋設在變形體上反映監測對象變形的點。根據現場條件，鐵路便橋三維(水平沉降位移)監測采用由基準點監測工作基點、再由工作基點監測變形點的兩級觀測層次。

兩級水平位移監測均采用邊角網方案。根據模擬設計，觀測以精密光電測距為主，方向觀測為輔。基準網觀測技術要求:光電測距中誤差不大于±1.0 mm;方向觀測中誤差不大于 ±2.0″。為提高初始值的可靠性，首次觀測(零周期)的觀測量加倍。

為便于分解水平變形量，平面坐標采用獨立坐標系，坐標軸與便橋橋梁中線平行，X軸向東為正，Y軸向北為正。高程采用獨立高程系。

基準網由3個基準點和5個工作基點構成(圖1)。基準點選擇在遠離基坑的穩定位置，測量標志采用固定微型棱鏡。基準網采用LeicaTCA全站儀觀測角度和距離各四測回，經嚴密平差后，方向觀測中誤差為 ±1.8″，光電測距中誤差為 ±0.8 mm，最大點位誤差為 ±0.4 mm;最大點間誤差 ±0.3 mm，滿足測量精度要求。基準網點高程采用Trimble數字水準儀DINI03(±0.3 mm/km)施測。

圖1 三維變形控制網布置示意圖Fig.1 3D deformation control network layout diagram

便橋北側和南側各布設2個工作基點(便橋北側C和D，便橋南側A和B)，選擇在便橋東西側橋臺的較穩定位置處，采用強制對中砼固定觀測墩，見圖2;安裝精密型不銹鋼強制對中盤，見圖3。軸套和插軸公差小于0.1 mm。

2.2 鐵路便橋的三維(水平位移、沉降)監測

根據現場條件，在4個工作基點(橋臺處A，B，C和D，如圖4所示)架設Leica TCA1201+精密全站儀，對鐵路便橋南側(S1～S25)和北側(N1～N25)的變形點進行三維監測。變形點安裝采用角鋼用膨脹螺栓強制固定在橋梁兩側格構柱的位置，精密小棱鏡始終強制固定在角鋼上，保證橋梁與小棱鏡同步變形，變形監測點布置如圖5所示。

為了保證觀測精度，將監測區域劃分為2個區:便橋北側、便橋南側(圖4)，并采用統一監測基準和觀測方法。便橋南側和北側以S13和N13分界，南側即在工作基點A架設全站儀，后視工作基點B，監測三維變形點S1～S13，然后在工作基點B架設全站儀，后視工作基點A，監測三維變形點S14～S25;北側即在工作基點D架設全站儀，后視工作基點C，監測三維變形點N1～N13，然后在工作基點C架設全站儀，后視工作基點D，監測三維變形點N14～N25。從而保證監測的距離在橋梁全長的一半內(即133.6/2)內，大幅減小測量誤差，保證測量的精度。在4個工作基點(橋臺處A，B，C和D)旁灌注樁上用測量杯托布置4個沉降測量工作基點，如圖6所示，保證高程的精確傳遞。

圖2 固定觀測墩(工作基點)Fig.2 Fixed observation pier(working base point)

圖3 強制對中盤Fig.3 Forced to set disc

圖4 三維變形監測點平面布置圖Fig.4 3D deformation monitoring points layout

Leica TCA 1201+全站儀(標稱精度:測角±1.0″，測距±1 mm+1PPm)，由于采用強制對中和監測棱鏡固定方案，這樣橋梁橫向(垂直于橋軸線方向)和高程誤差主要由測角誤差引起，橋梁縱向誤差(平行于橋軸線方向)主要由測距誤差引起。精度估算如下:

其中:mmax橫和mmax豎為橋梁橫向和橋梁豎向最大中誤差。橋梁縱向方向(即橋梁長度方向)最大中誤差為全站儀的最小測距誤差±1 mm。

2.3 鐵路便橋梁板的應力監測

根據對多種應力測試儀器的性能比較，考慮要適合長期觀測并能保證足夠的精度，選用長沙金碼高科生產的鋼弦式應變計(埋入式)和配套的頻率接收儀作為應力觀測儀器。該應變計的溫度誤差小、性能穩定、抗干擾能力強，適合于應力長期觀測。四芯屏蔽導線連接至橋端安全位置監測。四芯屏蔽導線連接至橋端安全位置監測。應力監測點在便橋上具體位置如圖7所示。

圖5 三維變形監測點現場布置圖Fig.5 3D deformation monitoring site layout

圖6 沉降測量工作基點現場布置Fig.6 Settlement measurement base point site layout

圖7 便橋應力現場監測Fig.7 Temporary bridge stress monitoring

3 數據分析

臨時鐵路便橋下土方共分3次開挖，每一層開挖后，施工剪刀撐和澆筑格構間鋼筋砼圈梁，各層土方開挖過程中，監測情況分析如下。

(1)便橋下第1層土方開挖期間，便橋北側長度縮短11.7 mm，便橋南側長度縮短11.6 mm，造成便橋東西側方向向便橋中間縱向變形，變形最大為東西側橋臺位置5～6 mm，趨勢向便橋中間方向遞減，便橋中間縱向基本不變。

便橋下第2層土方開挖期間，受溫度影響，便橋北側長度伸長9.8 mm，便橋南側長度伸長10.2 mm，抵消了便橋下第1層土方開挖期間長度縮短現象。變形最大為南側中間位置(S13)，向東偏移3 mm左右。

便橋下第3層土方開挖期間，便橋東西向(長度)變形較小，整體變形最大在±(2～3)mm范圍內。

(2)便橋下第1層土方開挖期間，便橋南北測(橫向)向北位移，呈弓形中間最大為 －1.8 mm(S14)，幅度南側大于北側(北側最大約－1.0 mm)。

便橋下第2層土方開挖期間，便橋南北側(橫向)基本穩定，日常沒有大的變形，目前，橫向為向北位移，呈弓形中間最大－2.3 mm(N17)，幅度南側與北側基本相同(南側最大約－2.0 mm，S14)。

便橋下第3層土方開挖期間，便橋南北側(橫向)基本穩定，日常沒有大的變形，目前，橫向為向北位移，呈弓形中間最大為－2.4 mm(S14)，幅度南側與北側基本相同(北側最大約 －1.9 mm，N20)。

(3)便橋下第1層土方開挖期間，便橋南北測(高程方向呈隆起趨勢)，基本呈弓形中間最大為－5.0 mm(S10)，幅度南側大于北側(北側最大約為 －1.8 mm)。

便橋下第2層土方開挖期間，便橋南北測(高程方向呈隆起趨勢)，基本呈弓形中間最大為－9.0 mm(N16)，幅度南側與北側基本相同(南側最大約 －8.6 mm，S11)。

便橋下第3層土方開挖期間，便橋南北測(高程方向呈隆起趨勢)，基本呈弓形中間最大－18.6 mm(S11)，幅度南側大于北側(南側最大約－14.1 mm，N17)。高程采用獨立高程系。

(4)鋼筋應力以便橋2011年3月通車前，清零為初始值，所測量的數據為鋼筋應變儀測量原始值，未考慮鋼筋混凝土收縮徐變和溫度影響;便橋下第1，2和3層土方開挖后，鋼筋應力每層變化約±20 MPa。(鋼筋應力報警值±200 MPa)。應力變形較平穩。

圖8 第1層土方開挖期間，北側中間點N11的時間－位移曲線Fig.8 The first layer of earth excavation period，time displacement curve of N11

圖9 第2層土方開挖期間，南側中間點S14的時間－位移曲線Fig.9 The second layer of earth excavation period，time displacement curve of S14

圖10 第3層土方開挖期間，南側中間點S13的時間－位移曲線Fig.10 The third layer of earth excavation period，time displacement curve of S14

圖11 第2層土方開挖期間，便橋中間應力監測點的時間－位移曲線Fig.11 The second layer of earth excavation period，time displacement curve of stress monitoring

(5)便橋三維監測和應力監測點隨時間變形曲線見圖11～14。其中X方向為順橋向，向東變形為負，向西變形為正;Y方向為橫橋向，向北變形為負，向南變形為正;H方向為高程方向，隆起為負，下沉為正。

4 結論

(1)寧波南站上跨深基坑鐵路便橋結構形式為國內首創。其臨時鐵路便橋為3.8～6 m共24跨不等跨現澆鋼筋混凝土連續板橋，全長133.6 m，橋寬12.9 m，采用角鋼格構柱作為臨時鐵路便橋的支撐，在目前鐵路工程中暫無先例，且該便橋位于寧波車站的繁忙干線，在便橋下深基坑開挖的同時，須保證沿海鐵路列車絕對安全平穩地通行，安全監測至關重要。

(2)本文依據該工程的現場實際、結構的特點和設計的要求，制定了橋梁靜態監測的具體實施方案、數據分析與處理模式，對該橋梁變形的規律進行了分析研究，為深基坑安全和信息化施工提供了指導，保障了鐵路便橋上列車安全運營。對今后類似的橋梁施工監測有一定的指導和借鑒意義。

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