橋梁擴建施工對既有舊橋影響的監測與分析

陳楊利

(福建省永正工程質量檢測有限公司 福建福州 350000)

橋梁擴建施工對既有舊橋影響的監測與分析

陳楊利

(福建省永正工程質量檢測有限公司 福建福州 350000)

本文以某橋梁改造工程為背景，論述了橋梁擴建施工振動對既有舊橋影響的監測要點，通過監測數據分析，得到既有舊橋的變形和振動特征，監測工作為新橋的順利施工和舊橋的安全運營提供了重要數據支持，其監測經驗可供類似工程借鑒。

舊橋擴建施工;變形監測;振動監測

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引言

隨我國經驗快速發展，交通量不斷增長與現有道路通行能力不足的矛盾日益突出，大量早期建成投入運營的橋梁，由于建筑施工技術水平較低，加之多年的運營使用，服務水平已經明顯降低，難以滿足日益增長的交通要求，甚至存在嚴重的問題，如交通擁擠、行車速度減慢、橋梁承載能力退化等，嚴重制約了城市道路交通通行能力，已成為道路運輸線上的“瓶頸”，這些舊橋急需進行改建、擴建，以便增加通行能力。但在改、擴建過程中，因新舊橋結構較近，新橋施工往往會對舊橋結構帶來較大的影響。

新橋施工期間，確保仍需運行的既有舊梁特別是車輛、人口通行密集的城市橋梁結構的安全尤為重要。目前已有少量學者就施工對橋梁影響進行了研究［1～4］，但尚無規范對此類工程的監測頻率、監測預警值等進行明確規定。本文以某橋梁改造工程為背景，論述了橋梁擴建施工對既有舊橋影響的監測要點，并對監測結果進行分析，其經驗可供類似工程借鑒。

1 工程背景

某橋梁改造工程既有舊橋為10×22.2m跨鋼筋混凝土簡支梁橋，結構全長235.19m，橫向由7片T型梁組成，下部結構采用重力式墩臺，橋墩平均高度約為12.0m。

擴建橋梁全長234.0m，為2×33.5+2×50+2 ×33.5m現澆等截面連續梁橋。新橋下部結構采用實體式橋臺，花瓶式橋墩，鉆孔灌注樁基礎，樁基采用沖擊鉆孔施工方法。新、舊橋基礎平面位置關系見(圖1)。

2 監測概況

監測工程始于2013年12月24日，終止于2015年4月10日，貫穿新橋從基礎到橋面鋪裝施工整個過程，其中2014年2月17日前完成了測點布置及初始數據采集.正式施工開始，截止2015年4月10日，累計進行橋面沉降監測47次、橋墩水平位移監測43次、橋面質點振動速度監測3次。主要監測內容包括橋面沉降監測、橋墩水平位移監測、橋面質點振動速度監測。

(1)橋面沉降監測:采用水準測量方法，在各墩臺處橋面上、下游側布置沉降測點，并與橋外工作基點形成閉合回路，按二級水準控制測量。上(下)游側橋面測點由東至西依次編號為S(X)1～S(X)11。

(2)橋墩水平位移監測:采用極坐標法對橋墩水平位移進行監測，在各橋墩上游面墩身頂部及水面以上1.0m處各布設1個測點，由上至下依次編號為Hn－1～Hn－2(n為橋墩編號1～9)，水平角觀測技術指標按儀器類型為DJ2考慮。

(3)橋面質點振動速度監測:采用DH5920動態信號采集系統和DH610V(H)速度傳感器采集關鍵橋墩橋面處質點三向振動速度，根據新舊橋基礎位置關系，測點布置在3#、8#、9#橋墩處橋面新橋側。

圖1 新、舊橋基礎平面布置圖(單位:m)

3 監測要點

3.1 數據可靠性

該改造工程為山區跨河橋梁，橋梁跨數多，河面風速較大，早晚環境溫差較大，同時結構監測點數量多，結構受新橋施工及橋上交通雙重的振動影響，以上各種不利因素增加了監測難度，對監測工作提出了較高要求。

(1)監測時段影響:隨機選擇天氣晴朗的5個監測日，分別在早上7點和下午14點對橋面沉降和橋墩水平位移測點進行量測。沉降量測結果對比分析表明，14點時段所測水準數據閉合差普遍較大，各測點沉降波動性較明顯;水平位移量測結果對比分析表明，早上7點量測位移較小，數值較接近，波動性較小，下午相應測點的位移較大，波動性明顯。經分析，可能原因有:①結構受溫度影響產生熱脹冷縮效應，從而影響結構變形;②地球幅射差異造成大氣折射率不穩定，從而影響儀器測量結果的穩定性;③下午14點橋面交通明顯大于早上7點時段，車輛振動影響增大。因此，監測時段宜選擇在早上7點左右，減小溫度、交通等因素對測量工作的不利影響，提高監測數據的可靠性。

(2)測點布設影響:采用符合規范要求的全站儀對橋墩水平位移進行監測，各監測點布設棱鏡，同時在部分測點布設反射片，兩者量測結果對比分析表明，反射片量測所得位移范圍較棱鏡大2mm～3mm，數值離散性較大。因此，應采用棱鏡作為水平位移測點變形響應裝置，以便提高水平位移監測精度。

(3)測點數量影響:本工程包含22個水準測點和18個水平位移測點，每項量測工作需要2h左右，因量測工作持續時間較長，加大了環境溫度、橋上交通等外在因素對測量精度的影響。監測結果表明，隨測點數量增多，不僅監測工作量及數據分析量增大，而且測點數值波動性增大，精度變低。因此，監測過程應根據施工階段差異、結構變形發展狀況等因素對各測點實行差別化、有重點的監測，減少測點數量，提高監測效率和監測結果精度。

綜上所述，變形監測應注意根據具體工程情況，對監測時段、測點布設及測點數量等進行優化，確保監測數據的可靠性。

3.2 巡視檢查

該工程監測測點數量較多，數據處理工作量較大，監測數據缺乏直觀性，變形監測數據無法及時反應結構的變形狀況。因此，為及時發現結構異常，對結構和構件變形進行有效巡視檢查至關重要。

受條件限制，本工程主要對橋面鋪裝、人行道及欄桿外觀進行巡視，根據新橋施工情況及舊橋橋墩與施工橋墩遠近關系，確定關鍵巡視部位，重點觀測橋墩位置橋面病害發展情況。為保證巡視效果，巡視方法如下:

(1)采用油漆對各墩項處橋面鋪裝、人行道及欄桿裂縫初始情況進行標記并拍攝記錄。

(2)監測期間，每天上、下午對舊橋各進行巡視一次，根據具體施工情況不定期對各關鍵點進行拍攝，按部位對照片進行分類管理。

巡視檢查一定程度彌補了監測時效性的不足，能夠及時發現結構異常，為施工安全順利進行提供重要保證，且根據各關鍵部位在各個時間點的照片資料可直觀顯示橋梁病害發展狀況。

3.3 監測頻率

現場監測以確保舊橋運營安全為監測工作首要原則，變形觀測周期的確定應以能系統地反映所測橋梁變形的重要變化過程且又不遺漏其變化時刻為原則，結合現場施工內容與進度、變形量的大小、變形特征及天氣水文因素等情況設置監測頻率。當監測值相對穩定時，可適當降低監測頻率，當有危險事故征兆時，應實時跟蹤監測。

本工程主要根據新橋施工階段及施工振動源與舊橋位置關系等條件并結合監測經驗確定監測頻率。從新、舊橋基礎平面關系可以看出，新橋基礎施工對舊橋影響可能主要集中在新橋1#、2#、4#和5#橋墩樁基鉆孔施工過程，且可能以相應橋墩樁基中緊鄰舊橋的基樁施工時影響最大，因此，在上述樁基施工過程，舊橋變形監測頻率為1次/2d，振動監測1次，其它常規時段的監測頻率見(表1)。當監測數據達到預警值或結構受到臺風、洪水等不利影響時，則加強橋面外觀巡視和結構變形監測頻率。

表1 常規時段監測頻率

3.4 安全控制指標

(1)變形監測

新橋基礎鉆孔施工所引起的土體擾動及施工振動可能使鄰近的舊橋基礎出現滑移、下沉等不穩定變化。《城市橋梁養護技術規范》(CJJ99－2003)［5］第6.2.3條規定簡支梁橋在運營階段基礎變位超過以下限值時，應及時對簡支梁橋的基礎進行加固:①墩臺基礎均勻總沉降值大于 2.0(cm);②相鄰墩臺均勻總沉降值大于 1.0L(cm);③墩臺頂面水平位移值大于 0.5L(cm)。L為相鄰墩臺間最小跨徑長度，以m計，跨徑小于25m時仍以25m計。

因既有舊橋已運營50多年，現階段技術狀況屬于“不合格狀態”的橋梁范疇，為確保舊橋結構安全，取規范限值的一半作為橋梁變形安全控制值，具體如下:①墩頂水平位移限值:12.5mm;②相鄰橋墩豎向沉降限值:25mm;③墩臺基礎均勻總沉降限值: 50mm。

對現場變形監測成果按黃色、橙色和紅色三級預警進行控制，三級警戒狀態判定見(表2)。

表2 三級警戒狀態判定表

(2)質點振動速度監測

在新建橋梁樁基施工過程中加強舊橋振動狀態監測，不僅可以為舊橋運營舒適性評價提供參考依據，同時還可達到調整施工工藝、優化施工方法的目的，在盡可能保證施工進度順利條件下最大限度降低振動施工對既有橋梁正常運營的影響。目前我國針對建筑物振動影響的評價標準主要為《爆破安全規程》(GB 6722－2014)［6］，而對橋梁結構的施工振動效應評價尚沒有一定的針對性標準。考慮到既有舊橋的結構特點及現狀，要求施工方嚴格控制施工振動、采用合理施工工藝和技術以確保施工安全，經過專家審查后，該工程橋墩處質點振動安全允許速度峰值設定為1.0cm/s，并以此為預警值。

4 監測數據分析

4.1 變形監測數據分析

(1)初始值確定

變形監測是通到對各次監測值與初始值之差值進行分析比較，以確定變形是否發生或正在持續發展，因此確定初始值的大小及誤差大小極為重要，是后續監測結果評定準確、有效開展的前提。《建筑變形測量規范》(JGJ/T8－2007)［7］第3.0.9條規定:“建筑變形測量的首次(即零周期)觀測應連續進行兩次獨立觀測，并取觀測結果的中數作為變形測量初始值。”

為確保各測點初始值可靠、有效，該工程在基樁施工開始前(2013.12中旬～2014.01.25)，對各測點數據進行多次采集，對處理后的有效數據進行統計分析，確定各監測點初始數據平均值及中誤差，并按《建筑變形測量規范》(JGJ/T8－2007)［7］第3.0.4條，以初始數值二倍中誤差作為極限誤差。將每次測點變形數據與相應初始值進行比較，當累計變形量小于極限誤差時，可認為該觀測點沒有變動或變動不明顯。經統計分析，本次監測各水準測點初始值中誤差在0.2～0.9mm之間，橋墩水平位移測點初始值中誤差在0～2mm之間。

(2)橋墩沉降監測分析

正式施工開始累計進行47次橋墩沉降監測，結果表明，最大下沉測點出現在2014年4月7日(新橋4#墩樁基施工期間)8#墩下游側測點 X8，大小為5.7mm，沉降值未超過黃色預警值42.5mm。

(圖2)為各次沉降監測下沉極值點分布圖，從圖中可以看出，歷次沉降最大值在0mm～5.7mm之間，主要分布在6#～9#墩，結合現場巡查，在新橋基樁施工期間，6#～9#墩處橋面振動較明顯，顯然，6#～9#墩受新橋施工影響明顯，監測結果證明對應測點沉降波動較大。

(圖3)為8#墩沉降測點歷次監測沉降值隨時間變化情況，從圖中可以看出，該橋墩沉降測點在新橋基樁4#墩樁基施工期間沉降值出現較大波動，測點沉降整體呈現繞零值附近波動變化，未出現單調變化規律。

(3)橋墩水平位移監測分析

正式施工開始累計進行43次水平位移監測，(圖4)為橋墩歷次監測水平位移橫橋向偏位極值點分布圖，橫橋向偏位最大值為－6mm～7mm，主要集中在6 #～10#墩，以8#墩橫橋向水平位移最大;(圖5)為歷次監測水平位移縱橋向偏位極值點分布圖，縱橋向偏位最大值為－4mm～4mm，主要集中在5#～9#墩。

(圖6)為舊橋8#墩水平位移監測點歷次監測水平位移值(合成絕對值)隨時間變化情況，結果表明，在2014年4月12日新橋4#墩樁基施工期間8#墩墩頂測點出現水平位移最大值8mm，未超過黃色預警值10.6mm，測點水平位移整體呈現波動變化，未出現單調變化規律。

綜上變形監測數據分析，施工對既有舊橋影響主要集中在6#～10#墩，變形值均在安全控制指標范圍內。最大變形測點出現在8#墩，而非與新橋基礎距離最小的3#墩，表明施工振動對既有舊橋影響與振源距并非成正比關系，還可能因場地地質條件、結構工作狀態、基礎及地基條件等因素差異而不同。

圖2 歷次沉降監測極值點分布圖

圖3 8#墩沉降測點時程變化曲線

圖4 歷次監測水平位移橫橋向偏位極值點分布圖

4.2 振動監測數據分析

振動監測時既要考慮質點振動的幅值強度，又要注意其頻率。根據新橋基樁與舊橋基礎遠近程度，選取3#、8#和9#墩作為振動速度監測對象，測點布置在相應墩頂處新橋側橋面，測試結果表明實測最大振動速度出現在8#墩，橫橋向、縱橋向及豎向振動速度實測最大值依次為0.17c m/s、0.10 cm/s和0.52cm/s，振動速度未超過安全控制指標1.0cm/s，(圖7)為對應測點三向振動速度時程曲線圖。

圖5 歷次監測水平位移縱橋向偏位極值點分布圖

圖6 8#墩水平位移測點位移時程變化曲線

圖7 8#墩處振動測點三向振動速度時程曲線圖

顯然，施工振動對舊橋影響以豎向為主，橫橋向次之，縱橋向最小。通過頻率分析，主振頻率為23.9Hz，遠大于橋梁自振頻率(5.27Hz)，因此橋梁不會發生共振現象。

5 小結

本文首先論述了某橋梁改造工程中既有舊橋監測的要點，通過對監測數據的分析，得到既有舊橋在新建橋梁施工過程中的變形和振動特征:

(1)施工振動對既有舊橋影響與振源距并非成正比關系，監測結果表明，新橋施工過程，既有舊橋變形和振動較明顯位置集中在6#～10#墩范圍，而非距離最近的3#墩，因此，振動影響還可能因場地地質條件、結構工作狀態、基礎及地基條件等因素差異而不同;

(2)新橋施工振動對舊橋影響以豎向為主，橫橋向次之，縱橋向最小。施工振動影響下，舊橋所檢測點振動速度最大值為0.52cm/s，對應主振頻率為23.9Hz，遠大于橋梁自振頻率(5.27Hz)，橋梁不會發生共振現象。

本次監測工作為新橋的順利施工和舊橋的安全運營提供了重要數據支持，其監測經驗可供類似工程借鑒。

［1］董學智，李勝，李愛民.變形監測技術在橋梁監測中的應用［J］.測繪.2012.02，35(01).

［2］朱敏.拓寬改建橋梁對老橋下部結構的影響分析［J］.中國市政工程.2012.12(06):90～93.

［3］吳玉林，王鳳娟.橋區航道水下爆破對橋梁振動影響研究［J］.公路工程.2015.05.

［4］馬繼兵，蒲黔輝，夏招廣.施工振動對舊橋影響的監測與分析［J］.交通建設.2008.06，33(03).

［5］CJJ99－2003，城市橋梁養護技術規范［S］.中華人民共和國建設部，2003.

［6］GB 6722－2014，爆破安全規程［S］.中華人民共和國國家質量監測檢驗檢疫總局，2014.

［7］JGJ/T8－2007，建筑變形測量規范［S］.中華人民共和國建設部，2007.

Monitoring and Analysis of the Impact of the Bridge Expansion Construction on Existing Bridges

CHENYangLi

(Fujian YongZheng Construction Quality Inspection Co.，Ltd，Fuzhou 355000)

In this paper，a bridge reconstruction projectwas selected as the sample of the required engineering background.Themonitoring points were discussed to study the influence of the bridge expansion construction vibration on the existing bridge.With themonitoring data analysis，the deformation and vibration characteristics of the existing bridgewere summarized.Themonitoringwork provided important data support for the construction of the new bridge and the safety operation of the existing bridge.Themonitoring experience can be used for reference to the similar projects.

Bridge expansion construction of Existing bridge;Deformation monitoring;Vibrationmonitoring

［TU997］

A

1004－6135(2015)11－0097－05

陳楊利(1986－ )，男，工程師。

2015－09－05

陳楊利(1986－ )，男，碩士，檢測工程師，主要從事橋梁結構檢測、監測及基樁檢測等方面研究。