鄰近營業(yè)線施工既有橋梁自動化監(jiān)測及費用分析

陳春梅CHEN Chun-mei

（中鐵十四局集團第五工程有限公司，濟寧 272000）

0 引言

隨著我國鐵路日新月異的不斷發(fā)展，鄰近高鐵工程施工逐漸增多。鄰近營業(yè)線施工期間，如何采取有效措施，避免工程施工對既有高速鐵路造成影響，確保高鐵行車安全變得尤為重要。工程施工期間對高速鐵路進行監(jiān)測，防止施工對既有高速鐵路造成不可控的影響，是其中最直接最有效的措施。

1 工程概況

新建邯膠聯(lián)絡線黃河特大橋0#～223#墩施工與已開通石濟客專黃河特大橋并行，邯膠聯(lián)絡線右線與石濟客專左線線間距13.5m～45m，其中0#橋臺線間距最大為45m，102#墩線間距最小為13.5m。本工程承臺埋深小于3m，地下水埋深2m，地質(zhì)主要為承載力為150～200kPa的粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、黏土等新生界第四系松散堆積層，承臺基坑開挖支護措施以鋼板樁防護為主，邯膠聯(lián)絡線工程黃河特大橋上部結(jié)構(gòu)主要以簡支T梁為主，4處跨越等級道路采用預應力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，既有線橋梁上部結(jié)構(gòu)為箱梁。

受項目部的委托，對既有線的監(jiān)測及成本費用分析由我部門負責。

2 施工對既有線橋梁影響計算分析

2.1 施工階段劃分

為了準確模擬實際施工情況，把現(xiàn)場施工劃分為6個階段：樁基施工、基坑開挖施工、承臺施工、墩身施工、架梁施工、成橋運營階段。

2.2 土體計算模型區(qū)域選取及模型建立

分別選取線間距13.5m的102#墩（對應既有線415#墩）處和線間距20m的65#墩（對應既有線374#墩）處進行計算分析，采用Midas建立巖土橋梁耦合模型，建立被評估對象位置和既有鐵路橋梁周圍土體的三維有限元模型，進行單墩、雙墩和多墩三種情況下各施工階段有限元模擬分析。

2.3 有限元模擬分析結(jié)論

通過對不同施工階段有限元模擬數(shù)據(jù)分析，為了清楚表達出邯膠聯(lián)絡線工程施工對既有橋梁附加變形影響規(guī)律，對影響變形數(shù)據(jù)進行整理，繪制變形曲線圖見圖1～圖6。

圖1 13.5m線間距既有線橋墩附加累計沉降變形曲線

圖6 20m線間距既有線橋墩附加橫橋向沉降變形曲線

通過以上變形曲線分析，可發(fā)現(xiàn)：①13.5m和20m線間距條件下，豎向、橫向和縱向沉降變形三種情況，邯膠聯(lián)絡線單墩施工對既有線橋梁的影響均小于雙墩和多墩施工；②雙墩施工和多墩施工對既有線橋梁的影響幾乎一致，并且20m線間距附件沉降變形影響結(jié)果均比13.5m線間距附加沉降變形影響小；③架梁施工和成橋運營兩個階段既有線橋墩變形數(shù)值較大；④評估附加影響沉降量最大值為1.51mm，結(jié)合最大值，確定預警值；⑤最不利階段發(fā)生在架梁施工階段，該最不利階段作為橋墩沉降變形監(jiān)測實施方案的依據(jù)。

3 監(jiān)測成本費用分析

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，監(jiān)測時間共11個月（含準備工作1個月）。

3.1 人工監(jiān)測費用成本分析（表1）

表1人工監(jiān)測費用分析表

3.2 自動化監(jiān)測費用成本分析（表2）

根據(jù)以上監(jiān)測成本費用分析，人工監(jiān)測總費用約166萬元，自動化監(jiān)測總費用約72.8萬元，采用自動化監(jiān)測費用遠低于人工監(jiān)測費用。

圖2 13.5m線間距既有線橋墩附加順橋向沉降變形曲線

圖3 13.5m線間距既有線橋墩附加橫橋向沉降變形曲線

圖4 20m線間距既有線橋墩附加累計沉降變形曲線

4 既有線橋梁監(jiān)測方案

考慮既有線橋梁監(jiān)測范圍廣、工作量大的特點，為了保證監(jiān)測工作的實時性、連續(xù)性和可靠性要求，提高準確性和監(jiān)測精度，及時掌握工程施工對既有橋梁的影響程度，采用全自動化監(jiān)測方案進行橋墩沉降變形監(jiān)測。同時考慮施工成本費用的投入問題，全部采用一次性自動化監(jiān)測布設形式。

4.1 自動化沉降變形監(jiān)測測量原理

自動化沉降變形監(jiān)測采用傳統(tǒng)的液體連通器原理，以大地重力水平面為參考，測量沉降或高差。該技術(shù)采用嵌入式數(shù)字模塊和固態(tài)差壓傳感器，通過測量管道內(nèi)部液面高差，完成橋涵的形變或沉降觀測。實際應用時，相關(guān)測點傳感器通過液體管道彼此相連，一個或部分傳感器用作參考點，其它的傳感器用于沉降測量。

4.2 自動化沉降變形監(jiān)測系統(tǒng)工作流程

監(jiān)測過程中，自動沉降監(jiān)測系統(tǒng)將現(xiàn)場測試元件采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集儀轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理工控機初步解算后，通過無線網(wǎng)絡模塊將每次測量得到的數(shù)值發(fā)送至云服務器進行深入分析處理獲得測量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)內(nèi)可自由設定基準點和測點。

4.3 自動化監(jiān)測測線劃分及設備安裝

自動化監(jiān)測方案整體布置一條測線，該測線共劃分14個通液區(qū)段。該測線為石濟客專既有橋箱梁下行線一側(cè)，測點傳感器均安裝于墩頂箱梁內(nèi)梁體底板或腹板上，采集儀設備箱均安裝于梁體底板頂，太陽能電池板均安裝于墩頂。

4.4 自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、整理和分析

自動監(jiān)測數(shù)據(jù)通過高速鐵路沉降及變形自動監(jiān)測分析預警集成系統(tǒng)SMAIS自動接收現(xiàn)場自動采集單元通過無線GPRS模塊發(fā)送的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并按照規(guī)定格式存儲在遠程服務器上的數(shù)據(jù)庫中。

此外，當實時監(jiān)測數(shù)據(jù)達到“預警值”時，自動化監(jiān)測系統(tǒng)將自動通過短信與郵件的方式向相關(guān)各方同時發(fā)出預警信息，以便及時采取相應措施確保施工和周圍環(huán)境的安全。

圖5 20m線間距既有線橋墩附加順橋向沉降變形曲線

表2自動化監(jiān)測費用分析表

5監(jiān)測數(shù)據(jù)成果分析及結(jié)論

根據(jù)自動化差異沉降數(shù)值統(tǒng)計表，通液區(qū)段5（黃河特大橋116#～124#墩范圍）監(jiān)測數(shù)據(jù)變形最明顯，結(jié)合現(xiàn)場施工情況和施工進度，以施工最近、施工影響范圍最大的通液區(qū)段5為典型工點進行數(shù)據(jù)成果分析。繪制時程曲線關(guān)系見圖7～圖8。

圖7 通液區(qū)段5絕對沉降斷面曲線圖

圖8 通液區(qū)段5差異沉降斷面曲線圖

根據(jù)時程曲線可以得出以下結(jié)論：①前期基坑開挖、承臺施工直至墩身鋼筋綁扎階段自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)差異變形約為0.3mm，隨著墩身混凝土澆筑作業(yè)的進行，由于地面的加載，數(shù)據(jù)出現(xiàn)小幅波動，監(jiān)測數(shù)據(jù)累計變形總體呈現(xiàn)沉降趨勢，差異變形最大值為0.53mm。②架梁施工開始前，橋墩變形恢復平穩(wěn)狀態(tài)。自2019年6月中旬隨著架梁施工作業(yè)的不斷進行，截止至9月底架梁完成，各墩豎向變形明顯，各墩累計變形和墩間差異變形逐漸增加。自2019年12月底開通運營至2020年3月29日以來，橋墩差異變形數(shù)據(jù)均穩(wěn)定在±3.0mm橙色預警范圍之間。③在施工期間，部分橋墩差異變形超出黃色預警，現(xiàn)場采取相應的處置方案后，預警位置處的橋墩沉降趨于收斂，監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。④實際觀測數(shù)據(jù)與理論分析數(shù)據(jù)規(guī)律基本吻合；鐵路通車運營后，既有線橋墩變形數(shù)據(jù)逐漸趨于平穩(wěn)，并出現(xiàn)收斂趨勢，均在可控范圍之內(nèi)，能滿足相關(guān)規(guī)范要求；施工過程中，架梁施工是影響既有線橋墩變形的主要因素。⑤通過費用對比分析，此種自動化監(jiān)測技術(shù)，既提高了監(jiān)測精度和效率，又節(jié)約了施工成本，值得進一步推廣。