公路路基下穿高速鐵路橋梁監測關鍵技術

張志國

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

新建路基下穿既有高速鐵路橋梁改變土層的原始應力場和位移場，進而引起鄰近既有高鐵橋梁的不均勻變形，其變形和受力狀態與復雜的地質條件、荷載、施工及邊界工況有關。針對該問題，目前主要采用有限元軟件進行數值模擬分析，來判斷設計方案的可行性；但由于地層分布的不均勻、力學參數的代表性等因素影響，數值模擬分析結果只能起到輔助分析以確定橋梁變形特征以及最不利工況的作用。為了增強施工風險的預見性，掌握公路路基施工對高鐵橋梁準確的變形影響數值，需對橋梁進行監測。目前高鐵橋梁監測技術分為自動化和人工兩種方式，高鐵橋梁變形監測要求精度高、頻率高，本文結合實際的工程案例，重點介紹自動化監測技術成功應用情況，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概述

1.1 工程概況

京滬高鐵設計速度350 km/h，無砟軌道類型，線間距5 m；道路為東西向二級公路。道路與高鐵交叉角度81°，下穿處鐵路為32 m簡支箱梁，現狀橋下凈高約8.4 m。下穿處采取路基形式整幅從高鐵293#～294#橋墩間穿越。道路采用雙向兩車道，下穿高鐵橋梁處路基橫斷面形式為0.75 m土路肩+7.75 m行車道+0.75 m土路肩，道路全寬9.25 m，機動車道路拱橫坡為1.5%的雙向坡。道路設計邊緣距離高鐵橋墩基礎大小距離為5.14 m。高鐵西側有一處天然溝，溝底距離現狀地面約5 m。道路與高鐵橋墩位置關系剖面見圖1。

圖1 道路與高鐵橋墩位置關系剖面(單位：m)

1.2 工程地質條件

2 有限元數值模擬

三維模型采用Midas GTS軟件建立，模型x軸、y軸、z軸分別為線路縱向、橫向和豎向。模型尺寸150 m×100 m×50 m。土體采用修正摩爾庫倫本構[1]，混凝土采用彈性本構。模型中橋墩、樁基礎采用梁單元模擬，路基填方及挖方、路面鋪裝采用三維實體單元模擬。模型底部設為固定約束，側面設為法向約束。橋墩及梁部荷載按橋梁設計荷載查取，并換算為等效均布荷載施加在承臺，三維有限元模型見圖2。本模型選取土層相關地質參數見表1。

圖2 三維有限元計算模型(單位：m)

表1 土層地質參數

3 監測方案及實施

3.1 監測方式

該工程采用自動化監測為主、人工監測為輔的監測方式。人工監測采用TrimbleDini03電子水準儀進行監測，儀器的精度為0.3 mm/km，可精確讀至0.01 mm。

3.2 監測系統架構

監測系統采用具有濾波、平滑等關鍵數據處理算法的自動化、實時化、遠程化控制平臺。監測系統平臺由傳感器系統、數據采集和傳輸系統、供電系統、數據處理系統、數據展示與查詢系統5大部分組成。架構方案見圖3。

圖3 監測系統架構

3.3 監測方案

由于高鐵運行速度快，對無砟軌道的平順性要求非常嚴格[2]且考慮到土的各向異性、流變性、應力路徑的作用和時空效應的特性，以及在施工中由于地質條件、荷載條件、材料性質、施工技術和外界其他因素的復雜影響，實際情況和理論上可能有出入，因此在仿真分析指導下有計劃地進行現場監測工作，可以更進一步的確保高鐵運營安全。自動化監測基點和測點均布置在高鐵箱梁內，能部分排除區域沉降影響，且測量結果均是相對基點的累計變形；自動化監測設備對應橋墩墩身上布設了可定期復測的人工監測點。既有高鐵橋墩沉降監測方案詳見圖4。

圖4 高鐵橋墩沉降監測方案(單位：m)

為了滿足運營管理部門要求，確保儀器設備精度和正常投入使用，監測設備采用掛壁式支架將儀器設備固定在支座頂部箱梁腹板內壁上，支架與箱梁采用黏貼的形式進行連接；監測設備安裝過程中應進行調平，設備通液口和管線應在同一個平面內，上下高度差不超過2 cm；儀器設備和通液通氣管應采用保溫棉進行保溫處理；設備安裝完成后應對系統進行抬升和溫度穩定性實驗。靜力水準系統的現場設置詳見圖5。

圖5 靜力水準系統的現場安裝

4 數據分析

4.1 仿真結果分析

仿真分析結果見表2。由表可知：整個仿真分析過程中橋墩變形量292#<295#<294#<293#。單階段最大隆起、最大沉降均發生在293#墩，影響數值分別為0.523 mm和0.032 mm，發生于小里程溝內路基填方和大里程側開挖至基床2個階段。293#橋墩仿真分析結果中最大累計沉降數值為0.677 mm，發生于道路運營階段，不超過預警值1.2 mm，設計方案可行。根據仿真分析結果判斷，監測過程中應重點關注293#和294#橋墩的變形情況。仿真分析技術手段指出了高鐵橋梁變形特征及最不利工況，為后續項目實施過程中的監測提供了技術指導。

表2 仿真分析結果 mm

4.2 人工與自動化監測結果對比分析

人工沉降監測技術成熟，精度可靠。為了驗證自動化監測數據的可靠性，可提取相同人工測量時間節點下的自動化監測數據，通過對比兩組數據的手段來實現。在整個項目實施過程中，對高鐵橋墩進行了4次人工測量，時間分別為2019/12/24、2019/12/8、2019/12/22、2020/1/2。首次人工測量在施工作業前進行采集，采集3次取其平均值作為本項目人工測量的初始值，以初始值為基礎，依次獲得人工橋墩沉降監測的變形值，橋墩變形數值見表3。整個項目實施過程中對高鐵橋墩連續進行了110 d的自動化實時監測，取其人工監測時刻自動化測量的數據見表3。

表3 人工測量與自動化監測橋墩變形值 mm

依據《鄰近鐵路營業線施工安全監測技術規程》(TB 10314-2021)7.2.1規定，橋墩墩頂豎向位移限值應控制在2 mm內。為了確保高鐵運營的絕對安全且留出合理的變形可控空間，故按照位移限值的60%作為高鐵變形的預警值，80%作為高鐵變形的控制值。從3次數據來看，測量結果均小于黃色預警值，變形均在可控制范圍之內。且人工監測最大變形位置與自動化監測變形最大位置均為293#橋墩，人工監測數值結果為-0.685 mm，自動化監測數值結果為-0.702 mm。

由表3可知，自動化監測數據與人工監測數據規律一致，數值大小略有差異，表明項目自動化監測數據可靠，自動化監測數據可以代表橋墩變形的實時和真實狀態。

4.3 自動化監測結果分析

本項目監測周期內，每10 min獲取一組原始數據，經過濾波[3]、平滑等算法處理后每小時生成一組有效數據，圖6為各橋墩監測點的沉降變形隨施工過程的發展規律。由圖6可知。施工階段隨著下穿路基填土荷載的逐步加載，橋墩各測點的沉降變形逐漸增大，最大變形位于臨近路基的293#橋墩，最大值約0.7 mm。施工完成2個月后變形逐漸趨于穩定，最大變形值約為1.05 mm，變形結果小于黃色預警值，在可控制范圍內。另外，對比各橋墩變形的沉降量可知，變形大小與填土距離橋墩位置相關，填土越臨近橋墩沉降變形越大。

5 結論

(1)公路路基下穿施工導致影響范圍內高鐵橋墩發生不同程度的沉降變形，單階段下293#和294#沉降值分別為0.523 mm和0.338 mm，發生于小里程溝內路基填方工況；293#和294#累計最大沉降值分別為0.677 mm和0.444 mm，293#和294#橋墩填土階段變形比例占總變形的比例分別為77%和76%。仿真分析技術手段指出了高鐵橋梁變形特征及最不利工況，為后續項目實施過程中遴選重點監測方向提供了技術指導。

(2)施工完成時，鄰近路基的293#橋墩累計沉降監測值約為0.7 mm，施工完成后橋墩繼續沉降，橋墩變形呈現出一定的滯后性。整個監測過程中，最大變形的293#橋墩沉降為1.05 mm，施工完成與最大變形時間間隔約為50 d。監測周期內所有橋墩沉降變形結果均在黃色預警值(1.2 mm)以內，滿足高鐵運營安全的要求。

(3)自動化監測數據與人工監測數據具有良好的一致性，數值大小略有差異；自動化沉降監測系統工作整體穩定，監測數據可靠，且橋墩最大沉降變形量1.05 mm在預警值范圍以內，未對運營高鐵橋梁結構造成顯著影響。