高速鐵路橋梁水中墩沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)

魯科學(xué)

(中鐵十五局集團(tuán)有限公司，河南洛陽(yáng) 471002)

1 工程概況

某高速鐵路一特大橋的1273～1313號(hào)墩位于懷洪新河河道內(nèi)，除1285～1288號(hào)墩設(shè)計(jì)為(40+56+40)m懸灌梁外，其他均為32 m簡(jiǎn)支梁。其中1276～1310號(hào)墩位于河道河水中，靠河的4個(gè)墩在汛期也都處于水中，從而使得這些橋墩無(wú)法按要求進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。

2 水中墩進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)的必要性

為了保證高速鐵路的高平順性，高鐵規(guī)范要求對(duì)所有橋梁的橋墩均要進(jìn)行沉降評(píng)估，并對(duì)其工后沉降進(jìn)行了嚴(yán)格的要求:橋墩臺(tái)均勻沉降量≤15 mm，相鄰墩臺(tái)沉降量之差≤5 mm［1-3］。同時(shí)，由于水中墩的地質(zhì)情況不同于其他橋墩，從而使得水中墩的沉降情況也無(wú)法參照其他橋墩。因此，不論從規(guī)范的強(qiáng)制要求來(lái)看，還是從實(shí)際操作來(lái)看，為了保證高速鐵路的高平順性都需對(duì)水中墩進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。

3 水中墩沉降監(jiān)測(cè)的方法及可行性

根據(jù)現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范和評(píng)估共識(shí):橋梁評(píng)估至少需進(jìn)行2次，每次監(jiān)測(cè)期不應(yīng)小于3個(gè)月，且應(yīng)在橋墩荷載施加完成后進(jìn)行。據(jù)此，理論上可以認(rèn)為只要滿(mǎn)足橋梁架設(shè)完成后有不少于6個(gè)月的監(jiān)測(cè)期，那么根據(jù)這期間監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行沉降評(píng)估。這樣，對(duì)于水中墩的沉降監(jiān)測(cè)就只需解決以下問(wèn)題:如何對(duì)水中墩架梁后進(jìn)行不少于6個(gè)月的沉降監(jiān)測(cè)。

由于水中墩長(zhǎng)期處于水中，在地面按正常的沉降監(jiān)測(cè)方案是無(wú)法實(shí)施監(jiān)測(cè)的。但是，當(dāng)梁架設(shè)完成后梁面就變成了很方便的測(cè)量通道，這時(shí)，只須將原本應(yīng)設(shè)在橋墩上的監(jiān)測(cè)標(biāo)轉(zhuǎn)設(shè)在橋墩對(duì)應(yīng)的梁面上來(lái)，然后將梁面上的監(jiān)測(cè)標(biāo)志按規(guī)范進(jìn)行監(jiān)測(cè)，最后再將梁面上的監(jiān)測(cè)成果和地面的高程基準(zhǔn)建立聯(lián)系即可完成水中墩沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。水中墩沉降監(jiān)測(cè)方法示意見(jiàn)圖1。

圖1 水中墩監(jiān)測(cè)方法示意

根據(jù)《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》(TB10601—2009)的規(guī)定，高速鐵路線(xiàn)下橋梁工程沉降監(jiān)測(cè)按照三等變形測(cè)量進(jìn)行，采用二等水準(zhǔn)施測(cè)。具體要求見(jiàn)表1。

表1 三等變形測(cè)量具體要求 mm

4 水中墩沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)

沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)由水準(zhǔn)基點(diǎn)、工作基點(diǎn)和沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成［4］，由于本監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍較小，因此可將水準(zhǔn)基點(diǎn)和工作基點(diǎn)合并處理。

如圖1所示，分別在1273、1313號(hào)墩適當(dāng)位置各埋設(shè)2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，分別為JZA1、JZA2和JZB1、JZB2，其中JZA1、JZB1距離橋墩100 mm左右，作為工作基點(diǎn)使用，測(cè)量時(shí)可一站測(cè)得墩身觀(guān)測(cè)標(biāo)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)位置應(yīng)穩(wěn)定、易于保存和使用，埋設(shè)標(biāo)準(zhǔn)參照國(guó)家二等水準(zhǔn)點(diǎn)［5］。基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)在啟用前6個(gè)月埋設(shè)完成，以保證其在使用時(shí)已穩(wěn)定。

在1273、1313號(hào)墩上埋設(shè)墩身觀(guān)測(cè)標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)和其他普通墩身標(biāo)相同;在1275～1311號(hào)墩頂梁面左右各埋設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)標(biāo)，埋設(shè)標(biāo)準(zhǔn)同梁體徐變觀(guān)測(cè)標(biāo)。編號(hào)為:墩號(hào)+L+1或2(左1，右2)。

高程系統(tǒng)可采用獨(dú)立高程，也可采用與施工一致的高程系統(tǒng)，即1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

5 沉降監(jiān)測(cè)的實(shí)施

沉降監(jiān)測(cè)儀器采用天寶DINI12型數(shù)字水準(zhǔn)儀及配套的銦瓦尺，儀器標(biāo)稱(chēng)精度:每千米往返測(cè)高差中誤差0.3 mm。

5.1 基準(zhǔn)網(wǎng)的測(cè)設(shè)

為工作簡(jiǎn)便，監(jiān)測(cè)網(wǎng)采用獨(dú)立高程基準(zhǔn)，如需采用與施工一致的高程系統(tǒng)，只需將兩個(gè)系統(tǒng)聯(lián)測(cè)即可?；鶞?zhǔn)網(wǎng)的測(cè)設(shè)分2部分:地面部分和梁面部分。

地面部分包括，JZA2-JZA1-1275D兩段高差測(cè)量和JZB2-JZB1-1311D兩段高差測(cè)量。測(cè)量時(shí)按照二等水準(zhǔn)技術(shù)要求［1、5］進(jìn)行。

梁面部分主要是1273L2～1313L2之間高差。如果線(xiàn)路較長(zhǎng)(大于2.5 km)，可提高觀(guān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)(如按一等水準(zhǔn)設(shè)置測(cè)量限差)，或者增加測(cè)回?cái)?shù)以提高基準(zhǔn)網(wǎng)精度。

5.2 h1、h2值的確定

按照?qǐng)D1所示，要通過(guò)梁面將兩邊的基準(zhǔn)網(wǎng)統(tǒng)一，需要確定1275D與1275L2之間的高差h1及1311D與1311L2之間的高差h2。h1、h2的精確值可以采用當(dāng)前CPⅢ測(cè)量技術(shù)中成熟的“中間設(shè)站全站儀三角高程”測(cè)得［1，6］。但是，沉降監(jiān)測(cè)的本質(zhì)上需要的是沉降值，它是個(gè)差值，所以并不需要去測(cè)設(shè)h1、h2的實(shí)際值，而且由于橋墩的高強(qiáng)度和高荷載，它的形變可忽略不計(jì)，因此只需在基準(zhǔn)網(wǎng)測(cè)設(shè)時(shí)給它們賦個(gè)值就可以了，以后涉及到它們的時(shí)候均將這個(gè)賦值做真值使用就可以了。

為了方便，可將 h1、h2全部賦值為10.000 0 m。如要保證沉降監(jiān)測(cè)高程基準(zhǔn)與施工基準(zhǔn)的統(tǒng)一，可以采用“中間設(shè)站全站儀三角高程”精確地測(cè)得h1、h2。

5.3 基準(zhǔn)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理

在外業(yè)數(shù)據(jù)測(cè)量完成后，即可進(jìn)行基準(zhǔn)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理工作。

首先建立獨(dú)立高程基準(zhǔn)，將 JZA2高程賦值為30.000 0 m。然后根據(jù)外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)按照支水準(zhǔn)進(jìn)行解算，求得JZA1、JZB1、JZB2的高程。

5.4 沉降監(jiān)測(cè)的實(shí)施

基準(zhǔn)網(wǎng)測(cè)設(shè)完成后就可以按固定頻率開(kāi)展沉降監(jiān)測(cè)工作。為了保證有足夠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)頻率嚴(yán)格按照7 d一次執(zhí)行。

每次觀(guān)測(cè)時(shí)，按照?qǐng)D1所示，首先觀(guān)測(cè)出兩頭基準(zhǔn)點(diǎn)至橋墩觀(guān)測(cè)標(biāo)的高差h11、h22。然后將儀器搬站到梁上，依次測(cè)量梁面上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的高差，梁面上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)將組成一個(gè)大的閉合環(huán)。如果梁面長(zhǎng)度較長(zhǎng)(大于2.5 km)，為了提高精度可以在每個(gè)墩上的兩個(gè)梁面監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間加測(cè)一段高差，這樣就又形成了眾多小的閉合環(huán)，從而提高監(jiān)測(cè)精度。

5.5 平差計(jì)算

每期監(jiān)測(cè)工作完成后，即可根據(jù)測(cè)得的高差數(shù)據(jù)建立平差文件，平差文件建立如下(大部分水準(zhǔn)測(cè)量軟件均可自動(dòng)完成):

JZA1，高程

JZB1，高程

JZA1，1275D，h11，測(cè)距

1275D，1275L2，h1(10.0000)，測(cè)距(0)

1275L2，1276L2，高差，測(cè)距

………

1311L2，1311D，h2(－10.0000)，測(cè)距(0)

1311D，JZB1，h22，測(cè)距

由于 h1、h2是在基準(zhǔn)網(wǎng)測(cè)設(shè)時(shí)全部賦值為10.000 0 m，在以后工作中作為真值使用的，所以可以將上面的平差文件進(jìn)一步優(yōu)化如下:

JZA1，高程

JZB1，高程

JZA1，1275L2，h11，測(cè)距

1275L2，1276L2，高差，測(cè)距

………

1311L2，JZB1，h22，測(cè)距

如果是采用統(tǒng)一高程基準(zhǔn)不能進(jìn)行上面的平差文件優(yōu)化。

平差文件建立完成后即可進(jìn)行平差計(jì)算，平差后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程即可全部得出。利用這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程就可計(jì)算求出每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值。

6 規(guī)范［1］中要求的各種精度指標(biāo)分析

監(jiān)測(cè)儀器采用天寶DINI12T型電子水準(zhǔn)儀，標(biāo)稱(chēng)精度為每千米高差中誤差0.3 mm，但是在觀(guān)測(cè)中各種限差及操作方法都是按照二等水準(zhǔn)進(jìn)行的，所以在進(jìn)行精度分析時(shí)按照每千米往返測(cè)高差中誤差0.6 mm進(jìn)行計(jì)算分析(經(jīng)過(guò)日常積累的數(shù)據(jù)分析，其實(shí)際精度優(yōu)于0.6 mm)。

由于二等水準(zhǔn)前后視距為50 m左右，所以1 km大概應(yīng)設(shè)置10站，則1 km往返測(cè)高差h=(h1+h2+……+h10－－－……－)/2。

由于儀器的各種限差設(shè)置相同、觀(guān)測(cè)方法相同，所以可以認(rèn)為各測(cè)站為同精度觀(guān)測(cè)［7］，設(shè)單程一測(cè)站高差精度為Vn，則每千米往返測(cè)高差中誤差Vh=(Vn·)/2。將Vh=0.6 mm代入上式有Vn= 0 .6/≈0.268 mm。進(jìn)一步求算，可得往返一測(cè)站高差精度=0.19 mm。滿(mǎn)足規(guī)范中“每站高差中誤差0.3 mm”［1］的要求。

規(guī)范［1］中要求沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的相鄰基準(zhǔn)點(diǎn)的高差中誤差1 mm。在建立基準(zhǔn)網(wǎng)的時(shí)候是嚴(yán)格按照二等水準(zhǔn)進(jìn)行建立，采用儀器的每千米往返測(cè)高差中誤差為0.6 mm，最遠(yuǎn)的相鄰基準(zhǔn)點(diǎn)為JZA1、JZB1。這2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)間的測(cè)距基本上等于水中墩的跨度L=1.3 km，則相鄰基準(zhǔn)點(diǎn)最大高差中誤差m≈0.6≈0.68 mm。同時(shí)根據(jù)m極值為1可以推算出L的極值為2.7 km。理論上如果增加測(cè)回?cái)?shù)為N，則L的極值為N/0.36(km)。

規(guī)范［1］中要求變形觀(guān)測(cè)點(diǎn)的高程中誤差為1 mm。如圖1所示，由于監(jiān)測(cè)網(wǎng)共包含41個(gè)墩，各墩之間均可一站觀(guān)測(cè)，則最長(zhǎng)的觀(guān)測(cè)線(xiàn)路共需44站，則精度最弱點(diǎn)為22站觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，其精度為Vn·≈0.89 mm，n為測(cè)站數(shù)。如果監(jiān)測(cè)時(shí)也采用往返觀(guān)測(cè)，則最弱點(diǎn)的精度為·≈0.63 mm。取極值推算，最大監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度可達(dá)100測(cè)站。通過(guò)對(duì)實(shí)際觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，變形點(diǎn)高程精度90%以上分布在0.2～0.8 mm，未發(fā)現(xiàn)高程精度低于1 mm的點(diǎn)。

規(guī)范［1］要求相鄰沉降觀(guān)測(cè)點(diǎn)的高差中誤差為0.5 mm。實(shí)際在觀(guān)測(cè)中，相鄰的觀(guān)測(cè)點(diǎn)均可1站觀(guān)測(cè)完成，因此滿(mǎn)足規(guī)范要求。通過(guò)對(duì)所有觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，相鄰觀(guān)測(cè)點(diǎn)的高差中誤差95%均分布在0.1～0.3 mm，沒(méi)有超過(guò)0.5 mm的。

7 水中墩沉降評(píng)估分析

當(dāng)沉降監(jiān)測(cè)期滿(mǎn)足3個(gè)月后即可進(jìn)行第一次評(píng)估預(yù)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)大于6個(gè)月后即可進(jìn)行第二次評(píng)估預(yù)測(cè)［2，3，8］。

開(kāi)展評(píng)估預(yù)測(cè)前應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，主要是統(tǒng)計(jì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量和繪制沉降量－時(shí)間曲線(xiàn)。

沉降的評(píng)估預(yù)測(cè)工作一般都由業(yè)主委托專(zhuān)門(mén)的評(píng)估單位進(jìn)行，所以下面隨機(jī)選取1280L1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例，利用雙曲線(xiàn)回歸方程進(jìn)行評(píng)估預(yù)測(cè)。

1280L1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量-時(shí)間曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 1280L1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)評(píng)估分析曲線(xiàn)

7.1 第一次評(píng)估預(yù)測(cè)

選取1280L1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中2009年2月26日至2009年6月11日的數(shù)據(jù)進(jìn)行首次沉降評(píng)估分析。

按照《客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路變形觀(guān)測(cè)評(píng)估技術(shù)手冊(cè)》中的雙曲線(xiàn)法進(jìn)行回歸分析［9-10］?；貧w方程為:S(t)=通過(guò)求解得，S(t)=，相關(guān)系數(shù)為0.957，最終沉降為1.67 mm，回歸曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

7.2 第二次評(píng)估預(yù)測(cè)

以1280L1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)全部6個(gè)月的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得S(t)=，相關(guān)系數(shù)為0.975，最終沉降為1.75 mm，S(t)/S(t=∞)=81.5%，回歸曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

通過(guò)對(duì)2次評(píng)估成果分析，各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足文獻(xiàn)［1-3］要求。

8 結(jié)論

通過(guò)以上理論和實(shí)踐數(shù)據(jù)分析可知，本技術(shù)方法在高速鐵路橋梁水中墩沉降監(jiān)測(cè)中完全可以滿(mǎn)足高鐵相關(guān)規(guī)范要求。同時(shí)按照本技術(shù)方法監(jiān)測(cè)的我標(biāo)段水中墩也順利通過(guò)了沉降評(píng)估專(zhuān)家組的首次評(píng)估和最終評(píng)估，因此本技術(shù)方法是切實(shí)可行的，對(duì)完善我國(guó)高速鐵路橋梁沉降監(jiān)測(cè)體系具有很好的借鑒意義。通過(guò)對(duì)本技術(shù)方法的優(yōu)化，水中墩的監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度可達(dá)4 km以上。

另外，本水中墩的沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)與目前國(guó)內(nèi)常用的2種水中墩監(jiān)測(cè)技術(shù)(在水中修建棧橋作為觀(guān)測(cè)通道，以常規(guī)水準(zhǔn)觀(guān)測(cè)進(jìn)行的沉降監(jiān)測(cè);在橋墩安裝特殊反射裝置，以高精度全站儀三角高程進(jìn)行的沉降監(jiān)測(cè))相比，本監(jiān)測(cè)技術(shù)具有以下明顯的優(yōu)點(diǎn):大大節(jié)約了沉降監(jiān)測(cè)成本;實(shí)施起來(lái)簡(jiǎn)單、方便;可以確保高鐵通車(chē)運(yùn)營(yíng)后沉降監(jiān)測(cè)的連續(xù)性;較三角高程法，監(jiān)測(cè)精度更高，監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度更長(zhǎng)。

因此，對(duì)于高速鐵路橋梁水中墩的沉降監(jiān)測(cè)筆者建議:在水中墩架梁完成之前可不進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè);在水中墩架梁完成后按本項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)始進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè);對(duì)水中墩沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的評(píng)估分析按照高鐵相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行，可優(yōu)先采用雙曲線(xiàn)法。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10601—2009 高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2009.

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)［2006］158號(hào) 客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路無(wú)碴軌道鋪設(shè)條件評(píng)估技術(shù)指南［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2006.

［3］鐵道部工程管理中心.客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路變形觀(guān)測(cè)評(píng)估技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2009.

［4］陳永奇.工程測(cè)量學(xué)［M］.北京:測(cè)繪出版社，1995.

［5］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 12897—2006 國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范［S］.北京:國(guó)家測(cè)繪局，2006.

［6］田錫波，田山，于長(zhǎng)帥，高志偉.全站儀三角高程中點(diǎn)法在大西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)橋墩測(cè)量中的應(yīng)用［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(S1):102-103.

［7］武漢測(cè)繪科技大學(xué)測(cè)量平差教研室.測(cè)量平差基礎(chǔ)［M］.北京:測(cè)繪出版社，1996.

［8］湯曉光，陳善雄，許錫昌，秦尚林.論鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)沉降變形評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)與合理控制［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(2):1-3.

［9］張紅亮.雙曲線(xiàn)與指數(shù)曲線(xiàn)在客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路沉降評(píng)估中的應(yīng)用［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(S1):33-35.

［10］王小剛，陳善雄，余飛，王星運(yùn).拓展雙曲線(xiàn)法在鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)路基沉降預(yù)測(cè)中的應(yīng)用［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(2):39-42.