高速鐵路大跨度橋梁水中墩變形監(jiān)測技術(shù)研究

藺愛軍

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

高速鐵路橋梁墩臺在施工和運營期間，需進(jìn)行變形監(jiān)測，目的是監(jiān)測施工質(zhì)量，分析墩臺穩(wěn)定性，確保列車運營安全。其中位于大型水庫或較寬江河里的大跨度橋梁水中墩臺的變形監(jiān)測，由于受現(xiàn)場地形、變形監(jiān)測高精度要求等條件限制，成為高速鐵路橋梁墩臺變形監(jiān)測的難點。

1 目前高速鐵路大跨度橋梁水中墩變形監(jiān)測方法存在問題

1.1 變形監(jiān)測成果不全面

橋梁墩臺變形監(jiān)測，分為水平位移和垂直沉降監(jiān)測［1］。目前國內(nèi)對高速鐵路橋梁墩臺的變形監(jiān)測，一般限于一維的沉降監(jiān)測和穩(wěn)定性分析，對平面位移進(jìn)行監(jiān)測和分析的案例很少。但橋墩在受到外力作用(如地震、船舶撞擊、洪水沖刷等)，或地質(zhì)基礎(chǔ)條件發(fā)生變化(如地下水位上升或下降、墩臺附近遭遇采砂作業(yè)或墩臺基礎(chǔ)長期處于厚淤泥包裹狀態(tài))等情況下，墩臺穩(wěn)定性很可能發(fā)生不可恢復(fù)的平面、高程三維變形，對列車運營安全造成威脅。

橋梁墩臺變形觀測方案如能提供三維的橋梁墩臺變形監(jiān)測成果和穩(wěn)定性分析結(jié)論，并根據(jù)結(jié)論分析施工質(zhì)量或制訂橋墩加固方案，意義遠(yuǎn)比單獨一維成果要大。提供三維的橋梁墩臺變形監(jiān)測成果，很有必要。

1.2 現(xiàn)有沉降觀測方法存在的弊端

目前國內(nèi)高速鐵路大跨度橋梁墩臺沉降觀測通常采用幾何水準(zhǔn)、普通三角高程測量和電子橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。但由于受現(xiàn)場地形、觀測成本、精度等限制，無法滿足沉降觀測要求，加之大跨度水中墩臺的特殊地形限制，導(dǎo)致現(xiàn)有觀測方法存在不同程度弊端。

1.2.1 幾何水準(zhǔn)方法(水準(zhǔn)儀)

受現(xiàn)場地形、河流寬度、墩臺跨度等因素制約，無法用水準(zhǔn)儀直接進(jìn)行高速鐵路大跨度橋梁水中墩沉降觀測。要按規(guī)范要求采用幾何水準(zhǔn)方法進(jìn)行大跨度橋梁水中墩沉降觀測，必須設(shè)法解決水準(zhǔn)儀儀器架設(shè)和立尺的困難(由于河流較寬，往往沒有合適的儀器架設(shè)點)，并設(shè)法減小觀測視距至50 m［2，3］以內(nèi)。為達(dá)到這一目的，目前通常采用的措施是在河中搭建觀測平臺。但在河流中建穩(wěn)定的觀測平臺，成本高昂，且觀測平臺影響航運和行洪，河道管理部門往往要求限期拆除，沉降觀測被迫終止。受多種因素制約，無法使用幾何水準(zhǔn)方法直接進(jìn)行大跨度橋梁水中墩沉降變形的長期監(jiān)測工作。測量人員渡河或在平臺上作業(yè)，安全保障難度大。

1.2.2 普通光電測距三角高程測量(高精度全站儀單向觀測)

理想狀態(tài)下，普通三角高程精度只稍高于三等，達(dá)不到二等水準(zhǔn)測量的精度，滿足不了高速鐵路沉降觀測精度要求。但三角高程測量受現(xiàn)場地形條件限制小，實施方便、工作效率高，國內(nèi)一些高速鐵路大跨度水中墩沉降觀測，大都采用這一方法。一般是在墩身上安裝固定棱鏡，在岸邊架設(shè)全站儀，進(jìn)行中間設(shè)站光電測距三角高程測量。這種方案的缺陷有:①單向觀測;②大跨度水中墩觀測視距往往大于150 m規(guī)范限值［2］;③江面上空氣折射率變化大等。導(dǎo)致大氣折光對高差測量的影響大，實際觀測精度往往低于三等，遠(yuǎn)達(dá)不到高速鐵路沉降觀測二等水準(zhǔn)的精度要求，且在墩身上安裝高精度棱鏡成本高昂。

1.2.3 其他電子橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)

近年國內(nèi)有應(yīng)用自動電子橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行墩臺沉降監(jiān)測的案例。這些系統(tǒng)大都基于光柵光纖傾角測量、合成孔徑雷達(dá)干涉測量、靜力水準(zhǔn)測量等技術(shù)。由于無法得到絕對沉降量、成果可靠性差、成本高等問題，沒能得到大面積推廣，因此橋梁墩臺變形監(jiān)測還是以大地測量方法為主。

2 大跨度水中墩沉降觀測推薦方法—精密光電測距三角高程測量

精密光電測距三角高程測量的核心思想是通過對2臺全站儀改裝，實現(xiàn)同時對向觀測，削減大氣折光對高差測量的影響，提高測量精度。該方法具有幾何水準(zhǔn)高精度［2］、普通三角高程受現(xiàn)場地形條件限制小的雙重優(yōu)點。

國內(nèi)目前還沒有使用該方法進(jìn)行橋梁墩臺沉降觀測的先例，關(guān)鍵難點是如何根據(jù)大跨度橋梁水中墩現(xiàn)場條件，綜合考慮觀測元器件、變形監(jiān)測點設(shè)置、儀器改裝等多方面因素，在不影響航運、行洪、列車通行等前提下，設(shè)計出滿足規(guī)范各項要求的實施方案。下面結(jié)合實例對該方案進(jìn)行闡述。

圖1為滬昆客運專線江西段東新贛江特大橋跨越贛江段采用的水中墩變形監(jiān)測方案示意，直線橋，江面寬1.6 km。BM1～BM4為岸上基準(zhǔn)點，分4處布設(shè)在線路兩側(cè)、贛江兩岸。圖中小矩形為被監(jiān)測的橋墩，32、33、34……67為橋墩號。下面就觀測方案采用的觀測元器件、變形監(jiān)測點設(shè)置、儀器改裝、同時對向觀測提高精度的原因及高差計算等問題做說明。

圖1 東新贛江特大橋水中墩沉降觀測布置

2.1 觀測元器件

岸上基準(zhǔn)點、橋墩變形監(jiān)測點測標(biāo)均采用CRTSⅡ型板軌道基準(zhǔn)網(wǎng)測釘結(jié)構(gòu)形式，即測標(biāo)頂部為圓錐小坑。規(guī)格尺寸、材質(zhì)(1Cr18Ni9不銹鋼［4］)如圖2所示。在觀測點上架設(shè)GPS、全站儀、精密棱鏡均采用CRTSⅡ型板軌道基準(zhǔn)網(wǎng)測量中使用的強制對中三角座(變形監(jiān)測點上不需架設(shè)GPS);用幾何水準(zhǔn)聯(lián)測岸上基準(zhǔn)點高程時采用水準(zhǔn)尺適配器，確保測量精度。頂部圓錐小坑尺寸加工精度控制在0.1 mm以內(nèi)，保證和水準(zhǔn)尺適配器、強制對中三角座(對中桿要采用耐磨損不銹鋼材料加工)密合。

2.2 基準(zhǔn)點設(shè)置

岸邊基準(zhǔn)點采用鋼筋混凝土現(xiàn)場澆筑，建立強制對中觀測墩?；鶞?zhǔn)點的埋設(shè)位置應(yīng)選擇在對天通視良好、基礎(chǔ)穩(wěn)定、方便保護(hù)、遠(yuǎn)離強磁場環(huán)境、距離線路近的河岸上。每個點要與線路同側(cè)的河對岸點或線路另一側(cè)同岸的點通視。根據(jù)觀測墩與橋梁墩頂?shù)母卟睿鶞?zhǔn)點一般選在距線路中心線80～450 m的范圍內(nèi)，同時觀測橋墩頂變形點時仰角小于8°(規(guī)范限值為 10°)［2］。

圖2 水準(zhǔn)點測標(biāo)構(gòu)造(單位:mm)

2.3 變形監(jiān)測點設(shè)置

打破墩身觀測標(biāo)一般設(shè)置在墩底部高出常水位0.5 m 左右位置的設(shè)計慣例［2，4，5］，將沉降觀測標(biāo)設(shè)于墩臺頂面，每墩布設(shè)2處，位于上、下游兩側(cè)檢查梯附近，觀測人員可通過檢查梯從梁面到達(dá)墩頂(墩頂防護(hù)欄內(nèi)空間足夠1人進(jìn)行全站儀觀測)。使用電鉆打孔埋設(shè)，埋設(shè)時應(yīng)使用錨固膠進(jìn)行錨固。也可建小型觀測墩(觀測墩與橋墩頂要結(jié)合緊密，不能有縫)，觀測墩高度宜低不宜高，以觀測線路前后安全護(hù)欄鋼筋不遮擋觀測視線為宜。

2.4 儀器設(shè)備要求

精密光電測距三角高程測量所采用的全站儀應(yīng)具ATR(automatic target recognition)自動目標(biāo)識別和照準(zhǔn)功能，儀器標(biāo)稱精度不應(yīng)低于0.5″，1 mm+1 ppm。并在2臺全站儀把手位置安裝經(jīng)特殊加工的反射棱鏡，安裝誤差不得大于0.1 mm［1］。

測量時每臺全站儀和固定編號的三角座配套，保證全站儀的儀器高不變。儀器設(shè)備除常規(guī)鑒定項目外，還需精確測定2臺全站儀(配固定編號三角座)儀器高之差、每臺全站儀棱鏡中心到儀器中心高度。解決三角高程測量時全站儀儀器高和棱鏡高難以精確測量的困難。

2.5 變形監(jiān)測高差計算公式［7］

如圖3所示，在假定地球表面為水平面、視線是直線，不顧及大氣折光和地球曲率影響的條件下，A、B兩點間的高差hAB三角高程測量的公式為

圖3 不考慮地球曲率的計算圖式

在考慮大氣折光和地球曲率影響的條件下，如圖4所示，D和S為地面A、B兩點間實測的水平距離和斜距，弧線PE和AF分別為過儀器高P點和地面A點的水準(zhǔn)面。實際觀測高度角為α?xí)r，水平線PG與B點的鉛垂線交于G點，GE就是由于地球曲率而產(chǎn)生的高程誤差(球差)，用p表示。由于大氣折光的影響，自目標(biāo)N的光弧線NP進(jìn)入儀器的望遠(yuǎn)鏡，而望遠(yuǎn)鏡的視準(zhǔn)軸卻位于弧線PN的切線PM上，MN即為大氣折光對三角高程的影響(氣差)，用r表示。顧及球差和氣差改正(兩差改正)，式(1)變?yōu)?/p>

式中，R為地球半徑;k為大氣折光系數(shù)。p和r都與D的平方成正比，與R成反比，r還與k成正比。折光系數(shù)k與氣溫、氣壓特別是大氣密度有關(guān)，其值不易測定。一般近似地把大氣折光曲線看作圓弧，其半徑R'為地球半徑的6～7倍。與求p值同樣道理，r=D2/(2R')≈(0.14～0.16)D2/(2R)，即 k≈0.14～0.16。由式(3)知，若往測高差為正(負(fù))時，兩差改正后會使得高差增大(減小)，這時返測高差為負(fù)(正)，兩差改正后，高差會減小(增大)，往返高差取均值，則會完全抵消球差的影響。往返測的大氣條件差不多時，k值變化較小，氣差也可大部分抵消。這就是在精密三角高程測量中同時進(jìn)行對向觀測的原因。

圖4 考慮地球曲率的計算圖式

在 A、B 兩點同時對向觀測，假設(shè) D1、α1、i1、V1(D2、α2、i2、V2)為在 A(B)點架設(shè)全站儀向 B(A)點觀測時的平距、水平面與觀測視線夾角、儀器高、棱鏡高，根據(jù)上述分析

假設(shè)w1、w2為每臺全站儀棱鏡中心到儀器中心高度，則

由此(4)式也可表示為

上式中平距、夾角可現(xiàn)場測得。(i1－i2)為兩套全站儀(配固定編號三角座)儀器高之差。(i1－i2)、w1、w2三參數(shù)為配套儀器常數(shù)，可通過儀器鑒定得到。式⑸即為采用該方案進(jìn)行沉降變形監(jiān)測的高差計算公式。

2.6 推薦變形監(jiān)測方案實施方法及流程

2.6.1 建立岸上基準(zhǔn)點平面、高程首級控制網(wǎng)

按照二等平面控制網(wǎng)要求，采用GPS靜態(tài)測量方式，將BM1～BM4建成大地四邊形獨立控制網(wǎng)，并與線路CPI控制網(wǎng)采用邊聯(lián)式聯(lián)測，建立平面首級控制網(wǎng)。

按照二等水準(zhǔn)測量要求，采用幾何水準(zhǔn)方式，測量同岸的BM1、BM3(BM2、BM4)兩點之間高差。對跨江段BM1、BM2(BM3、BM4)兩點之間高差，如附近有公路橋梁等其它測量通道，可采用幾何水準(zhǔn)測量方式;如沒有，可采用精密光電測距三角高程測量方式進(jìn)行跨河水準(zhǔn)測量，建立首級高程控制網(wǎng)，并與線路水準(zhǔn)控制網(wǎng)聯(lián)測。

2.6.2 橋墩沉降變形梁部施工期間監(jiān)測方法

橋墩施工完成，模板拆除后，距墩頂安全防護(hù)欄及檢查梯竣工還有相當(dāng)長的一段時間(連續(xù)梁施工期)，為保證觀測人員的安全、測量不受施工干擾，應(yīng)按梁部施工期橋墩沉降變形監(jiān)測方案進(jìn)行橋墩沉降變形觀測。具體方法如下。

在墩身適當(dāng)位置安裝與水準(zhǔn)儀配套的1 m長銦瓦條碼尺，條碼尺上、下兩端用膨脹螺栓固定于墩身，高度以尺底部高出施工便橋1 m左右，方便水準(zhǔn)儀觀測為宜。安裝全程要保證條碼尺豎直不變形，每墩布設(shè)2根，安裝在墩身對角線位置，最好在河流上、下游兩端。

以施工便橋為測量通道，用二等幾何水準(zhǔn)測量方式，進(jìn)行橋墩沉降變形監(jiān)測。測量期間，要禁止車輛通行，確保便橋穩(wěn)定，以保證測量精度。

2.6.3 橋墩沉降變形永久監(jiān)測方法

橋墩頂安全防護(hù)欄及檢查梯竣工、施工便橋拆除后，可按橋墩沉降變形永久監(jiān)測方案執(zhí)行。具體方案如下。

每座橋梁墩臺的沉降變形監(jiān)測含上、下游2條觀測路線，圖中BM1－32－33－34……67號(上游端監(jiān)測點)－BM2是上游(往)觀測路線;BM3－32－33－34……67號(下游端監(jiān)測點)－BM4是下游(往)觀測路線，進(jìn)行精密光電測距三角高程測量，獲取橋墩頂變形點的高程。實際作業(yè)要進(jìn)行往返測量。

東新贛江特大橋32～67號墩位于贛江河水中，最小跨度50 m，最大跨度196 m。2臺全站儀均采用強制對中三角座，同時對向觀測，消除大氣折光對高差測量的影響，使每一段高差觀測都按規(guī)范要求進(jìn)行，得到兩點間高差。在該方案中，基準(zhǔn)點與橋上變形點的聯(lián)測視距在250 m左右，即可完全滿足觀測豎角小于8°(規(guī)范限值為10°)［2］的要求。墩頂觀測最大視距是196 m。所有測量視距遠(yuǎn)小于精密光電測距三角高程測量要求的一般不大于500 m，最長不應(yīng)超過1 000 m的要求［2］，符合規(guī)范要求。

注意:最后一次墩身條碼尺觀測與第一次墩頂監(jiān)測標(biāo)觀測應(yīng)在同一天進(jìn)行，并在數(shù)據(jù)處理時按測標(biāo)轉(zhuǎn)移處理，確保沉降觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

2.6.4 橋墩平面變形監(jiān)測

采用在橋墩頂變形點上安置高精度棱鏡，在江兩岸基準(zhǔn)點上同時架設(shè)全站儀，兩全站儀互為后視點，用前方邊角交會方式，測量變形點平面坐標(biāo)。在設(shè)計基準(zhǔn)點網(wǎng)形時，應(yīng)考慮交會角度應(yīng)在30°～120°，如太小或太大，在優(yōu)先考慮滿足精密光電測距三角高程要求的前提下，可通過調(diào)整基準(zhǔn)點位置或增加布設(shè)基準(zhǔn)點來解決交會角度問題。

3 基準(zhǔn)點觀測技術(shù)要求

按照二等平面控制網(wǎng)要求，采用GPS靜態(tài)測量方式，建立基準(zhǔn)點平面首級控制網(wǎng)，并與線路CPI控制網(wǎng)采用邊聯(lián)式聯(lián)測。每6個月復(fù)測1次［2，8］。建網(wǎng)及復(fù)測技術(shù)要求應(yīng)執(zhí)行現(xiàn)行《高速鐵路工程測量規(guī)范》(TB10601—2009)的相關(guān)規(guī)定。

按照二等水準(zhǔn)測量要求，建立高程基準(zhǔn)網(wǎng)，并與線路二等水準(zhǔn)控制網(wǎng)聯(lián)測，建網(wǎng)及復(fù)測技術(shù)要求應(yīng)執(zhí)行《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》(GB/T12897—2006)的相關(guān)規(guī)定。

4 變形監(jiān)測技術(shù)要求［2］

(1)根據(jù)規(guī)范要求，橋墩水平位移觀測應(yīng)按二等變形測量等級執(zhí)行［6］，沉降觀測應(yīng)按變形測量三等規(guī)定執(zhí)行，精度指標(biāo)見表1。

表1 不同變形測量等級的精度要求 mm

(2)水平位移監(jiān)測水平角方向觀測技術(shù)要求應(yīng)符合表2的規(guī)定。

表2 水平角方向觀測法的技術(shù)要求

(3)邊長測量技術(shù)要求應(yīng)符合表3的規(guī)定。

表3 邊長測量技術(shù)要求

(4)精密光電測距三角高程測量采用往返觀測，技術(shù)要求應(yīng)符合表4的規(guī)定。

表4 精密光電測距三角高程測量主要技術(shù)要求

(5)全站儀測量得到的斜距應(yīng)進(jìn)行氣象和儀器常數(shù)改正。當(dāng)測邊兩端氣象條件差異較大時，應(yīng)在測站和反射鏡站分別測記，取兩端平均值進(jìn)行氣象改正。氣壓、氣溫讀數(shù)取位應(yīng)符合表5的規(guī)定。

表5 氣壓、氣溫讀數(shù)取位要求

5 觀測實施中的注意事項

(1)由于精確測量橋梁高墩頂部的三維坐標(biāo)會受測量時的風(fēng)速、風(fēng)向、振動、日照等的影響。為確保精度，測量作業(yè)應(yīng)選擇在風(fēng)力小于3級且無明顯振動的情況下進(jìn)行。除要記錄氣溫、氣壓外，還應(yīng)記錄天氣、風(fēng)速、風(fēng)向、測站起止時間、河水水位、近期降雨量等信息，以利于對橋墩結(jié)構(gòu)變形特性和異常數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合準(zhǔn)確分析。

(2)精密三角高程測量，觀測時間的選擇取決于成像是否穩(wěn)定。在日出、日落時，大氣垂直折光系數(shù)變化較大，不應(yīng)進(jìn)行長邊觀測［10］。在陰天、夜間大氣比較穩(wěn)定的情況下，觀測精度最好。

(3)水準(zhǔn)尺適配器、強制對中三角座對中桿應(yīng)采用耐磨損材料。2套全站儀儀器高差值，水準(zhǔn)尺適配器高度應(yīng)和儀器其它鑒定項目一起定期鑒定，防止對測量數(shù)據(jù)精度造成影響。

(4)如一站觀測時間過長，應(yīng)重新對向觀測。盡量降低因沒有同時對向觀測，大氣折光對高差測量的影響［10］。

6 結(jié)語

精密光電測距三角高程測量精度高;受地形條件限制小;滿足目前國內(nèi)絕大部分高速鐵路大跨度橋梁墩臺的沉降觀測要求(目前國內(nèi)高速鐵路橋最大跨度為580 m)，監(jiān)測方法具有普遍適用性;不受通航、行洪、列車通行(可利用夜間空閑時間窗口)等影響;監(jiān)測成果精度高，同時得到橋墩豎向沉降和水平位移三維成果，對橋梁穩(wěn)定性分析更具參考價值。根據(jù)三維變形監(jiān)測成果得出的橋梁穩(wěn)定性分析結(jié)論對監(jiān)測施工質(zhì)量、制訂墩臺加固方案、確保鐵路運營安全意義更大。

［1］淮海工學(xué)院.橋梁工程變形監(jiān)測［EB/OL］.［2012-02-16］.http://wenku.baidu.com/view/18a9fde0524de518964b7d73.html.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB10601—2009/J962—2009 高速鐵路工程測量規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［3］國家測繪局.GB/T12897—2006 國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［4］中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009/J971—2009 高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

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［6］建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額研究所.JGJ8—2007/J719—2007 建筑變形測量規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［7］張正祿，鄧勇，等.精密三角高程代替一等水準(zhǔn)測量的研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報:信息科學(xué)版，2006(1):5-6.

［8］鐵道部工程管理中心.工管技［2009］77號 客運專線鐵路變形觀測評估技術(shù)手冊［M］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［9］成大先，等.機械設(shè)計手冊［M］.5版.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［10］潘正風(fēng).精密三角高程測量［EB/OL］.［2012-02-18］.http://wenku.baidu.com/view/560a2885ec3a87c24028c40d.html.