高速鐵路運(yùn)營期線橋結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測及安全評估

徐明偉

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 天津 300251)

高速鐵路運(yùn)營期線橋結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測及安全評估

徐明偉

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 天津 300251)

采用InSAR差分干涉技術(shù)及精密工程測量網(wǎng)進(jìn)行橋梁墩臺及線上構(gòu)筑物的差異沉降監(jiān)測和變形監(jiān)測，對橋梁結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性分析及評估。

高速鐵路 運(yùn)營監(jiān)測 安全評估

高速鐵路運(yùn)行速度快，對線橋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有很高的要求。高速鐵路下部建筑物的沉降直接影響到線橋設(shè)備的質(zhì)量狀態(tài)，只有通過全面、細(xì)致、高精度的運(yùn)營監(jiān)測，才能掌握線橋結(jié)構(gòu)的具體變化情況，尤其是對處在不均勻區(qū)域地面沉降范圍內(nèi)的線橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效監(jiān)測并及時對線橋結(jié)構(gòu)物的安全性做出合理評價就顯得尤為重要，對于確保高速動車組運(yùn)行安全具有十分重要的意義。

1 監(jiān)測內(nèi)容及目的

1.1 區(qū)域性地面沉降監(jiān)測

為了得到沿線大范圍地面沉降等值線圖，一般采用InSAR差分干涉技術(shù)進(jìn)行大范圍面狀區(qū)域的地面沉降測量，以得到鐵路沿線地面沉降的宏觀情況。目前，為了提高InSAR的測量精度，一般采用D-InSAR技術(shù)及PS技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及相關(guān)分析，主要流程為復(fù)型影像數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、干涉條紋圖的生成、相位解纏、高程計算等。如圖1，左右兩幅圖為沉降等值線圖的不同表達(dá)方式，從沉降等值線圖中能夠直觀反映高速鐵路沿線較大范圍地面沉降的現(xiàn)實(shí)情況，從而為監(jiān)測方案的合理制定提供直接依據(jù)。

圖1 沉降等值線圖

1.2 精密工程控制網(wǎng)的沉降監(jiān)測

在運(yùn)營期間，通過對高速鐵路建設(shè)期間建設(shè)完成的精密工程控制網(wǎng)(主要是精密高程控制網(wǎng))進(jìn)行周期性復(fù)測，以維護(hù)鐵路沿線高程基準(zhǔn)有較高的高程精度。同時，也是確定鐵路沿線水準(zhǔn)點(diǎn)以點(diǎn)成線而形成的淺層地表沉降(埋深較淺的普通水準(zhǔn)點(diǎn))和深層地面沉降(埋深較深的深埋水準(zhǔn)點(diǎn)，埋深一般在40～70 m)的直接觀測資料。如圖2，通過周期性的對高程控制網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測，在維護(hù)高程基準(zhǔn)精度的同時，對合理劃分重點(diǎn)沉降區(qū)段具有重要意義。

1.3 橋墩及相鄰墩臺間差異的沉降監(jiān)測

運(yùn)營期間對橋梁墩臺進(jìn)行逐墩觀測，通過普查性的逐墩觀測可以在建設(shè)期間橋墩沉降監(jiān)測的基礎(chǔ)上，更為準(zhǔn)確地監(jiān)測到橋梁運(yùn)營期間的沉降變化趨勢，為確定重點(diǎn)監(jiān)測地段及橋梁相鄰墩臺間差異沉降變化情況提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。如圖3，可以清晰反映某段橋墩監(jiān)測中相鄰墩臺間差異沉降變化情況，而圖4是反映監(jiān)測段落內(nèi)橋梁墩臺的縱向沉降趨勢，圖3和圖4所用數(shù)據(jù)是進(jìn)行橋梁安全性評價的重要依據(jù)，也是后續(xù)梁體安全整治的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖2 水準(zhǔn)點(diǎn)沉降曲線

圖3 橋墩間高差變化

圖4 橋墩高程變化

1.4 線上構(gòu)筑的變形監(jiān)測

線上結(jié)構(gòu)物的監(jiān)測中，軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)平面及高程的周期性復(fù)測是主要工作內(nèi)容，通過對CPⅢ的復(fù)測，可以準(zhǔn)確監(jiān)測線橋結(jié)構(gòu)物最為直接的沉降變形情況，同時也是維護(hù)線上控制網(wǎng)精度的主要方式，為軌頂高程測量及線路結(jié)構(gòu)物的靜態(tài)檢測(包括軌距、軌向、高低、水平、扭曲等檢測指標(biāo))提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(如圖5所示)。

圖5 軌道控制網(wǎng)高程變化曲線

線上結(jié)構(gòu)物的監(jiān)測中，軌頂高程測量是直接測定軌道面縱向差異沉降變化趨勢的主要途徑，為準(zhǔn)確分析軌道面長波及短波不平順性提供了直接的觀測數(shù)據(jù)。通過對軌面平順性的分析，為進(jìn)一步進(jìn)行軌道靜態(tài)檢查和軌道整治方案的制定提供數(shù)據(jù)支持。

在線路結(jié)構(gòu)差異沉降變化情況影響最大的范圍內(nèi)，最易發(fā)生線上結(jié)構(gòu)病害的地段設(shè)置觀測斷面，以監(jiān)測軌道面、軌道板、梁面等結(jié)構(gòu)物之間在線路橫向上的相對變化情況。通常監(jiān)測斷面設(shè)置如圖6和圖7。

圖6 橋梁監(jiān)測斷面的設(shè)置

圖7 路基監(jiān)測斷面設(shè)置

1.5 其他監(jiān)測方式

根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容和監(jiān)測目的的多樣性，在運(yùn)營監(jiān)測過程中，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和監(jiān)測精度，合理選擇其他監(jiān)測手段，主要包括：構(gòu)筑物面狀變形可以采用近景攝影測量、地面LiDAR掃描、微波干涉測量等技術(shù)；構(gòu)筑物的傾斜變形、扭曲變形等可以采用精密水準(zhǔn)、全站儀測點(diǎn)等常用技術(shù)；構(gòu)筑物特征點(diǎn)的實(shí)時變形觀測可以采用各種形式的位移傳感器測量；對于沉降機(jī)理方面的監(jiān)測可以采用監(jiān)測地下水水位的水位計測量、不同地層沉降差異的深井分層標(biāo)測量等手段。

2 橋梁結(jié)構(gòu)安全性分析

2.1 簡支梁安全性分析

均勻的區(qū)域性地面沉降，對橋梁結(jié)構(gòu)不會造成影響，只有不均沉降總量的增加會造成線路坡度的變化，影響橋上線路坡度。沉降地段的橋梁安全性主要根據(jù)樁基形式及樁長與地面沉降壓縮土層深度之間的關(guān)系來確定，一般地面沉降壓縮土層深度大于樁長時，從地面沉降預(yù)測趨勢及結(jié)構(gòu)受力分析，橋梁本身是安全可靠的。結(jié)合簡支結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在出現(xiàn)較大的相鄰橋墩不均勻沉降現(xiàn)象時，梁體本身有著較大的適應(yīng)性，以32 m梁為例，即使相鄰橋墩出現(xiàn)100 mm的不均勻沉降，其附加坡度為0.31%，梁體本身也不會出現(xiàn)破壞情況。同時，在區(qū)域沉降段落一般采用可調(diào)支座，增加結(jié)構(gòu)對沉降的適應(yīng)能力?？烧{(diào)高支座類型不同，調(diào)高高度不同，對線路坡度的調(diào)節(jié)能力也不同，一般對設(shè)計坡度的調(diào)整量最大可達(dá)到2%。

2.2 連續(xù)梁結(jié)構(gòu)安全性分析

在連續(xù)梁地段出現(xiàn)較大差異沉降時，需要對連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行具體分析。根據(jù)連續(xù)梁結(jié)構(gòu)形式，對梁部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論計算，按照原設(shè)計模型，以相同的計算精度，根據(jù)現(xiàn)狀不均勻沉降值進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力理論分析，計算得到現(xiàn)狀主要截面正應(yīng)力(主跨和邊跨的支點(diǎn)、跨中、邊跨中的受力情況)。根據(jù)現(xiàn)狀主要截面正應(yīng)力與設(shè)計模型對比分析墩臺所對應(yīng)的梁體位置的應(yīng)力及安全系數(shù)變化情況，分析確定當(dāng)前主梁截面正應(yīng)力、剪應(yīng)力、主應(yīng)力，以及強(qiáng)度、抗裂安全系數(shù)是否滿足規(guī)范要求。一旦出現(xiàn)不利因素，立即進(jìn)一步開展必要的橋梁監(jiān)測，采取必要的防范措施，避免梁體開裂等病害發(fā)生。

3 軌道結(jié)構(gòu)安全性分析

以CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)為例。根據(jù)工程實(shí)際沉降情況，對相鄰墩臺和臺后過渡段(摩擦板、端刺)發(fā)生沉降后的無砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性試算分析。試算步驟如下：

(1)根據(jù)軌道所處地段結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(橋梁段主要分為簡支梁和連續(xù)梁，路基段主要為臺后過渡段)，以設(shè)計資料為依據(jù)，合理確定試算模型。

(2)根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)，合理確定試算參數(shù)。

(3)通過簡支梁結(jié)構(gòu)對計算結(jié)果進(jìn)行初步分析。簡支梁墩臺差異沉降對軌道結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性影響上，曲線地段相鄰墩臺差異沉降大于15 mm時，底座板裂紋寬度可能超過0.3 mm；直線地段相鄰墩臺差異沉降超過35 mm時，底座板裂紋寬度可能超過0.3 mm；曲線地段，當(dāng)相鄰墩臺差異沉降超過70 mm時，底座板與梁體間固結(jié)機(jī)構(gòu)的縱向力超過設(shè)計荷載，影響結(jié)構(gòu)安全；直線地段，當(dāng)相鄰墩臺差異沉降超過75 mm時，底座板與梁體間固結(jié)機(jī)構(gòu)的縱向力超過設(shè)計荷載，影響結(jié)構(gòu)安全。

(4)通過連續(xù)梁結(jié)構(gòu)對計算結(jié)果進(jìn)行初步分析。連續(xù)梁墩臺差異沉降對軌道結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性影響上，當(dāng)相鄰墩臺差異沉降超過15 mm時，底座板裂紋寬度可能超過0.3 mm，影響結(jié)構(gòu)耐久性，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)安全。相鄰墩臺沉降差異在計算范圍內(nèi)，底座板與梁體間固結(jié)機(jī)構(gòu)的縱向力未超過設(shè)計荷載，不影響結(jié)構(gòu)安全。

(5)通過臺后過渡段(摩擦板、端刺)結(jié)構(gòu)對計算結(jié)果進(jìn)行初步分析，當(dāng)過渡段沉降差大于50 mm/50 m時，底座板裂紋寬度可能超過0.3 mm，影響結(jié)構(gòu)耐久性，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)論

高速鐵路的運(yùn)營監(jiān)測工作需要運(yùn)用多種測量手段，從整體到局部、從全面到重點(diǎn)地開展各項監(jiān)測內(nèi)容，通過對多種監(jiān)測數(shù)據(jù)和結(jié)果的綜合分析，必要時及時調(diào)整監(jiān)測方案，做到監(jiān)測項目合理有效、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，尤其是在重點(diǎn)地段的線橋結(jié)構(gòu)物變形監(jiān)測工作中，必須根據(jù)結(jié)構(gòu)物特點(diǎn)開展切實(shí)有效的監(jiān)測工作，為結(jié)構(gòu)物安全性分析提供有效監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過對線橋結(jié)構(gòu)物在既有沉降量的基礎(chǔ)上的建模分析，確定結(jié)構(gòu)物安全預(yù)警的限值或預(yù)判安全空間。

[1] 李樹偉.高速鐵路沉降監(jiān)測方法的應(yīng)用探討[J].鐵道勘察，2011(6):16-18

[2] 陳希成.高速鐵路板式軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2008

[3] 喬永平.橋梁結(jié)構(gòu)極限承載力分析及安全性評估[D].南寧：廣西大學(xué)，2009

PreliminaryDiscussionontheSettlementMonitoringandSaftyAssessmentofHigh-speedRailway’sStructureofTrackandBridgeDuringOperation

XU Ming-wei

2014-05-08

徐明偉(1982—)，男，2005年畢業(yè)于西南交通大學(xué)測繪工程專業(yè)，工程師。

1672-7479(2014)04-0020-04

TU433

： A