申江路高架跨越上海磁浮示范運營線的綜合監(jiān)護技術(shù)

胡松濤 王國強 曾國鋒 葉 豐 高 陽

(1. 同濟大學(xué)國家磁浮交通工程技術(shù)研究中心， 200092， 上海；2. 同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室， 201804， 上海//第一作者，碩士研究生)

0 引言

上海磁浮示范運營線(以下簡為“磁浮線”)西起龍陽路軌道交通樞紐，東至上海浦東國際機場。隨著城市交通建設(shè)的快速發(fā)展，交通網(wǎng)越來越密集，不可避免地會有新的工程(道路、軌道交通、管線等)穿越磁浮線路或其它既有工程。這些新建工程或者上跨或者下穿既有構(gòu)筑物。高架結(jié)構(gòu)在跨越既有橋梁和結(jié)構(gòu)的施工過程中，會對既有樁基等結(jié)構(gòu)物造成影響，導(dǎo)致既有樁基等結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生變形進(jìn)而影響其平順性。因此，高架結(jié)構(gòu)上跨工程對地表及樁基結(jié)構(gòu)的變形控制成為施工與運營的重點與難點。

由于高速磁浮系統(tǒng)對軌道的變形精度要求非常高，類似工程的經(jīng)驗不能直接采用，且申江路高架跨越磁浮線工程尚屬首次，這就對現(xiàn)場施工與變形監(jiān)測提出了更高的要求。根據(jù)《上海市軌道交通管理條例》[3]、《上海市軌道交通安全保護區(qū)暫行管理規(guī)定》[4]和《上海高速磁浮安全保護區(qū)管理條例》[5]規(guī)定，磁浮軌道梁投影線兩側(cè)各30 m范圍內(nèi)均為磁浮保護區(qū)，在保護區(qū)范圍內(nèi)施工必須經(jīng)市運輸管理處同意。施工單位應(yīng)辦妥在軌道交通安全保護區(qū)內(nèi)作業(yè)的監(jiān)護手續(xù)，并根據(jù)批準(zhǔn)的作業(yè)方案進(jìn)行施工。軌道交通項目建設(shè)單位或者線路運營單位應(yīng)當(dāng)編制作業(yè)項目監(jiān)護方案，對安全保護區(qū)內(nèi)的軌道交通結(jié)構(gòu)設(shè)施進(jìn)行保護。本文將綜合監(jiān)護技術(shù)運用到申江路高架跨越磁浮線工程中，保證了施工過程中磁浮線的正常安全運營。

1 工程概況

申江路(中環(huán)線—滬蘆高速S 2)高架專用道工程位于上海市浦東新區(qū)，北起已建的中環(huán)線申江路立交，向南經(jīng)軍民公路、沔北路、康橋東路、滬高速S 20、滬蘆高速S 2，至迪士尼西入口入園大道。線路全長約6.7 km，道路紅線寬40.0～88.5 m，高架橋總寬度為25 m，跨越康橋路到滬高速S 20結(jié)束，如圖1所示。

圖1 申江路、康橋東路和磁浮線相互關(guān)系俯視圖

申江路跨越磁浮線工程共包括16段鋼箱梁，跨度長達(dá)57 m，總重為805.5 t。吊裝時需要1臺650

t履帶吊機、2臺350 t汽車吊機和2臺160 t汽車吊機。磁浮線橋墩與擬建申江路高架橋墩相對位置如圖2所示。圖2中，吊裝作業(yè)離磁浮線較近，施工荷載會直接施加在磁浮線承臺上。如此大的荷載會導(dǎo)致磁浮線基礎(chǔ)承臺變形，進(jìn)而導(dǎo)致磁浮線軌道變形，影響磁浮線安全運行甚至造成危險。因此,必須采取綜合監(jiān)護技術(shù)確保磁浮線變形在可控范圍內(nèi)。

2 磁浮線變形要求及綜合監(jiān)護技術(shù)工作內(nèi)容

2.1 外部施工對磁浮線變形要求

文獻(xiàn)[5]規(guī)定，外部工程施工對磁浮線軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加變形控制值要求為：①基礎(chǔ)總沉降量不超過2 mm；②前后支墩的累計不均勻沉降量不大于1 mm；③前后支墩橫橋向累計差異偏移量不大于1 mm；④同一承臺左右側(cè)支墩累計不均勻沉降量不大于0.5 mm。

圖2 磁浮線橋墩與擬建申江路高架橋墩相對位置平面圖

2.2 綜合監(jiān)護技術(shù)工作內(nèi)容

綜合監(jiān)護技術(shù)是指在磁浮線保護區(qū)范圍內(nèi)有外部工程施工時能保障磁浮列車安全運營的綜合性技術(shù)措施，即在外部施工期間，應(yīng)保證磁浮線變形在上述允許范圍內(nèi)。該項工作在時間跨度上涵蓋施工前、施工期間和施工后所進(jìn)行的一系列對磁浮線結(jié)構(gòu)設(shè)施的技術(shù)保障措施。具體詳述如下：

(1) 施工前的方案優(yōu)化及影響估算。具體包括線路方案優(yōu)化、設(shè)計方案優(yōu)化、施工方案優(yōu)化、施工方案對磁浮線結(jié)構(gòu)設(shè)施的影響評估以及監(jiān)測方案制定等其它土建工程方案優(yōu)化，同時亦包含技術(shù)應(yīng)急預(yù)案等。

(2) 施工期間的綜合監(jiān)測及數(shù)據(jù)綜合分析。在申江路跨越磁浮線工程施工期間，尤其是在吊裝過程中，應(yīng)對磁浮線設(shè)施的變形進(jìn)行監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析。申江路工程中的綜合監(jiān)測手段主要采用大地測量人工監(jiān)測。同時在施工期間應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合分析,具體包括監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和磁浮線放行的綜合判斷。

(3) 工程結(jié)束的后評估。在工程結(jié)束后的一段時間內(nèi),應(yīng)對工程繼續(xù)進(jìn)行變形觀測，直至變形達(dá)到穩(wěn)定。另外，在工程運營期間會存在動荷載，因此應(yīng)對此進(jìn)行事前評估、事中監(jiān)測及綜合評價。

3 監(jiān)測點布設(shè)及要求

根據(jù)磁浮線保護區(qū)綜合技術(shù)監(jiān)護要求，對5個磁浮線墩柱(分別為P 0360、P 0361、P 0362、P 0363和P 0364)兩側(cè)各30 m范圍內(nèi)的磁浮線軌道結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施進(jìn)行監(jiān)護。

3.1 監(jiān)測點布設(shè)

3.1.1 墩柱豎直位移變形監(jiān)測

以申江路跨越磁浮線工程施工影響區(qū)域外的磁浮線墩柱上的水準(zhǔn)點為基準(zhǔn)(選取P 0358和P 0366墩柱)，對上述5個磁浮線墩柱分別在磁浮線左、右軌道兩種情況下的沉降和傾斜變形進(jìn)行監(jiān)測，得到墩柱的變形數(shù)據(jù)，同時每周應(yīng)定期復(fù)核該基準(zhǔn)點的變形數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化。部分監(jiān)測點布設(shè)示意如圖3所示。

注:監(jiān)測點位于每個墩柱靠軌道外側(cè)面較低的位置

3.1.2 墩柱水平位移變形監(jiān)測

在磁浮線墩柱外側(cè)結(jié)構(gòu)上貼全站儀專用測量反射片，并固定在梁端高處外側(cè)并確保其牢固。水平位移監(jiān)測點共設(shè)10個，分別為P 0360 A、P 0361 A、P 0362 A、P 0363 A、P 0364 A，以及P 0360 B、P 0361 B、P 0362 B、P 0363 B、P 0364 B。

3.1.3 墩柱傾斜變形監(jiān)測

在距申江路高架專用道工程最近的3個墩柱的橫橋向和順橋向兩個方向布置觀測點。共設(shè)置12個傾斜觀測點，編號分別為QX 0361(A、B、C、D)、QX 0362(A、B、C、D)和QX 0363(A、B、C、D)，同時在測點位置粘貼測量反光標(biāo)志。

3.2 變形報警值

在施工過程中，必須進(jìn)行實時跟蹤監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)生異常變形，立即啟動應(yīng)急預(yù)案。監(jiān)測報警值如表1所示。

實際操作時，當(dāng)變形速率連續(xù)2 d達(dá)到表1所列數(shù)值或累計變形量達(dá)到表1所列數(shù)值的80%時即應(yīng)進(jìn)行預(yù)警。

4 申江路高架專用道工程綜合監(jiān)護技術(shù)中所采取的關(guān)鍵技術(shù)

申江路高架跨越磁浮線工程存在周邊環(huán)境復(fù)雜、沿線地質(zhì)條件較差、施工周期較長和工程難度較大等特點。在綜合監(jiān)護技術(shù)中，將理論計算和施工監(jiān)測相結(jié)合，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工，經(jīng)過不斷積累經(jīng)驗和反復(fù)論證，采用多種手段和措施，最大限度地保證磁浮線的安全。施工前應(yīng)通過建模模擬計算各種施工工況，并根據(jù)計算結(jié)果優(yōu)化施工方案。在施工過程中，對變形點進(jìn)行實時監(jiān)測和計算分析，同時根據(jù)現(xiàn)場情況，分析危險源，提出可行的改進(jìn)措施和建議，以保證工程施工引起的變形始終處于安全和可控的范圍內(nèi)。

表1 監(jiān)測報警值

4.1 施工前的模擬分析和方案優(yōu)化

施工前項目組采用MIDAS GTS 4.0計算軟件進(jìn)行建模計算。模型中，土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)，承臺及樁基采用彈性本構(gòu)，樁基及支護結(jié)構(gòu)采用一維桿單元。

為了消除數(shù)值計算中邊界條件對計算結(jié)果的影響，建模時水平長度(申江路高架兩端橋墩中心距離)取117 m，土層深度取78 m(模型底面距離樁底15 m)。結(jié)構(gòu)單元力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 數(shù)值計算中結(jié)構(gòu)單元力學(xué)參數(shù)表

對申江路高架橋施加運營荷載后進(jìn)行模擬計算，計算結(jié)果如表3所示。

表3 磁浮線墩頂附加變形表

由表3可知，在施工過程中，磁浮線墩柱的側(cè)向變形會超出允許值，因此需要對施工方案進(jìn)行優(yōu)化，并采取必要的措施以保證施工過程中磁浮線的安全。

通過進(jìn)一步分析可知，在大梁的吊裝過程中，履帶機直接壓在磁浮線承臺上，使得承臺產(chǎn)生變形，為此提出施工前需在施工工作面范圍內(nèi)對地基進(jìn)行預(yù)處理，通過該措施來提高地基承載力。具體措施為：首先進(jìn)行地基注漿，待地基固結(jié)后在吊裝區(qū)域基層用壓路機壓實平整，上鋪厚15 cm C10混凝土墊層，再在其上澆筑C30鋼筋混凝土，最后鋪設(shè)尺寸為12.0 m×10.5 m的雙層重型路基箱。經(jīng)現(xiàn)場測試，上述措施處理后地基承載力可達(dá)到10 t/m2。該值大于相關(guān)規(guī)范規(guī)定的6.97 t/m2,因此滿足吊裝要求。

除上述地基預(yù)處理措施外，在施工過程中還采取了加強基坑圍護體系剛度、采用安全可靠的基坑止水帷幕和采用合理的坑內(nèi)加固等措施。實踐證明，通過采取以上措施，可將變形控制在允許范圍內(nèi)，保證了磁浮線的安全。

4.2 現(xiàn)場分段拼接過程中的安全控制

分段梁的最大跨度為22.56 m，故而在現(xiàn)場吊裝拼接時需要搭設(shè)臨時支撐。因臨時支撐搭設(shè)區(qū)域靠近磁浮線承臺，為減少臨時支撐所在區(qū)域因施工產(chǎn)生的豎向力對磁浮線承臺的影響，需對臨時支撐所在區(qū)域進(jìn)行加固。

鋼箱梁在臨時支墩上落架時，為防止鋼箱梁連接過程中產(chǎn)生傾覆，需在梁連接處設(shè)置馬板進(jìn)行加固。在架梁過程中，應(yīng)加強對磁浮線墩柱(P 0360、P 0361、P 0362、P 0363、P 364)的變形監(jiān)測，實際上該施工措施并未導(dǎo)致磁浮線墩柱產(chǎn)生較大變形。

4.3 施工中的變形監(jiān)測及數(shù)據(jù)監(jiān)控

由于磁浮線的高精度要求，應(yīng)采用先進(jìn)的儀器和監(jiān)測手段，對磁浮線墩柱的豎直位移、水平位移和傾斜角進(jìn)行監(jiān)測。特別是在大梁吊裝過程中，應(yīng)進(jìn)行實時監(jiān)測，防止發(fā)生突變。

表4～5為主梁吊裝當(dāng)日部分磁浮線墩柱的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)。由表4～5可知，由大梁吊裝當(dāng)日產(chǎn)生的較大位移和沉降變形在第二日大多出現(xiàn)變形恢復(fù)的趨勢，特別是受影響最大的墩柱P 0362的變化趨勢更為明顯。這說明該變形是由荷載突變而引起的彈性變形，待荷載穩(wěn)定后，變形亦趨于穩(wěn)定，從而控制了風(fēng)險的產(chǎn)生。

圖4為主梁吊裝前后墩柱P 0362的位移變形曲線圖。由圖4可知，夜間磁浮線停運期間施工，在第二天運營前，變形能恢復(fù)，說明位移變形為彈性變形，為可控的。

表4 主梁吊裝當(dāng)日部分磁浮線墩柱變形監(jiān)測數(shù)據(jù)(一)

表5 主梁吊裝當(dāng)日部分磁浮線墩柱變形監(jiān)測數(shù)據(jù)(二)

圖4 P 0362墩柱位移變形曲線

4.4 竣工后的后評估及灰色預(yù)測

工程結(jié)束后，繼續(xù)對磁浮線墩柱變形進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，并通過建立灰色預(yù)測模型對后續(xù)磁浮線運營過程中產(chǎn)生的變形進(jìn)行預(yù)測。圖5為P 0363墩柱的預(yù)測變形曲線與實測變形曲線。由圖5可知，墩柱P 0363在2014年1月7日至12日的變形預(yù)測數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)相差較小，證明預(yù)測結(jié)果有效。1月11日鋼箱梁吊裝完成后的變形趨于穩(wěn)定且變形收斂，由此可證明工程的安全性和此次綜合監(jiān)護技術(shù)的有效性。

圖5 墩柱P 0363沉降預(yù)測與實測變形曲線對比

綜上所述，在申江路高架跨越磁浮線工程中采用了綜合監(jiān)護技術(shù)，通過采用相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，有效地控制了工程風(fēng)險，保證了上海磁浮列車示范運營線的安全運營。

5 結(jié)語

高速磁浮系統(tǒng)對線路軌道的精度有很高的要求，這對上海磁浮示范運營線的運營維護形成巨大的挑戰(zhàn)。由于地基的沉降會導(dǎo)致磁浮線軌道產(chǎn)生變形，從而降低了列車行駛時乘客的舒適度，嚴(yán)重時還會產(chǎn)生危險。而在磁浮線保護區(qū)內(nèi)有外部施工時，磁浮線結(jié)構(gòu)設(shè)施的變形可能會更加嚴(yán)重，給施工及運營帶來了巨大壓力。本文描述了綜合監(jiān)護技術(shù)在申江路高架跨越上海磁浮示范運營線工程中的應(yīng)用，驗證了綜合監(jiān)護技術(shù)的有效性，保證了上海磁浮運營示范線的安全運營，可為后續(xù)類似高精度工程的維保工作提供參考。